KR101419513B1 - 수중 드릴링 장치 및 시추공의 형성방법 - Google Patents

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토마스 프로프. 바우어
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바우어 머쉬넨 게엠베하
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    • E21B4/18—Anchoring or feeding in the borehole

Abstract

본 발명은 호수, 바다 또는 호수의 바닥면에 시추공을 형성하는 수중 드릴링 장치에 관한 것으로, 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 위치하도록 하강할 수 있는 작업 플랫폼, 작업 플랫폼에 설치되는 드릴 드라이브 및 드릴 헤드를 가지며 드릴 드라이브에 의해 회전하도록 구동될 수 있는 드릴 로드를 포함한다. 작업 플랫폼은 내부에 적어도 하나의 선형 가이드가 설치된 가이드 튜브를 포함하며, 선형 가이드를 따라 드릴 드라이브의 적어도 일부가 축 방향으로 이동가능하게(displaceably) 가이드되고, 가이드 튜브가 조정되어 작업 플랫폼의 마운트에 고정될 수 있도록 가이드 튜브가 고정된다. 본 발명은 또한 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 시추공을 형성하는 방법에 관한 것이다.

Description

수중 드릴링 장치 및 시추공의 형성방법{Underwater drilling arrangement and method for making a bore}
본 발명은 청구항 1의 전문에 따른 해저면(bed of a water body)에 시추공을 형성하는 수중 드릴링 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 10에 따라 해저면(bed of a water body)에 시추공을 형성하는 방법에 관한 것이다.
수중 드릴링 장치는 호수, 바다 또는 강 바닥면과 같은, 해저면(bed of a water body)에 위치하도록 하강할 수 있는 작업 플랫폼(service platform), 작업 플랫폼에 축 방향으로 이동가능하게 탑재된 드릴 드라이브(drill drive) 및 드릴 드라이브에 의해 회전하도록 구동되며 드릴 헤드(drill head)를 가지는 드릴 로드(drill rod)를 포함한다.
수중 드릴링 장치 및 드릴링 방법은 예를 들면 해양 풍력 발전소, 조력 발전소의 흐름 터빈(flow turbine) 또는 바다의 석유 및 가스 전달 시설을 고정하기 위해 특히 호수, 바닥 또는 강의 바닥면에 기초부(foundation) 또는 기초말뚝(foundation pile)을 형성하는 역할을 한다.
수중 드릴링 장치가 EP 2 322 724 A1에 공지되어 있다. 이 드릴링 장치에서, 드릴 드라이브가 호수, 바다 또는 강 바닥면에 삽입되는 관형 기초 요소의 상부 칼라에 위치하며, 굴착 과정 후 상기 기초 요소는 호수, 바다 또는 강 바닥면에 남아 있는다. 호수, 바다 또는 강 바닥면에 삽입되는 기초 요소는 호수, 바다 또는 강 바닥면 위에서 작업 플랫폼에 배열되는 슬리브-형태 선형 가이드를 따라 가이드된다.
GB 2 448 358 A에 다른 수중 드릴링 장치를 기술하고 있다. 드릴링 장치는 복수의 중공 서포팅 피트(hollow supporting feet)를 가지는 작업 플랫폼을 포함하며, 서포팅 피트를 통해 고정 말뚝이 호수, 바다 또는 강 바닥면에서 작업 플랫폼을 고정하기 위해 지면으로 삽입될 수 있다.
튜브형(tubed) 깊은 시추공을 형성하는 장치 및 방법이 DE 43 08 856 C1에 기술되어 있다. 장치는 전진 이송력(advance feed force)을 동시에 발휘하는 튜브 회전 장치에 의해 회전 구동되는 드릴 튜브를 포함하며, 드릴 코어 물질(drill core material)을 굴착하기 위해, 케이블에 매달린 드릴 튜브에 인출식으로(in and out of) 이동할 수 있는 인-튜브 드릴링 유닛(in-tube drilling unit)이 이용된다. 인-튜브 드릴링 유닛(in-tube drilling unit)은 드릴 튜브에 고정될 수 있고 드릴 튜브를 통해 회전하는 드릴링 움직임에 동반되고 그로 인하여 구동될 수 있다.
드릴 튜브에 고정될 수 있는 로터리 드라이브를 가지는 튜브형(tubed) 시추공을 형성하는 다른 장치가 DE 27 34 185 C2에 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 특히 경제적으로 수중 시추공을 형성할 수 있는 해저면(bed of a water body)에 시추공을 형성하는 수중 드릴링 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 수중 드릴링 장치 및 청구항 10의 특징을 가지는 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 시추공을 형성하는 방법을 통해 성취된다. 본 발명의 바람직한 구체예가 각 종속항에 나타난다.
본 발명에 따른 수중 드릴링 장치는 작업 플랫폼이 가이드 튜브를 포함하고, 가이드 튜브의 튜브 안쪽에 적어도 하나의 선형 가이드가 설치되며, 선형 가이드를 따라 드릴 드라이브의 적어도 일부가 축 방향으로 이동할 수 있도록 가이드되며 가이드 튜브가 조정되어 작업 플랫폼의 마운트에 고정될 수 있도록 작업 플랫폼에 고정되는 것을 특징으로 한다.
특히 본 발명에 따른 수중 드릴링 장치로 실시할 수 있는 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계를 포함한다: 가이드 튜브를 가지는 작업 플랫폼이 하강하여 해저면(bed of a water body)에 위치결정한다. 드릴 헤드를 가지는 드릴 로드가 가이드 튜브 안에 배치되고 축 방향으로 가이드되며, 드릴 드라이브에 의해 드릴 로드가 회전 구동된다. 시추공를 형성한 후, 작업 플랫폼을 해저면(bed of a water body)에서 제거하고 가이드 튜브와 함께 상승한다.
드릴 드라이브가 작업 플랫폼의 관형 가이드 구조부, 즉 가이드 튜브의 내면을 따라 가이드되는 점에서 본 발명의 첫 번째 기본 아이디어를 찾을 수 있다. 그로 인하여 가이드 튜브는 드릴 드라이브가 이동될 수 있도록 가이드 튜브를 따라 드릴 드라이브가 가이드되게 하는, 유사 중개자의 기능을 가지는 것으로 추측된다. 드릴 드라이브가 가이드 튜브 안에 설치되어 가이드되는 것을 통해, 호수, 바다 또는 강과 같은, 물 흐름 등과 같은 외부 영향으로부터 광범위하게 보호된다. 가이드 튜브를 통해 시추가 진행되는 방향으로 드릴 드라이브가 가이드되어 움직인다.
드릴 드라이브를 가이드하기 위해, 가이드 튜브는 가이드 튜브의 축 방향으로 확대되는 가이드 수단(guide means)을 포함하며, 가이드 수단은 선형 가이드로 형성된다. 선형 가이드는 특히 가이드 튜브의 축 방향으로 확대되는 가이드 요홈(guide groove)을 포함하며 드릴 드라이브의 대응하는 가이드 요소(guide element)와 협력할 수 있다. 드릴 드라이브의 가이드 요소, 예를 들면 가이드 슈(guide shoe)가 바람직하게 드릴 드라이브의 하우징의 외부 측면에 제공된다.
가이드 튜브의 선형 가이드는 가이드 튜브 안에서 드릴 드라이브가 가이드되어 축 방향으로만 이동하는 것을 보장한다. 선형 가이드를 통해 가이드 튜브에 대한 회전에 대항하여 드릴 드라이브의 하우징을 보호할 수 있어서 드릴 드라이브가 회전 작동하는 동안 반응력, 특히 회전력이 가이드 튜브에 의해 흡수되어 그것에서 제거한다.
시추공을 형성하는 동안 가이드 튜브가 이동할 수 있게 특히 상하로 이동하거나 회전할 수 있도록 가이드 튜브가 조정가능하게(adjustably), 특히 축 방향으로 이동가능하게(movably) 및/또는 회전가능하게(rotatably), 작업 플랫폼의 마운트에 탑재되는 점에서 본 발명의 두 번째 핵심 아이디어를 찾을 수 있다. 본 발명에 따르면, 가이드 튜브가 마운트에 고정될 수 있다. 가이드 튜브가 고정되는 경우, 가이드 튜브가 작업 플랫폼의 베이스 바디에 대해 회전 움직임 및/또는 축 방향의 움직임에 대하여 보호된다.
드릴 드라이브가 작동하는 동안 고정된 가이드 튜브는 드릴 드라이브의 받침대(abutment) 또는 서포트(support)로 역할을 한다. 이것은 용이하게 가이드 튜브를 통해 작업 플랫폼의 베이스 바디로 또한 이것을 통해 호수, 바다 또는 강 바닥면으로 반응력을 편향시킨다. 또한, 특히 드릴 드라이브의 작동이 중단되는 동안, 작업 플랫폼의 베이스 바디에서 조정 가능하게 위치하기 때문에, 이어서 가이드 튜브가 시추 방향으로 공급될 수 있다. 용이하게 더 깊이 시추하기 위해 드릴 드라이브의 가이드가 하향으로 확대될 수 있다. 축 방향의 움직임에 대체하여 또는 부가하여, 작업 플랫폼의 베이스 바디에 대해 가이드 튜브가 회전할 수 있다.
본 발명에 따르면, 해저면(bed of a water body)의 위 아래 모두에서 드릴 드라이브의 가이드를 촉진하기 위해 가이드 튜브가 적어도 부분적으로 해저면(bed of a water body)에 삽입되는 것이 바람직하다.
시추공이 형성된 후 수중 드릴링 장치의 작업 플랫폼의 일부로서 가이드 튜브가 상승하여 해저면(bed of a water body)으로부터 작업 플랫폼의 베이스 프레임과 함께 제거된다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 드릴 드라이브가 서로에 대하여 축 방향으로 이동할 수 있는 드릴 드라이브 상단부 및 드릴 드라이브 하단부를 포함한다. 드릴 드라이브 상단부 및 드릴 드라이브 하단부 모두 바람직하게 드릴 로드를 위한 피드-쓰로우(feed-through)를 포함한다. 드릴 드라이브 하단부가 공동 축 방향의 움직임을 위해 드릴 드라이브 하단부 및 드릴 로드를 결합시키는 인트레이닝 수단(entraining means)을 장착하는 것이 바람직하다. 드릴 드라이브 상단부 및/또는 드릴 드라이브 하단부가 가이드 튜브에 탑재되어 그들이 고정 및 분리될 수 있다. 드릴 드라이브 하단부는 축 방향의 가이드를 위해 적어도 하나의 선형 가이드와 협력하는 적어도 하나의 바깥쪽을 향하는 가이드 요소(outwardly pointing guide element)를 포함할 있다.
드릴 드라이브 상단부 및/또는 드릴 드라이브 하단부는 바람직하게 가이드 튜브에 대해 조정가능하다. 조정가능한, 특히 축 방향으로 이동가능한 탑재를 통해, - 가이드 튜브가 고정된 채로- 대략 가이드 튜브의 길이의 시추공을 형성하기 위해 드릴 드라이브 상단부 및/또는 드릴 드라이브 하단부가 가이드 튜브의 전체 길이를 따라 이동할 수 있다.
드릴 드라이브 상단부 및 드릴 드라이브 하단부는 바람직하게 서로 독립적으로 가이드 튜브에 고정될 수 있다. 시추 단계를 수행하기 위해, 드릴 드라이브 상단부가 가이드 튜브에 고정되고 -드릴 드라이브 상단부가 고정된 채로- 드릴 드라이브 하단부가 가이드 튜브에서 축 방향으로 드릴 로드와 함께 움직이는 것이 특히 바람직하다.
이론적으로 중력에 의해 드릴 헤드를 가지는 드릴 로드가 전진 이송 운동(advance feed movement)이 이루어진다. 그러나 축 액추에이터 유닛(axial actuator unit)이 드릴 드라이브 상단부에 대해 드릴 드라이브 하단 부분을 이동시키기 위해 설치되는 것이 특히 바람직하다. 또한 피드 유닛(feed unit)으로 설명될 수 있는 액추에이터 유닛(actuator unit)이 특히 중력에 의해 발생하는 부하를 증가 또는 감소시켜서, 요구 사항에 대하여 최적화된 드릴 헤드에 부하를 용이하게 제어한다.
부하 또는 가압력(pressing force)을 제어하기 위해서, 가이드 튜브에서 드릴 드라이브 하단부를 팽팽하게 하고 액추에이터 유닛(actuator unit)을 통해 드릴 드라이브 하단부에 축 방향의 힘을 발휘하여 결정된 가압력(pressing force)이 드릴 헤드로 전달된다.
유리하게 축 액추에이터 유닛(axial actuator unit)이 적어도 하나의, 바람직하게 3개의, 유압 실린더를 포함한다. 유압 실린더는 가이드 튜브 안에서 공간을 절약하게 배열될 수 있다. 복수의 유압 실린더가 바람직하게 드릴 로드의 중앙 세로축에 대해 대칭으로 배열된다.
특히 호수, 강 또는 바다의 바닥면 속에서 가이드 튜브를 회전시키기 위해서, 바람직하게 가이드 튜브가 마운트에서 회전하고 축 방향으로 이동할 수 있도록 가이드 튜브가 마운트에 탑재되고 가이드 튜브를 회전시키는 로터리 드라이브가 작업 플랫폼에 정렬된다. 호수, 바다 또는 강의 바닥면에서 가이드 튜브가 깊은 곳까지 회전하기 위해서, 가능하면 가이드 튜브가 수면 위로 돌출할 수 있을 정도로, 가이드 튜브가 상방으로 확대될 수 있는 것이 바람직하다.
작업 플랫폼의 베이스 바디에 가이드 튜브를 용이하게 고정하는 특히 강력한 로터리 드라이브가 제공되며, 로터리 드라이브는 가이드 튜브를 클램프하기 위한 적어도 하나의 유압식으로 클램프가능한 콜릿(hydraulically clampable collet)을 포함하며, 콜릿(collet)은 적어도 하나의 수평 실린더와 함께 회전할 수 있다. 수평 실린더는 한편으로 콜릿(collet)과 연결되고 다른 한편으로는 작업 플랫폼의 베이스 바디에 연결된다. 이렇게 형성된 로터리 드라이브는 콜릿(collet)을 팽팽하게 하고, 수평 실린더에 의해 콜릿(collet)을 회전시키며, 콜릿(collet)을 분리하고, 콜릿(collet)을 다시 공급하며 새롭게 팽팽하게 하고 회전시키는 것을 통해 가이드 튜브를 용이하게 간헐적으로 회전시킨다.
가이드 튜브가 그 하단면에 절삭 수단(cutting means)을 포함하여 가이드 튜브를 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 용이하게 삽입할 수 있다. 절삭 수단(cutting means)는 가이드 튜브의 축 말단면에 형성된 절삭치(cutting teeth)를 가지는 절삭 링(cutting ring)을 포함할 수 있다.
드릴 헤드에 부하를 증가시키기 위하여, 드릴 헤드 위에서 드릴 로드에 부하 플레이트가 설치되는 것이 바람직하다. 부하 플레이트는 특히 드릴 로드에 분리가능하게(releasably) 설치될 수 있고, 특히 상기 드릴 로드에 위치결정된다. 이때, 부하 플레이트는 드릴 로드를 위한 중앙 피드-쓰로우(feed-through)를 포함한다. 변할 수 있는 개수의 부하 플레이트가 바람직하게 드릴 로드에 설치될 수 있다.
가이드 튜브에서 드릴 드라이브 상단부 및/또는 드라이브 하단부를 안정하게 고정하거나 팽팽하게 하기 위해서, 드릴 드라이브 상단부 및/또는 드릴 드라이브 하단부가 조정가능한 잠금 요소를 가지는 적어도 하나의 잠금 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 복수의 서포트 요소, 예를 들면 튜브 내벽에 형성된 안쪽으로 돌출하는 웨지 또는 노치가 가이드 튜브에 전체 길이에 분산되어 제공되며, 서포트 요소는 필요에 따라 형상-잠금(shape-locking) 연결을 형성하기 위한 잠금 요소와 협력한다. 이것은 가이드 튜브의 다른 지점에 대응하는 하는 드라이브부를 축 방향으로 용이하게 고정시킨다. 잠금 요소를 분리하여, 대응하는 드라이브부의 축 방향의 이동성(moveability)을 보장할 수 있다.
서포트 요소는 바람직하게 가이드 튜브의 선형 가이드의 영역에 정렬된다. 드릴 드라이브의 조정가능한 잠금 요소가 바람직하게 선형 가이드와 협력하는 드릴 드라이브의 가이드 요소의 영역에 정렬된다. 잠금 요소를 조정하는 잠금 실린더, 특히 유압 실린더가 제공된다.
방법의 측면에서, 드릴 드라이브의 드릴 드라이브 상단부가 가이드 튜브의 상단면에 고정되고, 드릴 드라이브 하단부가 가이드 튜브의 안쪽에서 적어도 하나의 선형 가이드를 따라 가이드되고 드릴 로드와 함께 축 방향으로 이동하는 것이 바람직하다. 그로 인하여 드릴 로드에 정렬된 드릴 헤드가 바람직하게 가이드 튜브가 전진함에 따라 시추공을 형성한다.
이론적으로 드릴 헤드 및 드릴 로드와 배열될 수 있는 부하 플레이트의 특정 무게에 의해 드릴 헤드의 가압력(pressing force)이 발생할 수 있다. 그러나, 드릴 헤드의 접촉력(contact force)이 드릴 드라이브 상단부 및 드릴 드라이브 하단부 사이에 정렬된 축 액추에이터 유닛(axial actuator unit)에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 축 액추에이터 유닛(axial actuator unit), 예를 들면 적어도 하나의 유압 실린더가 드릴 로드 및 배열될 수 있는 부하 플레이트의 특정 무게에 의해 제공되는 가압력(pressing force)을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이에 의해 의도적으로 시추 작업 중에 변경될 수 있는 미리 결정된 가압력(pressing force)을 생성할 수 있다.
드릴 로드가 인출식(telescopic)이거나 중간 요소를 삽입하여 확대될 수 있어서, 본 발명에 따르면 가이드 튜브의 미리 결정된 길이로 시추공 깊이를 확장시킬 수 있다. 중간 요소를 삽입하기 위해, 드릴 드라이브가 지면에 남아 있는 가이드 튜브 밖으로 나오고, 중간 요소에 연결되며 가이드 튜브에 다시 삽입된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 구체예에 따르면, 시추 단계를 수행하기 위해, 드릴 드라이브 하단부가 드릴 드라이브 상단부에 대해 정의된 스트로크 거리(stroke distance)만큼 밖으로 이동하고 이어서 가이드 튜브가 더 시추공으로 삽입되며 그로 인하여 드릴 드라이브 하단부가 다시 드릴 드라이브 상단부 속으로 이동하여 시추 단계가 더 진행될 수 있다.
따라서 방법에 따른 본 구체예에 따르면, 드릴 헤드 및 가이드 튜브가 단계적으로(in step) 그리고 번갈아(alternately) 해저면(bed of a water body) 속으로 구둥된다. 그로 인하여 드릴 헤드가 가이드 튜브 앞의 지면 속으로 삽입된다. 가이드 튜브는 시추공만 더욱 확대해야 하기 때문에, 가이드 튜브를 낮추기 위한 전진 이송력(advance feed force)은 비교적 작다. 가이드 튜브의 최대 침투 깊이를 달성한 후, 가이드 튜브는 드릴 드라이브를 위한 가이드 수단으로서 역할을 하며 드릴 드라이브는 가이드 튜브의 하부 말단까지 가이드 튜브를 따라 이동할 수 있다. 따라서 최대 시추 깊이는 가이드 튜브의 길이 및 확장될 드릴 로드의 길이의 합에 대응한다.
고정된 가이드 튜브로 시추공을 형성하기 위한 과정은 다음과 같다: 드릴 드라이브 하단부가 아래쪽으로 이동하고 적어도 하나의 유압 실린더가 최대한 밖으로 이동한 후, 드릴 드라이브 하단부가 가이드 튜브에 고정되며 드릴 드라이브 상단부가 가이드 튜브에서 분리되어 드릴 드라이브 하단부 방향으로 이동한다. 드릴 드라이브 상단부를 가이드 튜브에 새롭게 고정하고 드릴 드라이브 하단부를 분리하여, 다른 시추 단계를 실시할 수 있다. 이런 식으로, 가이드 튜브를 고정한 채, 약 가이드 튜브의 길이까지 시추공을 형성할 수 있고, 여기서 드릴 드라이브 상단부 및 드릴 드라이브 하단부가 설명한 것처럼 단계적으로(in steps) 그리고 번갈아 이동한다. 이 방법은 가이드 튜브의 위치에 관계없이 실시할 수 있고, 가이드 튜브가 회전하지 않거나 완전히 회전하지 않아도 실시할 수 있다.
방법의 다른 바람직한 구체예에 따르면, 굴착된 토양 물질(excavated earth material)이 드릴 로드의 플러싱 채널(flushing channel)을 통해 시추공에서 제거되고 드릴 드라이브 위에 배출된다. 이러한 소위 플러싱-시추(flushing-drilling) 과정을 통해 비교적 간단하게 굴착된 토양 물질(excavated earth material)을 제거할 수 있다. 플러싱 액체(flushing liquid)를 삽입하기 위해 피드 채널이 플러싱 채널(flushing channel) 옆에 제공된다.
본 발명을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 구체예를 참조하여 하기에서 더 상세히 설명한다.
도 1은 수중 드릴링 장치의 측면도를 도시한다.
도 2는 가이드 튜브의 사시도이다.
도 3은 도 2의 가이드 튜브의 횡단면도이다.
도 4는 베이스 위치에서의 드릴링 유닛의 사시도이다.
도 5는 드릴 드라이브 상단부에 대하서 이동하는 드릴 드라이브 하단부를 가지는 도 4의 드릴링 유닛이다.
도 6은 도 4의 드릴링 유닛의 단면도이다.
도 7은 베이스 위치에서의 드릴 드라이브의 사시도이다.
도 8은 드릴 드라이브 상단부에 대하여 이동하는 드릴 드라이브 하단부를 가지는 도 7의 드릴 드라이브이다.
도 9는 드릴 드라이브 상단부의 사시도이다.
도 10은 도 9의 드릴 드라이브 상단부의 단면도이다;
도 11은 중간 요소에 의해 확대된 드릴 로드가 가이드 튜브에 설치된 드릴링 유닛이다.
도 12는 인출식(telescopic) 드릴 로드를 가지는 드릴링 유닛이다.
도 13은 켈리 로드(Kelly rod)에 의해 확대된 드릴 로드를 가지는 드릴링 유닛이다.
모든 도면에서 동일한 요소는 동일한 참조번호로 표시한다.
도 1은 호수, 바다 또는 강과 같은 수역의 바닥면에 위치 결정할 수 있는 작업 플랫폼(20), 작업 플랫폼(20)에서 가이드되는 드릴링 유닛(50)을 가지는 본 발명에 따른 수중 드릴링 장치(10)를 도시한다. 작업 플랫폼(20)은 베이스 프레임이라고도 하는 베이스 바디(30)를 포함한다. 베이스 바디(30)는 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 설치하는 복수의 설치 피트(erection feet; 32)를 포함한다. 설치 피트(erection feet; 32)는 바람직하게 호수, 바다 또는 강의 바닥면의 울퉁불퉁함을 보상할 수 있고 작업 플랫폼(20)을 호수, 바다 또는 강의 바닥면에서, 원하는 방향으로, 특히 수평으로, 세울 수 있는 방식으로 설치 피트를 조정할 수 있도록 형성된다. 베이스 바디(30)는 또한 가이드 튜브(22)를 위한 복수의 스트럿(strut; 34) 및 중앙 마운트(36)를 포함한다. 가이드 튜브(22)가 작업 플랫폼(20)의 일부로 탑재되어서 가이드 튜브가 마운트(36)에서 조정가능하다.
베이스 바디(30)에 대해 가이드 튜브(22)를 회전시키기 위해, 로터리 드라이브(40)가 작업 플랫폼(20)의 베이스 바디에 제공된다. 로터리 드라이브(40)는 수평 실린더에 의해 회전할 수 있는 유압식으로 클램프가능한 콜릿(hydraulically clampable collet; 42)을 포함한다. 가이드 튜브(22)에 세로방향의 힘을 적용하기 위해, 수직 실린더(46)가 더 제공된다.
본 발명에 따른 가이드 튜브(22)가 도 2 및 3에 도시된다. 가이드 튜브(22)는 그 하부 말단에 링에 배열되는 복수의 절삭치(cutting teeth)를 가지는 절삭 수단(cutting means; 28)을 포함한다. 가이드 튜브(22)는 원통형 외부 셸 표면(outer shell surface)을 포함한다. 베이스 바디(30)에 대해 가이드 튜브(22)를 고정하는 복수의 고정 요소(securing element; 23)가 가이드 튜브(22)의 외부 주변에 정렬된다.
선형 가이드(24)는 가이드 튜브(22)의 내부 셸 표면(inner shell surface) 또는 내벽에 형성되며, 본 구체예에서 상기 선형 가이드(24)는 가이드 튜브(22)의 세로 방향으로 확장되는 3개의 요홈(groove)을 포함한다. 또한 잠금 핀, 잠금 웨지 또는 가이드 웨지로도 설명될 수 있는 웨지형 서포트 요소(wedge-like support element; 26)가 가이드 튜브(22)의 내부 셸 표면에 제공된다. 복수의 서포트 요소(26)가 동등한 거리로 가이드 튜브(22)의 세로 방향을 따라 정렬된다. 본 구체예에서, 서포트 요소(26)는 선형 가이드(24)의 영역, 즉 가이드 튜브(22)의 세로 방향의 요홈에 있다. 서포트 요소(26)의 반지름 방향의 확대부는 가이드 튜브(22)에 형성된 요홈의 깊이 이상이어서 서포트 요소(26)가 가이드 튜브(22)의 원통형 내부 셸 표면 위로 돌출할 없다.
도 4 내지 6에 상세히 도시된 드릴링 유닛(50)은 가이드 튜브(22)에 배열될 수 있다. 특히 도 1에서 추론될 수 있듯이, 드릴링 유닛(50)은 가이드 튜브(22) 위에서 위치결정할 수 있고 또는 (미도시된) 케이블에 의하여 적어도 부분적으로 가이드 튜브에 삽입될 수 있다.
드릴링 유닛(50)은 가이드 튜브(22)에 배치될 수 있고 드릴 드라이브 헤드 요소(51)와 함께 드릴 로드(70)를 구동시키는 드릴 드라이브(52), 가이드 튜브(22)에서 축 방향으로 이동할 수 있는 드릴 드라이브 상단부(54) 및 또한 이동가능한 드릴 드라이브 하단부(56)를 포함한다. 드릴 드라이브(52)는 한편으로 드릴 로드(70) 회전 구동시키는 역할 및 다른 한편으로 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 시추공을 형성하기 위해 드릴 로드(70)를 축 방향으로 전진시키는 역할을 한다. 드릴 로드(70)의 하부 말단에, 드릴링 공구(79)가 고정된 드릴 헤드(78)가 배열되어 있다. 롤러 비트(roller bits), 크로스 커터(cross-cutters) 등과 같은 많은 종류의 드릴링 공구(79), 및 선택적으로 에어리프트펌프(air lift pump) 드릴링 오거(drilling auger) 또는 드릴링 버켓(drilling bucket)이 드릴링 유닛(50)에 장착될 수 있다. 플러싱-시추(flushing-drilling) 과정을 수행하기 위해 플러싱 채널(flushing channel; 74)이 드릴 로드(70)에 제공된다.
균형추(ballast weight), 특히 부하 플레이트(76)에 의해 시추에 필요한 가압력(pressing force)이 적용된다. 부하 플레이트(76)는 드릴 드라이브(52) 및 드릴 로드(70)의 드릴 헤드(78), 특히 소위 드릴 칼라 사이에 정렬된다. 따라서 드릴링 유닛(50)은 또한 중력 드릴링 유닛으로서 형성될 수 있고, 이때 드릴링 헤드의 부하가 중력에 의해 광범위하게 제공된다.
드릴 드라이브 상단부(54) 및 드릴 드라이브 하단부(56)의 세부 사항이 도 7 내지 10에 도시된다.
드릴 드라이브 상단부(54) 및 드릴 드라이브 하단부(56) 모두 드릴 로드(70)를 위한 피드-쓰로우(feed-through)로서 중앙 개구부(53)를 가진다.
드릴 드라이브 상단부(54)는 복수의 가이드 요소(58), 본 구체예에서는 3개의 가이드 요소를 포함하며, 가이드 요소는 가이드 튜브(22)의 가이드 요홈과 결합할 수 있다. 드릴 드라이브 하단부(56)도 대응하는 가이드 요소(60) 포함한다.
가이드 요소(58)의 영역에, 잠금 수단(61)이 드릴 드라이브 상단부(54)에 정렬되며, 잠금 수단(61)에 의해 드릴 드라이브 상단부(54)는 가이드 튜브(22)에 대해 형상-잠금(shape-locking) 방식으로 잠길 수 있다. 잠금 수단(61)은 각각 조정가능한 잠금 요소(64) 및 잠금 요소(64)를 작동시키는 유압 잠금 실린더(66)를 포함한다. 따라서, 잠금 요소(64) 및 잠금 실린더(66)를 가지는 잠금 수단(62)이 드릴 드라이브 하단부(56)에 정렬된다.
드릴 드라이브 상단부(54) 및 드릴 드라이브 하단부(56)에 정렬된 잠금 수단(61, 62)에 의해, 드릴 드라이브 상단부(54) 및 드릴 드라이브 하단부(56)가 가이드 튜브(22)에서 서로 독립적으로 팽팽하게 되거나 고정될 수 있다. 잠금 수단(61, 62) 그에 따라 또한 수 클램핑 또는 인장 수단으로 설명.
가이드 요소(58, 60) 및 잠금 수단(61, 62)은 각각 드릴 드라이브 상단부(54) 또는 드릴 드라이브 하단부(56)의 가로 요소(transverse element; 55)에 정렬된다.
드릴 드라이브 상단부(54)에 대해 드릴 드라이브 하단부(56)가 이동하기 위해, 축 액츄에이터(80)가 드릴 드라이브 상단부(54) 및 드릴 드라이브 하단부(56) 사이에 배열된다. 액츄에이터(80)는 유압 실린더(82)로 형성되는, 복수의 전진 이송 실린더(advance feed cylinder), 본 구체예에서는 3개의 전진 이송 실린더를 포함한다. 드릴 로드(70)는 드릴 드라이브 하단부(56)에 축 방향으로 고정 결합한다. 드릴 드라이브 상단부(54)에 대해 드릴 드라이브 하단부(56)가 이동하여, 전진 이송력(advance feed force)이 드릴 로드(70) 및 드릴 헤드(78)에 적용될 수 있다. 이에 의하여 드릴 헤드(78)에서의 부하가 제어할 수 있다.
드릴 로드(70)가 확대될 수 있어서 가이드 튜브(22)의 길이가 시추 깊이를 제한하지 않는다. 도 11은 드릴 드라이브 상단부(54), 드릴 드라이브 하단부(56), 드릴 로드(70) 및 드릴 및 드릴 헤드(78)와 함께 가이드 튜브(22)에서 정렬된 드릴링 유닛(50)을 도시한다. 드릴 로드는 드릴 드라이브(52) 및 드릴 헤드(78) 사이에 배열되는 중간 요소(72)에 의해 확대된다. - 드릴 드라이브(52)가 가이드 튜브(22)에서 상방으로 배열된 경우- 드릴 헤드(78)가 가이드 튜브(22)를 넘어 아래쪽으로 돌출한다. 확대된 드릴 로드(70)를 통해 더 깊은 시추 깊이를 얻을 수 있다.
드릴 로드(70)를 확대하기 위해, 드릴링 유닛(50)이 가이드 튜브(22)에서 제거되고, 로드가 확대되며, 드릴링 유닛(50)이 다시 가이드 튜브(22)로 삽입된다.
인출식(telescopic) 드릴 로드를 가지는 드릴링 유닛(50)이 도 12에 도시된다. 드릴 로드(70)는 인출식으로(telescopically) 부하 플레이트(76) 위에 형성된다. 인트레이닝 요소(entraining element) 또는 고정 웨지(73)가 드릴 로드(70)의 인출부(telescopic part)의 외부 주변에 배열되며, 드릴 로드(70)를 축 방향으로 이동시키기 위해 인트레이닝 요소(entraining element) 또는 고정 웨지(73)가 드릴 드라이브 하단부(56)와 결합한다.
도 13은 켈리 확장부(Kelly extension)를 가지는 드릴 로드를 도시한다. 인트레이닝 요소(entraining element) 또는 고정 웨지(73)가 밖으로 이동할 수 있는 켈리 로드(Kelly rod; 69)의 외부 주변에 정렬된다.
호수, 바다 또는 강의 바닥면에 시추공을 형성하는 혁신적인 시추 방법을 하기에서 설명한다.
먼저, 가이드 튜브(22)를 포함하는 작업 플랫폼(20)이 플랫폼 또는 선박 등과 같은 수면 위에 정렬된 서포트 유닛으로부터 (미도시된) 케이블에 의하여 하강하고 및 아래쪽 호수, 바다 또는 강의 바닥면에 설치된다. 그러고 나서, 작업 플랫폼(20)을 맞추고 부가적으로 땅에 고정할 수 있다.
호수, 바다 또는 강의 바닥면에 원하는 방향에서 작업 플랫폼(20)을 정렬한 후, 드릴 드라이브(52), 드릴 로드(70) 및 드릴 헤드(79)를 가지는 드릴링 유닛(50)을 가이드 튜브(22)로 삽입한다. 드릴 드라이브 상단부(54)가 형상-잠금(shape-locking) 방식으로 가이드 튜브(22)에서 잠금 수단(61)에 의해 팽팽해진다. 드릴 로드(70)가 드릴 드라이브(52)에 의해 회전 구동되어 첫 번째 시추 단계가 실시된다. 부하 제어에 이해 조정되는 시추가 진행되는 동안, 가이드 튜브(22)가 고정된 채로, 피드 유닛(80)의 유압 실린더(82)가 완전히 밖으로 이동할 때까지 드릴 헤드(78)가 드릴 드라이브 하단부(56)와 함께 아래쪽으로 이동한다.
방법의 제1 구체예에 따르면, 드릴 헤드(78) 및 가이드 튜브(22)가 지면으로 단게석으로 번갈아 시추한다. 이 목적을 위해, 유압 실린더(82)가 완전히 이동한 경우, 상부 잠금 장치(61)에 의해 가이드 튜브(22)에 매달려 있는 드릴 헤드(78)가 시추공의 바닥면에서 다시 회수된다. 유압 실린더(82)가 다시 안으로 이동한다. 드릴 드라이브 하단부(56)가 가이드 튜브(22)에서 거기에 제공된 하부 잠금 수단(62)에 의해 형상-잠금(shape-locking) 방식으로 팽팽하게 되어서 드릴링 유닛(50)이 다시 가이드 튜브에 고정된다. 로터리 드라이브(40)에 의해 가이드 튜브(22)가 거의 시추공 바닥면까지 회전하여 들어간다. 하부 잠금 수단(62)이 분리되어 드릴 드라이브 하단부(56)가 다시 축 방향으로 움직이고 추가 시추 단계가 실시될 수 있다.
방법의 다른 구체예에서, 가이드 튜브(22)가 고정된 채로, 복수의 연속 시추 단계로 드릴 헤드(79)가 지면 속으로 회전하여 들어간다. 첫 번째 시추 단계에서 유압 실린더(82)가 완전히 바깥쪽으로 이동된 경우, 드릴 드라이브 하단부(56)가 가이드 튜브(22)에서 거기에 제공된 하부 잠금 수단(62)에 의해 형상-잠금(shape-locking) 방식으로 팽팽해진다. 이어서, 상부 잠금 수단(61)가 분리되고 유압 실린더(82)가 안으로 이동할 때까지 드릴 드라이브 상단부(54)가 아래쪽으로 가이드 튜브(22)를 따라 아래쪽으로 이동한다. 그러고 나서 드릴 드라이브 상단부(54)가 다시 가이드 튜브(22) 안에서 팽팽해지고 드릴 드라이브 하단부(56)의 팽팽해진 것이 해체된다. 그러고 나서 추가 시추 단계가 실시될 수 있다.
드릴 드라이브(52)가 가이드 튜브(22)의 하부 말단에 도달하자마자, 상기 가이드 튜브(22)가 로터리 드라이브(40)를 작동시켜서 형성된 시추공을 따라 시추할 수 있다. 그로 인하여 드릴링 유닛(50)이 바람직하게 가이드 튜브(22) 안에서 회수되고, 따라서 아래쪽으로 돌출하지 않는다.

Claims (16)

  1. 해저면(bed of a water body)에 시추공을 형성하는 수중 드릴링 장치로서,
    해저면에 위치하도록 하강할 수 있는 작업 플랫폼(service platform),
    상기 작업 플랫폼에 설치된 드릴 드라이브(drill drive) 및
    상기 드릴 드라이브에 의해 회전가능하게 구동되며 드릴 헤드(drill head)를 가지는 드릴 로드(drill rod)를 포함하며,
    상기 작업 플랫폼은 가이드 튜브(guide tube)를 포함하고, 상기 가이드 튜브의 내면에 적어도 하나의 선형 가이드(linear guide)가 형성되며, 상기 선형 가이드를 따라 상기 드릴 드라이브의 적어도 일부가 가이드되어 상기 드릴 드라이브가 축 방향으로 이동하고,
    상기 가이드 튜브가 조정되고 상기 작업 플랫폼의 마운트에 고정될 수 있도록 상기 가이드 튜브가 고정되며,
    상기 드릴 드라이브는 서로에 대하여 축 방향으로 이동할 수 있는 드릴 드라이브 상단부(drill drive upper part) 및 드릴 드라이브 하단부(drill drive lower part)를 포함하며,
    적어도 상기 드릴 드라이브 하단부는 축 방향으로 가이드하기 위해 적어도 하나의 선형 가이드와 협력하는 적어도 하나의 바깥쪽을 향하는 가이드 요소(outwardly pointing guide element)를 포함하는, 수중 드릴링 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 드릴 드라이브 상단부 및 상기 드릴 드라이브 하단부 중 적어도 하나는 상기 가이드 튜브에 대하여 조정될 수 있는, 수중 드릴링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 드릴 드라이브 상단부에 대하여 상기 드릴 드라이브 하단부를 이동시키는 축 방향의 액추에이터(axial actuator)가 제공되는, 수중 드릴링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축 방향의 액추에이터는 적어도 하나의 유압 실린더를 포함하는, 수중 드릴링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마운트에서 회전가능하고 축 방향으로 이동할 수 있도록 상기 가이드 튜브가 장착되고
    상기 가이드 튜브를 회전시키는 로터리 드라이브(rotary drive)가 상기 작업 플랫폼에 설치되는, 수중 드릴링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 로터리 드라이브는 상기 가이드 튜브를 클램프(clamp)하는 적어도 하나의 유압식으로 클램프하는 콜릿(hydraulically clampable collet)을 포함하며, 상기 콜릿은 적어도 하나의 수평 실린더에 대하여 회전할 수 있는, 수중 드릴링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 튜브는 가이드 튜브의 하면에 절삭 수단(cutting means)을 포함하는, 수중 드릴링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 드릴 헤드 위의 상기 드릴 로드에 부하 플레이트(load plate)가 설치되는, 수중 드릴링 장치.
  10. 가이드 튜브를 가지는 작업 플랫폼을 하강시키고 상기 작업 플랫폼을 해저면(bed of the water body)에 위치하고,
    드릴 헤드를 가지는 드릴 로드를 상기 가이드 튜브에 정렬 및 상기 가이드 튜브에서 축 방향으로 가이드되고, 그로 인하여 상기 드릴 로드가 드릴 드라이브에 의해 회전하게 구동되며,
    시추공이 형성된 후, 상기 가이드 튜브를 가지는 작업 플랫폼을 해저면에서 제거하고 상승시키는, 제1항에 따른 수중 드릴링 장치로, 해저면(bed of a water body)에 시추공을 형성하는 방법으로서,
    상기 드릴 드라이브의 드릴 드라이브 상단부가 상기 가이드 튜브의 상단면에 고정되고,
    드릴 드라이브 하단부가 상기 가이드 튜브의 안쪽의 적어도 하나의 선형 가이드를 따라 가이드되어 상기 드릴 로드와 함께 축 방향으로 이동하는, 시추공을 형성하는 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 드릴 드라이브 상단부 및 상기 드릴 드라이브 하단부 사이에 설치된 축 방향의 액추에이터(axial actuator)에 의해 상기 드릴 헤드의 가압력(pressing force)이 제어되는, 시추공을 형성하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    시추 단계를 실행하기 위해 상기 드릴 드라이브 하단부가 상기 드릴 드라이브 상단부에 대하여 결정된 스트로크 거리만큼 바깥쪽으로 이동하며,
    이어서 상기 가이드 튜브가 시추공 속으로 이동하고 상기 드릴 드라이브 하단부가 다시 상기 드릴 드라이브 상단부 안으로 이동해서 다음 시추 단계가 실시될 수 있는, 시추공을 형성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 드릴 로드는 인출식(telescopic)이거나 중간 요소(intermediate element)를 이용하여 신장되는, 시추공을 형성하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 드릴 로드의 플러싱 채널(flushing channel)을 통해 시추공에서 굴착된 토양 물질(excavated earth material)을 제거하고 굴착된 토양 물질을 상기 드릴 드라이브 위로 배출하는, 시추공을 형성하는 방법.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 축 방향의 액추에이터는 3개의 유압 실린더를 포함하는, 수중 드릴링 장치.
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