KR102244319B1

KR102244319B1 - 해양 시추 라이저용 트랜스듀서 어셈블리

Info

Publication number: KR102244319B1
Application number: KR1020197008672A
Authority: KR
Inventors: 추안린 판; 행 양; 싱 유; 빙 푸; 징 예; 웨이후아 샹; 행 우; 란 니우
Original assignee: 하이드릴 유에스에이 디스트리뷰션 엘엘씨
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2021-04-26
Also published as: MX2019002245A; BR112019002405A2; KR20190040322A; US20190218877A1; NO20190152A1; CN109690021A; US10982500B2; WO2018035840A1

Abstract

해양 시추 라이저(15)를 위한 유량계 조립체는 라이저 내로의 연결을 위한 스풀(11)을 포함한다. 상위 경사면(33) 및 하위 경사면(43)을 갖는 돌출부(31, 39)가 스풀의 측벽 주위에 연장된다. 상기 상위 경사면과 상기 하위 경사면 사이에서 상기 돌출부 주위로 환형의 V자형 리세스(45; recess)가 연장된다. 상위 트랜스듀서 보어(91)들은, 상기 돌출부 주위로 거리를 두고 있으며, 상위 경사면으로부터 스풀 보어(19) 내로 하방 내향으로 연장된다. 하위 트랜스듀서 보어(119)들은, 상기 돌출부 주위로 거리를 두고 있으며, 하위 경사면으로부터 스풀 보어 내로 상방 내향으로 연장된다. 경질 비금속 재료로 된 베이스(95, 123)가 각각의 트랜스듀서 보어 내에 위치하게 된다. 시일 링(99, 125)이, 각각의 베이스의 원통형 외측부와 트랜스듀서 보어들 중 하나 주위로 연장된다. 각각의 베이스의 외측 단부에 트랜스듀서 요소(104, 127)가 장착된다.

Description

해양 시추 라이저용 트랜스듀서 어셈블리

본 개시내용은 대체로 해양 시추 라이저(offshore drilling riser)에 관한 것이며, 구체적으로 예컨대 시추 유체 유동 내부에서의 움직임을 탐지하기 위한 트랜스듀서 및 라이저 내에 연결되는 스풀(spool) 그리고 시추 스트링 스레드 커넥터 조인트(drill string threaded connector joint)를 갖춘 장치에 관한 것이다.

해양 정 시추(offshore well drilling) 중에, 작업자는 해저의 웰헤드(wellhead)와 시추 플랫폼 사이에 시추 라이저를 채용하게 된다. BOP(blowout preventor)는 시추 라이저와 해저의 웰헤드 사이를 연결하여 정(well)에서 나타나는 압력을 제어한다. 시추 중에, 시추 스트링은 시추 라이저, BOP, 및 해저의 웰헤드를 통해 정 내로 연장된다. 작업자는, 드릴 비트를 회전시키는 동안 시추 유체를 시추 스트링 아래로 펌핑한다. 시추 유체는, 지층 절단물과 함께 환형으로 상방 복귀한다. 평상 시에, 시추 유체는 시추 스트링 주위에서 라이저 상방으로 유동한다.

때때로, 정 내에서 예상치 못한 압력이 발생할 수 있으며, 이는 압력 반등(pressure kick)을 유발시킨다. 이러한 압력 반등은, 제어되지 못하는 경우, 폭발을 야기할 수 있다. 압력 반등의 조기 탐지를 위해 다양한 기법이 제안되어 있다. 제안된 한 가지 기법은, 시추 스트링 주위에서 환형으로 상방 유동하는 시추 유체의 유량을 탐지하기 위해 해저 정 하우징 부근에 유량계를 채용하고 있다. 상기 유량계는, 시추 플랫폼으로부터 수 천 피트 떨어져 있을 수 있는 해저 위치에서의 높은 압력 및 온도를 견딜 수 있어야만 한다. 해저 웰헤드 부근의 시추 라이저에서의 유동을 모니터링하기 위한 유량계 장치는 아직 일반적으로 통용되지 않고 있다.

일반적으로 다양한 유형의 유량계가 존재한다. 한 가지 유형은 초음파 트랜스듀서이며, 이는 초음파 에코그래피 및 도플러 이론에 기초하여 유체의 속도 정보를 획득하는 데 사용될 수 있다. 이 트랜스듀서는 펄스형 초음파를 유체 내로 방출한다. 유체 내의 불순물 및 오염물은 상기 펄스형 초음파를 반사시키며, 트랜스듀서는 이러한 반향(echo)를 받아들인다. 도플러 이론은, 알려진 공식을 통한 속도 계산을 가능하게 한다.

해양 시추 라이저를 위한 장치는, 라이저 내로의 연결을 위해 상단부 및 하단부 상에 커넥터를 갖춘 스풀(spool)을 포함한다. 스풀은, 스풀 보어(spool bore) 및 길이방향 스풀 축선과 함께 측벽을 갖는다. 제1 밴드(band)는, 상기 스풀 축선과 동심인 측벽의 외측 주위에 연장되며 측벽의 일부로서 형성된다. 제1 밴드는, 스풀 축선에 대해 상방 외향으로 향하는 제1 밴드 상위면을 갖는다. 제1 밴드는, 스풀 축선에 대해 하방 외향으로 향하는 제1 밴드 하위면을 갖는다. 상기 상위면 및 상기 하위면은 원추형일 수 있다. 복수 개의 제1 밴드 트랜스듀서 보어가 상기 상위면 및 상기 하위면 중 하나로부터 제1 밴드를 통해 스풀 보어까지 연장된다. 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어는, 스풀 보어 축선에 대해 기울어진 트랜스듀서 보어 축선을 갖는다. 각각의 트랜스듀서 보어에 있는 제1 밴드 트랜스듀서 마운트는 스풀 보어를 통해 유동하는 시추 유체의 파라메타를 탐지하는 역할을 한다.

각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어로부터 축방향으로 연장되는 케이블 통로는 스풀의 외측 부분 상에 출구를 갖는다. 각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터 케이블 통로들 중 하나 내로 연장되는 트랜스듀서 케이블은, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서에 전력을 공급하고, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 내외로 신호를 전달한다. 도시된 실시예에 있어서, 모든 제1 트랜스듀서 보어는 제1 밴드 상위 경사면으로부터 하방 내향으로 연장된다.

제2 밴드는, 상기 스풀 축선과 동심인, 제1 밴드 아래의 측벽의 외측 주위에 연장되며, 측벽의 일부로서 일체로 형성된다. 제2 밴드는, 스풀 축선에 대해 상방 외향으로 향하는 제2 밴드 상위면을 갖는다. 제2 밴드는, 스풀 축선에 대해 하방 외향으로 향하는 제2 밴드 하위면을 갖는다. 복수 개의 제2 밴드 트랜스듀서 보어가 제2 밴드 하위면으로부터 제2 밴드를 통해 스풀 보어까지 상방 내향으로 연장된다. 각각의 제2 밴드 트랜스듀서 보어는, 스풀 보어 축선에 대해 기울어진 트랜스듀서 보어 축선을 갖는다. 제2 밴드 트랜스듀서는, 스풀 보어를 통해 유동하는 시추 유체의 유량을 탐지하기 위해 각각의 제2 밴드 트랜스듀서 보어에 장착된다. 제1 밴드 하위면은, 제1 밴드와 제2 밴드 사이에 환형의 홈을 형성할 수 있는 골(valley)에서 제2 밴드 상위면과 만난다.

도시된 예에 있어서, 리브(rib) 또는 제3 밴드는 제1 밴드 및 제2 밴드로부터 축방향으로 거리를 두고 있다. 리브는 측벽의 외측 주위에 연장되며 측벽의 일부로서 형성된다. 리브는 각각 상방으로 향하는 상위면 그리고 하방으로 향하는 하위면을 갖고, 상기 상위면 및 상기 하위면은 원통형 외측면에 의해 연결된다. 복수 개의 리브 트랜스듀서 보어가 상기 원통형 외측면으로부터 리브를 통해 스풀 보어까지 반경방향 내향으로 연장된다. 각각의 리브 트랜스듀서 보어는, 스풀 보어 축선의 반경방향 라인 상에 존재하는 트랜스듀서 보어 축선을 갖는다. 리브 트랜스듀서는, 스풀 보어 내의 시추 파이프 커넥터의 존재를 탐지하기 위해 각각의 리브 트랜스듀서 보어에 장착된다.

케이블 통로는 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어로부터 스풀의 측벽을 통해 축방향으로 연장되며, 리브의 평평한 면들 중 하나에 있는 출구를 갖는다. 상기 출구는 둘레방향으로 리브 트랜스듀서 보어들 중 이웃하고 있는 리브 트랜스듀어 보어들 사이에서 위치하게 된다. 트랜스듀서 케이블은, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서에 전력을 공급하고 각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터의 신호를 전달하기 위해 각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터 케이블 통로들 중 하나를 통해 연장된다.

경질 비금속 재료로 된 원통형 베이스는 스풀 보어에서의 내측 단부 및 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 내에 있는 외측 단부를 갖는다. 트랜스듀서 요소는 베이스의 외측 단부 상에 장착된다.

베이스의 원통형 외측부와 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 주위에 연장되어, 베이스의 원통형 외측부와 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 사이를 밀봉시키는 시일 링이 마련된다. 트랜스듀서 리테이너(transducer retainer)는 베이스의 외측 단부에 고정되며, 제1 밴드 트랜스듀서의 트랜스듀서 요소를 에워싼다. 캡(cap)이 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어의 외측 단부에 고정되는데, 이 캡은 트랜스듀서 리테이너로부터 외측을 향해 간격을 두고 있는 폐쇄형 단부를 갖는다.

본 개시내용의 특징, 장점, 및 목적뿐만 아니라 명확하게 될 다른 특징, 장점, 및 목적이 드러나도록 하기 위해 그리고 더욱 상세하게 이해될 수 있도록 하기 위해, 앞서 간략하게 개괄한 본 개시내용에 대한 보다 구체적인 설명은 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면에 제시된 해당 실시예를 참고할 수 있다. 그러나, 첨부 도면은 단지 본 개시내용의 일례를 제시할 뿐이며 이에 따라 본 개시내용의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 되고, 다른 등가의 유효한 실시예를 허용할 수 있다는 것에 주의해야 한다.
도 1은 해양 정 시추 라이저 내에 연결되는 트랜스듀서 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 트랜스듀서 장치의 상위 트랜스듀서 또는 측정 디바이스를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 트랜스듀서 장치의 중간 트랜스듀서 및 하위 트랜스듀서를 도시하는 확대 단면도이다.
도 4는 도 1의 트랜스듀서 장치의 측면도이다.

본 개시내용의 방법 및 시스템은, 실시예가 제시된 첨부 도면을 참고하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본 개시내용의 방법 및 시스템은 다수의 다양한 형태를 취할 수 있으며, 본원에 기술된 예시적 실시예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안 되고, 오히려 상기 실시예는 본 개시내용이 면밀하고 완전하게 되도록 하기 위해 제시된 것이며, 본 개시내용의 범위를 당업자에게 충분히 전달하고자 하는 것이다. 전반에 걸쳐 동일한 도면부호는 동일한 요소를 가리킨다.

변형 및 등가물이 당업자에게 명확하기 때문에, 본 개시내용의 범위는 도시 및 기술된 구성, 작동, 정확한 재료 혹은 실시예에 관한 정확한 세부사항으로 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 도면 및 상세한 설명에는 예시적 실시예가 개시되어 있고, 특정한 용어가 사용되었지만, 이들 용어는 단지 일반적인 서술의 관점에서 사용된 것이며, 한정하려는 목적이 아니다.

도 1을 참고하면, 관형 하우징 또는 스풀(11; spool)은 라이저(15)의 스트링(string) 내로의 연결을 위해 상단부 및 하단부에서 커넥터(13)를 구비하고 있다. 커넥터(13)는 다양한 유형일 수 있으며, 라이저(15)의 섹션 상에서 플랜지에 볼트 결합되는 외부 플랜지로서 도시되어 있다. 라이저(15)는 폭발 방지장치(17; blowout preventer)(개략적으로 도시되어 있음)의 상단부에 고정되는데, 상기 폭발 방지장치는 라이저를 통한 유동을 차단시키기 위한 램(ram) 및 다른 요소를 갖춘 복잡한 대형 유닛이다. 라이저(15)는 소정 표면에서 시추 플랫폼(도시되어 있지 않음)에 대해, 상방으로 연장된다. 스풀(11)은 해저 부근에서 라이저(15) 내에 연결되며, BOP(17) 위로 비교적 짧은 거리에 연결된다.

스풀(11)은 시추 플랫폼이 지나는 표면으로부터 하향하는 시추 장비가 통과하는 스풀 보어(19; spool bore)를 갖는다. 시추 장비는, 함께 고정되며 공구 조인트(tool joint)라고도 불리는 나사식 단부를 갖춘 시추 파이프의 섹션을 포함하는 시추 스트링(drill string)(도시되어 있지 않음)을 포함한다. 시추 스트링 아래로 펌핑되는 시추 유체는, 시추 스트링을 둘러싸는 환형부로 그리고 스풀 보어(19)를 통해 라이저(15; riser)를 거쳐 다시 상방 유동한다. 스풀 보어(19)는 원통형이며, 본원의 예에서는 일정한 내경을 갖고, 스풀(11)이 라이저(15) 내에 연결된 이후에 수직인 축선(21)을 갖는다.

이러한 예에 있어서, 스풀(11)은 상위 원통형 외측 부분(22a), 중간 원통형 외측 부분(22b), 그리고 하위 원통형 외측 부분(22c)을 갖는다. 중간 원통형 외측 부분(22b)은 도시된 바와 같이 상위 원통형 외측 부분(22a) 및 하위 원통형 외측 부분(22c)보다 큰 외경을 가질 수도 있다. 중간 원통형 외측 부분(22b)에서의 스풀(11)의 벽 두께는, 본원의 예에서는, 상위 원통형 외측 부분(22a) 및 하위 원통형 외측 부분(22c)에서의 벽 두께보다 크다. 밴드(band) 또는 리브(rib)라고 불릴 수도 있는 환형 상위 돌출부(23)는, 상위 원통형 외측 부분(22a)과 중간 원통형 외측 부분(22b) 사이에서 스풀(11)의 외측으로부터 외향으로 연장된다. 상위 리브(23)는 스풀(11)의 측벽과 함께 일체로 형성된다. 상위 리브(23)는 평평한 상위 표면(25) 및 평평한 하위 표면(27)을 가지며, 이들 표면은 양자 모두 스풀 보어 축선(21)에 대해 수직한 평면에 존재한다. 상위 리브(23)는, 상위 표면(25)과 하위 표면(27)을 서로에 대해 연결시키는 원통형 외측부(29)를 가지며, 스풀의 원통형 외측 부분(22a, 22b, 및 22c)보다 큰 외경을 갖는다. 본원의 예에 있어서, 상위 리브의 원통형 외측부(29)의 외경은 커넥터(13)의 외경보다 약간 더 크다.

환형 중간 돌출부, 밴드, 또는 리브(31)는 스풀의 원통형 외측 부분(22b)의 하위 단부에서 상위 리브(23) 아래에 위치하며, 상위 리브로부터 외향으로 돌출된다. 중간 리브(31)는 상위 경사면(33) 및 하위 경사면(35)을 가지며, 이들 경사면은 각각 원추형일 수 있다. 원추형 상위면(33)은 본원의 예에서는 45 도의 각도로 스풀 축선(21)에 대해 상방 외향으로 향한다. 원추형 하위면(35)은 본원의 예에서는 45 도의 각도로 스풀 축선(21)에 대해 하방 외향으로 향한다. 원추형 상위면(33)의 상위 에지는 스풀의 원통형 외측 부분(22b)에 연결된다. 원추형 상위면(33) 및 원추형 하위면(35)은, 정점에서 서로를 연결시키는 외측 에지를 갖는데, 상기 정점은 뾰족할 수 있으며 스풀 축선(21)에 대해 수직한 평면에 존재한다. 외측 에지 접합부에서의 원추형 상위면(33) 및 원추형 하위면(35)의 외경은 상위 리브의 원통형 부분(29)의 외경과 대략 동일할 수도 있다. 원추형 상위면(33)과 원추형 하위면 사이의 각도는 본 실시예에서는 90도이다.

환형 하위 돌출부, 밴드, 또는 리브(39)는 스풀의 외측 부분(22c)의 상위 단부에서 중간 리브(31) 아래에 위치한다. 하위 리브(39)는 상위 경사면(41) 및 하위 경사면(43)을 가지며, 이들 경사면은 각각 원추형일 수 있다. 본원의 예에 있어서, 원추형 상위면(41)은 본원의 예에서의 스풀 축선(21)에 대해 45도의 각도로 상방 외향으로 향한다. 원추형 하위면(43)은 본원의 예에서의 스풀 축선(21)에 대해 45도의 각도로 하방 외향으로 향한다. 전술한 각도에 있어서, 원추형 상위면(41) 및 원추형 하위면(43)은 서로에 대해 90도를 이루며, 중간 리브(31)와 동일한 외경을 갖는 정점에서 교차한다. 90도가 아닌 정점 각도도 가능하다. 하위 리브의 원추형 상위면(41)은 상위 리브의 원추형 하위면(35)에 연결되어, 소정 반경을 갖는 환형 리세스(45) 또는 V자형 골을 형성한다. 상위면(41)과 하위면(35) 사이의 끼인각(46)은 본원의 예에서는 90도이지만, 다른 각도도 가능하다. 리세스(45)의 베이스에서의 외경은, 본원의 예에서는, 스풀의 외측 부분(22a, 22c)의 외경보다 크지만 중간 원통형 외측 부분(22b)보다는 약간 작다. 중간 리브(31) 및 하위 리브(39)는, 내측에 V자형 환형 리세스(45)가 형성되어 있는 단일 환형 돌출부를 포함하는 것을 고려할 수 있다.

도 2를 참고하면, 복수 개(단 하나만이 도시되어 있음)의 상위 트랜스듀서 보어(47)가 상위 리브(23)의 둘레 주위에서 서로 거리를 두어 떨어져 있는 상위 리브(23)에 형성된다. 도 1 및 도 2의 상이한 단면 평면으로 인해, 상위 트랜스듀서 보어(47)는 도 1에 도시되어 있지 않다. 본 실시예에 있어서, 각각의 상위 리브 트랜스듀서 보어(47)는, 카운터 보어(47a, 47b, 47c, 47d 및 47e; counter bore)를 비롯한 다수의 카운터 보어를 갖는다. 카운더 보어(47a, 47b, 47c, 47d 및 47e)의 내경은 스풀 보어(19)로부터 외측을 향하는 방향으로 증가한다. 각각의 트랜스듀서 보어(47)는, 스풀 보어 축선(21)(도 1 참고)의 반경방향 라인 상에 존재하는 트랜스듀서 보어 축선(49)을 갖는다.

베이스(51)라고도 또한 불리는 열 차폐부 또는 플러그(plug)가 상위 리브 트랜스듀서 보어(47) 내에 장착된다. 베이스(51)는, 예컨대 섭씨 200 도의 온도에 대해 높은 열 저항을 갖는 경질 비금속 폴리머 재료로 형성된다. 또한, 선택되는 재료는, 스풀 보어(19) 내의 시추 유체 내로 음향 신호를 전달하고 반사된 음향 신호를 받아들이기에 적절하다. 예를 들면, 상기 재료는 PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethene), FEP(fluorinated ethylene propylene), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

베이스(51)는, 내측 단부 외측의 원통형 부분(53a) 및 외측 단부 외측의 원통형 부분(53b)을 갖춘 중실 원통형 부재이다. 내측 단부 외측의 원통형 부분(53a)은 트랜스듀서 보어 부분(47a, 47b) 내에 위치하게 되며, 외측 단부 외측의 원통형 부분(53b)은 트랜스듀서 보어 부분(47c) 내에 꽉 끼워진다. 내측 단부 외측의 원통형 부분(53a)과 외측 단부 외측의 원통형 부분(53b) 사이에서 베이스(51) 상의 내향 대면 쇼울더(55; shoulder)는 트랜스듀서 보어 부분(47b 및 47c)들 사이의 짝을 이루는 외향 대면 쇼울더에 이웃한다. 회전 방지 핀(54)이 외측 단부 외측의 원통형 부분(53b)으로부터 반경방향으로 돌출하고 슬롯(56) 내로 삽입되어, 상위 트랜스듀서 보어(47) 내에서의 베이스(51)의 회전을 방지한다. 슬롯(56)은 보어 부분(47c 및 47c)들 사이에서 쇼울더로부터 내향으로 연장된다. 베이스(51)의 내측 단부는 상위 트랜스듀서 보어(47) 및 스풀 보어(19)의 접합부와 대체로 동일한 높이일 수 있고, 상위 트랜스듀서 보어 축선(49)에 대해 수직하다. 베이스(51)의 내측 단부 외측의 원통형 부분(53a)은 트랜스듀서 보어 부분(47a) 내에 꽉 끼워진다. 베이스(51)는, 플랜지(59) 내에 원통형 리세스를 형성하는 외향 돌출식 원통형 플랜지(59)와 함께 외향 대면 외측 단부(57)를 갖는다. 플랜지(59)는 상위 트랜스듀서 보어 축선(49)과 동심이다. 플랜지(59)의 외경은, 도시된 바와 같이, 베이스의 외측 단부 원통형 부분(53b)의 외경보다 작을 수도 있다.

시일 캐리어(61; seal carrier)는 베이스의 내측 단부 원통형 부분(53a)을 에워싸며, 트랜스듀서 보어 부분(47a 및 47b)들 사이의 외향 대면 쇼울더에 이웃하는 내측 단부를 갖는다. 시일 캐리어(61)는, 그 외경 상에서, 시일 캐리어(61)와 상위 트랜스듀서 보어 부분(47b) 사이를 밀봉시키는 2개의 엘라스토머 시일 링(63)을 갖는다. 시일 캐리어(61)는, 그 내경 상에서, 시일 캐리어(61)와 베이스 원통형 부분(53a) 사이를 밀봉시키는 2개의 엘라스토머 시일 링(65)을 갖는다. 테스트 포트(67)는 시일 링(63)과 시일 링(65) 사이의 공간으로부터 외향으로, 상위 리브 상위 표면(25)에 있는 테스트 피팅(69; test fitting)까지 이어진다. 시일 링(63, 65)에 의해 적절하게 밀봉되어 있는지 여부를 시험하기 위해, 테스트 피팅(69)을 통해 테스트 포트(67) 내로 유체가 분사될 수 있다. 시추 중에, 스풀 보어(19) 내의 시추 유체의 압력은 통상 베이스(53)의 외측 단부(57)에서의 압력보다 훨씬 높은데, 외측 단부에서의 압력은 대기압일 수도 있다.

음향 트랜스듀서 웨이퍼(acoustic transducer wafer) 또는 음향 트랜스듀서 요소(71)는 베이스 플랜지(59)에 의해 형성되는 리세스 내에 끼워진다. 트랜스듀서 요소는, 본 실시예에 있어서 베이스(51)를 통해 음향 신호를 방출하고 상기 음향 신호를 받아들이는 압전 디바이스이다. 음향 컴플라이언트 층(acoustic compliant layer)(도시되어 있지 않음)이 트랜스듀서 요소(71)와 베이스 외측 단부(57) 사이에 위치하게 될 수 있다.

본원의 예에 있어서, 상기 음향 신호는, 시추 스트링의 나사식 공구 조인트 커넥터(도시되어 있지 않음)의 스풀 보어(19)에서의 존재를 탐지하는 데 사용된다. 통상적인 공구 조인트는 위아래의 시추 스트링 부분보다 큰 외경을 갖는다. 음향 신호는 시추 스트링에 충돌하고 다시 트랜스듀서 요소(71)로 반사되며, 이때 시추 스트링에 대한 반경방향 거리의 결정을 위해 경과 시간이 측정된다. 상기 반경방향 거리는, 공구 조인트가 존재하는지 혹은 존재하지 않는지를 나타낸다.

베이스(51)는 시추 유체로부터 트랜스듀서 요소(71)로의 열 전달을 지연시키는 역할을 한다. 베이스(51)는 열 전달에 대해 스풀(11)의 강 본체보다 큰 내성을 갖는다. 축선(49)을 따르는 베이스(51)의 축방향 길이는 변할 수 있다. 본원의 예에 있어서, 베이스(51)의 내측 단부로부터 외측 단부(57)까지의 거리는, 스풀 외측 부분(22b)에서의 스풀(11)의 벽 두께와 대략 동일하다.

트랜스듀서 리테이너(tranducer retainer) 또는 트랜스듀서 하우징(73)은 트랜스듀서 요소(71)를 에워싸지만, 트랜스듀서 요소 주위에서 밀봉하지는 않는다. 트랜스듀서 하우징(73)은 원통형 내측부를 가지며, 이 원통형 내측부 내로 베이스 플랜지(59)가 활주한다. 트랜스듀서 하우징(73)의 내측 단부 또는 림(rim)은, 플랜지(59)를 에워싸는 베이스(51) 상의 외측 대면 림과 이웃한다. 트랜스듀서 하우징(73)을 베이스(51)에 고정시키기 위해, 트랜스듀서 하우징(73)을 통해, 플랜지(59)를 둘러싸는 베이스(51)의 부분 내로 스크류(도시되어 있지 않음)가 연장된다. 트랜스듀서 하우징(73)은, 트랜스듀서 요소(71)의 외측 단부로부터 외향으로 위치하는 외측 단부(75)를 갖는다. 본원의 예에 있어서, 연질의 순응형 와셔(compliant washer)가 트랜스듀서 요소(71)의 외측 단부와 하우징 외측 단부(75) 사이에 끼워지며, 트랜스듀서 요소(71)의 외측 단부와 하우징 외측 단부(75) 사이의 공간에서 압축된다. 스크류(도 2에는 도시되어 있지 않음)가 하우징 외측 단부(75)를 통해 연장되며, 양호한 음향 성능을 보장하기 위해 베이스 외측 단부(57)에 대해 트랜스듀서 요소(71)를 꽉 누른다. 트랜스듀서 하우징 외측 단부(75)는, 트랜스듀서 보어(47)로부터 하나의 유닛으로서, 베이스(51), 트랜스듀서 요소(71), 및 트랜스듀서 하우징(73)을 잡아당기는 데 사용될 수 있는 공구(도시되어 있지 않음)를 수용하기 위한 2개의 나사 구멍(79)을 갖는다.

트랜스듀서 파워 및 신호 케이블(81)은 트랜스듀서 요소(71)의 외측 단부로부터 하우징 외측 단부(75)에 있는 구멍을 통해 연장된다. 케이블 통로(83)는 트랜스듀서 보어 부분(47c)으로부터 상방으로 상위 리브(23)의 상위 표면(25)까지 연장된다. 케이블 통로(83)는 본원의 예에서는 스풀 보어 축선(21)에 대해 평행하다(도 1 참고). 통상적인 해저 케이블 커넥터(85)는 케이블 통로(83)의 출구에 고정될 수 있으며, 상기 출구에 대해 밀봉될 수 있다. 온도 센서(86)가 베이스(51) 내에 매립될 수 있다. 온도 센서(86)를 위한 와이어가 또한 케이블 통로(83) 내로 연장된다. 온도 센서(86)의 와이어 및 케이블(81)이 케이블 커넥터(85)에 결합되며, 스풀(11)의 외측면 상에 위치하는 하나 이상의 외부 케이블(84)과 연결된다. 커넥터(85)는 또한 케이블 통로(83) 및 하우징(73) 주위의 공간 내로의 해수 누출을 방지하도록 밀봉시킨다.

캡(87)은 나사식 패스너에 의해 상위 트랜스듀서 보어(47)의 외측 단부에 대해 트랜스듀서 하우징 외측 단부(75)로부터 외향으로 고정된다. 캡(87)은, 트랜스듀서 하우징(73) 상의 외향 대면 쇼울더에 이웃하는 원통형 내향 대면 쇼울더(88)를 가질 수 있다. 캡(87)은, 스풀 보어(19) 내의 높은 압력에 응답하여, 베이스(51) 및 트랜스듀서 하우징(73)이 외향 이동하는 것을 방지한다. 캡(87)의 외측 둘레는 트랜스듀서 보어 부분(47e) 내에 끼워진다. 캡(87) 상의 시일(89)은, 보어 부분(47d)과의 밀봉 맞춤에 의해 해수에 대해 시일 링(63, 65; seal ring)으로부터 외향으로 상위 트랜스듀서 보어(47) 부분을 밀봉시킨다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 중간 리브(31) 및 하위 리브(39)에서의 트랜스듀서 어셈블리(transducer assembly)는, 다시 언급되지 않을 상위 리브(23)에서의 트랜스듀서 어셈블리(도 2 참고)와 다수의 공통된 특징을 갖는다. 복수 개의 중간 트랜스듀서 보어(91)(단지 도 3에는 단 하나만 도시되어 있음)는 중간 리브 상위 경사면(33)으로부터 하방 내향으로 연장된다. 중간 트랜스듀서 보어(91)는, 45도의 각도로 스풀 보어 축선(21)(도 1 참고)과 교차하는 축선(93)을 갖는다. 베이스(51)(도 2 참고)와 마찬가지로 베이스(95)는 중간 트랜스듀서 보어(19) 내에 끼워진다. 베이스(95)는, 스풀 보어(19)와 같은 높이에 있는 내측 단부(97)를 갖는다. 본원의 예에서는, 전술한 45도의 경사 때문에, 내측 단부(97)가 트랜스듀서 보어 축선(93)에 대해 수직이라기보다는 기울어져 있다.

도 2에서와 동일한 구성요소를 갖는 시일 링 조립체(99)는, 스풀 보어(19) 내의 시추 유체 압력으로부터 베이스(95)를 밀봉시킨다. 테스트 포트(101)는 시일 링 조립체(99)로부터 중간 리브 하위 경사면(35)으로 연장된다. 회전 방지 핀(103)은 축선(93)에 평행하게, 베이스(95)의 일부로부터 트랜스듀서 보어(91)에 있는 짝을 이루는 구멍 내로 연장될 수 있다. 하위 리브(39)에 있는 트랜스듀서 베이스는 유사한 회전 방지 핀을 가질 수 있다. 음향 트랜스듀서 웨이퍼 또는 음향 트랜스듀서 요소(104)는 베이스(95)의 외측 단부와 접촉하고 있다. 음향 트랜스듀서 요소(104)는 베이스(95)를 통해 스풀 보어(19) 내의 시추 유체 내로 음향 신호를 보낸다. 입자, 예컨대 시추 절단물은 신호를 트랜스듀서 요소(104)로 다시 반사시킨다. 이러한 신호에 기초하여 시추 유체의 유량을 결정하기 위해 계산을 행할 수 있다.

트랜스듀서 하우징(105)은, 도 2에서와 마찬가지 방식으로, 트랜스듀서 요소(104)를 에워싸지만, 트랜스듀서 요소(104) 주위를 밀봉시키지는 않는다. 베이스(95)의 외측 단부에 대해 트랜스듀서 요소(104)를 꽉 누르기 위해 트랜스듀서 하우징(105)의 외측 단부를 통해 스크류(107)가 채용될 수 있다.

트랜스듀서 케이블(109)은 트랜스듀서 요소(104)의 외측 단부로부터 트랜스듀서 하우징(105)에 있는 개구를 통해 케이블 통로(111) 내로 연장된다. 온도 센서 와이어(113)는 베이스(95) 내의 온도 센서로부터 케이블 통로(111)로 연장된다. 케이블 통로(111)는 상방으로 상위 트랜스듀서 보어(91)로부터 스풀 외측 부분(22b)에서의 스풀 측벽 부분을 통해 연장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 케이블 통로(111)는 상위 리브(23)를 통해 연장되며, 상위 리브의 상위 표면(25) 상에 통상의 해저 커넥터(115)를 갖춘 출구를 갖고 있다. 케이블 통로(111)들은 상위 리브의 트랜스듀서 보어(47)(도 2 참고)에 대해 둘레방향으로 엇갈리게 마련되며, 이에 따라 케이블 통로는 2개의 상위 리브 트랜스듀서 보어(47) 사이를 통과한다. 케이블 커넥터(115)는 이웃하는 상기 리브 케이블 커넥터(85)들 사이에 둘레방향으로 위치한다. 케이블 통로(111)가 연장 통과하는 스풀(11)의 측벽 부분은, 케이블 통로(111)를 수용하기 위해 상위 리브(23) 및 하위 리브(39) 위에 있는 부분보다 두껍다.

트랜스듀서 케이블(109) 및 온도 센서 케이블(113)은 커넥터(115)에서 하나 이상의 통상적인 해저 외부 케이블에 연결된다. 본원의 예에 있어서, 케이블 통로(111)는 스풀 보어 축선(21)과 평행하다. 스풀(11)의 측벽에 있으며 축방향으로 연장되는 내부 통로 내에 케이블(109, 111)을 위치시키면, 스풀(11) 상의 외부 구조(도시되어 있지 않음), 예컨대 보조 파이프와의 충돌을 방지하게 되는데, 상기 보조 파이프는 유압유를 전달하며 BOP(17)(도 1 참고)에 대한 쵸크 앤드 킬 라인(choke and kill line)으로서의 역할을 하는 것이다.

다시 도 3을 참고하면, 베이스(95) 및 하우징(105)의 원통형 외측부 부분 상에 슬롯 또는 홈(116)이 형성된다. 슬롯(116)은 중간 트랜스듀서 보어 축선(93)에 평행하다. 슬롯(116)은, 트랜스듀서(104), 하우징(105), 및 베이스(95)가 유지보수를 위해 트랜스듀서 보어(91)로부터 회수될 때 케이블(109 및 113) 부분을 수용한다. 상위 트랜스듀서 베이스(51) 및 하우징(73)(도 2 참고)뿐만 아니라 하위 리브(39)에 있는 트랜스듀서 어셈블리는 유사한 슬롯을 가질 수 있다. 캡(117)은 도 2의 캡(87)과 동일한 방식으로 중간 트랜스듀서 보어(91)에 고정된다.

둘레방향으로 이격된 복수 개의 하위 트랜스듀서 보어(119)(도 3에는 하나가 도시되어 있음)는 하위 리브의 하위 경사면(43)으로부터 상방 내향으로 스풀 보어(19)까지 연장된다. 하위 트랜스듀서 보어(119)는, 90도의 각도로 중간 트랜스듀서 보어 축선(93)과 교차할 수 있는 하위 트랜스듀서 보어 축선(121)을 갖는다. 교차 지점은 스풀 보어 축선(21)(도 1 참고)으로부터 외측을 향해 존재한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하위 트랜스듀서 어셈블리는, 다시 언급하지 않을 중간 트랜스듀서 어셈블리와 다수의 공통적인 특징을 갖는다. 베이스(95 및 51)(도 2 참고)와 동일한 재료로 된 베이스(123)는 하위 트랜스듀서 보어(119) 내에 끼워진다. 시일 조립체(125)는 시일 조립체(99)와 동일한 방식으로 베이스(123)를 밀봉시킨다. 시일 조립체(125)를 위한 테스트 포트(126)는 상위 경사면(41)으로 연장된다. 트랜스듀서 요소(127)는 베이스(123)의 외측 단부에 장착된다. 트랜스듀서 요소(127)는 또한 스풀 보어(19) 내의 시추 유체의 유량을 결정하는 데 사용되는 음향 신호를 제공하고 이 음향 신호를 받아들인다. 하우징(129)은 트랜스듀서 요소(127) 위로 이 트랜스듀서 요소 주위에 끼워지며, 스크류(도시되어 있지 않음)에 의해 베이스(123)에 고정된다. 캡(131)은 하위 트랜스듀서 보어(119)의 외측 단부를 밀봉시키며, 스풀 보어(19)에서의 내부 압력에 응답하는 베이스(123)의 외향 이동에 저항한다.

본원의 예에 있어서, 트랜스듀서 케이블 및 온도 센서 케이블은 케이블 통로(133) 내로 통과한다. 케이블 통로(133)는, 하위 트랜스듀서 보어(119)로부터, 하위 리브의 상위 경사면(41)에 형성된 평평한 노치 또는 출구 표면(135)으로 상방으로 연장된다. 케이블 커넥터(137)는, 트랜스듀서 케이블 및 온도 센서 케이블을 외부 해저 케이블에 연결시키기 위한 출구 표면(135)에 고정된다. 본원의 예에 있어서, 케이블 통로(133)는 스풀 보어 축선(21)과 현저하게 평행하지는 않지만(도 1 참고), 현저하게 평행일 수도 있다.

도 4는 스풀(11)의 외측을 도시한 것이다. 캡(87, 117, 및 131)은 트랜스듀서 어셈블리를 위한 다양한 위치를 예시한 것이다. V자형 리세스(45)는, 2개의 리브 사이의 원통형 공간에서보다는 중간 리브(31)와 하위 리브(39) 사이에서 스풀(11)의 더 큰 표면적을 제공한다. 이러한 더 큰 표면적은, 해수에 침지되어 있을 때 리브(31, 39)에서의 스풀(11) 부분의 냉각을 향상시킨다.

Claims

해양 시추 라이저(offshore drilling riser)를 위한 장치로서,
해양 시추 라이저(15) 내에 연결하기 위한 스풀(11; spool)로서, 스풀 보어(19; spool bore) 및 길이방향 스풀 축선(21)과 함께 측벽을 갖는 스풀;
상기 스풀 축선과 동심인 측벽의 외측 주위에 연장되며 상기 측벽의 일부로서 형성되는 제1 밴드(31; band)로서,
제1 밴드는 스풀 축선에 대해 상방 외향으로 향하는 제1 밴드 상위 경사면(33)을 갖고, 제1 밴드는 스풀 축선에 대해 하방 외향으로 향하는 제1 밴드 하위 경사면(35)을 갖는 것인 제1 밴드;
상기 상위 경사면 및 상기 하위 경사면 중 하나로부터 제1 밴드를 통해 그리고 스풀 보어까지 연장되는 복수 개의 제1 밴드 트랜스듀서 보어(91)로서, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어는, 스풀 보어 축선에 대해 기울어진 트랜스듀서 보어 축선(93)을 갖는 것인 복수 개의 제1 밴드 트랜스듀서 보어;
스풀 보어를 통해 유동하는 시추 유체(drilling fluid)의 파라메타를 탐지하기 위해 각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어에 장착되는 제1 밴드 트랜스듀서
를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,
각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어로부터 스풀 축선의 축방향으로 연장되는 케이블 통로(111)로서, 스풀의 외측 부분 상에 출구(115)를 갖는 케이블 통로;
각각의 제1 밴드 트랜스듀서에 전력을 공급하고 각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터의 신호를 전달하기 위해, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터 케이블 통로들 중 하나를 통해 연장되는 트랜스듀서 케이블(109)
을 더 포함하는 장치.
제2항에 있어서,
각각의 제1 밴드 트랜스듀서와 함께 포함되는 온도 센서;
각각의 온도 센서로부터 케이블 통로들 중 하나를 통해 연장되는 온도 센서 케이블(113)
을 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서,
모든 제1 밴드 트랜스듀서 보어는 제1 밴드 상위 경사면으로부터 하방 내향으로 연장되고, 상기 장치는,
상기 스풀 축선과 동심인, 제1 밴드 아래의 측벽의 외측 주위에 연장되며 측벽의 일부로서 형성되는 환형의 제2 밴드(39)로서,
제2 밴드는 스풀 축선에 대해 상방 외향으로 향하는 제2 밴드 상위 경사면(41)을 갖고, 제2 밴드는 스풀 축선에 대해 하방 외향으로 향하는 제2 밴드 하위 경사면(43)을 가지는 것인 제2 밴드;
상기 제2 밴드 하위 경사면으로부터 제2 밴드를 통해 그리고 스풀 보어까지 상방 내향으로 연장되는 복수 개의 제2 밴드 트랜스듀서 보어(119)로서, 각각의 제2 밴드 트랜스듀서 보어는, 스풀 축선에 대해 기울어진 트랜스듀서 보어 축선을 갖는 것인 복수 개의 제2 밴드 트랜스듀서 보어;
스풀 보어를 통해 유동하는 시추 유체의 파라메타를 탐지하기 위해 각각의 제2 밴드 트랜스듀서 보어에 장착되는 제2 밴드 음향 트랜스듀서(127)
를 더 포함하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 제1 밴드 하위 경사면은 제1 밴드와 제2 밴드 사이의 홈을 형성하는 골(45; valley)에서 상기 제2 밴드 상위 경사면과 연결되는 것인 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 밴드 및 상기 제2 밴드로부터 스풀 축선의 축방향으로 거리를 두고 있는 환형의 리브(rib; 23)로서, 상기 리브는 상기 측벽의 외측 주위에 연장되며 상기 측벽의 일부로서 형성되고,
상기 리브는 각각 상방으로 향하는 상위면(25) 그리고 하방으로 향하는 하위면(27)을 갖고, 상기 상위면(25) 및 상기 하위면(27)은 원통형 외측면(29)에 의해 연결되는 것인 리브;
상기 원통형 외측면으로부터 리브를 통해 스풀 보어로 반경방향 내향으로 연장되는 복수 개의 리브 트랜스듀서 보어(47)로서, 각각의 리브 트랜스듀서 보어는 스풀 축선의 반경방향 라인 상에 존재하는 리브 트랜스듀서 보어 축선(49)을 갖는 것인 복수 개의 리브 트랜스듀서 보어;
스풀 보어 내의 시추 파이프를 탐지하기 위해 각각의 리브 트랜스듀서 보어에 장착되는 리브 트랜스듀서(71)
를 더 포함하는 장치.
제6항에 있어서,
각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어로부터 스풀 축선의 축방향으로 연장되며 리브의 상위면 및 하위면 중 하나 상의 출구(115)를 갖는 케이블 통로(111)로서, 상기 출구는 둘레방향으로 리브 트랜스듀서 보어들 중 이웃하는 리브 트랜스듀서 보어들 사이에 위치하는 것인 케이블 통로;
각각의 제1 밴드 트랜스듀서로부터 케이블 통로들 중 하나를 통해 연장되는 트랜스듀서 케이블(109)
을 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서는,
경질 비금속 재료로 된 원통형 베이스(95)로서, 스풀 보어에서의 내측 단부(97) 및 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 내에 있는 외측 단부를 갖는 것인 원통형 베이스;
상기 베이스의 외측 단부 상에 장착되는 트랜스듀서 요소(104)
를 포함하는 것인 장치.
제8항에 있어서,
베이스의 원통형 외측부와 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 주위에 연장되어, 베이스의 원통형 외측부와 제1 밴드 트랜스듀서 보어들 중 하나 사이를 밀봉시키는 시일 링(99; seal ring);
베이스의 외측 단부에 고정되며, 각각의 제1 밴드 트랜스듀서의 트랜스듀서 요소를 에워싸는 트랜스듀서 리테이너(105; transducer retainer);
각각의 제1 밴드 트랜스듀서 보어의 외측 단부에 고정되는 캡(cap)으로서, 트랜스듀서 리테이너로부터 외측을 향해 간격을 두고 있는 폐쇄형 단부를 갖는 것인 캡
을 더 포함하는 장치.
제9항에 있어서,
상기 트랜스듀서 리테이너는, 트랜스듀서 요소를 둘러싸는 원통형 부분 그리고 트랜스듀서 요소의 외측 단부로부터 외향으로 거리를 두고 있는 외측 단부를 가지며,
트랜스듀서 요소의 외측 단부와 트랜스듀서 리테이너의 외측 단부 사이에 와셔(77; washer)가 위치하여, 트랜스듀서 요소의 외측 단부 및 트랜스듀서 리테이너의 외측 단부와 상기 와셔가 접촉하는 것인 장치.
제9항에 있어서,
상기 트랜스듀서 리테이너는, 트랜스듀서 요소를 둘러싸는 원통형 부분 그리고 트랜스듀서 요소의 외측 단부로부터 외향으로 거리를 두고 있는 외측 단부를 가지며,
트랜스듀서 리테이너의 외측 단부에 있는 구멍을 통해 트랜스듀서 요소의 외측 단부와 맞닿도록 복수 개의 스크류(107)가 연장되어, 베이스의 외측 단부에 대항하게 트랜스듀서 요소를 구속하는 것인 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 밴드 트랜스듀서 보어는 내측 부분 및 외측 부분을 갖고, 상기 외측 부분은 상기 내측 부분보다 큰 직경을 가져서, 외향 대면 쇼울더(outward facing shoulder)를 형성하며,
상기 베이스는 내측 원통형 부분 및 외측 원통형 부분을 갖고, 상기 내측 원통형 부분은 상기 외측 원통형 부분보다 큰 직경을 가져서, 상기 외향 대면 쇼울더에 이웃하는 내향 대면 쇼울더를 형성하는 것인 장치.
제12항에 있어서, 베이스의 외측 원통형 부분 및 트랜스듀서 리테이너의 원통형 부분을 따라 슬롯(116)이 연장되는 것인 장치.
제2항에 있어서, 각각의 상기 출구가 그 위에 위치하는 상기 외측 부분은 평평한 것인 장치.
제6항에 있어서,
상기 측벽을 통해 각각의 리브 트랜스듀서 보어로부터 리브의 평평한 상위면 상의 출구(85)로 스풀 축선의 축방향으로 연장되는 리브 트랜스듀서 케이블 통로(83);
각각의 리브 트랜스듀서에 전력을 공급하고 각각의 리브 트랜스듀서로부터의 신호를 전달하기 위해, 각각의 리브 트랜스듀서로부터 리브 트랜스듀서 케이블 통로(83)들 중 하나 내로 연장되는 트랜스듀서 케이블(81)
을 더 포함하는 장치.
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