KR101121477B1 - 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지열에너지 개발 등을 위한 심부시추(Drilling)에 사용되는 시추장비의 주요부분인 시추탑(Drilling Derrick)을 국내에서 쉽게 구할 수 있는 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)의 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 축조하고, 또한 시추작업장에 추가하여 시추보조작업장을 설치하며, 또한 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 삽입작업 시에 보강기둥탑을 가설(假設)하여 해결하고, 또한 시추탑을 이동시키지 아니한 상태에서 크라운블록(Crown Block)을 이동?설치하며 다수의 정(Well)들을 시추하는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 통상의 시추탑으로는 운반이나 설치가 불가능한 소로로 연결된 협소한 장소에서 실시돼야 하는 국내 지열에너지 개발을 위한 심부시추를 가능하게 만들 뿐만 아니라 조밀하게 개발되고 소로로 연결된 우리 국토의 많은 장소들에서 상기 기능들을 갖고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해 훨씬 적은 비용으로 시추할 수 있게 만드는 효과를 제공하며, 상기 시추비용 절감효과를 통해서 높은 시추비용으로 인해 추진이 어려웠던 국내 지열에너지 개발사업들의 추진이 가능하게 되어, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 지열에너지를 생산해서 지열발전 등을 펼칠 수 있게 만드는 효과를 제공한다.

시추보조작업장, 시추장비, 시추탑, 심부시추, 이지에스, 지열발전, 지열에너지 개발, 최대훅하중, 크라운블록, 케이싱 삽입작업, 타워크레인 마스트

Description

타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법 {System and method of constructing drilling derrick utilizing tower crane mast}

본 발명은 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지열에너지 개발 등을 위한 심부시추(Drilling)에 사용되는 시추장비의 주요부분인 시추탑(Drilling Derrick)을 국내에서 쉽게 구할 수 있는 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)의 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 축조하고, 또한 시추작업장에 추가하여 시추보조작업장을 설치하며, 또한 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 삽입작업 시에 보강기둥탑을 가설(假設)하여 해결하고, 또한 시추탑을 이동시키지 아니한 상태에서 크라운블록(Crown Block)을 이동?설치하면서 다수의 정(Well)들을 시추함으로써, 통상의 시추탑으로는 운반이나 설치가 불가능한 소로로 연결된 협소한 장소에서 실시돼야 하는 국내 지열에너지 개발을 위한 심부시추를 가능하게 만들 뿐만 아니라 조밀하게 개발되고 소로로 연결된 우리 국토의 많은 장소들에서 상기 기능들을 지니고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해 훨씬 적은 비용으로 시추할 수 있게 만드는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법에 관한 것이다.

이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산하는 지열수(Geothermal Fluid)를 열원으로 이용하는 바이너리 지열발전(Binary Geothermal Power Generation)은, 문헌 1 및 2의 설명과 같이, 유?가스 가격상승과 공급불안에 더해 온실가스 감축압력이 가중됨으로 인해 점점 더 어려워지고 있는 에너지상황에 대한 유망한 해결책으로 떠오르고 있다.

대한민국의 영토 안에도 지열에너지는 어느 지점에나 지하에 부존돼 있고, 그 규모도 거의 무한에 가깝다. 다만, 전 세계에서 펼쳐진 지열발전사업들에 비해 같은 온도의 지열에너지가 부존돼 있는 심도가 보다 깊을 뿐이다.

우리 국토에서도 많은 지역에서 지하 3km 내지 4km 암층부터는 이지에스(EGS)를 조성하면 바이너리 지열발전을 이룰 수 있는 온도의 지열에너지를 생산해낼 수 있다. 따라서 저비용?고효율의 심부시추기술 등 핵심기술들을 확보?발전시켜 나가면, 상승하는 에너지가격과 병행하여, 점점 더 깊게 시추하며 지열에너지를 생산해서 지열발전을 펼쳐나갈 수 있다.

우리 국토에 부존된 심부지열에너지는 종래의 지열발전방법으로는 개발할 가치가 없는 것으로 인식되어 전혀 개발되지 못한 채 방치돼 왔으나, 최근에 와서, 문헌 1 내지 4에서 실익 있는 지열에너지 생산 및 바이너리 지열발전을 이룰 수 있게 만드는 수단과 방법들이 개시된 바 있다.

문헌 1의 '심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법'에 의하면, 특히 우리나라 동해안지역에 부존된 지열에너지를 열원으로 그리고 근거리 동해에 부존된 저온 이며 거의 무한량인 심해수를 냉원으로 이용함으로써, 열원과 냉원의 온도차를 증대시키고, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 현저히 향상시키고 시추비를 현저히 절감시키는 효과를 얻을 수 있어, 실익 있는 지열발전을 이룰 수 있다는 것이며, 상기한 방법을 이용하여 동해안지역의 지하 약 3km에 부존된 지열에너지를 개발해서 지열발전을 펼치는 사업을 우리나라의 제1단계 지열발전 개발목표로 제시한 바 있다.

우리나라는 에너지자급률이 3％대로 낮아 소요에너지의 97％를 수입에 의존해야 하는 매우 취약한 구조인데, 유?가스 가격은 오르고 있고, 설상가상으로 '기후변화에 관한 UN협약'에 따라 세계 10위권 온실가스 배출국인 관계로 온실가스 감축의무 압력이 가중되고 있어 에너지상황은 점점 더 어려워지는 방향으로 옥죄이고 있는 실정이므로, 상기와 같은 제1단계 지열발전 개발을 지체없이 펼쳐야 하겠는데, 국내에는 지열에너지 개발 등을 위해 3km 깊이 이상의 심부시추(Drilling)를 하는데 필요한 시추장비(Drilling Rig)가 현존하지 않는 실정이다.

따라서 적합한 시추장비(Drilling Rig)를 구비할 수 있는 방도를 강구해야 하겠으며, 그를 위해, 지열에너지 개발이 펼쳐지고 있는 외국의 지역들에서 3km 깊이 이상의 심부시추에 사용되고 있는 시추장비 및 기술들에 대해 살펴보고자 한다.

지열에너지 개발 등을 위한 육상 심부시추에 사용되는 통상의 시추장비(Drilling Rig)는, 문헌 5의 그림에서 보는 바와 같이, 그 규모가, 특히 시추탑(Drilling Derrick)의 규모가 매우 크다. 시추탑의 높이는 시추작업장 바닥으로부터 130피트(feet) 이상에 이르고, 인양장비(Drawworks)의 용량은 최대훅하중(Hook Load) 수백 톤 이상에 이르며, 시추장비의 총 중량은 수백 톤 이상에 달한다.

상기 시추장비(Drilling Rig)에서 사용되는 시추스트링(Drill String)은 맨 밑에 비트(Bit) 또는 다운홀시추장치(Downhole Drilling Device)가 연결된 최하부어셈블리(Bottomhole Assembly: BHA)가 있고, 그 위에 시추봉(Drill Pipe)을 계속 연결시켜 지상에 이르게 되며, 새로운 시추봉을 추가?연결해주면서 시추해 들어가게 된다.

비트 또는 다운홀시추장치가 수명을 다하면, 시추봉 등 모든 장치들을 시추공(Drilled Hole) 밖으로 뽑아낸(Trip out) 다음 비트 또는 다운홀시추장치를 교체하고, 다시 모든 장치들을 시추공 안으로 집어넣은(Trip in) 후 시추를 계속하게 된다.

시추봉 1개(Joint)의 길이는 약 30피트(feet)이며, 예컨대 9,000피트를 시추하려면 300개에 가까운 시추봉들을 연결해야 하므로, 장비와 인력에 따라 차이가 있겠으나, 통상의 시추탑을 사용하여 모두 뽑아내는(Trip out) 데에만 4시간 내지 5시간 이상이 소요된다. 트립(Trip)시간이 길어질수록, 시추공의 일부가 무너져 막히는 등 문제가 발생될 수 있는 리스크(Risk) 및 그와 관련된 비용이 그만큼 커지게 된다. 따라서 트립(Trip)시간 단축은 심부시추에 있어서 매우 중요한 과제가 된다.

해당 시추에서 상기한 트립작업(Trip in and out)에 막대한 시간과 비용이 들기 때문에, 트립시간을 단축시키기 위해, 매 시추봉을 분리하는 대신에, 시추봉을 3개(약 90피트)씩 연결한 연결체(Triple Stand) 단위로 분리해서 시추탑 상부에 설치된 핑거보드(Fingerboard)에 기대어 쌓아놓게(Rack back) 된다. 이렇게 하기 위해서 130피트(feet) 이상에 달하는 높은 시추탑이 필요한 것이다.

매우 깊게 시추하는 경우, 트립시간을 더욱 단축시키기 위해 시추봉을 4개(약 120피트)씩 연결한 연결체(Quadruple Stand) 단위로 분리해서 쌓아놓게 되는데, 이렇게 하기 위해서는 약 30피트가 더 높은 시추탑이 필요하게 된다.

육상 심부시추에 사용되는 통상의 시추탑들은 대부분 시추봉 3개 연결체(Triple Stand) 단위로 트립작업을 하도록 제작돼 있다. 통상의 시추탑의 구조로는 그 이상 높게 제작하게 되면, 시추탑의 운반 및 설치에 어려움이 커지기 때문이다. 근년에 와서 시추봉 연결작업이 필요없는 코일튜빙시추(Coiled Tubing Drilling)가 개발되어 이용되고 있으나, 아직은 소구경 시추에 국한하여 이용되고 있다.

상기한 트립시간 등 시추기간을 단축시키기 위해 시추산업계는 많은 노력을 기울여 왔다. 특히 고가의 해양시추장비에서는 시추기간을 단축시키는 과제가 더욱 중요해지는데, 문헌 6에 개시된 기술은, 시추봉을 1개(Joint)씩 추가?연결해주면서 시추하는 종래의 방법을 개량해서 발명품인 파워드마우스홀(Powered Mousehole)을 이용하여 시추봉 3개 연결체(Triple Stand)를 미리 만들어 놓았다가 추가?연결해줌으로써 보다 빨리 시추할 수 있도록 개량한 것이다.

문헌 7에 개시된 기술은 해양시추선에 2개의 시추장비 등을 갖추고, 첫 번째 시추장비가 시추작업을 진행하는 동안에, 두 번째 시추장비 등은 시추작업을 보다 신속하게 진행하기 위해 필요한 각종 시추보조작업들을 수행함으로써, 해양시추기간을 대폭 단축시킬 수 있도록 개량한 것이다.

또한, 통상의 시추탑에서 인양장비(Drawworks)의 용량을 최대훅하중(Hook Load) 수백 톤 이상으로 높이고 그에 따라 시추탑을 대형으로 제작하게 되는 주된 이유는 케이싱(Casing)과 시추봉(Drill Pipe)의 무게가 크기 때문이다.

예컨대, 직경 244.5mm 길이 3,000m 케이싱스트링(Casing String)의 중량은 300톤 이상에 달할 수 있으며, 직경 114.3mm 길이 4,000m 시추스트링(Drill String)의 중량은 120톤 이상에 달할 수 있다.

상기 스트링(String)이 시추공에 달라붙는 경우에도 인양할 수 있게 인양장비(Drawworks)의 용량을 높이고, 그 만큼 시추탑을 대형으로 제작하게 된다.

상기와 같은 대형 시추탑으로 시추하는데 따르는 어려움을 개량하고자 시추산업계는 많은 노력을 기울여 왔다. 한 예로서 문헌 8에 개시된 기술을 들 수 있다.

인양장비(Drawworks)에, 즉 크라운블록(Crown Block)에 걸리게 되는 최대훅하중(Hook Load)은 케이싱스트링(Casing String)으로 인한 것과 시추스트링(Drill String)으로 인한 것으로 분류할 수 있다.

예컨대, 해당 시추에서 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 케이싱스트링(Casing String)으로 인한 최대훅하중이 300톤이고, 시추작업 시에 발생되는 시추스트링(Drill String)으로 인한 최대훅하중이 150톤이며, 총 시추기간은 90일이라고 한다면, 케이싱스트링으로 인한 훅하중이 상기 150톤을 초과하는 기간은 상기 케이싱 삽입작업기간의 마지막 수 시간에 불과할 수 있다. 상기와 같은 경우 통상의 시추탑에서는 수 시간 동안에만 발생되는 150톤을 초과하는 훅하중을 해결하기 위해 총 시추기간(90일)에 걸쳐 300톤 용량의 시추탑을 사용하게 된다.

문헌 8에 개시된 기술은 케이싱잭(Casing Jack)을 사용하여 케이싱 삽입작업을 수행함으로써, 상기와 같은 경우에 150톤을 초과하는 훅하중을 시추탑이 아니라 케이싱잭(Casing Jack)이 담당하게 하여, 150톤 용량의 시추탑으로 시추작업을 수행할 수 있게 만들어 시추비용을 절감할 수 있도록 개량한 것이다.

하지만, 케이싱잭(Casing Jack)을 사용하는 케이싱 삽입작업은 시추탑을 사용하는 경우에 비하여 시간이 훨씬 더 많이 걸려, 시추공의 일부가 무너져 막히는 등 문제가 발생될 수 있는 리스크(Risk)가 커지게 돼, 특수한 경우에만 이용되고 있다.

또한, 상기한 통상의 대형 시추탑을 운반 및 설치하는 데는 큰 비용이 든다. 필요한 도로가 없고 도로 개설도 불가능한 지역에서는 헬리콥터를 이용해야 하는 등 막대한 비용이 들게 된다. 따라서 운반 및 설치에 많은 비용이 드는 지역에서는 같은 시추사이트(Drilling Site)에서 가능한 한 다수의 정(Well)들을 시추하게 된다.

통상의 시추탑을 사용하며 같은 시추사이트(Drilling Site)에서 다수의 정들을 시추하는 비용효과적인 방법은, 시추장비(Drilling Rig)를 스키드빔(Skid Beams) 위에 설치하고, 시추장비 전체를 다음 시추할 정(Well)의 위치로 스키딩(Skidding)시킨 후, 새로운 정(Well)을 시추하는 것이다. 물론 상기 스키딩작업에도 상당한 비용이 든다.

문헌 9에 개시된 기술은, 시추장비를 스키딩(Skidding)시키지 아니한 상태로, 즉 시추탑을 그대로 둔 상태로, 추가로 정(Well)들을 시추할 수 있게 고안한 것인데, 통상의 시추탑 최상부에 크라운블록(Crown Block)을 스키딩(Skidding)시킬 수 있는 철골빔(Beams)을 설치하고, 크라운블록을 다음 시추할 정(Well)의 위치로 이동시켜 설치함으로써, 추가로 정(Well)을 시추할 수 있도록 개량한 것이다. 하지만 상기한 시스템에서는 크라운블록을 스키딩시킬 수 있는 상기 철골빔(Beams)의 길이가 매우 짧기 때문에 추가로 시추할 수 있는 정(Well)의 수는 매우 제한적일 수밖에 없다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] KR 특허출원번호: 10-2008-0044966, "심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법(Method of binary geothermal power generation using deep seawater)", 출원일자: 2008.05.15.

[문헌 2] KR 특허출원번호: 10-2008-0105167, "하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법(System and method of binary geothermal power generation utilizing river zone)", 출원일자: 2008.10.27.

[문헌 3] KR 특허출원번호: 10-2008-0131009, "경부하전력을 이용한 지열에너지 생산시스템 및 방법(System and method of producing geothermal energy utilizing off-peak power)", 출원일자: 2008.12.22.

[문헌 4] KR 특허출원번호: 10-2009-0003582, "경부하전력을 이용한 이지에 스 조성시스템 및 방법(System and method of creating EGS utilizing off-peak power) ", 출원일자: 2009.01.16.

[문헌 5] 통상의 육상 시추장비(Land Drilling Rig); [on-line: http://www.nov.com/CorporateOverview/ --＞ Typical Land Rig]

[문헌 6] US Patent 5,351,767, "Drill pipe handling", Stogner, et al. October 4, 1994

[문헌 7] US Patent 6,085,851, "Multi-activity offshore exploration and/or development drill method and apparatus", Scott, et al. July 11, 2000

[문헌 8] US Patent 4,595,062, "Well casing jack mechanism", Boyadjieff, et al. June 17, 1986

[문헌 9] US Patent 4,390,162, "Infinitely variable crown block positioning", Woolslayer, J. R. June 28, 1983

국내 지열에너지 개발을 위해 3km 깊이 이상의 심부시추(Drilling)를 하는데 필요한 통상의 시추탑(Drilling Derrick)은 국내에 현존하지 않으므로, 외국에서 구해 들여오던지 국내에서 제작해서 시추사이트(Drilling Site)로 운반하여 설치해야 되겠는데, 이렇게 하는 데는 심각한 문제점이 따르고 있다.

심부시추에 사용되는 시추장비의 주요부분인 통상의 시추탑들은 일반적으로 수 개의 부분으로 분리해서 대형 평판트레일러(Flatbed Trailer)에 적재해 운반하 게 되는데, 상기 시추탑을 적재한 대형 평판트레일러가 진입하기 위해서는 상당한 폭과 규모의 도로가 필요하다. 즉, 조밀하게 개발되고 소로로 연결된 국내의 많은 장소들에는 진입할 수 없다. 예컨대, 좁은 농로만이 있는 농업지역들에는 진입할 수 없다. 임시도로를 개설하면 가능하겠으나, 기존의 지형과 시설들을 감안할 때, 큰 비용이 들 수 있고, 개설 자체가 불가능할 수도 있다. 헬리콥터를 이용해 운반하는 방법이 있기는 하지만, 이에는 막대한 비용이 든다.

운반과 관련된 상기 문제점에 더하여, 통상의 시추탑을 설치할 수 있는 장소 역시 상당히 넓어야 한다, 협소한 장소에는 설치할 수 없다.

그런데 우리 국토에서 펼치게 될 심부시추는 많은 경우 소로로 연결돼 있는 매우 협소한 장소에서 실시되어야 한다. 그에 따라 통상의 시추탑으로는 운반이나 설치가 어려워 많은 비용이 들거나 운반이나 설치 자체가 불가능할 수도 있다.

상기한 문제점에 더하여, 통상의 시추탑을 사용하여 국내 지열에너지 개발을 위한 심부시추를 하는 데는 막대한 비용이 든다는 문제점이 있다. 인근에서 통상의 시추탑을 구할 수 있고 운반 및 설치가 용이한 지역에서 실시되는 시추의 시추비용(Drilling?Completion Cost)은, 문헌 1의 문헌 1(MIT 보고서, Figure 6.1)에 제공된 실제 소요된 비용(HDR/EGS Actual; 2004년도 기준)들에 근거하여 하한선으로 추산해보더라도, 정(Well) 당 3km 깊이가 U＄500만, 4km 깊이가 U＄1,000만 정도에 달한다. 인근에서 통상의 시추탑을 구할 수 없고 운반이나 설치가 어려운 현 국내여건을 감안할 때, 우리 국토에서 통상의 시추탑을 사용하여 운반 및 설치가 가능한 장소를 찾아서 심부시추를 하는 데는 상기한 비용보다 훨씬 더 큰 비용이 들게 될 것이다.

이지에스(EGS)를 조성해서 지열발전을 펼치는 사업에서 시추비용은 매우 큰 비중을 차지한다. 문헌 4의 '해결하고자 하는 과제'에 설명된 바와 같이, 시추비용은 심도가 깊어질수록 기하급수적으로 커지게 된다. 그에 따라 깊게 시추할수록, 시추비용이 총 사업비 중 차지하는 비중은 점점 더 커져 80％ 이상에 달할 수도 있다.

그런데 우리 국토에는 전 세계에서 지금까지 펼쳐진 지열발전사업들에 비해 같은 온도의 지열에너지가 보다 깊은 암층에 부존돼 있어, 지열발전사업을 위해서는 그만큼 더 깊게 시추해야 하며, 따라서 시추비용은, 시추심도가 깊어질수록 기하급수적으로 커지게 돼, 총 사업비 중 매우 큰 비중을 차지하게 된다.

대한민국 국토에도 거의 무한에 가까운 심부지열에너지가 부존돼 있는데도 아직까지 전혀 개발되지 못한 채 방치되어온 일차적이며 가장 큰 이유 역시 통상의 시추탑을 사용해 필요한 깊이로 시추하는 데는 높은 비용이 들어 사업의 경제성이 취약해지기 때문이었다. 따라서 시추비용을 크게 절감시킬 수 있는 수단과 방법이 창출된다면, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 지열에너지를 생산할 수 있게 된다.

이에, 우리 국토에서 지열에너지 개발을 성공적으로 보다 많이 펼쳐나가기 위해서는, 상기한 난제들을 해결할 수 있는 수단과 방법의 창출이 요구되고 있다.

본 발명은 이상의 필요성에 따라 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 통상의 시추탑으로는 운반이나 설치가 불가능한 소로로 연결된 협소한 장소에서 실시돼야 하는 국내 지열에너지 개발을 위한 심부시추를 가능하게 만들고, 더불어 시추비용 도 현저히 절감시킬 수 있는 시추탑 축조시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명인은 장기간에 걸쳐 우리 국토에 다양한 형태로 부존돼 있는 지열에너지자원의 특성과 개발여건 및 기술 등에 대해 심도깊은 조사?연구를 계속해오던 중, 국내에서 쉽게 구할 수 있는 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)의 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 시추탑을 축조하고, 또한 시추작업장에 추가하여 시추보조작업장을 설치하며, 또한 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 삽입작업 시에만 보강기둥탑을 가설(假設)하여 해결하고, 또한 시추탑을 이동시키지 아니한 상태에서 크라운블록(Crown Block)을 이동?설치하면서 다수의 정(Well)들을 시추함으로써, 상기한 목적을 달성할 수 있다는 결론과 함께 본 발명에 이르게 되었다.

타워크레인 마스트는 일반적으로 먼저 기초앵커(Basic Anchor)를 설치하고, 그 위에 기초마스트(Basic Mast)를, 그 위에 마스트섹숀(Mast Section)들을 필요한 높이로 조립하여 축조하게 되며, 상기와 같이 모듈(Module)화 돼 있고, 각개 모듈(Module)은 소로를 통해서도 운반이 가능한 크기로 되어 있어, 모듈 단위로 운반하여 설치현장에서 차례대로 조립하게 됨으로써, 국내 건설현장들에서 볼 수 있듯이, 소로로 연결된 매우 협소한 장소에도 설치가 가능하고, 크게는 100톤 이상의 하중을 지탱할 수 있게 제작돼 있으며, 또한 국내에서도 제작되고 있을 뿐만 아니라 현재 국내에는 상당수의 운휴 타워크레인 마스트가 야적돼 있어 임대 등이 용이하다.

그에 따라, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 심부시추에 사용되는 시추장비(Drilling Rig)의 주요부분인 시추탑(Drilling Derrick)에 있어서, 하부구조(Substructure;10)와; 상기 하부구조(10) 위에, 각개 기둥탑(11)(12)을 필요한 용량과 수의 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들로 구성하고, 상기 타워크레인 마스트들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 축조되는 2개의 기둥탑들(11)(12)과; 상기 2개의 기둥탑들(11)(12) 위에 가로질러 설치되는 필요한 용량의 크로스빔(Crossbeam;14)과; 상기 크로스빔(14) 위에 설치되는 필요한 용량의 크라운블록(Crown Block;15)을 비롯한 해당 시추에 필요한 장치들과; 상기 기둥탑(11)에 접하여 필요한 높이에 설치되는 핑거보드 및 몽키보드(Fingerboard and Monkeyboard;16)와; 상기 크라운블록(15)에 연결된 이동블록(Traveling Block)의 훅(Hook)의 연직방향 중심선과 중심이 일치되도록 상기 하부구조(10) 위에 설치되는 시추공 보울(Bowl;17) 및 상기 시추공 보울(17)을 중앙에 두는 시추작업장(20)과; 상기 기둥탑들(11)(12)에 설치되는 가이와이어(Guy Wire)들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 시추작업장(20)에서 시추작업을 진행하는 동시에, 시추봉 연결체 작업 등 각종 시추보조작업들을 수행하기 위해 상기 하부구조(10) 위에 설치되는 시추보조작업장(30)과; 상기 시추보조작업장(30)의 중앙에 설치되는 필요한 직경과 깊이의 케이싱(Casing)을 삽입한 연직공(Straight Hole;31) 및 상기 연직공(31)의 보울(Bowl)과; 상기 연직공(31)의 보울(Bowl)의 중심과 훅(Hook)의 연직방향 중심선이 일치되도록 상기 크로스빔(14)에 설치되는 인양시스템(Hoisting System;32)과; 시추보조작업장(30) 측 기둥탑(12)에 접하여 시추작업장(20) 측과 같은 높이에 설치되는 핑거보드 및 몽키보드(Fingerboard and Monkeyboard;33)와; 상기 기둥탑(12)에 접하여 필요한 높이에 해당 시추에 사용되는 케이싱들의 직경에 맞추어 핑거들(Fingers)의 간격을 조정할 수 있도록 구비되어 설치되는 케이싱 핑거보드 및 몽키보드(Casing Fingerboard and Monkeyboard;34)와; 상기 핑거보드들(16)(33) 간에 시추봉 연결체 등을 운반할 수 있도록, 또한 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간에 케이싱 연결체 등을 운반할 수 있도록 설치되는 이동식 크레인(35)과; 데릭맨(Derrickman)이 핑거보드들(16)(33) 간을 왕래할 수 있도록, 또한 설치높이를 조정하여 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간을 왕래할 수 있도록 설치되는 다리(36)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 해당 시추(Drilling)의 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 2개의 기둥탑들(11)(12)이 지탱할 수 없는 경우에, 상기 최대훅하중을 2개의 기둥탑들(11)(12)과 함께 안전하게 지탱할 수 있는 보강기둥탑(13)을 상기 하부구조(10) 위의 최적의 위치에 가설(假設)하고, 상기 케이싱 삽입작업을 수행하며; 상기 보강기둥탑(13)은, 필요한 용량과 수의 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들로 구성되고, 상기 타워크레인 마스트(Mast)들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여, 상기 크로스빔(Crossbeam;14)과 크라운블록(Crown Block;15)을 떠받치도록 축조되며; 상기 보강기둥탑(13)은 상기 케이싱 삽입작업이 완료되면 철거되는 것을 특징으로 한 다.

또한, 본 발명은, 상기 하부구조(10) 및 2개의 기둥탑들(11)(12)을 이동시키지 아니한 상태에서 다수의 정(Well)들을 시추하는 경우에, 1개 정(Well)을 추가로 시추하기 위해, 상기 크로스빔(14) 위에서, 상기 하부구조(10)에서 실시된 마지막 시추의 상기 크라운블록(Crown Block;15)의 위치로부터, 크로스빔(14)의 길이방향으로, 또는 상기 길이방향에 직각방향으로, 또는 상기 방향들로 조합되는 대각선방향으로, 정(Well)들의 지표(地表)상의 위치들 간에 필요한 거리가 확보되도록, 크라운블록(Crown Block;15)을 이동시켜 설치하고; 상기 이동?설치된 크라운블록(15)에 연결된 이동블록(Traveling Block)의 훅(Hook)의 연직방향 중심선이 중심과 일치되도록 상기 시추공 보울(Bowl;17)을 이동시켜 설치하며, 그에 따라 상기 이동?설치된 시추공 보울(17)을 중앙에 두도록 상기 시추작업장(20) 역시 이동시켜 설치한 후에, 상기 1개 정(Well)을 추가로 시추하며; 상기한 1개 정(Well)을 추가로 시추하는 과정을 반복하면서, 상기 하부구조(10) 위의 허용되는 공간 내에서 필요한 수의 정(Well)들을 추가로 시추해나가는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 시추탑 축조시스템 및 방법은, 국내에서 쉽게 구할 수 있는 타워 크레인 마스트(Mast)의 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 시추탑을 축조함으로써, 통상의 시추탑으로는 운반이나 설치가 불가능한 소로로 연결된 협소한 장소에서 실시돼야 하는 국내 지열에너지 개발을 위한 심부시추를 가능하게 만들 뿐만 아니라, 조밀하게 개발되고 소로로 연결된 우리 국토의 많은 시추장소들에서 통 상의 시추탑에 비해 훨씬 적은 비용으로 운반?설치할 수 있게 만드는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 시추탑 축조시스템 및 방법은, 시추작업장(20)에 추가하여 시추보조작업장(30)을 설치하여, 시추작업 진행과 동시에, 시추봉 연결체(Drill Pipe Stand), 최하부어셈블리(Bottomhole Assembly), 케이싱 연결체(Casing Stand) 작업 등 각종 시추보조작업들을 수행함으로써, 시추와 관련된 일체의 작업을 시추작업장에서 수행해야 하는 상기 기능을 갖고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해 시추기간을 대폭 단축시켜 시추비용을 현저히 절감시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 시추탑 축조시스템 및 방법은, 통상의 시추탑보다 훨씬 더 높게 필요한 높이로 축조될 수 있어, 필요시, 시추봉 4개 이상 연결체(Stand) 단위로 트립(Trip)작업을 할 수 있고, 또한 케이싱(Casing)도 3개 이상 연결체 단위로 스트링(String)에 연결할 수 있음으로써, 시추봉 3개 연결체(Triple Stand) 단위로 트립작업을 하고 케이싱도 1개씩 연결하는 상기 기능을 갖고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해 시추기간을 크게 단축시켜 시추비용을 현저히 절감시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 시추탑 축조시스템 및 방법은, 해당 시추(Drilling)의 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 삽입작업 시에만 보강기둥탑(13)을 가설(假設)하여 해결함으로써, 상기 삽입작업 시 외의 기간에는 시추스트링(Drill String)으로 인한 최대훅하중만을 해결하는 훨씬 축소된 규모의 시추탑으로 시추할 수 있게 만들어, 필요한 시추사이트 (Drilling Site)의 면적을 축소시키어, 보다 협소한 장소에서도 시추할 수 있게 만들 뿐만 아니라 상기한 기능을 갖고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해 시추비용도 현저히 절감시키는 효과를 제공하며, 또한 시추탑 대신에 케이싱잭(Casing Jack)을 사용해 삽입작업을 수행하는 문헌 8의 기술에 비해서도 작업기간을 단축시켜 시추공이 막히는 등 문제가 발생될 수 있는 리스크(Risk)와 관련비용을 현저히 줄이는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 시추탑 축조시스템 및 방법은, 크로스빔(Crossbeam;14) 위에서 크라운블록(Crown Block;15)을, 문헌 9의 기술보다 훨씬 더 많은, 추가 정(Well)들을 시추할 수 있는 위치들로 이동시켜 설치할 수 있음으로써, 시추탑을 이동시키지 아니한 상태로 다수의 정(Well)들을 시추할 수 있게 만들어, 상기한 기능을 갖고 있지 못한 통상의 시추탑에 비해서는 물론이고 문헌 9의 기술에 비해서도 훨씬 적은 비용으로 필요한 다수의 정(Well)들을 시추할 수 있게 만드는 효과를 제공한다.

그리고 우리 국토에는, 전 세계에서 지금까지 펼쳐진 지열발전사업들에 비해 같은 온도의 지열에너지가 보다 더 깊은 암층에 부존돼 있어, 그만큼 더 깊게 시추해야 되므로 높은 시추비용이 들게 되는 어려움에 더하여, 우리 국토에 부존된 지열에너지를 개발하기 위한 심부시추들은 많은 경우 소로로 연결돼 있는 매우 협소한 장소들에서 실시돼야 하는데, 상기 장소들에서는 통상의 시추탑을 운반하여 설치하기가 매우 어려워 높은 비용이 들거나 운반이나 설치 자체가 불가능할 수도 있어, 지금까지 심부시추를 실시하기가 매우 어렵거나 불가능했는데, 본 발명은, 상기한 효과들을 통해서, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 지열에너지 개발을 위한 심부시추들을 가능하게 만드는 효과를 제공한다.
그에 따라 본 발명은, 상기 효과들을 통해서, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 심부시추들을 실시해서 지열에너지를 개발하여 지열발전을 펼칠 수 있게 만들어, 순수국산에너지만으로 생산해내는 전력의 량을 증대시켜, 우리나라의 에너지자급률을 높이고, 에너지 수입과 온실가스 배출을 줄이게 만드는 효과를 제공한다.

본 발명의 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법의 실시 를, 도 1 내지 3을 참조하여, 순서대로 설명한다.

첫째, 본 발명의 시추탑(Drilling Derrick)을 축조하는데 필요한 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들을 선정?확보한다.

본 발명의 시추탑은, 도 1에 보인 바와 같이, 2개의 기둥탑들(11)(12)로 구성되며, 각개 기둥탑(11)(12)은 필요한 용량과 수의 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들로 구성되고, 또한 상기 2개의 기둥탑들(11)(12)의 사방으로 필요한 용량과 수의 가이와이어(Guy Wire)들이 설치되어 시추탑의 안정도가 보강된다.

상기 기본구도 아래서, 해당 시추(Drilling)에서 크라운블록(Crown Block;15)에 걸리게 될 최대훅하중(Hook Load)을 비롯하여 크로스빔(Crossbeam;14) 및 크로스빔(14)과 2개 기둥탑들(11)(12)에 부착시켜 설치될 모든 장치들로 인해 발생될 하중들로 구성되는, 2개 기둥탑들(11)(12)에 가해지게 될 연직 및 수평방향의 최대총하중들을 안전하게 지탱할 수 있는 2개의 기둥탑들(11)(12)을 축조하는데 필요한 용량과 수의 모듈(Module)화 된 타워크레인 마스트(Mast)들을 선정?확보한다.

특히 시추사이트(Drilling Site)가 협소한 경우, 다음과 같이 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 케이싱스트링(Casing String)으로 인해 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 제외하고, 시추작업 시에 시추스트링(Drill String)으로 인해 발생되는 최대훅하중만을 해결할 수 있는 규모로 시추탑을 축소한다.

해당 시추에서 상기 2개 기둥탑들(11)(12)에 가해지게 될 연직방향의 최대총하중의 대부분은 상기 크라운블록(Crown Block;15)에 걸리게 될 최대훅하중(Hook Load)인데, '배경기술'의 마지막 부분에서 케이싱잭(Casing Jack)과 관련하여 설명한 바와 같이, 상기 최대훅하중(Hook Load)은 케이싱스트링(Casing String)으로 인한 것과 시추스트링(Drill String)으로 인한 것으로 분류할 수 있다.

예컨대, 해당 시추에서 케이싱 삽입작업 시 발생되는 케이싱스트링으로 인한 최대훅하중이 220톤이고, 시추작업 시 발생되는 시추스트링으로 인한 최대훅하중은 100톤이라면, 상기 100톤을 초과하는 120톤(=220-100)은 아래 '열째'에서 설명된 바와 같이, 케이싱 삽입작업 시에만 보강기둥탑(13)을 가설(假設)하여 해결함으로써, 상기 케이싱 삽입작업 시 외의 기간에는 시추스트링으로 인한 최대훅하중 100톤만을 해결하는 훨씬 축소된 규모의 시추탑으로 시추할 수 있게 돼, 필요한 시추사이트(Drilling Site)의 면적을 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라 시추비용도 현저히 절감시킬 수 있다.

둘째, 하부구조(Drilling Rig Substructure;10)를 설치한다.

이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 지열발전을 펼치는 사업에서는 일반적으로, 주입정과 생산정 등, 다수의 정(Well)들이 필요하게 된다. 다수의 정들을 같은 시추사이트(Drilling Site)에서 시추하면, 송수관 등 지표시설이 단순해지고 최소화되며, 운용도 간편해지는 등 많은 이점을 얻을 수 있다.

통상적인 시추탑을 사용하며 같은 시추사이트에서 다수의 정들을 시추하는 비용효과적인 방법은, 시추장비(Drilling Rig)를 스키드빔(Skid Beams) 위에 설치하고, 시추장비 전체를 다음 시추할 정(Well)의 위치로 스키딩(Skidding)시킨 후, 추가 정(Well)을 시추하는 것이다. 물론 상기 스키딩작업에도 상당한 비용이 들게 된다.

하지만 본 발명의 시추탑에서는 크로스빔(Crossbeam;14) 위에서 크라운블록(Crown Block;15)을, 문헌 9의 기술보다 훨씬 더 많은, 추가 정(Well)들을 시추할 수 있는 위치들로 이동시켜 설치할 수 있음으로써, 상기와 같이 시추장비(Drilling Rig)를 스키딩(Skidding)시키지 않은 상태에서, 즉 시추탑을 그대로 둔 상태로, 다수의 정(Well)들을 시추할 수 있다. 시추 가능한 정(Well)들의 수는 하부구조(10) 위의 허용되는 공간과 정(Well)들의 지표(地表)위치들 간에 필요한 거리 등에 의해 결정된다.

따라서 해당 시추사이트에서 본 발명의 시추탑을 이동시키지 아니한 상태로 필요한 수의 정(Well)들을 모두 시추할 수 있는 경우에는 스키드빔(Skid Beams)을 설치할 필요가 없고, 그렇지 못한 경우에는 시추사이트를 정리하고, 필요한 기초를 구축한 다음, 해당 시추장비를 스키딩(Skidding)하는데 필요한 통상의 스키드빔(Skid Beams)을 사방이 수평을 유지하도록 설치한다.

상기 스키드빔 위에 2개 기둥탑들(11)(12) 및 보강기둥탑(13)들이 가하게 될 연직 및 수평방향의 최대총하중들을 안전하게 지탱할 수 있으며, 또한 해당 시추에 필요한 공간을 제공할 수 있는 하부구조(10)를 설치한다.

상기 하부구조(10)를 이동시키지 아니한 상태에서, 추가 정(Well)들을 시추할 계획이 있는 경우에는, 아래 '열한째'를 참조하여, 크라운블록(Crown Block;15)을 이동시켜 설치할 위치들을 하부구조(10) 축조 시에 미리 정하고, 상기 위치들에 따라 필요하게 될 수 있는 시추공 보울(Bowl;17), 인양장비(Drawworks), 연직공 (31) 보울(Bowl) 등의 이동?설치를 용이하게 하도록 하부구조(10)를 설계하여 설치한다.

하부구조는 통상의 시추장비의 일부로 제작된 것을 사용할 수도 있고, 철골빔(Steel Beam)으로 조립하여 축조할 수도 있다. 특히 협소하여 제작된 하부구조를 운반하기 어려운 경우 철골빔(Steel Beam)으로 조립하여 축조한다.

스키딩(Skidding) 시 외에는 하부구조(10)를 스키드빔(Skid Beams)에 볼트로 고정시켜 놓음으로써 시추탑의 안정도를 보강할 수 있다.

셋째, 상기 하부구조(10) 위에 2개의 기둥탑들(11)(12)을 조립?축조한다.

도 1 내지 3을 참조하여, 해당 시추에 필요한 공간이 확보되도록 기둥탑들(11)(12)을 배치하고, 가이와이어(Guy Wire)들로 보강될 각개 기둥탑(11)(12)이 가하게 될 연직 및 수평방향의 최대총하중들을 안전하게 지탱할 수 있는 하부구조(10)의 상부 철골빔(Steel Beam)에 기둥탑(11)(12)을 구성하는 각개 타워크레인 마스트(Mast)의 기초가 되는 기초앵커(Basic Anchor)를 볼트로 고정?설치하고, 상기 기초앵커 위에 기초마스트(Basic Mast)를, 상기 기초마스트 위에 마스트섹숀(Mast Section)들을 필요한 용량의 크레인과 고소작업대를 동원하여, 조립?축조해 올라간다. 상기한 방법으로, 앞서 '첫째'에서 선정?확보된 모든 타워크레인 마스트(Mast)들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 2개의 기둥탑들(11)(12)을 축조한다.

매우 협소한 통로나 시추사이트로 인해 필요한 용량의 크레인을 동원할 수 없거나 다음 방법이 보다 비용효과적인 경우에는, 축조 중인 2개 기둥탑들(11)(12) 에 부착시키어 필요한 용량의 등탑(登塔)식 작업대(Mast Climbing Work Platform)를 설치하고, 이를 사용하여 2개 기둥탑들(11)(12)을 조립?축조해 올라간다.

넷째, 2개의 기둥탑들(11)(12)위에 크로스빔(Crossbeam;14)을 설치한다.

상기 크로스빔(14)은 해당 시추에서 크라운블록(Crown Block;15)에 걸리게 되는 최대훅하중(Hook Load)을 비롯하여 크로스빔(14)에 설치되는 인양시스템(32), 이동식 크레인(35), 보조용 크레인 등 모든 장치들의 최대총하중을 안전하게 지탱할 수 있는 구조로 하며, 또한 보강기둥탑(13) 축조 시에 필요한 경우 상기 크라운블록(15)을 떠받치는 보강 크로스빔을 추가?삽입할 수 있는 구조로 한다.

상기 크로스빔(14)을 2개의 기둥탑들(11)(12) 위를 가로지르는 다수의 경량급 철골빔(Steel Beam)들로 구성하면, 인양 및 설치가 보다 용이해질 수 있다.

상기 하부구조(10) 및 2개의 기둥탑들(11)(12)을 이동시키지 아니한 상태에서, 추가 정(Well)들을 시추할 계획이 있는 경우에는, 아래 '열한째'를 참조하여, 앞서 '둘째'에서 하부구조(10) 축조 시에 미리 정해 놓은 크라운블록(Crown Block;15)의 이동?설치위치들에 따라, 크라운블록(15) 및 추가로 필요할 수 있는 인양시스템(32), 이동식 크레인(35) 등의 이동?설치가 용이하도록 크로스빔(Crossbeam;14)의 구조를 설계하여 설치한다.

다섯째, 크로스빔(14)에 크라운블록(15), 인양시스템(32), 이동식 크레인(35), 보조용 붐 크레인 등 필요한 장치들을, 도 1 및 2를 참조하여, 설치한다.

해당 시추의 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 최대훅하중(Hook Load)까지 해결할 수 있는 용량의 크라운블록(Crown Block;15)을, 상기 용량과 동등한 용량의 이동블록(Traveling Block)과 시추라인(Drilling Line)으로 연결된 상태를 유지한 채로, 이동블록의 훅(Hook)에 연결된 승강기(Elevator)에 걸린 시추봉의 연직방향 중심선이 시추공 보울(Bowl;17)의 중심과 일치되도록, 설치한다.

또한, 해당 시추보조작업을 위해 필요한 용량의 통상적인 인양시스템(Hoisting System;32)을, 인양시스템(32) 훅(Hook)에 연결된 승강기(Elevator)에 걸린 시추봉의 연직방향 중심선이 연직공(31) 보울(Bowl)의 중심과 일치되도록, 설치한다.

또한, 양측 핑거보드들(16)(33) 간에 시추봉 연결체(Drill Pipe Stand) 등을 운반할 수 있도록, 또한 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간에 케이싱 연결체(Casing Stand) 등을 운반할 수 있도록, 크로스빔(14)의 일부를 이용하거나 크레인 이동을 위한 전용빔(Beam)을 설치하고, 상기 인양시스템(32)의 용량과 동등한 통상의 이동식 크레인(35)을 설치한다. 상기 이동식 크레인(35)의 이동선은, 데릭맨(Derrickman)이 다리(36) 위에서 상기 크레인(35)으로 운반하는 연결체(Stand)에 양측 작업장(20)(30)의 승강기(Elevator)를 연결 또는 분리할 수 있도록, 또한 시추공 보울(Bowl;17) 및 연직공(31) 보울(Bowl)과 안전거리가 확보되도록, 설치한다.

상기 이동식 크레인(35)은 다용도로 사용되므로, 고장 시 즉시 대체할 수 있도록 동등한 기능을 지닌 백업(Backup) 크레인을 설치하는 것이 바람직하다.

그리고 보조용 붐 크레인(Boom Crane) 등 해당 시추작업에 필요한 장치들을 크로스빔(14)에 설치한다. 필요시 상기 보조용 붐 크레인을 제일 먼저 설치하고 크라운블록(15) 설치 등에 이용한다. 상기 보조용 붐 크레인은, 아래 '열째' 및 '열한째'에 설명된 바와 같이 보강기둥탑(13)을 축조할 때도 이용될 수 있고, 또한 추가 시추를 위해 크라운블록(15)을 이동시켜 설치할 때도 이용될 수 있으므로, 해당 시추에 있어 상기한 용도들에 적합한 구조와 용량으로 설치한다.

여섯째, 핑거보드 및 몽키보드(16)(33)(34)와 다리(36)를 설치한다.

양측 기둥탑들(11)(12)에 접하여 필요한 같은 높이에 필요한 용량의 통상의 핑거보드 및 몽키보드(16)(33)들을 설치한다.

트립아웃(Trip out) 시에 거의 모든 시추봉 연결체(Drill Pipe Stand)들을 시추작업장(20) 측 핑거보드(16)에 기대어 쌓아놓게 되므로, 시추보조작업장(30) 측 핑거보드(33)는 시추작업장(20) 측 핑거보드(16)의 용량의 1/4 정도면 충분하다.

또한, 시추보조작업장(30) 측 기둥탑(12)에 접하여 필요한 높이에 해당 시추에 사용되는 케이싱(Casing)들의 직경에 맞추어 핑거들(Fingers)의 간격을 조정할 수 있도록 구비된, 필요한 용량의 케이싱 핑거보드 및 몽키보드(34)를 설치한다.

상기 핑거보드(16)(33)(34)들은 기대어 쌓아놓는(Rack back) 수평방향 하중이 분산되도록 구비한다.

그리고 데릭맨(Derrickman)이 양측 핑거보드들(16)(33) 간을 왕래할 수 있도록, 또한 설치높이를 조정해 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간을 왕래할 수 있도록 구비된 다리(36)를, 데릭맨이 다리(36) 위에서 상기 이동식 크레인(35)으로 운반하는 연결체(Stand)에 양측 작업장(20)(30)의 승강기(Elevator)를 연결 또는 분리할 수 있도록, 설치한다.

시추봉 연결체를 운반할 때는 다리(36)와 양측 핑거보드들(16)(33)이 연결되도록 다리(36)의 설치높이를 조정하고, 케이싱 연결체를 운반할 때는 다리(36)와 케이싱 핑거보드(34)가 연결되도록 설치높이를 조정하여 사용한다.

핑거보드 및 몽키보드의 높이는 데릭맨(Derrickman)이 해당 연결체에 승강기(Elevator)를 연결 또는 분리해 줄 수 있도록 결정된다. 예컨대, 시추봉 3개 연결체(Triple Stand)는 약 90 피트(feet)가 되고, 케이싱 3개 연결체(Casing Triple Stand)는 약 120 피트가 된다. 그에 따라 각 핑거보드 및 몽키보드의 높이가 달라진다.

'열째'에 설명된 대로, 다리(36)는 보강기둥탑(13) 축조 시에 상승식 작업대(Climbing Work Platform)로 이용될 수 있으므로, 작업장(20)(30) 바닥으로부터 크로스빔(14) 아래까지 설치높이를 조정할 수 있게 하는 등 상기 용도에 적합한 구조와 용량으로 설치한다. 설치높이 조정작업에는 이동식 크레인(35)을 이용할 수 있다.

상기와 같이 설치됨으로써, 다리(36)는 핑거보드 및 몽키보드(16)(33)(34)들에 맞지 않는, 즉 길이가 다른 특수 연결체(Stand)들에 양측 작업장(20)(30)의 승강기(Elevator)나 이동식 크레인(35)을 연결 또는 분리할 때도 사용될 수 있다.

일곱째, 하부구조(10) 위에 도 2를 참조하여 시추작업장(20)을 설치한다.

상기 하부구조(10) 위에 설치되는 시추작업장(20)의 바닥에, 크라운블록(15) 에 연결된 이동블록(Traveling Block)의 훅(Hook)에 연결된 승강기(Elevator)에 걸린 시추봉의 연직방향 중심선이 중심과 일치되도록, 시추공 보울(Bowl;17)을 설치한다.

상기 시추공 보울(Bowl;17)을 중앙에 두는 시추작업장(20)에는 해당 시추에 필요한 통상의 장비 및 장치들을 설치 및 구비한다.

시추봉을 1개(Joint)씩 추가?연결하면서 시추를 진행하는 통상의 시추탑에선 상기 추가?연결작업을 위해 마우스홀(Mousehole)을 사용하게 되는데, 시추봉을 2개 이상의 연결체(Stand) 단위로 추가?연결하면서 시추를 진행하는 본 발명의 시추탑에서, 상기한 마우스홀을 사용하는 작업을 시추작업장(20)의 인양장비(Drawworks)와 더불어 인양시스템(32) 등을 사용하여 연직공(31)에서 완료할 수 있는 경우에는 마우스홀을 설치할 필요가 없고, 하지만 해당 시추의 특성상 상기한 작업이 어려운 경우에는 시추작업장(20)에 필요한 깊이의 통상의 마우스홀(Mousehole)을 구비한다.

여덟째, 하부구조(10) 위에 도 2를 참조하여 시추보조작업장(30)을 설치한다.

시추봉 연결체(Drill Pipe Stand), 최하부어셈블리(BHA), 케이싱 연결체(Casing Stand) 등의 연결 및 분리작업을 하기 위해 필요한 직경과 깊이의 케이싱(Casing)을 삽입한 연직공(Straight Hole;31) 및 상기 연직공(31)의 최상부(시추보조작업장 바닥)에 보울(Bowl)을, 인양시스템(32)의 훅(Hook)에 연결된 승강기(Elevator)에 걸린 시추봉의 연직방향 중심선이 연직공(31) 보울의 중심과 일치되 도록, 설치한다.

상기 연직공(31) 보울(Bowl)은 해당 시추에서 연직공(31)을 이용하여 연결하게 될 가장 큰 직경의 케이싱(Casing)까지 수용할 수 있도록 구비한다.

상기 연직공(31)은 각종 연결 및 분리작업들을 하기 위해 연결체(Stand) 또는 최하부어셈블리(BHA)의 일부 또는 전부를 집어넣기 위한 것이므로, 예컨대, 시추봉 4개 연결체(Quadruple Stand)를 만들려면 시추봉 3개(약 90피트) 연결체(Triple Stand)를 연직공(31)에 집어넣어야 하고, 또한 케이싱 3개 연결체(Casing Triple Stand)를 만들려면 케이싱 2개(약 80피트) 연결체(Casing Double Stand)를 집어넣어야 하며, 또한 시추스트링(Drill String)에 추가?연결할 연결체(Stand) 전체를 집어넣어야 하고, 또한 최하부어셈블리(BHA) 작업도 해야 하므로, 해당 시추와 관련 상기 상황들을 모두 감안하여 연직공(31)의 깊이를 정한다.

상기 연직공(31) 보울을 중앙에 두는 시추보조작업장(30)에는 해당 시추에서 수행할 시추보조작업들에 필요한 통상의 장비 및 장치들을 설치 및 구비한다.

아홉째, 상기 기둥탑들(11)(12)의 사방으로 필요한 용량과 수의 가이와이어(Guy Wire)들을 설치해서 시추탑의 안정도를 보강한다.
상기 첫째부터 여덟째까지의 과정을 거쳐 축조된 본 발명의 시추탑은, 통상의 시추탑들과 같이, 시추탑의 안정성과 관련된 안전율(Safety Factor)을 해당 시추에서 필요로 하는 수준으로 내포하게 된다(예, 안전율 1.8). 그럼에도 불구하고, 시추지점의 주변여건들이 허락하는 한 가이와이어(Guy Wire)들을 설치해서 시추탑의 수평방향 안정성과 관련된 안전율을 보다 더 높이는 것이 바람직하다. 예컨대, 축조된 시추탑의 수평방향 안정성과 관련된 안전율이 1.8인 경우, 상기 시추탑에 가이와이어(Guy Wire)들을 설치함으로써, 상기 안전율을 2.1로 높일 수 있다. 상기와 같이 가이와이어(Guy Wire)들을 이용함으로써, 상기 안전율을 높은 수준으로 확보?유지하면서 본 발명의 시추탑의 규모를 축소시킬 수 있게 된다.
상기 가이와이어를 설치하기 위해서는, 시추탑 측 앵커와 지상 측 앵커(Anchor)를 설치해야 되는데, 시추탑 측 앵커에 관해서는, 타워크레인 마스트들에서 널리 이용되고 있는 앵커프레임(Anchor Frame) 등 앵커장치들에 관한 기술들을 이용하고, 지상 측 앵커에 관해서는, 통상의 시추탑들에서 이용되고 있는 다양한 앵커설치기술들을 이용한다. 특히 통상의 트레일러 탑재 시추장비(Trailer Mounted Drilling Rig)에서는, 하부구조가 지표면과 접촉되는 면적이 비교적 작은 관계로 시추탑에 고강도의 가이와이어(Guy Wire)들을 설치해서 수평방향 안전율을 대폭 높이게 되므로, 상기 설치와 관련된 일련의 관용기술들을 필요에 따라 보완하여 활용할 수 있다.
해당 시추지점 주변의 여건들이 불리한 경우, 가이와이어 설치 자체가 불가능할 수도 있고, 설치가 가능하더라도 특히 지상 측 앵커를 설치하는데 어려움이 따를 수 있으며, 또한 시추탑 측 앵커의 설치높이에도 제한이 따를 수 있다. 따라서 시추탑에 가이와이어(Guy Wire)를 설치하는 시스템 및 방법은 시추지점 주변의 여건들에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.

열째, 필요시, 상기 하부구조(10) 위에 보강기둥탑(13)을 가설(假設)한다.

해당 시추의 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시 케이싱스트링(Casing String)으로 인해 상기 크라운블록(Crown Block;15)에 걸리게 되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 2개의 기둥탑들(11)(12)이 지탱할 수 없는 경우에, 상기 최대훅하중을 2개의 기둥탑들(11)(12)과 함께 안전하게 지탱할 수 있는 보강기둥탑 (13)을, 도 3을 참조하여, 상기 하부구조(10) 위의 최적의 위치(예, 시추작업장(20)과 시추보조작업장(30) 사이)에 가설(假設)하고, 상기 케이싱 삽입작업을 수행한다.

상기 보강기둥탑(13)은, 필요한 용량과 수의 타워크레인 마스트(Mast)들로 구성하고, 상기 타워크레인 마스트(Mast)들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여, 상기 크로스빔(14)과 크라운블록(15)을 떠받치도록 축조하며, 필요한 경우 상기 크라운블록(15)을 떠받치는 보강 크로스빔을 추가?삽입한다.

상기 보강기둥탑(13)은 해당 케이싱 삽입작업이 완료되면 철거한다.

보강기둥탑(13)의 축조는, 시추작업장(20)에서 시추작업이 진행되는 동안에, 기둥탑(11) 축조와 같이 필요한 용량의 크레인과 고소작업대를 동원하여 수행할 수도 있으나, 다리(36)를 상승식 작업대(Climbing Work Platform)로 이용하고, 크로스빔(14)에 설치돼 있는 보조용 붐 크레인 등을 이용하여 수행하는 것이 비용효과적이다.

상기 보강기둥탑(13)의 철거 역시, 축조방법과 유사하게, 시추작업장(20)에서 다음 단계의 시추작업을 진행하는 동안에, 상기한 장비들을 이용하여 수행한다.

상기 보강기둥탑(13)만으로는 상기 최대훅하중을 지탱하기에 역부족인 경우에는, 기둥탑들(11)(12) 옆에 필요한 만큼의 추가적인 보강기둥탑을 축조한다.

너무 협소하거나 여타 이유로 필요한 보강기둥탑을 축조할 수 없는 경우에는, 필요한 용량의 케이싱잭(Casing Jack)을 동원하여 케이싱 삽입작업을 수행한다.

열한째, 필요시, 하부구조(10) 및 기둥탑들(11)(12)을 이동시키지 아니한 상태에서, 크라운블록(15)을 이동?설치하면서, 필요한 수의 정(Well)들을 시추해나간다.

1개 정(Well)을 추가로 시추하기 위해, 상기 크로스빔(Crossbeam;14) 위에서, 상기 하부구조(10)에서 실시된 마지막 시추의 상기 크라운블록(Crown Block;15)의 위치로부터, 크로스빔(14)의 길이방향으로, 또는 상기 길이방향에 직각방향으로, 또는 상기 방향들로 조합되는 대각선방향으로, 정(Well)들의 지표(地表)상의 위치들 간에 필요한 거리가 확보되도록, 크라운블록(Crown Block;15)을 이동시켜 설치한다.

상기와 같이 이동?설치된 크라운블록(15)에 연결된 이동블록(Traveling Block)의 훅(Hook)에 연결된 승강기(Elevator)에 걸린 시추봉의 연직방향 중심선이 중심과 일치되도록 상기 시추공 보울(Bowl;17)을 이동시켜 설치하고, 그에 따라 상기 이동?설치된 시추공 보울(17)을 중앙에 두도록 시추작업장(20) 역시 이동시켜 설치하며, 또한 앞서 '일곱째'에서 설명된 바와 같이 해당 시추에 필요한 통상의 장비 및 장치들을 시추작업장(20)에 설치 및 구비한 후, 상기 1개 정을 추가로 시추한다.

상기한 1개 정(Well)을 추가로 시추하는 과정을 반복하면서, 상기 하부구조(10) 위의 허용되는 공간 내에서 필요한 수의 정(Well)들을 추가로 시추해나간다.

크라운블록(15)을 크로스빔(14)의 길이방향으로 이동시켜 설치하는 경우에는, 크로스빔(14) 위에 올려놓은 크라운블록(15) 설치구조물 전체를 이동블록 (Traveling Block)과 함께, 보조용 붐 크레인 등을 이용하여, 스키딩(Skidding)시킨다.

크라운블록(15)을 크로스빔(14)의 길이방향에 직각방향으로 이동?설치하는 경우에는, 보조용 붐 크레인 등을 이용하여, 먼저 이동블록(Traveling Block)을 크라운블록(15)에 시추라인(Drilling Line)으로 연결된 상태로 인양해서 크로스빔(14) 위의 안전한 임시위치에 올려놓고서, 크라운블록(15)을 인양해서 다음 시추할 위치로 이동시킨 후, 이동블록을 제 위치로 내려놓고, 크라운블록(15)을 고정?설치한다.

상기와 같이 크라운블록(15)을 이동?설치하면, 시추작업장(20)의 인양장비(Drawworks)의 스풀(Spool)에 시추라인(Drilling Line)이 감기는 각도가 원래(최적)의 상태를 벗어날 수 있으며, 그리 되면 시추라인의 마모가 심해질 수 있으므로, 다음과 같이 원래의 상태로 복귀시키거나, 원래의 상태를 벗어나지 않도록 조치한다.

추가 시추할 정(Well)의 수가 적을(예, 3개 이하) 경우, 인양장비(Drawworks)의 스풀(Spool)을 필요한 만큼 이동시킴으로써 상기한 원래(최적)의 상태로 복귀시킬 수 있다. 하부구조(10) 축조 시에 상기한 이동이 용이하도록 설계하여 설치한다.

추가로 시추할 정(Well)들의 수가 많거나, 상기한 인양장비의 이동?설치가 어려울 경우에는, 문헌 9에 개시된 시스템과 유사하게, 크로스빔(14)의 길이방향과 평행한 일직선상에서 크로스빔(14)의 한쪽에 인양선 쉬브(Fast Line Sheave)를 다 른쪽에 사선 쉬브(Dead Line Sheave)를 설치하고, 상기 쉬브(Sheave)들 사이의 일직선상에서 크라운블록(15)을 추가 시추할 위치들로 이동시켜나가면, 상기 인양선 쉬브(Fast Line Sheave)의 위치는 고정됨으로써, 인양장비를 이동시킬 필요가 없고, 인양장비의 스풀(Spool)에 시추라인(Drilling Line)이 감기는 각도는 변하지 않게 된다.

크라운블록(15)을 크로스빔(14)의 길이방향 외의 방향으로 이동시키면, 설치된 이동식 크레인(35)과 다리(36)의 위치가 앞서 '다섯째' 및 '여섯째'에 설명된 용도에 부적합하게 될 수 있는데, 이와 같은 경우에는 상기 용도를 충족시킬 수 있도록 이동식 크레인(35)과 다리(36)를 이동시켜 설치하거나, 보조 크레인 등을 설치한다.

추가 정(Well)을 시추해나감에 따라, 기둥탑(11)에 접해 설치된 핑거보드(16)와 시추작업장(20) 간의 거리가 너무 멀어지는 경우, 시추탑 축조 시에 양측 기둥탑들(11)(12)을 가로질러 연결하는 필요한 용량의 철골빔(Beam)들을 필요한 높이에 설치하고, 상기 철골빔들을 지지대로 삼아 핑거보드 및 몽키보드(16)(33)(34)들을 설치함으로써, 시추작업장(20) 또는 시추보조작업장(30)의 이동에 맞추어, 핑거보드 및 몽키보드(16)(33)(34)들을 상기 철골빔들을 따라 필요한 위치로 이동시켜 설치할 수 있다.

추가 정(Well)을 시추하기 위해, 시추작업장(20)을 시추보조작업장(30) 위치로 이동시켜야 할 경우에는, 시추보조작업장(30)을 반대편 기둥탑(11) 측이나 여타 적합한 위치로 이동시켜 설치하고, 앞서 '여덟째'와 '다섯째'에 설명된 바와 같이, 시추보조작업에 필요한 연직공(31)과 보울(Bowl) 및 인양시스템(32)을 이동시켜 설치하며, 핑거보드 및 몽키보드(33)와 케이싱 핑거보드 및 몽키보드(34)를 반대편 기둥탑(11)에 접하도록 또는 상기 철골빔(Beam)들을 따라 적합한 위치로 이동시켜 설치하고, 또한 시추작업장(20) 측 핑거보드 및 몽키보드(16)도 반대편 기둥탑(12)에 접하도록 또는 상기 철골빔들을 따라 적합한 위치로 이동시켜 설치하며, 또한 해당 시추에서 수행하게 될 시추보조작업들에 필요한 통상의 장비 및 장치들을 상기 이동?설치된 시추보조작업장(30)에 설치 및 구비한 후, 추가 시추를 진행한다.

시추보조작업장(30)을 이동시키는 경우에, 사용하지 않게 되는 연직공(31)은 추가 시추될 정(Well)의 컨덕터케이싱(Conductor Casing) 구간으로 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑의 정면 설명도이다.

도 2는 본 발명의 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑의 평면 설명도이다.

도 3은 본 발명의 시추탑에 보강기둥탑이 가설된 정면 설명도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 하부구조(Drilling Rig Substructure)

11 : 타워크레인 마스트(Mast)들로 구성된 기둥탑 1

12 : 타워크레인 마스트(Mast)들로 구성된 기둥탑 2

13 : 타워크레인 마스트(Mast)들로 구성된 보강기둥탑

14 : 크로스빔(Crossbeam)

15 : 크라운블록(Crown Block)

16 : 시추작업장 측 핑거보드 및 몽키보드(Fingerboard and Monkeyboard)

17 : 시추공 보울(Bowl)

20 : 시추작업장

30 : 시추보조작업장

31 : 시추보조작업장의 연직공(Straight Hole)

32 : 시추보조작업장의 인양시스템(Hoisting System)

33 : 시추보조작업장 측 핑거보드 및 몽키보드

34 : 케이싱 핑거보드 및 몽키보드(Casing Fingerboard and Monkeyboard)

35 : 이동식 크레인

36 : 다리

Claims (4)

1. 지열에너지 개발 등을 위한 심부시추(Drilling)에 사용되는 시추장비(Drilling Rig)의 주요부분인 시추탑(Drilling Derrick)에 있어서,

   하부구조(Drilling Rig Substructure;10)와;

   상기 하부구조(10) 위에, 각개 기둥탑(11)(12)을 필요한 용량과 수의 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들로 구성하고, 상기 타워크레인 마스트들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여 축조되는 2개의 기둥탑들(11)(12)과;

   상기 2개의 기둥탑들(11)(12) 위에 가로질러 설치되는 필요한 용량의 크로스빔(Crossbeam;14)과;

   상기 크로스빔(Crossbeam;14) 위에 설치되는 필요한 용량의 크라운블록(Crown Block;15)을 비롯한 해당 시추에 필요한 장치들과;

   상기 크라운블록(15)에 연결된 이동블록(Traveling Block)의 훅(Hook)의 연직방향 중심선과 하기 시추공 보울(Bowl;17)의 중심이 일치되도록 상기 하부구조(10) 위에 설치되는 시추공 보울(Bowl;17) 및 상기 시추공 보울(Bowl;17)을 중앙에 두도록 설치되는 시추작업장(20)과;

   상기 시추작업장(20) 측 기둥탑(11)에 접하여 필요한 높이에 설치되는 핑거보드 및 몽키보드(Fingerboard and Monkeyboard;16)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 시추작업장(20)에서 시추작업을 진행하는 동시에, 각종 시추보조작업을 수행하기 위해 상기 하부구조(10) 위에 설치되는 시추보조작업장(30)과;

   상기 시추보조작업장(30)의 중앙에 설치되는 필요한 직경과 깊이의 케이싱(Casing)을 삽입한 연직공(Straight Hole;31) 및 상기 연직공(31)의 보울(Bowl)과;

   상기 연직공(31)의 보울(Bowl)의 중심과 하기 인양시스템(32)의 훅(Hook)의 연직방향 중심선이 일치되도록 상기 크로스빔(Crossbeam;14)에 설치되는 인양시스템(Hoisting System;32)과;

   상기 시추보조작업장(30) 측 기둥탑(12)에 접하여 필요한 높이에 설치되는 핑거보드 및 몽키보드(Fingerboard and Monkeyboard;33)와;

   상기 기둥탑(12)에 접하여 필요한 높이에 해당 시추에 사용되는 케이싱(Casing)들의 직경에 맞추어 핑거들(Fingers)의 간격을 조정할 수 있게 구비되어 설치되는 케이싱 핑거보드 및 몽키보드(Casing Fingerboard and Monkeyboard;34)와;

   상기 핑거보드들(16)(33) 간에 시추봉 연결체(Drill Pipe Stand) 등을 운반할 수 있도록, 또한 상기 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간에 케이싱 연결체(Casing Stand) 등을 운반할 수 있도록 설치되는 이동식 크레인(35)과;

   데릭맨(Derrickman)이 상기 핑거보드들(16)(33) 간을 왕래할 수 있도록, 또한 설치높이를 조정하여 상기 케이싱 핑거보드(34)와 시추작업장(20) 측 기둥탑(11) 간을 왕래할 수 있도록 설치되는 다리(36)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템.
3. 제1항에 있어서, 해당 시추(Drilling)의 케이싱 삽입작업(Casing Lowering Operation) 시에 발생되는 최대훅하중(Hook Load)을 상기 2개의 기둥탑들(11)(12)이 지탱할 수 없는 경우에,

   상기 최대훅하중을 상기 2개의 기둥탑들(11)(12)과 함께 안전하게 지탱할 수 있는 보강기둥탑(13)을 상기 하부구조(10) 위에 가설(假設)하고, 상기 케이싱 삽입작업을 수행하며;

   상기 보강기둥탑(13)은, 필요한 용량과 수의 타워크레인(Tower Crane) 마스트(Mast)들로 구성되고, 상기 타워크레인 마스트들을 구성하는 모듈(Module)들을 필요한 높이로 조립하여, 상기 크로스빔(Crossbeam;14)과 크라운블록(Crown Block;15)을 떠받치도록 축조되며;

   상기 보강기둥탑(13)은 상기 케이싱 삽입작업이 완료되면 철거되는 것을 특징으로 하는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 하부구조(10) 및 2개의 기둥탑들(11)(12)을 이동시키지 아니한 상태에서 다수의 정(Well)들을 시추하는 경우에,

   1개 정(Well)을 추가로 시추하기 위해, 상기 크로스빔(Crossbeam;14) 위에서, 상기 하부구조(10)에서 실시된 마지막 시추의 상기 크라운블록(Crown Block;15)의 위치로부터, 상기 크로스빔(Crossbeam;14)의 길이방향으로, 또는 상기 길이방향에 직각방향으로, 또는 상기 방향들로 조합되는 대각선방향으로, 정(Well)들의 지표(地表)상의 위치들 간에 필요한 거리가 확보되도록, 상기 크라운블록(Crown Block;15)을 이동시켜 설치하고;

   상기 이동시켜 설치된 크라운블록(Crown Block;15)의 위치에 맞추어, 상기 시추공 보울(Bowl;17) 및 시추작업장(20)을 이동시켜 설치하고, 필요시 상기 핑거보드 및 몽키보드(16)를 비롯하여 해당 시추에 필요한 장비 및 장치들도 이동시켜 설치한 후에, 상기 1개 정(Well)을 추가로 시추하며;

   상기한 1개 정(Well)을 추가로 시추하는 과정을 반복하면서, 상기 하부구조(10) 위의 허용되는 공간에서 필요한 수의 정(Well)들을 추가로 시추해나가는 것을 특징으로 하는 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템.

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