KR101102809B1 - 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치에 관한 것이다. 해저자원의 시추에 사용되는 라이저를 인장시키기 위해 시추선의 하부에 위치된 복수의 실린더를 갖고, 상기 실린더 내로는 오일이 공급되는 라이저 인장 장치는, 일부가 상기 실린더 내로 삽입되어, 상기 실린더 내에서 왕복운동하는 피스톤 로드; 유체밀봉을 위해 상기 피스톤 로드의 헤드부와 상기 실린더의 벽면 사이에 설치되는 피스톤 시일; 상기 피스톤 시일을 통해 누설되는 오일을 상기 실린더 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 상기 라이저 인장 장치는 피스톤 시일을 통해 누설되는 오일을 실린더 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단을 구비함으로써, 피스톤 시일을 통해 오일이 누설되는 경우, 누설된 오일을 실린더 외부로 배출하여, 누설된 오일에 의해 라이저 인장 장치의 작동에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.

Description

오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치 {Riser tensioner having oil collecting means}
본 발명은 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 해저자원의 시추를 위한 시추선에서 해저로 연장되는 라이저를 인장하기 위한 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치에 관한 것이다.
국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 지구 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 오일의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.
이러한 이유로 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 시추선이 개발되어 있다.
종래의 해저 시추에는 다른 예인선에 의해서만 항해가 가능하고 계류 장치를 이용하여 해상의 일 점에 정박한 상태에서 해저 시추 작업을 하는 해저 시추 전용의 리그선(rig ship)이나 고정식 플랫홈이 주로 사용되었으나, 최근에는 첨단 시추장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 소위, 드릴십(drillship)이 개발되어 해저 시추에 사용되고 있다.
해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추할 수 있도록 각종 시추장비를 갖춘 리그선 또는 드릴십(이하, 시추선)의 중심부에는 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추하기 위한 라이저(riser) 또는 드릴 파이프(drill pipe)가 상하로 이동될 수 있도록 문풀(moonpool)이 형성되어 있다.
도 1은 해수면에서 시추작업을 수행하고 있는 종래의 시추선을 도시한 측면도이다.
작업자는 라이저(4) 및 드릴 파이프(5)를 시추선의 중앙에 형성된 문풀(3)을 통해 하향 전진시킴으로써 해저바닥(sea bed)(6) 아래의 암반(12)에 위치하는 유정(well)(13)에 저장되어 있는 해저자원을 시추한다.
상기 라이저(4)는 드릴 파이프(5)를 상기 유정(13)까지 전진시키기 전에 미리 상기 해저바닥(6)까지 전진되는 부재로서 머드가 되돌아 오는 통로를 제공한다. 상기 라이저(4)가 설치되면 라이저(4) 내부로 드릴 파이프(5)가 해저지층(11)을 통해 상기 유정(13)까지 하향 전진된다.
이와 같이 라이저(4)를 해저바닥(6)까지 하향 전진시키거나, 드릴 파이프(5)를 유정(13)까지 전진시킬 경우, 길게 연결된 라이저(4)나 드릴 파이프(5)를 하향 전진시키는 것이 아니라, 짧은 길이의 라이저(4)나 드릴 파이프(5)를 서로 연결하여 하향 전진시킨다. 해저바닥(6)에는 이상 고압이 드릴 파이프(5)를 타고 올라오는 것을 차단하기 위해 분출 방지용 스택(blowout preventer; BOP)(7)이 설치된다. 해저지층(11)에서는 시멘트에 의해 케이싱(8)을 고정한 후, 케이싱 내부로는 드릴비트(10)가 장착된 드릴 파이프(5)를 삽입하여 해저자원을 시추한다. 드릴비트(10)가 땅을 뚫을 때 발생되는 열에 의해 드릴비트(10)가 과열되는 것을 방지하고 윤활작용을 하여 드릴링을 더욱 쉽게 하기 위해, 드릴 파이프(5) 속으로는 머드(9)가 삽입된다. 이러한 머드는 드릴비트(10)를 통해 빠져나가 케이싱(8)과 라이저(4)를 통해 다시 되돌아오게 된다. 시추 작업이 종료되면, 드릴 파이프(5)는 문풀(3)을 통해 드릴플로어(drill floor)로 운반되어 해체된 후 적재장소로 운반된다.
도 2는 도 1의 "A"부분을 확대하여 도시하는 도면이다.
라이저(4a, 4b; 4)는 슬립 조인트(Slip Joint; 20)를 기준으로 상부 라이저(4a)와 하부 라이저(4b)로 구분할 수 있다. 라이저(4)는 시추선에서부터 해저바닥까지 연결되지만, 파도에 의해 시추선과 연결된 상부 라이저(4a)의 진동이 하부 라이저(4b)에 직접 전달되는 것을 방지하기 위해, 중간에 슬립 조인트(20)를 두어 상부 라이저(4a)와 하부 라이저(4b) 사이의 상대적인 수직이동이 가능하도록 하고 있다.
라이저(4)가 해저바닥까지 연결되는 거리는 수천 m가 되고, 라이저의 내부에는 머드가 통과되고 있으므로, 라이저(4) 자체의 무게와 그 내부의 머드 및 해저바닥에 설치되는 분출 방지용 스택(BOP)의 무게를 더하면 그 무게는 수천 톤에 이르게 된다.
파도에 의해 시추선이 이동하고, 시추선과 연결된 상부 라이저(4a)의 이동에 의해 발생되는 힘이 그대로 하부 라이저(4b)에 전달될 경우, 수천 m에 이르는 라이저(4)에 좌굴현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 슬립 조인트(20) 및 시추선과 연결되는 라이저 인장 장치가 설치된다. 라이저 인장 장치는 일정한 인장력으로 하부 라이저(4b)를 인장시킴으로써, 파도에 의한 시추선의 움직임이 라이저(4)에 미치는 영향을 최소화한다.
라이저 인장 장치는 크게 서포트 링(Support Ring; 30), 실린더 장치(40), 유압 장치(50)로 구분된다.
서포트 링(30)은 슬립 조인트(20)와 실린더 장치(40)를 연결하는 역할을 한다. 실린더 장치(40)는 시추선과 연결되는 실린더(41)와, 서포트 링(30)에 연결되는 피스톤 로드(42)를 포함한다. 실린더 장치(40)는 라이저(4)의 둘레를 따라 다수개 설치된다. 실린더(41) 내로는 유압 장치(50)에 의해 유압이 공급되어, 피스톤 로드(42)가 상승함에 따라 슬립 조인트(20)와 연결된 하부 라이저(4b)를 인장시키게 된다.
유압 장치(50)는 어큐뮬레이터(51)와 공압용기(52)를 포함한다. 공압용기(52)에 의해 공기가 어큐뮬레이터(51)로 공급되면, 그 압력에 의해 어큐뮬레이터(51) 하부의 오일이 실린더(41) 내로 공급되어 피스톤 로드(42)를 상승시키게 된다.
시추선이 파도에 의해 수직운동을 함에 따라 실린더(41)와 피스톤 로드(42) 사이의 거리가 변화되는 경우에도, 하부 라이저(4b)를 일정한 인장력으로 당길 수 있도록 유압 장치(50)에 의해 실린더(41)로 공급되는 유압은 일정하게 조절된다.
도 3은 종래의 라이저 인장 장치의 실린더 내부 구조를 도시하는 개략적인 단면도이다.
실린더(41)와 피스톤 로드(42)의 헤드부(42a) 사이에는 피스톤 시일(43)이 설치되어, 유압장치에 의해 실린더(41)의 하부(b)로 공급된 오일이 실린더(41)의 상부(a)로 누설되는 것을 방지하면서 피스톤 로드(42)를 인장시키는 유압을 제공한다.
시추작업은 해상에서 장기간 동안 이루어지므로, 피스톤 로드(42)의 왕복운동에 의해 피스톤 시일(43)이 마모되는 경우, 오일이 누설될 수 있다. 누설된 오일은 피스톤 로드(42)의 헤드부(42a) 위의 실린더(41)의 상부(a)에 고이게 된다. 시간이 지남에 따라 누설된 오일의 양은 증가되고, 높은 파도에 의해 피스톤 로드(42)의 스트로크가 길어지면, 피스톤 로드(42)가 상부로 올라간 순간에 실린더(41)의 상부(a)에 고여있던 오일은 역으로 피스톤 로드(42)를 압축하는 힘으로 작용하여 피스톤 로드(42)가 휘는 현상이 발생될 수 있다.
라이저 인장 장치는 시추선의 하부에 설치되므로, 평소에 오일의 누설을 감지하기가 매우 어렵고, 오일이 누설된 경우, 시추선의 하부에 설치된 실린더(41)를 해체하여 수리를 진행해야 하므로, 실린더(41)의 수리에 시간이 많이 걸리는 문제점이 있다. 또한, 오일이 대량으로 누설되어 라이저 인장 장치가 제대로 작동되지 않으면, 라이저에 좌굴이 발생되는 등의 대형 사고가 발생할 수 있다.
따라서, 피스톤 시일(43)의 마모에 의해 오일이 실린더(41)의 상부(a)로 누설되었을 때, 이를 검출할 수 있는 수단이 요구된다.
또한, 피스톤 시일(43)이 마모되어 오일이 실린더(41)의 상부(a)로 누설되는 경우, 누설된 오일을 실린더(41) 외부로 배출하여 수집할 수 있는 수단이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 라이저 인장 장치에서 실린더와 피스톤 로드 사이에 설치되는 피스톤 시일을 통해 오일이 누설되는 경우, 이를 검출할 수 있는 수단과, 누설된 오일을 실린더 외부로 배출하여 수집할 수 있는 수단을 갖는 라이저 인장 장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 해저자원의 시추에 사용되는 라이저를 인장시키기 위해 시추선의 하부에 위치된 복수의 실린더를 갖고, 상기 실린더 내로는 오일이 공급되는 라이저 인장 장치는, 일부가 상기 실린더 내로 삽입되어, 상기 실린더 내에서 왕복운동하는 피스톤 로드; 유체밀봉을 위해 상기 피스톤 로드의 헤드부와 상기 실린더의 벽면 사이에 설치되는 피스톤 시일; 상기 피스톤 시일을 통해 누설되는 오일을 상기 실린더 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오일 수집 수단은 상기 피스톤 로드의 내부를 관통하여 상기 피스톤 로드의 헤드부에서 하부로 이어지는 수집 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오일 수집 수단은 상기 수집 유로와 연결되어 수집된 오일을 저장하는 수집 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수집 탱크에는 오일의 누설을 검지하는 누설 검지 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 라이저 인장 장치는 피스톤 시일을 통해 누설되는 오일을 실린더 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단과, 오일의 누설을 검지하는 누설 검지 센서를 구비함으로써, 피스톤 시일을 통해 오일이 누설되는 경우, 이를 검지함과 동시에 누설된 오일을 실린더 외부로 배출하여, 누설된 오일에 의해 라이저 인장 장치의 작동에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 해수면에서 시추작업을 수행하고 있는 종래의 시추선을 도시한 측면도.
도 2는 도 2는 도 1의 "A"부분을 확대하여 도시하는 도면.
도 3은 종래의 라이저 인장 장치의 실린더 내부 구조를 도시하는 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치를 도시하는 단면도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 수집 수단을 갖는 라이저 인장 장치를 도시하는 단면도이다.
라이저 인장 장치는 해저자원의 시추에 사용되는 시추선에서 파도에 의한 시추선의 움직임이 라이저에 전달되어 라이저가 좌굴되는 것을 방지하기 위해, 시추선과 연결되어 라이저를 인장시키기 위한 장치이다. 여기서, 시추선은 드릴십, 리그선, 반잠수식시추설비, 텐션레그플랫폼 등 해저자원의 시추를 위한 모든 부유식 해양구조물을 포함하는 의미이다.
본 발명의 라이저 인장 장치(100)는 종래와 마찬가지로 실린더(110) 내에 공급되는 유압에 의해 피스톤 로드(120)가 인장됨으로써 라이저를 인장시킬 수 있도록 구성된다. 라이저 인장 장치(100)의 실린더(110) 내에서의 유체의 작동은 종래와 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 라이저 인장 장치(100)는 실린더(110), 피스톤 로드(120), 피스톤 시일(130), 오일 수집 수단(140, 150), 누설 금지 센서(160)를 포함한다.
실린더(110) 내로는 오일이 유입되어, 화살표 방향과 같이 피스톤 로드(120)를 상승시키는 유압을 발생시킨다.
피스톤 로드(120)는 그 일부가 실린더(110) 내로 삽입되어, 파도에 따른 시추선의 움직임 또는 실린더(110) 내의 유압에 의해 실린더(110) 내에서 왕복운동 한다. 피스톤 로드(120)는 T자형으로 형성되어, 그 상부에 헤드부(120a)를 갖는다.
피스톤 로드(120)의 헤드부(120a)와 실린더(110)의 벽면 사이에는 유체밀봉을 위한 피스톤 시일(130)이 설치되어, 실린더(110) 내로 유입된 오일의 유동을 제한함으로써 실린더(110) 내에서 유압이 발생되게 한다.
시추작업은 해상에서 장기간 동안 이루어지므로, 피스톤 로드(120)의 계속적인 왕복운동에 의해 피스톤 시일(130)이 마모되는 경우, 피스톤 시일(130)을 통해 오일이 누설될 수 있다. 누설된 오일은 피스톤 로드(120)의 헤드부(120a) 위의 실린더(110)의 상부에 고이게 된다. 시간이 지남에 따라 누설된 오일의 양은 증가되고, 이러한 누설된 오일은 피스톤 로드(120)가 상부로 올라간 순간에 역으로 피스톤 로드(120)를 압축하는 힘으로 작용하여 피스톤 로드의 왕복운동에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 피스톤 시일(130)을 통해 실린더(110)의 상부로 오일이 누설되는 경우, 누설된 오일을 실린더(110) 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단을 포함한다.
오일 수집 수단은 피스톤 시일(130)을 통해 실린더(110)의 상부로 누설된 오일을 실린더(110) 외부로 배출하여 수집할 수 있다면 여러 가지 형태로 구현될 수 있다.
일 실시예로, 오일 수집 수단은 피스톤 로드(120)의 내부를 관통하여 피스톤 로드(120)의 헤드부(120a)에서 하부로 이어지는 수집 유로(140)와, 수집 유로(140)와 연결되어 수집된 오일을 저장하는 수집 탱크(150)를 포함한다.
수집 유로(140)는 피스톤 로드(120)의 헤드부(120a) 중앙에서 피스톤 로드(120)의 내부를 관통하는 유로일 수 있다. 수집 유로(140)는 연결 유로(141)를 통해 수집 탱크(150)와 연결된다.
누설되는 오일은 수집 유로(140) 및 연결 유로(141)를 통해 수집 탱크(150) 내에 채워지게 된다. 수집 탱크(150)는 임의의 적절한 곳에 위치될 수 있다. 수집 탱크(150)에는 오일의 누설을 검지하는 누설 검지 센서(160)가 설치되는 것이 바람직하다. 누설 검지 센서(160)는 수집 탱크(150) 내의 바닥에 오일이 일정량 채워지면, 이를 검지하는 수위 센서일 수 있다. 이러한 누설 검지 센서(160)는 수집 탱크(150)의 내부 외에도, 피스톤 로드(120)의 헤드부(120a) 위와 같이 다른 적절한 곳에 설치될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 라이저 인장 장치(100)는 피스톤 시일(130)을 통해 누설되는 오일을 실린더(110) 외부로 배출하여 수집하기 위한 오일 수집 수단(140, 150)과, 오일의 누설을 검지하는 누설 검지 센서(160)를 구비한다. 따라서, 피스톤 시일(130)을 통해 오일이 누설되는 경우, 이를 검지함과 동시에 누설된 오일을 실린더(110) 외부로 배출하여, 누설된 오일에 의해 라이저 인장 장치의 작동에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.
일반적으로, 라이저 인장 장치는 시추선의 하부에 설치되어 사람의 접근이 어렵고, 수리에 많은 시간이 걸리는 점을 감안할 때, 본 발명의 오일 수집 수단과, 누설 검지 센서(160)를 갖는 라이저 인장 장치는 비상시의 안전수단으로서의 역할을 충실히 수행하게 된다.
본 발명의 라이저 인장 장치(100)에서, 오일 수집 수단 및 누설 검지 센서는 각각의 기능을 달성할 수 있는 한, 여러 가지 형태로 실시할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 라이저 인장 장치
110 : 실린더
120 : 피스톤 로드
120a : 헤드부
130 : 피스톤 시일
140 : 수집 유로
150 : 수집 탱크
160 : 누설 검지 센서

Claims (4)

  1. 해저자원의 시추에 사용되는 라이저를 인장시키기 위해 시추선의 하부에 위치된 복수의 실린더를 갖고, 상기 실린더 내로는 오일이 공급되는 라이저 인장 장치에 있어서,
    일부가 상기 실린더 내로 삽입되어, 상기 실린더 내에서 왕복운동하는 피스톤 로드;
    유체밀봉을 위해 상기 피스톤 로드의 헤드부와 상기 실린더의 벽면 사이에 설치되는 피스톤 시일; 및
    상기 피스톤 시일을 통해 누설되는 오일을 상기 실린더 내부에서 상기 실린더 외부로 배출할 수 있도록 상기 피스톤 로드의 내부를 관통하여 상기 피스톤 로드의 헤드부에서 상기 실린더의 외부로 이어지는 수집 유로;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 라이저 인장 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수집 유로와 연결되어 수집된 오일을 저장하는 수집 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이저 인장 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수집 탱크에는 오일의 누설을 검지하는 누설 검지 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 라이저 인장 장치.
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