KR101551793B1 - 웰보어에 가스를 주입하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해상 시추 작업에 관한 것으로, 생산성 증대를 위해 웰보어(wellbore)에 가스를 주입하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 웰보어에 가스를 주입하는 장치에 있어서, 상기 웰보어에서 생산된 오일과 가스 중에서 상기 가스의 적어도 일부를 분리하는 분리기; 상기 분리기에 의해 분리된 가스를 가압하여 애뉼러스로 공급하는 압축기; 및 상기 애뉼러스로 공급된 가스를 생산 파이프로 유입시키는 가스 리프트 밸브를 포함하는 웰보어에 가스를 주입하는 장치가 제공된다.

Description

웰보어에 가스를 주입하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INJECING GAS INTO WELLBORE}
본 발명은 해상 시추 작업에 관한 것으로, 생산성 증대를 위해 웰보어(wellbore)에 가스를 주입하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 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 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 시추선이 개발되어 있다.
종래의 해저 시추에는 근해의 일 지점에 정박하여 시추 작업을 하는 고정식 플랫폼이 주로 사용되었으나, 최근에는 3,000m 이상의 심해에서 시추 작업이 가능한 부유식 시추 설비가 개발되어 해저 시추에 이용되고 있다.
이러한 시추 설비에는 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추할 수 있도록 데릭 시스템, 라이저, 드릴 스트링 등의 각종 시추 관련 장비들이 설치되어 있다.
이러한 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추할 수 있도록 각종 시추장비를 갖춘 리그선 또는 시추선(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 종래 시추선의 시추작업을 도시한 측면도이다.
도 1을 참조하면, 라이저(3) 및 드릴 파이프(4)를 시추선의 중앙에 형성된 문풀(2)을 통해 하향 전진시킴으로써, 해저 바닥(sea bed)(5) 아래의 저유지(reservoir)(11)에 위치하는 유정(well)(12)에 저장되어 있는 해저자원을 시추한다.
라이저(3)는 드릴 파이프(4)를 유정(12)까지 전진시키기 전에 미리 해저 바닥(5) 까지 전진하는 부재로서 머드가 되돌아오는 통로를 제공한다.
라이저(3)가 설치되면, 라이저(3) 내부로 드릴 파이프(4)가 해저 지층(10)을 통해 유정(12)까지 하향 전진한다.
이와 같이 라이저(3)를 해저 바닥(5)까지 하향 전진시키거나, 드릴 파이프(4)를 유정(12)까지 전진시킬 경우, 길게 연결된 라이저(3)나 드릴 파이프(4)를 하향 전진시키는 것이 아니라, 짧은 길이의 라이저(3)나 드릴 파이프(4)를 서로 연결하여 하향 전진시킨다.
해저 바닥(5)에는 이상 고압이 드릴 파이프(4)를 타고 올라오는 것을 차단하기 위해 폭발 방지용 스택(BOP, blowout preventer)(6)이 설치된다.
해저 지층(10)에서는 시멘트에 의해 케이싱(7)을 고정한 후, 케이싱 내부로는 드릴비트(9)가 장착된 드릴 파이프(4)를 삽입하여 해저자원을 시추한다.
드릴비트(9)가 땅을 뚫을 때 발생하는 열에 의해 드릴비트(9)가 과열되는 것을 방지하고 윤활작용을 하여 드릴링을 더욱 쉽게 하기 위해서, 드릴 파이프(4) 속으로는 머드(8)가 삽입된다. 이러한 머드는 드릴비트(9)를 통해 빠져 나가 케이싱(7)과 라이저(3)를 통하여 다시 되돌아 오게 된다.
드릴비트(9)에 의해 형성된 웰보어를 통해 오일 및 가스가 올라오게 된다. 즉, 시추 작업이 완료된 후, 오일 및 가스를 채취하는 생산 작업이 진행된다. 그런데, 생산 작업이 진행됨에 따라 저유지(11)의 압력이 떨어져 오일 및 가스가 올라오는 힘이 약해진다. 따라서, 생산성 증대를 위해 웰보어에 가스를 주입한다. 그런데, 종래 기술에 따르면 해상플랫폼으로부터 가스를 공급받아 웰보어에 주입한다. 종래 기술에 따르면 해양플랫폼으로부터 웰보어까지 가스를 공급하기 위한 별도의 긴 가스 라인이 필요하고 가스 라인의 압력 손실을 보상해 주기 위해 대용량의 펌프를 사용해야 한다는 문제점이 있다.
선행기술 : 국내등록특허 제10-1069649호(2011.09.27 등록)
본 발명의 목적은 가스의 이송을 위한 긴 가스 라인 및 압력 손실을 보상하기 위한 대용량의 펌프 등의 웰보어에 가스를 주입하는데 필요한 설비들을 감소시킴으로써 비용을 감소시키고 효율성을 증대시킬 수 있는 웰보어에 가스를 주입하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 웰보어에 가스를 주입하는 장치에 있어서, 상기 웰보어에서 생산된 오일과 가스 중에서 상기 가스의 적어도 일부를 분리하는 분리기; 상기 분리기에 의해 분리된 가스를 가압하여 애뉼러스로 공급하는 압축기; 및 상기 애뉼러스로 공급된 가스를 생산 파이프로 유입시키는 가스 리프트 밸브를 포함하는 웰보어에 가스를 주입하는 장치가 제공된다.
특히, 상기 분리기는 서브씨 트리 옆에 설치될 수 있다.
또한, 상기 분리기는 싸이클론 방식의 분리기일 수 있다.
또한, 상기 분리기는 상기 오일과 가스를 휘전시켜 가스 코어가 상기 분리기의 중심부에 형성되도록 하는 스윌 요소; 상기 가스 코어를 통과시키는 가스 추출부; 및 상기 가스 추출부를 통과한 상기 가스 코어를 흡입하는 집진기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리기와 상기 압축기는 가스 피드백 라인으로 연결되어 상기 분리기에서 분리된 가스는 상기 가스 피드백 라인을 통해 상기 압축기로 공급될 수 있다.
또한, 상기 가스 피드백 라인은 상기 분리기와 연결된 부위에 제1 초크 밸브가 설치되고, 가스 피드백 라인에서 분기되어 플로우 라인으로 합쳐지는 라인에 제2 초크 밸브가 설치되어, 상기 제1 초크 밸브 및 상기 제2 초크 밸브에 의해 상기 웰보어로 주입되는 가스의 양이 조절될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 웰보어에 가스를 주입하는 방법에 있어서, 분리기에서 상기 웰보어에서 생산된 오일과 가스 중에서 상기 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계; 압축기에서 상기 분리기에 의해 분리된 가스를 가압하는 단계; 상기 가압된 가스를 애뉼러스로 공급하는 단계; 및 상기 애뉼러스로 공급된 가스를 생산 파이프로 유입시키는 단계를 포함하는 웰보어에 가스를 주입하는 방법이 제공된다.
특히, 상기 분리기와 상기 압축기는 가스 피드백 라인으로 연결되어 상기 분리기에서 분리된 가스는 상기 가스 피드백 라인을 통해 상기 압축기로 공급될 수 있다.
또한, 상기 웰보어에 가스를 주입하는 방법은 제1 초크 밸브 및 제2 초크 밸브를 이용하여 상기 분리기에서 상기 압축기로 공급되는 가스의 양을 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 초크 밸브는 상기 가스 피드백 라인의 상기 분리기와 연결된 부위에 설치되고, 상기 제2 초크 밸브는 상기 가스 피드백 라인에서 분기되어 플로우 라인으로 합쳐지는 라인에 설치될 수 있다.
또한, 상기 분리기는 싸이클론 방식의 분리기일 수 있다.
또한, 상기 분리기는 상기 오일과 가스를 휘전시켜 가스 코어가 상기 분리기의 중심부에 형성되도록 하는 스윌 요소; 상기 가스 코어를 통과시키는 가스 추출부; 및 상기 가스 추출부를 통과한 상기 가스 코어를 흡입하는 집진기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서브씨 트리(subsea tree) 옆에 분리기를 설치하여 생산된 오일 및 가스 중 일부 가스를 분리하여 웰보어에 주입함으로써, 웰보어에 가스를 주입하기 위해 필요한 가스 라인을 대폭 줄일 수 있고, 짧아진 가스 라인으로 인해 소용량의 펌프로도 가스 주입이 가능하게 하여, 웰보어에 가스를 주입하기 위해 필요한 비용을 감소시키고 효율성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래 시추선의 시추작업을 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웰보어에 가스를 주입하는 장치의 분리기의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 장치는 분리기(separator)(110), 압축기(compressor)(120) 및 가스 리프트 밸브(gas lift valve)(130)를 포함한다.
분리기(110)는 서브씨 트리(subsea tree)(140) 옆에 설치되어, 웰보어에서 생산된 오일 및 가스 중에서 가스의 적어도 일부를 분리한다. 즉, 웰보어에서 생산된 물질은 오일과 가스의 혼합물이고, 분리기(110)는 이 혼합물에 포함된 가스의 전부 또는 일부를 분리한다. 서브씨 트리(140)는 생산용 유정(Well)의 압력과 유량을 통제하기 위한 밸브들로 구성된 장비를 말한다.
분리기(110)에서 분리된 가스는 가스 피드백 라인을 통해 압축기(120)로 공급되고, 압축기(120)는 분리된 가스를 가압하여 웰보어로 유입되도록 한다.
이때, 생산된 오일 및 가스 중에서 가스의 일부만 웰보어로 유입되도록 하고, 나머지 가스는 플로우 라인을 통해 해양 플래폼으로 이송되도록 할 수 있다. 플로우 라인은 생산된 오일 및 가스가 해양 플래폼으로 이송하는 라인이다. 이는 생산된 오일 및 가스 중에서 가스를 전부 분리할 경우 오일이 해양 플랫폼까지 이송되기 위한 내부 에너지가 부족할 수 있기 때문이다.
웰보어로 유입되는 가스의 양을 조절하기 위해, 가스 피드백 라인은 분리기(110)에 연결된 부위에 제1 초크 밸브(170)가 설치되고, 분리기(110)에 연결된 가스 피드백 라인에서 분기되어 플로우 라인으로 합쳐지는 라인에 제2 초크 밸브(180)가 설치된다.
즉, 웰보어로 주입하는 가스의 양을 늘리기 위해서는 제1 초크 밸브(170)를 열고 제2 초크 밸브(180)를 닫는다. 그리고, 웰보어로 주입하는 가스의 양을 줄이기 위해서는 제1 초크 밸브(170)를 닫고 제2 초크 밸브(180)를 연다.
분리기(110)는 싸이클론(cyclone) 방식의 분리기가 사용될 수 있다. 싸이클론 방식의 분리기는 작고 원형이어서 압력이 높은 해저에 사용되기에 적합하다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 웰보어에 가스를 주입하는 장치의 분리기의 일례를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 웰보어에 가스를 주입하는 장치의 분리기(110)는 스윌 요소(swirl element)(310), 가스 추출부(320) 및 집진기(330)를 포함한다.
스윌 요소(310)는 분리기(110)로 유입된 오일 및 가스를 휘전시켜 가스 코어(gas core)가 분리기(110)의 중심부에 형성되도록 한다. 가스 추출부(320)는 분리기(110)의 중심부에 형성된 지름이 작은 파이프로서, 가스 코어는 가스 추출부(320)를 통과한 후, 집진기(330)로 방출된다. 그리고, 가스가 분리된 오일은 배출구(outlet)로 배출된다.
압축기(120)는 가스 피드백 라인(gas feedback line)을 통해 분리기(110)와 연결되고, 분리기(110)에서 분리된 가스는 가스 피드백 라인을 통해 압축기(120)로 공급된다. 압축기(120)는 분리된 가스를 가압하여 애뉼러스(anuulus)(160)로 공급한다. 애뉼러스(160)는 생산 파이프(150)와 지층 사이 공간을 말한다
가스 리프트 밸브(130)는 애뉼러스(160)로 공급된 가스를 생산 파이프(150)로 유입시킨다. 가스가 생산 파이프(150) 내로 유입되면 생산 파이프 내의 밀도가 낮아져 저유지의 오일이 빠른 속도로 생산 파이프(150)로 이동하게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 웰보어에 가스를 주입하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 분리기(110)가 생산된 오일과 가스 중에서 가스의 적어도 일부를 분리하고(S410), 분리된 가스는 가스 피드백 라인을 통해 압축기(120)로 이송된다. 이때, 제1 초크 밸브(170) 및 제2 초크 밸브(180)를 이용하여 압축기(120)로 이송되는 가스의 양을 조절할 수 있다.
그리고, 압축기(120)가 분리기에 의해 분리된 가스를 가압한다(S420). 그리고, 가압된 가스를 애뉼러스(160)로 공급한다. 그리고, 가스 리프트 밸브(130)가 애뉼러스(160)로 공급된 가스를 생산 파이프(150)로 유입시킨다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 분리기
120 : 압축기
130 : 가스 리프트 밸브
140 : 서브씨 트리
150 : 생산 파이프
160 : 애뉼러스
170 : 제1 초크 밸브
180 : 제2 초크 밸브

Claims (11)

  1. 웰보어에 가스를 주입하는 장치에 있어서,
    상기 웰보어에서 생산된 오일과 가스 중에서 상기 가스의 적어도 일부를 분리하는 분리기;
    상기 분리기에 의해 분리된 가스를 가압하여 애뉼러스로 공급하는 압축기;
    상기 애뉼러스로 공급된 가스를 생산 파이프로 유입시키는 가스 리프트 밸브; 및
    상기 분리기와 상기 압축기에 연결되어 상기 분리기에서 분리된 가스가 상기 압축기로 공급되게 하는 가스 피드백 라인을 포함하고,
    상기 가스 피드백 라인은 상기 분리기와 연결된 부위에 제1 초크 밸브가 설치되고,
    상기 가스 피드백 라인에서 분기되어 플로우 라인으로 합쳐지는 라인에 제2 초크 밸브가 설치되어,
    상기 제1 초크 밸브 및 상기 제2 초크 밸브에 의해 상기 웰보어로 주입되는 가스의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는,
    웰보어에 가스를 주입하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리기는 서브씨 트리 옆에 설치되는 웰보어에 가스를 주입하는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리기는 싸이클론 방식의 분리기인, 웰보어에 가스를 주입하는 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 분리기는
    상기 오일과 가스를 휘전시켜 가스 코어가 상기 분리기의 중심부에 형성되도록 하는 스윌 요소;
    상기 가스 코어를 통과시키는 가스 추출부; 및
    상기 가스 추출부를 통과한 상기 가스 코어를 흡입하는 집진기를 포함하는, 웰보어에 가스를 주입하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 웰보어에 가스를 주입하는 방법에 있어서,
    분리기에서 상기 웰보어에서 생산된 오일과 가스 중에서 상기 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계;
    상기 분리기와 연결된 가스 피드백 라인을 상기 분리기에서 분리된 가스가 압축기로 공급되는 단계;
    압축기에서 상기 분리기에 의해 분리된 가스를 가압하는 단계;
    상기 가압된 가스를 애뉼러스로 공급하는 단계;
    상기 애뉼러스로 공급된 가스를 생산 파이프로 유입시키는 단계; 및
    제1 초크 밸브 및 제2 초크 밸브를 이용하여 상기 분리기에서 상기 압축기로 공급되는 가스의 양을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 초크 밸브는 상기 가스 피드백 라인의 상기 분리기와 연결된 부위에 설치되고,
    상기 제2 초크 밸브는 상기 가스 피드백 라인에서 분기되어 플로우 라인으로 합쳐지는 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는,
    웰보어에 가스를 주입하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 분리기는 싸이클론 방식의 분리기인, 웰보어에 가스를 주입하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 분리기는
    상기 오일과 가스를 휘전시켜 가스 코어가 상기 분리기의 중심부에 형성되도록 하는 스윌 요소;
    상기 가스 코어를 통과시키는 가스 추출부; 및
    상기 가스 추출부를 통과한 상기 가스 코어를 흡입하는 집진기를 포함하는, 웰보어에 가스를 주입하는 방법.
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