KR20150119211A - 환형 압력 방출 시스템 - Google Patents

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KR20150119211A
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Abstract

변형된 케이싱 커플링은, 마주하는 단부 개구들을 구비한 관통 구멍을 갖는 압력 방출 밸브 본체를 수용한다. 관통 구멍은 그 한쪽 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하며, 또한 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통한다. 관통 구멍은, 밀봉 볼을 수용하며 그 한쪽 단부 개구에 인접한 볼 시트를 포함한다. 볼은 인장 요소에 의해 볼 시트의 방향으로 가압된다. 볼은 갱정 시추공(well borehole)에 위치되는 갱정 케이싱(well casing)의 연속적인 길이부들 사이에 트랩(trap)되는 환형 압력에 노출된다. 인장 요소에 의해 볼 상에 가해지는 인장의 크기는, 일단 어떤 환형 압력에 도달되었다면, 볼이 볼 시트를 벗어나고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에 트랩되는 환형 압력을 해제하는 것을 허용하도록 선택된다.

Description

환형 압력 방출 시스템{ANNULAR PRESSURE RELIEF SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 유정 및 가스정에 대한 손상을 방지하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 임계적인 환형 압력 상승으로 인한 갱정 케이싱(well casing)의 손상을 방지하는 것에 관한 것이다.
제1 멀티 스트링 완결(multi-string completion) 이래로 환형 압력 상승(annular pressure buildup; APB)의 물리적 현상, 그리고 갱정 케이싱 및 튜브 스트링(tubing string)에 가해지는 관련 하중은 경험적으로 알려져 있다. 최근에, APB는 시추 및 완결 엔지니어의 관심을 끌고 있다. 현대식 갱정 완결에 있어서, APB에 기여하는 모든 요소는 특히 심해의 갱정에서 극한의 상황으로 압박되고 있다.
APB는 해저의 유정갱구(wellhead) 설비를 참고하면 가장 잘 이해된다. 유정 및 가스정에 있어서, 층(formation)의 섹션이 갱정의 나머지로부터 격리되어야만 하는 것은 드문 일이 아니다. 이는 전형적으로, 시멘트 칼럼의 상부를 후속 스트링으로부터 이전의 케이싱 슈(casing shoe) 위의 환형부(annulus) 내측까지 운반함으로써 달성된다. 이것은 층을 격리시키지만, 시멘트를 케이싱 슈의 내측까지 운반하면 자연적인 파열 구배(fracture gradient)에 의해 제공되는 안전 밸브를 효과적으로 차단시킨다. 케이싱 슈에서의 누설 대신에, 표면에서 방출되지 않으면, 케이싱 상에 임의의 압력 상승이 나타날 것이다. 대부분의 지상 갱정과 많은 해양 플랫폼 갱정에는, 모든 케이싱 환형부로의 접근을 제공하는 유정갱구가 설치되어 있으며, 관찰된 압력 증가를 신속하게 방출시킬 수 있다. 불행하게도, 대부분의 해저 유정갱구 설비는 각각의 케이싱 환형부에 접근할 수 없게 되어 있어서, 밀봉된 환형부가 자주 발생된다. 환형부가 밀봉되어 있기 때문에, 내부 압력은 시추정(wellbore) 온도의 상승에 반응하여 현저하게 증가될 수 있다.
대부분의 케이싱 스트링과 치환 유체(displaced fluid)는 거의 정온 상태로 설치된다. 해저 상에서, 온도는 약 34 ℉ 이다. 생산 유체는, 생산 유체가 표면을 향해 추출될 때 치환 유체를 분산시키고 가열하는 "열" 층(hot formation)으로부터 추출된다. 치환 유체가 가열될 때, 치환 유체는 팽창하며, 그리고 실질적인 압력 증가가 나타날 수 있다. 이 조건은 모든 생산 갱정에서 흔히 존재하지만, 심해 갱정에서 가장 명백하다. 심해의 갱정은, 생산 중에 생산 유체의 높은 온도와는 대조적으로 치환 유체의 차가운 온도 때문에 APB에 노출되기 쉽다. 또한, 해저의 유정갱구는 모든 환형부로의 접근을 제공하지 않으며, 또한 밀봉된 환형부에서의 임의의 압력 증가는 방출될 수 없다. 종종, 압력은 내부 스트링을 붕괴시킬 정도로, 또는 심지어 외부 스트링을 파열시킬 정도로 크게 될 수 있어서, 갱정을 파괴시킨다.
APB의 문제점에 대한 이전의 한 가지 해결책은, 외부 스트링 케이싱에 조인트(joint)를 취하고, 비교적 얇은 벽을 형성하도록 섹션을 밀링하는 것이었다. 그러나 밀링된 벽이 파괴되거나 파열되는 압력을 결정하는 것이 매우 어려웠다. 이는, 갱정이 압력 시험될 때 과도하게 취약한 벽이 파열되는 상황을 초래할 수 있었다. 다른 경우에는, 밀링된 벽이 너무 강하여, 외부 스트링이 파열되기 전에 내부 스트링이 붕괴되었다.
본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제6,675,898호에는 모듈형 "파열판(burst disk)" 조립체를 수용하기 위해 적어도 하나의 리셉터클을 포함하도록, 변형된 케이싱 커플링을 포함하는 대안적인 디자인이 도시되어 있다. 파열판 조립체는 미리 결정된 압력에서 파괴되도록 설계되며, 또한 온도에 대해 보상된다. 파열판은, 트랩된(trapped) 환형 압력이 내측 케이싱 또는 외측 케이싱의 무결성을 위협할 때 의도적으로 파손되도록 설계되었다. 또한 상기 디자인은, 파열판 조립체가 현장에서 또는 파이프 선적 전에 설치되는 것을 허용하였다.
개선된 파열판 디자인에 의해 제공되는 이점에도 불구하고, 고려 중인 타입의 자동 압력 방출 시스템에 추가적인 개선사항을 제공하는 것이 계속 요망되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 케이싱의 압력 시험을 통과하기에 충분한 내부 압력을 유지하지만 압력이 미리 결정된 레벨에 도달하였을 때에는 신뢰성 있게 해제되는 압력 방출 특징부를 갖는, 변형된 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 내부 스트링의 붕괴 압력보다 작으며 또한 외부 스트링의 파열 압력보다 작은 압력에서 해제되는 변형된 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 제조비용이 비교적 저렴하고, 설치하기에 용이하며, 비교적 협소한 고정된 압력 범위에서 신뢰성이 있는, 변형된 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 해저 도관에 의해 부유형 작업대(floating work station)에 연결되는 해저 유정갱구를 갖는 해양 갱정 상에서 사용되는 타입의 케이싱 스트링에 사용될 수 있는, 변형된 케이싱 커플링을 형성함으로써 달성되며, 상기 해저 유정갱구는, 해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치되며 또한 그 사이에 적어도 하나의 케이싱 환형부를 형성하는 다수의 케이싱 스트링에 연결된다.
변형된 케이싱 커플링은 미리 결정된 압력 상승 상태 하에서 적어도 선택된 케이싱 스트링들 사이로 환형 압력을 방출하기 위해 압력 방출 밸브를 수용한다. 변형된 케이싱 커플링은 커플링의 내부 및 외부를 형성하는 측벽을 갖는다. 또한, 리셉터클 하우징은 마주하는 단부 개구들을 갖는 관통 구멍을 포함하며, 상기 관통 구멍은 그 한쪽 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하며, 또한 그 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통한다.
관통 구멍은, 밀봉 볼을 수용하며 그 한쪽 단부 개구에 인접한 볼 시트를 포함하며, 상기 볼은, 볼 상에 주어진 크기의 인장을 가하며 관통 구멍 내에 위치되는 인장 요소에 의해 볼의 방향으로 가압된다. 볼은 갱정 시추공에 위치되는 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩(trap)되는 환형 압력에 노출된다. 관통 구멍은 변형된 케이싱 커플링의 측벽에 제공되는 포트에 의해 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하도록 배치될 수 있다. 인장 요소에 의해 볼 상에 가해지는 인장의 크기는, 일단 미리 결정된 환형 압력에 도달되었다면, 볼이 볼 시트를 벗어나고 그리고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에서 트랩되는 환형 압력을 해제하도록 선택된다.
압력 방출 밸브에 사용되는 인장 요소는 코일 스프링, 와셔, 접시 스프링 와셔, 및 그 조합물로 구성되는 그룹으로부터 통상적으로 선택될 수 있다. 볼 시트는 관통 구멍의 어느 쪽 단부에라도 제공될 수 있으며, 그에 따라 압력 방출 밸브는 어느 쪽 볼 시트가 밀봉 볼을 수용하느냐에 따라 두 방향 중 어느 방향으로도 작동하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 변형된 케이싱 리셉터클은 내부 압력 타입 밸브 본체와 외부 압력 타입 밸브 본체 모두를 허용하도록 구성될 수 있다.
또한, 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에서 트랩되는 환형 압력으로 인한 해양 유정 및 가스정의 손상을 방지하기 위한 방법도 도시되어 있다. 이미 설명한 바와 같이, 변형된 케이싱 커플링은 적어도 선택된 케이싱 스트링 내에 설치되며, 그리고 이미 설명한 압력 방출 밸브를 갖고 있다. 압력 방출 밸브의 관통 구멍은 그 한쪽 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하며, 또한 그 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통한다. 관통 구멍은 이미 설명한 바와 같이 볼 시트 및 밀봉 볼을 갖는다. 볼은 갱정 시추공에 위치된 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩되는 환형 압력에 노출된다. 인장 요소가 밀봉 볼 상에 가해지는 인장의 크기를 적절히 선택함으로써, 일단 미리 결정된 환형 압력에 도달되었다면, 상기 볼은 볼 시트를 벗어나고 그리고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에 트랩되는 환형 압력을 해제하는 것이 허용될 수 있다. 압력 방출 밸브가 개방되는 압력은 사용자에 의해 특정되며, 또한 온도에 대해 보상된다. 트랩된 환형 압력이 내부 케이싱 또는 외측 케이싱의 무결성을 위협할 때, 밸브가 개방된다.
추가의 목적, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 내부 압력을 해제하도록 구성되는 본 발명의 자동 압력 방출 서브(sub)의 부분적으로 개략적인 횡단 측면도이다.
도 2는 외부 압력을 해제하도록 구성된 서브를 도시한, 도 1과 유사한 도면이다.
도 3은 본 발명의 자동 압력 방출 시스템을 사용할 수 있는 타입의 예시적인 갱정 구성의 간략한 도면이다.
도 4는 여러 개의 가능한 자동 압력 방출 구성의 도면이다.
도 5는 해양 갱정 시추 리그(drilling rig)의 간략한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 압력 방출 밸브의 횡단면도로서, 상기 방출 밸브는 변형된 케이싱 커플링 내로 통합된다.
도 6a는 도 6의 밸브의 상면도이다.
도 7은 볼 및 볼 시트가 역전된 위치에 있는, 도 6과 유사한 도면이다.
도 7a는 도 7의 밸브의 상면도이다.
먼저 도 3으로 돌아가서, 도 3에는 전형적인 해양 갱정 시추 리그의 간략한 도면이 도시되어 있다. 데릭(derrick)(302)이 데크(deck)(304)의 상부에 지지되어 있다. 데크(304)는 부유형 작업대(306)에 의해 지지되어 있다. 전형적으로 데크(304) 상에는 데릭(302)의 아래에 위치되는 펌프(308) 및 호이스트 장치(310)가 있다. 케이싱(312)은 데크(304)로부터 현수되며, 그리고 해저 도관(314)과 해저 유정갱구 설비(316)를 통하여 시추공(318) 내를 통과한다. 해저 유정갱구 설비(316)는 해저(320) 상에 놓인다.
관련 기술의 숙련자에게 알려진 바와 같이, 지층의 지하층을 관통하는 구멍을 천공하여 시추공(318)을 형성하기 위해 통상적으로 회전 드릴이 사용된다. 회전 드릴이 지층을 뚫고 들어감에 따라, 당 업계에 "머드(mud)"로서 알려진 시추액(drilling fluid)이 시추공(318)을 통해 순환된다. 머드는 일반적으로 표면으로부터 시추관의 내부를 통해 펌핑된다. 시추관을 통해 시추액을 계속적으로 펌핑함으로써, 시추액은, 시추관의 바닥으로부터, 시추공(318)의 벽과 시추관 사이의 환형 공간을 통해 갱정의 표면으로 복귀된다. 머드는, 드릴 비트(drill bit)를 윤활 및 냉각하는 것을 돕는데 사용되며, 또한 시추공(318)이 시추될 때 절삭물(cutting)의 제거를 촉진시킨다. 또한, 머드의 칼럼에 의해 발생된 구멍 내의 정수압은, 시추정 내에서 직면할 수도 있는 고압으로 인해 발생할 수도 있는 분출을 방지한다. 고압에 의해 유발되는 분출을 방지하기 위하여, 머드는 시추 시 예상되는 임의의 압력보다 큰 정수압을 갖도록 머드 내에 중량물이 놓인다.
시추공(318)이 깊을수록 압력이 높아지기 때문에, 상이한 깊이에서는 상이한 타입의 머드를 사용해야만 한다. 예를 들어, 2,500 피트에서의 압력은 1,000 피트에서의 압력보다 훨씬 높다. 1,000 피트에서 사용된 머드는 2,500 피트의 깊이에서 사용하기에는 충분히 무겁지 않아서, 분출이 발생한다. 해저 갱정에 있어서, 깊은 곳에서의 압력은 엄청나다. 결과적으로, 극도로 깊은 곳에서의 머드의 중량은 시추공(318)의 고압에 대항하기 위해 특히 무거워야 한다. 특히 무거운 머드를 사용할 때의 문제점은, 머드의 정수압이 너무 높은 경우 머드가 층 내로 침입하거나 누출되어, 머드의 순환 손실을 발생시킨다는 것이다. 이 때문에, 2,500 피트에서 사용되어야 할 동일 중량의 머드는 1,000 피트에서는 사용될 수 없다. 이러한 이유로, 일반적으로 단일의 케이싱 스트링을 항상 원하는 최종 깊이의 시추공(318)의 아래에 두는 것이 가능하지 않다. 깊은 곳에 도달하는 데 필요한 머드의 중량도 너무 커지게 될 것이다.
상이한 타입의 머드를 사용할 수 있도록 하기 위해, 상이한 케이싱 스트링을 사용하여 시추공(318)에서 발견되는 넓은 압력 구배를 제거한다. 시작 시에, 시추공(318)은 더 무거운 머드가 요구되는 깊이로, 예를 들어 약 1,000 피트로 시추된다. 이 경우에, 케이싱 스트링이 시추공(318) 내로 삽입된다. 시멘트 슬러리가 케이싱 내로 펌핑되며, 시추공(318)과 케이싱의 외부 사이의 환형부로 시멘트를 강제하기 위해, 시추 머드 또는 시추액과 같은 유체의 플러그(plug)가 시멘트 슬러리의 뒤에서 펌핑된다. 시추공(318) 내에 갱정 케이싱을 접합하기 위해, 전형적으로 수경성 시멘트(hydraulic cement), 특히 포틀랜드 시멘트가 사용된다. 시멘트 슬러리는 케이싱을 제 위치에 보유하도록 고화(set) 및 경화될 수 있다. 또한, 시멘트는 수면 아래층의 띠형 분리(zonal isolation)를 제공하며, 또한 시추공(318)의 붕괴 또는 부식을 방지하는 것을 돕는다.
제1 케이싱이 고화된 후, 더 무거운 머드가 요구되는 깊이까지 시추공(318)이 다시 시추될 때까지, 그리고 요구되는 상기 더 무거운 머드가 층 내로 침입 또는 누설을 시작할 때까지, 시추가 계속된다. 또 다시, 케이싱 스트링이 시추공(318) 내로, 예를 들어 약 2,500 피트로 삽입되며, 시멘트 슬러리는 수면 아래층의 띠형 분리를 제공할 뿐만 아니라 케이싱을 제 위치에 보유하도록 고화 및 경화될 수 있고, 또한 시추공(318)의 붕괴 또는 부식을 방지하는 데 도움이 될 수 있다.
복수의 케이싱 스트링이 시추공에 사용될 수 있는 다른 이유는, 갱정의 나머지로부터 층의 섹션을 격리시키기 위한 것이다. 이를 달성하기 위해, 시추공(318)은 격리될 필요가 있는 층 또는 층의 섹션을 통해 시추되며, 또한 시멘트 칼럼의 상부를 후속 스트링으로부터 이전의 케이싱 슈 위의 환형부 내측까지 운반함으로써 그 층을 격리시키도록 케이스 스트링이 고화된다. 이는 얼마나 많은 층이 격리될 필요가 있는지에 따라 여러 번이라도 실행되어야 할 수 있다. 시멘트를 이전의 케이싱 슈 위의 환형부 내측까지 운반함으로써, 슈의 파열 구배가 차단된다. 차단된 케이싱 슈 때문에, 슈에서의 압력 누출이 방지되고, 케이싱 상에 임의의 압력 상승이 나타난다. 종종, 이러한 과도한 압력 상승이 표면에서 배출될 수 있으며, 또는 분출 방지기(blowout preventer; BOP)가 환형부에 부착될 수 있다.
그러나 해저의 유정갱구는 전형적으로, 해저에 고정되는 외부 하우징, 및 상기 외부 유정갱구 하우징 내에 수용되는 내부 유정갱구 하우징을 갖는다. 해양 갱정의 완결 도중에, 케이싱 및 튜브 행거(tubing hanger)는 하우징 위에 설치된 BOP 스택을 통해 유정갱구 하우징 내의 지지 위치로 하강된다. 갱정의 완결에 이어서, BOP 스택은 갱정 유체의 생산을 제어하기 위해 적절한 밸브를 갖는 생산정두장치(Christmas tree)에 의해 대체된다. 케이싱 행거가 하우징 구멍에 대해 밀봉되고, 튜브 행거가 케이싱 행거 또는 하우징 구멍에 대해 밀봉되어 있으므로, 케이싱 및 튜브 스트링과 튜브 행거 위의 하우징 구멍 사이의 환형부에 유체 장벽이 효과적으로 형성된다. 케이싱 행거가 위치되어 밀봉된 후, 압력 제어를 위하여 케이싱 환형 밀봉부가 설치된다. 상기 밀봉부가 표면 유정갱구 상에 있다면, 밀봉부는 종종 케이싱 환형부와 연통하는 포트를 가질 수 있다. 그러나 해저 유정갱구 하우징에는 대직경의 저압 하우징과 소직경의 고압 하우징이 있다. 고압 때문에, 고압 하우징은 안전을 위하여 어떠한 포트도 가져서는 안 된다. 일단 고압 하우징이 밀봉되었다면, 케이싱 행거 아래에 분출 방지기용 구멍을 갖는 것이 불가능하다. 과도한 압력 상승을 완화시키기 위한 수단을 갖지 않는 중실 환형 부재만 있을 뿐이다.
본 발명은, APB에 의해 유발된 전술한 문제점을 회피하는 데 사용되는 타입의 APRS 시스템의 개선에 관한 것이다. APRS를 사용한 APB 완화는 갱정 맞춤형 설계 과제이다. 고려 중인 특별한 갱정을 위해 다양한 설계 매개변수를 나타내기 위해 사용되는 예시적인 갱정 구성이 도 3에 도시되어 있다. 표 1에 케이싱 정격 기준이 제시되어 있다. 갱정은 해저 완결이며, 유정갱구 구성은 단지 튜빙 × 케이싱("A") 환형부로의 접근을 허용한다(도 3 참조). 13-3/8" 시멘트 탑(TOC) 및 9-7/8" 시멘트 탑이 이전의 케이싱 슈 아래에 도시되었더라도, 이들 슈는 계획된 TOC 위의 시멘트 채널링(channeling)으로 인해 또는 플러그를 정착 및 형성하는 중정석(barite)으로 인해 밀봉될 수 있다. 아래 표 1은 예시적인 갱정에 대한 케이싱 정격 기준에 관한 것이다.


케이싱 정격 기준(psi)
API 정격 기준
ISO 제안

MIYP
붕괴
파열
붕괴

20" 129.3 X -56
3,060
1,450
3,750
1,530

16"84.0 N-80
4,330
1,480
5,290
1,660

13-3/8" 72.00 P-110
7,400
2,880
8,390
3,270

10-3/4" 65.70 Q-125
12,110
7,920
13,350
8,910

9-7/8" 62.80 Q-125
13,840
11,140
15,370
11,920
13-3/8" × 20" 또는 C 환형부의 APB가 주로 13-3/8" 케이싱 상의 높은 붕괴 하중으로 인해 관심 있는 것으로 결정되었다면, 이때 압력은, 20" 스트링 또는 16" 스트링의 외향 통기 APRS를 사용함으로써 또는 13-3/8" 케이싱의 내향 작동 APRS를 사용함으로써 방출될 수 있다(도 4 참조).
외향 작동 APRS는 과잉 압력을 "파열" 방향으로 통기시킴으로써 13-3/8" 케이싱을 보호한다. 따라서 APRS 장치는 내부 스트링 붕괴 저항이 초과되기 전에 압력을 해제하도록 특정되어야 한다. 이상적으로, APRS 장치의 압력 정격 기준은, 정상적인 케이싱 설계 과정을 방해하지는 않지만 그러나 관의 기계적 파열 정격 기준보다는 낮게 되도록, 외측 케이싱의 최소 내부 항복 압력(minimum internal yield pressure)(MIYP)을 초과하도록 특정된다.
기계적 붕괴로부터 13-3/8" 케이싱을 보호하는 두 번째 방법은 13-3/8" 스트링 내에 내향 작동 APRS를 포함하는 것이다. 붕괴된 13-3/8" 케이싱은 생산 케이싱 상에 불균일한 충격 하중을 위치시킬 수 있어서, 어쩌면 내부 스트링에 손상을 전파할 수 있다. 이 비극적 손상 시나리오라는 위험을 감수하기보다는, 내향 작동 APRS 장치는 기계적 붕괴 임계치에 도달하기 전에 13-3/8" 에 걸쳐 차동 붕괴 압력을 균등하게 하는 수단을 제공할 수 있다.
이제 도 1 및 도 2로 돌아가면, 본 발명의 개선된 APRS 시스템의 부분적으로 개략적인 간략한 설명이 도시되어 있다. 시스템은 도 1에 일반적으로 도면부호 100 으로 도시된, 변형된 케이싱 커플링을 포함한다. 케이싱 커플링은 해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치된 케이싱 스트링 내에서 사용되도록 설계될 것이다. 도 3에 대해 설명되는 바와 같이, 해저 유정갱구는 해저 도관에 의해 부유형 작업대에 연결될 것이다. 해저 유정갱구는 전형적으로, 해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치되고 또한 그 사이에 적어도 하나의 케이싱 환형부를 형성하는, 다수의 케이싱 스트링에 연결될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변형된 케이싱 커플링(100)은 압력 방출 밸브와 같은 압력 방출 특징부를 수용하기 위해 적어도 하나의 리셉터클 하우징(102)을 갖는다. 변형된 케이싱 커플링(100)은, 커플링의 내부(106)와 외부(108) 및 커플링의 마주하는 단부 개구(110, 112)를 형성하는 측벽(104)을 갖는다. 변형된 커플링의 마주하는 단부들은, 변형된 케이싱 커플링이 갱정 케이싱 스트링 내로 집적되는 것을 허용하기 위해 적절히 나사 결합된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 리셉터클 하우징(102)은 마주하는 단부 개구(116, 118)를 갖는 관통 구멍(114)을 포함한다. 리셉터클 하우징의 관통 구멍(114)은, 그 한쪽 단부 개구(116)에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부(106)와 연통하며, 또한 그 반대쪽 단부 개구(118)에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통한다. 도시된 예에 있어서, 관통 구멍(114)은 변형된 케이싱 커플링의 측벽(104)에 제공된 포트(120)에 의해 케이싱 커플링 내부와 연통한다.
도 1 및 도 2에 도시된 APRS 장치의 일부를 형성하는 구체적인 압력 방출 밸브는 코일 스프링(122) 및 밀봉 볼(124)로 구성된다. 리셉터클 하우징(102)의 관통 구멍(114)은, 도 1에 도시된 위치에 있을 때 유체 기밀 밀봉을 형성하도록 밀봉 볼(124)을 수용하며 그 한쪽 단부 개구에 인접하는 볼 시트(126)를 포함한다. 코일 스프링(122)은 볼 시트(126)의 방향으로 밀봉 볼(124)을 가압하는 인장 요소로서 작용한다. 조정 너트(128)는 스프링 상의, 그리고 다음으로 밀봉 볼(124) 상의, 인장의 크기를 조정하기 위해 코일 스프링(122)의 아래에 위치된다. 인장 조정은 또한 하나 또는 그 이상의 와셔, 접시 스프링 등을 코일 스프링(122)의 아래에 설치하는 것과 같은, 다른 방법으로도 달성될 수 있다.
사용 시, 밀봉 볼(124)은 갱정 시추공에 위치된 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩되는 환형 압력에 노출된다. 인장 요소[코일 스프링(122)]에 의해 볼 상에 가해지는 인장의 크기는, 일단 미리 결정된 환형 압력에 도달되었다면, 볼이 볼 시트를 벗어나는 것 그리고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에서 트랩되는 환형 압력을 해제하는 것을 허용하도록 선택된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 관통 구멍(114)은 단부 개구(118)에 인접하여 반대로 배치되는 볼 시트(130)를 가질 수 있으며, 그에 따라 압력 방출 밸브는 어느 쪽 볼 시트가 밀봉 볼을 수용하느냐에 따라 두 방향 중 어느 방향으로도 작동될 수 있다. 도 1은 케이싱 스트링 내의 내부 압력에 의해 작동되도록 구성된 압력 방출 밸브를 도시하고 있다. 도 2는 압력 방출 밸브가 외부 압력에 의해 작동되는 반대의 구성을 도시하고 있다. 압력 방출 밸브의 가역적 특성은 재고 비용을 절감시키며, 그리고 조립 및 수리를 간단하게 한다.
도 6은 본 발명의 환형 압력 방출 밸브의 특히 바람직한 양태를 도시하고 있다. 이 경우에, (일반적으로 도면부호 135 로서 도시된) 압력 방출 밸브는 변형된 케이싱 커플링(136)의 측벽(134)에 수용되므로, 케이싱 스트링의 외경에 돌기가 형성되지 않는다. 도 6에 도시된 바와 같이, 변형된 케이싱 커플링(136)은 내부 측벽(138) 및 외부 측벽(140)을 가지며, 상기 내부 측벽(138)이 케이싱 스트링의 내부를 형성한다. 커플링 자체는, 변형된 케이싱 커플링이 갱정 케이싱 스트링 내로 집적되는 것을 허용하도록 반대의 나사형 단부를 가질 것이다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 압력 방출 밸브는 마주하는 단부 개구(144, 146)를 갖는 관통 구멍(142)을 또한 갖는다. 밸브의 관통 구멍(146)은, 그 한쪽 단부에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하며, 또한 그 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통한다.
도 6 및 도 7에 도시된 APRS 장치의 일부를 형성하는 구체적인 압력 방출 밸브는, 볼(150) 상에 인장을 가하는 접시 스프링 와셔로 구성된다. 밸브의 관통 구멍(142)은, 도 6에 도시된 위치에 있을 때 유체 기밀 밀봉을 형성하도록 밀봉 볼(150)을 수용하며 그 한쪽 단부 개구에 인접하는 볼 시트(152)를 포함한다. 접시 스프링 와셔(148)는 스프링 캐리어(149) 주위에 수용된다. 접시 스프링 와셔(148)는 볼 시트(146)의 방향으로 밀봉 볼(150)을 가압하는 인장 요소로서 작용한다. 스프링 와셔 상의, 그리고 다음으로 밀봉 볼(150) 상의, 인장의 크기를 조정하기 위해 조정 너트(154)가 제공된다. 도 6a는 도 6의 압력 방출 밸브의 상면도이다.
도 7은, 볼 시트, 볼, 및 인장 스트링이 밸브를 밀어내기 위해 볼 상에 작용하는 케이스 스트링 외측의 압력과는 반대로 배치되는 것을 제외하고는, 도 6과 유사한 도면이다. 따라서 도 6 및 도 7은 도 1 및 도 2에 대해 각각 제시된 그리고 설명된 개략적인 도면에 대응한다. 도 7 및 도 7a의 구성 요소는 대응하는 부분을 나타내기 위해 프라임(prime)으로 표기되었다. 도 7a는 도 7의 밸브의 상면도이다.
변형된 케이싱 커플링(136, 136')은, 단순히 각각의 밸브 본체를 변형된 케이싱 커플링에 제공되는, 대응하는 나사형 개구 내로 나사결합함으로써, 각각의 두 밸브 본체와 밸브 본체 부품 중 어느 쪽이라도 수용할 수 있음을 인식해야 한다. 이 특징은 케이싱 커플링의 상이한 타입의 재고를 제공할 것을 요구하지 않고서도, "쌍방향" 선택을 제공한다.
이상 본 발명의 여러 가지 이점을 설명하였다. 변형된 케이싱 커플링의 압력 방출 기능은 케이싱의 압력 시험을 통과하기에 충분한 내부 압력을 유지하며, 또한 압력이 미리 결정된 레벨에 도달하였을 때 신뢰성 있게 해제할 것이다. 상기 미리 결정된 레벨은 내측 스트링의 붕괴 압력보다 작으며, 또한 외측 스트링의 파열 압력보다 작다. 본 발명의 변형된 케이싱 커플링은 제조하기가 비교적 저렴하며, 또한 작동 시 신뢰성이 있다. 변형된 케이싱 커플링에 사용된 압력 방출 밸브는 그 두 단부 개구 중 어느 한쪽에 인접한 볼 시트를 가질 수 있으며, 그에 따라 압력 방출 밸브는 어느 쪽 볼 시트가 밀봉 볼을 수용하느냐에 따라 두 방향 중 어느 방향으로도 작동될 수 있다. 밀봉 볼이 해제하는 압력은 온도에 대해 보상될 수 있다. 변형된 케이싱 커플링은 케이싱 스트링으로부터 제거, 수리될 수 있으며, 그 후 케이싱 스트링에 재설치될 수 있다. 이것은 갱정 현장에서 적절히 작동되며 또한 갱정 현장에서 압력 조정된다.
본 발명의 단지 두 형태만을 도시하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 그 사상으로부터의 일탈 없이 다양한 수정 및 변경이 있을 수 있다.

Claims (11)

  1. 조합체에 있어서,
    해저 도관에 의해 부유형 작업대(floating work station)에 연결되는 해저 유정갱구
    를 포함하며,
    상기 해저 유정갱구는, 해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치되고 또한 그 사이에 적어도 하나의 케이싱 환형부를 형성하는 다수의 케이싱 스트링들에 연결되며,
    상기 조합체는,
    압력 방출 밸브를 수용하기 위한 변형된 케이싱 커플링
    을 추가로 포함하며,
    상기 변형된 케이싱 커플링은, 해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치되는 다수의 케이싱 스트링 중 적어도 하나 내에 위치되며,
    상기 변형된 케이싱 커플링은, 커플링의 내부 및 외부를 형성하는 측벽을 가지고, 상기 커플링은 마주하는 단부 개구들을 구비한 관통 구멍을 갖는 밸브 본체를 포함하며, 상기 밸브 본체의 관통 구멍은 그 한쪽 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하고, 그 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통하며,
    상기 밸브 본체의 관통 구멍은, 밀봉 볼을 수용하며 그 한쪽 단부 개구에 인접하는 볼 시트를 포함하고, 상기 볼은, 볼 상에 주어진 크기의 인장을 가하며 관통 구멍 내에 위치되는 인장 요소에 의해 볼 시트의 방향으로 가압되며,
    상기 볼은 갱정 시추공에 위치되는 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩(trap)되는 환형 압력에 노출되며, 상기 인장 요소에 의해 볼 상에 가해지는 인장의 크기는, 일단 미리 결정된 환형 압력에 도달되었다면 볼이 볼 시트를 벗어나고 그리고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에 트랩되는 환형 압력을 해제하는 것을 허용하도록 선택되는 것인 조합체.
  2. 제1항에 있어서,
    인장 요소는 코일 스프링, 와셔, 접시 스프링 와셔, 및 그 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 조합체.
  3. 제2항에 있어서,
    변형된 케이싱 커플링은 2개의 다른 스타일의 밸브 본체를 수용할 수 있는 나사형 개구를 가지며, 밸브 본체들 중 하나는 내측 케이싱 압력에 의해 작동되고 다른 하나는 외측 케이싱 압력에 의해 작동되는 것인 조합체.
  4. 제1항에 있어서,
    관통 구멍은 변형된 케이싱 커플링의 측벽에 제공된 포트에 의해 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하는 것인 조합체.
  5. 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩되는 환형 압력으로 인한 해양 유정 및 가스정의 손상을 방지하기 위한 방법으로서,
    압력 방출 밸브 본체를 수용하는 변형된 케이싱 커플링을 제공하는 단계; 및
    해저 유정갱구 아래의 시추공에 위치되는 다수의 케이싱 스트링 중 적어도 하나 내에 변형된 케이싱 커플링을 설치하는 단계
    를 포함하며,
    상기 변형된 케이싱 커플링은 커플링의 내부 및 외부를 형성하는 측벽을 가지고, 상기 밸브 본체는, 대향하는 단부 개구들을 갖는 관통 구멍을 포함하며, 상기 밸브 본체의 관통 구멍은 그 한쪽 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하고 또한 그 반대편 단부 개구에서 상기 변형된 케이싱 커플링을 둘러싸는 영역과 연통하고,
    상기 밸브 본체의 관통 구멍에는 밀봉 볼을 수용하고 그리고 그 한쪽 단부 개구에 인접하는 볼 시트가 마련되며, 상기 볼은, 주어진 크기의 인장을 볼 상에 가하며 관통 구멍 내에 위치되는 인장 요소에 의해 볼 시트의 방향으로 가압되며,
    상기 볼은 갱정 시추공에 위치되는 갱정 케이싱의 연속적인 길이부들 사이에 트랩되는 환형 압력에 노출되며, 상기 인장 요소에 의해 볼 상에 가해지는 인장의 크기는, 일단 미리 결정된 환형 압력에 도달되었다면, 볼이 볼 시트를 벗어나고 그리고 그에 따라 선택된 케이싱 스트링들 사이에 트랩되는 환형 압력을 해제하는 것을 허용하도록 선택되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    인장 요소는 코일 스프링, 와셔, 접시 스프링 와셔, 및 그 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    관통 구멍은 변형된 케이싱 커플링의 측벽에 제공된 포트에 의해 상기 변형된 케이싱 커플링의 내부와 연통하는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    인장 요소의 인장이 극복되어 볼이 볼 시트로부터 이동하는 것을 허용하는 선택된 압력은 온도에 대해 보상되는 것인 유정 및 가스정의 손상 방지 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    변형된 케이싱 커플링은 케이싱 스트링으로부터 제거, 수리될 수 있고, 그 후 케이싱 스트링에 재설치되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    변형된 케이싱 커플링은 갱정 현장에서 작동될 수 있는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    변형된 케이싱 커플링은 갱정 현장에서 압력 조정될 수 있는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
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