KR101518134B1 - 방향전환 시추장치 - Google Patents

Abstract

방향전환 시추장치가 개시된다. 방향전환 시추장치는 하우징, 하우징 외부에 배치되며, 외벽을 밀어내어 방향전환을 하는 외부 패드부, 하우징 내에 구비되며, 유압에 의하여 수평 이동시키는 실린더, 외부 패드부와 연결되며, 수평이동을 수직운동으로 전환시키는 중심부, 하우징 일측에 구비되며, 회전시키는 드릴부 드릴부의 일측에 구비되며, 굴진방향으로 안내하는 스트링부, 스트링부의 일측에 구비되며, 중심부의 움직임에 따라 스트링부를 이동시키는 경사부로 구성된다. 이는, 외부패드부의 운동방향에 따라 스트링부가 같이 움직임으로써 굴진방향을 자유자재로 바꿀 수 있어, 복잡한 구성의 지하공간에서 정교한 시추가 가능해지는 장점이 있다.

Description

방향전환 시추장치{Rotary steerable device}

본 발명은 방향전환 시추장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 벽면을 밀어냄과 동시에 드릴축 방향을 전환시키는 방향전환 시추장치에 관한 것이다.

시추(試錐)는 지층의 구조나 성상을 알기 위하여 지각(地殼) 속에 지름이 작은 구멍을 뚫는 일로서, 지각 내부의 여러 지식을 얻기 위하여, 또는 석유 ·천연가스, 온천, 지하수 등을 채취하기 위하여 이루어진다.

사용 목적에 따라 규모도 여러 가지가 있는데 길이는 수m ~ 수천m, 지름은 수mm ~ 수십cm에 이르는 것이 있다. 오늘날은 수직 갱도로 사용할 목적으로 지름 수m에 이르는 대규모의 시추도 실시된다.

굴진 방법에 따라 분류하면, 드릴비트의 방향을 전환하여 굴진방향을 바꾸는포인트 비트(Point-the-bit)방법, 드릴부의 하우징을 벽면으로부터 밀어 굴진 방향을 바꾸는 푸시 비트 (Push-the-bit)방법, 특정방향으로 경사가 있는 보조기구를 삽입하여 굴진방향을 바꾸는 휩스톡(Whipstock)방법, 이수를 특정 방향으로만 분사하여 지반을 약하게만들어 굴진방향을 바꾸는 제팅(Jetting)방법이 있다.

그런데 이러한 굴진방향을 바꾸는 방법은 벽면을 밀어내어 방향성을 제공하거나, 혹은 드릴축의 방향만을 변환하여 방향을 변환하는 방식뿐이어서, 정교한 시추작업을 할 시 방향전환이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 시추 작업을 할 시, 방향전환을 자유자재로 하여, 큰 회전각을 낼 수 있는 장치개발이 시급한 실정이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실린더와 중심부에 의하여 수평운동을 수직운동으로 전환시킬 수 있는 방향장치가 하우징에 복수개 부착됨으로써, 원하고자 하는 방향으로 외부의 외벽을 밀어냄과 동시에, 스트링부가 방향전환하여 회전각도를 극대화 시킬 수 있는 방향전환 시추장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서 시추가 가능한 방향전환 시추장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 방향전환 시추장치에 있어서, 방향전환 시추장치는 하우징, 하우징 외부에 배치되며, 외벽을 밀어내어 방향전환을 하는 외부 패드부, 하우징 내에 구비되며, 유압에 의하여 수평 이동시키는 실린더, 외부 패드부와 연결되며, 수평이동을 수직운동으로 전환시키는 중심부, 하우징 일측에 구비되며, 회전시키는 드릴부, 드릴부의 일측에 구비되며, 굴착방향으로 안내하는 스트링부와, 스트링부의 일측에 구비되며, 중심부의 움직임에 따라 스트링부를 이동시키는 경사부로 구성되며, 외부패드부의 운동방향에 따라 스트링부가 같이 움직이도록 구성될 수 있다.

또한, 실린더가 전진하면 외부 패드부는 상승하고, 동시에, 경사부도 상단쪽으로 움직이도록 구성되며, 반대로, 실린더가 후진하면 외부패드부는 하강하며, 경사부도 하단쪽으로 움직이게 함으로써, 경사부를 구비한 스트링부가 움직이게 된다,

경사부는 일정각도 이상 경사짐으로써, 중앙부를 상승 혹은 하강시키는 것을 도울 수 있으며, 외부 패드부와 실린더는 하우징에 적어도 한 개 이상 배치되도록 구성 될 수 있다.

외부패드부는 실린더와 중심부에 의하여 수평운동을 수직운동으로 전환시켜, 외부의 외벽을 밀어냄과 동시에, 스트링부의 큰 회전각으로 방향전환을 쉽게 할 수 있어, 복잡한 구성의 지하공간에서 정교한 시추가 가능해지는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 방향 전환부가 외부의 외벽을 밀어냄과 동시에, 드릴부에 구비된 스트링부가 방향전환을 함으로써, 비트를 굴진방향으로 안내하여, 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서도 시추를 할 수 있다.

또한, 실린더와 중심부에 의하여 수평운동을 수직운동으로 전환시켜 외벽을 밀어낼 수 있어 구성이 간단하여, 비용이 적게 드는 장점이 있다.

도1은 방향전환 시추장치의 상태도이다.
도2는 외부패드부가 상승하는 것을 나타낸 상태도이다.
도3은 외부패드부가 하강하는 것을 나타낸 상태도이다.
도4는 방향 전환부의 단면도이다.

시추(試錐)는 지층의 구조나 성상을 알기 위하여 지각(地殼) 속에 지름이 작은 구멍을 뚫는 일로서, 지각 내부의 여러 지식을 얻기 위하여, 또는 석유 ·천연가스, 온천 ·지하수 등을 채취하기 위하여 이루어진다.

사용 목적에 따라 규모도 여러 가지가 있는데 길이는 수m ~ 수천m, 지름은 수mm ~ 수십cm에 이른다. 이하 도1을 참조하여 방향전환 시추장치의 굴진 방법에 대하여 설명한다.

방향전환 시추장치(200)는 드릴부(60)와, 핸들부(50), 방향 전환부(100)로 구성될 수 있다. 여기에서, 드릴부(60)는 스크류식으로 구성이 가능하며, 드릴부의 하단에 스트링부(61)가 구비될 수 있다.

스트링부(61)와 방향전환부(100)는 유기적으로 연동되며, 방향전환부의 움직임에 따라 동시에, 스트링부(61)의 방향전환이 됨으로써, 회전각도를 극대화 시키도록 구성이 가능하다.

굴진시, 드릴부(60)가 가고자 하는 위치를 판단한 후, 방향 전환부(100)에 구비된 방향장치부(10,20,30)를 운동시킴으로써, 드릴부(60)에 구비된 스트링부(61)가 회전함으로써, 굴진방향으로 안내시킬 수 있다.

방향 전환부(100)는 하우징(40)과, 제1방향장치부(10), 제2방향장치부(20), 제3방향장치부(30)로 구성되며, 제1 방향장치부(10), 제2방향장치부(20), 제3방향장치부(30)는 하우징(40) 내부 벽면에 안치되는 실린더(15), 실린더와 연결되는 중심부(13), 중심부와 연결되어 하우징(40) 외부로 상하 이동되는 외부 패드부로 구성될 수 있다. 실린더(15)와 중심부(13)는 피벗부(11)로 인하여 연결되며, 실린더의 축방향을 외부 패드부(14)가 상하 이동할 수 있도록 중심부(13)의 중앙에 경사부(12)를 구비하여 경사에 의하여 중심부가 상하 이동함으로써 외부패드부(14)를 하우징(40) 외부로 상하 작동시키도록 구성이 가능하다.

이하 작동방법을 설명한다.

유압실린더가 전진했을 경우, 유압이 중심부(13)에 전해지면, 중심부는 경사부에 의하여 비스듬히 올라가게 되고, 중심부에 연결된 외부패드부(14)는 상승하게된다. 이에, 외부 패드는 상승되면서, 굴진 방향의 벽면을 밀어내면서, 동시에 경사부가 구비된 스트링부가 상단쪽으로 움직이도록 구성될 수 있다. 반대로 실린더(15)가 후진했을 경우에 외부패드(14)는 하강을 하게 되며, 외부패드가 하강하면서 중심부가 경사부를 타고 하강하며, 경사부를 구비한 스트링부는 아래쪽으로 움직이게 되도록 구성될 수 있다.

이는, 제1방향장치(10), 제2방향장치(20), 제3방향장치(30)의 외부패드(14,24,34)를 상승 및 하강시킴으로써, 이에 연동된 경사부를 구비한 스트링부가 움직임으로써, 큰 회전각을 내어 방향전환을 쉽게 할 수 있다

도2는 외부패드부가 상승하는 것을 나타낸 상태도이며, 도3은 외부패드부가 하강하는 것을 나타낸 상태도이다. 이를 참조하여 설명한다. 제1방향장치부(10)는 하우징(40)내부에 장착되도록 구성될 수 있으며, 제1방향장치부(10)는 하우징(40) 내부 벽면에 안치되는 실린더(15), 실린더와 하우징 내부 벽면을 평평하게 지지 및 위치시켜주는 케이스(40), 하우징과, 실린더 사이에 케이스가 위치하여 체결홈이 형성되어 이를 고정시키는 결합부(17)가 구비됨으로써, 실린더를 고정시킬 수 있다. 고정된 실린더(15)의 실린더 축은 유압에 의하여 수평방향으로 이동되며, 실린더의 유압을 전달받는 중심부(13)는 실린더와 직각방향으로 배치되며, 실린더의 수평방향을 수직방향으로 전달시키는 작용을 하며, 중심부의 끝단에 제1외부패드부(14)가 장착되어 하우징(40)의 외측방향으로 외부패드부를 수직방향으로 상승 및 하강시키도록 구성될 수 있다. 방향 전환부가 눕혀지게 될 경우, 제1외부패드부(14)는 상승 및 하강이동을 할 수 있게 되며, 방향 전환부가 세워졌을 경우는 좌우 이동을 할 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 실린더가 후진하면서, 경사부를 따라 외부패드가 하강하게 되고, 동시에 경사부를 구비한 스트링부도 아래쪽으로 움직이도록 구성된다. 이와 반대로, 실린더(15)가 전진하게되면, 경사면을 따라 외부패드가 상승하게 됨과 동시에, 경사부(12)를 구비한 스트링부가 위쪽으로 움직이도록 구성될 수 있다.

이는, 방향전환부의 외부패드부가 상하 운동함과 동시에, 경사부를 구비한 스트링부가 방향전환을 하여, 큰 회전각을 냄으로써, 시추축을 굴진방향으로 안내하도록 구성될 수 있다.

실린더의 수평운동을 중심부가 수직운동으로 변환시키고, 중심부의 수직운동이 경사부와 맞닿으면서 경사부를 상하 이동시킴과 동시에 스트링부가 움직임으로써, 드릴부 하단의 스트링부가 방향전환을 쉽게 하도록 구성될 수 있다.

이하, 도2, 도3에 도시한 제1방향장치부의 작동원리는 제2방향장치부, 제3방향장치부의 작동원리와 같게 구성될 수 있다.

도4는 방향 전환부의 단면도이다. 이를 참조하여 설명한다. 방향 전환부는 원통형의 하우징(40)내부에 제1방향장치부(10), 제2방향장치부(20), 제3방향장치부(30)가 구비되며, 제1방향장치부, 제2방향장치부, 제3방향장치부의 제1외부패드부(14), 제2외부패드부(24), 제3외부패드부(34)는 도2, 도3에 도시된 바와 같이, 실린더의 유압에 의하여 하우징의 외측으로 외부패드가 상하 이동됨으로써, 거리조절을 할 수 있도록 구성이 가능하다.

제1외부패드부, 제2외부패드부, 제3외부패드부는 원통형 하우징(40)의 120도 방향기준으로 배치될 수 있으며, 외부패드부를 더 많이 구비하여, 배치 방향을 다르게 하여 위치시킬 수 있다.

제1외부패드부(14), 제2외부패드부(24), 제3외부패드부(34)의 운동거리 및 운동지점에 따라 굴진방향이 달라지도록 구성되며, 외부패드부가 외벽을 밀어냄과 동시에, 스트링부가 움직임으로써, 방향전환을 하게되어 비트축의 방향을 쉽게변환시킬 수 있는 장점이 있다.

이는, 드릴부의 하단에 스트링부(61)가 구비됨으로써, 굴진하고자 하는 방향으로 안내 할 수 있어, 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서도 사용이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 제1방향 장치부 11: 피벗부
12: 경사부 13: 중심부
14: 제1외부패드부 15: 실린더
16: 케이스 17: 연결부
20: 제2방향 장치부 24: 제4외부패드부
30: 제3방향 장치부 34: 제3외부패드부
40: 하우징 50: 핸들부
60: 드릴부 61: 스트링부
62: 굴진방향 100: 방향 전환부
200: 방향전환 시추장치

Claims (6)

1. 하우징;
   상기 하우징 외부에 배치되며, 외벽을 밀어내어 방향전환을 하는 외부 패드부;
   상기 하우징 내에 구비되며, 유압에 의하여 수평 이동시키는 실린더;
   상기 외부 패드부와 연결되며, 상기 실린더의 수평이동을 수직운동으로 전환시키는 중심부;
   상기 하우징 일측에 구비되며, 회전시키는 드릴부;
   상기 드릴부의 일측에 구비되며, 굴진방향으로 안내하는 스트링부;
   상기 스트링부의 일측에 구비되며, 상기 중심부의 움직임에 따라 상기 스트링부를 이동시키는 경사부;
   를 포함하며, 상기 외부패드부의 운동방향에 따라 상기 스트링부가 같이 움직이는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실린더가 전진하면 상기 외부 패드부는 상승하고, 동시에, 상기 경사부도 상단쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 실린더가 후진하면 상기 외부패드부는 하강하며, 동시에 상기 경사부도 하단쪽으로 움직이는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 경사부는 일정각도 이상 경사짐으로써, 상기 중심부를 상승 혹은 하강시키는 것을 돕는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 외부 패드부는 상기 하우징에 적어도 한 개 이상 배치되는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 실린더는 상기 하우징 내에 적어도 한 개 이상 배치되는 것을 특징으로 하는 방향전환 시추장치.
   

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