KR101645588B1 - 방향 전환 시추 장치의 스티어링 - Google Patents

Abstract

일 실시 예에 따르면, 스티어링은, 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전 축 모듈; 상기 회전 축 모듈의 일측을 지지하며, 상기 회전 축 모듈의 길이 방향에 대하여 교차되는 방향으로 이동 가능하게 설치되는 방향 전환 모듈; 및 상기 방향 전환 모듈을 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

Description

방향 전환 시추 장치의 스티어링{A STEERING FOR A ROTARY STEERABLE SYSTEM}

아래의 설명은 방향 전환 시추 장치의 스티어링에 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 바꾸는 포인트 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 약하게 만들어 굴진방향을 바꾸는 제팅(Jetting)방법 등이 있다.

이러한 굴진방향을 바꾸는 방법은 벽면을 밀어내어 방향성을 제공하거나, 혹은 드릴 축의 방향만을 변환하여 방향을 변환하는 방식뿐이어서, 정교한 시추 작업을 할 시 방향 전환이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 시추 작업을 할 시, 방향전환을 자유자재로 하여, 큰 회전각을 낼 수 있는 장치개발이 시급한 실정이다.

실시 예의 목적은 수평운동을 수직운동으로 전환시킬 수 있는 수단을 이용하여, 원하고자 하는 방향으로 시추공의 내벽을 밀어냄과 동시에, 스티어링의 출력단이 방향전환하여 회전각도를 극대화 시킬 수 있는 방향 전환 시추 장치의 스티어링을 제공하기 위한 것이다. 실시 예의 또 다른 목적은 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서 시추가 가능한 방향전환 시추장치를 제공하기 위한 것이다.

일 실시 예에 따르면, 스티어링은, 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전 축 모듈; 상기 회전 축 모듈의 일측을 지지하며, 상기 회전 축 모듈의 길이 방향에 대하여 교차되는 방향으로 이동 가능하게 설치되는 방향 전환 모듈; 및 상기 방향 전환 모듈을 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

상기 방향 전환 모듈은, 상기 구동부에 연결되어 상기 케이싱의 원주 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 가압 부재를 포함할 수 있다.

상기 구동부는, 압력을 제공받는 실린더; 상기 실린더로 제공되는 압력에 따라 구동되는 피스톤; 및 상기 피스톤에 연결되는 가이드 핀을 포함하고, 상기 방향 전환 모듈은, 상기 가이드 핀을 안내하며, 상기 가압 부재의 이동 방향에 대하여 경사진 방향으로 상기 가압 부재에 형성되는 가이드 홈을 더 포함할 수 있다.

상기 방향 전환 모듈은, 상기 회전 축 모듈을 회전 가능하게 지지하는 축 베어링; 및 상기 가압 부재 및 축 베어링 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 동력 전달 부재는, 힌지 구조, 유니버셜 조인트 구조 또는 와이어를 포함할 수 있다.

상기 회전 축 모듈은, 상기 방향 전환 모듈을 중심으로 서로 반대되는 방향에 배치되는 2개의 유니버셜 조인트를 포함할 수 있다.

상기 회전 축 모듈은, 적어도 하나 이상의 슬라이딩 조인트를 포함할 수 있다.

상기 회전 축 모듈은, 상기 방향 전환 모듈을 중심으로 서로 반대되는 방향에 배치되는 2개의 슬라이딩 조인트를 포함할 수 있다.

상기 슬라이딩 조인트는, 스플라인 축; 및 상기 스플라인 축에 슬라이딩 가능하게 결합되는 스플라인 보스를 포함할 수 있다.

상기 회전 축 모듈은, 상기 케이싱에 대하여 회전 중심이 고정된 상태로 회전 가능한 입력 회전 축; 상기 입력 회전 축으로부터 토크를 전달받고, 상기 입력 회전 축에 대하여 절곡 가능한 연결 회전 축; 및 상기 연결 회전 축으로부터 토크를 전달받고, 상기 연결 회전 축에 대하여 절곡 가능한 출력 회전 축을 포함할 수 있다.

상기 방향 전환 모듈은, 상기 구동부에 연결되어 상기 케이싱의 원주 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 가압 부재; 상기 연결 회전 축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 축 베어링; 및 상기 가압 부재 및 축 베어링 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 부재를 포함할 수 있다.

상기 가압 부재가 상기 케이싱의 중심을 기준으로 일 방향으로 이동되면, 상기 출력 회전 축의 출력단은 상기 일 방향의 반대 방향으로 절곡될 수 있다.

상기 스티어링은, 상기 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 출력 회전 축을 지지하는 제 2 축 베어링을 더 포함할 수 있다.

상기 스티어링은, 상기 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 출력 회전 축의 외측 직경보다 더 큰 내측 직경을 갖는 각도 제한 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 스티어링은, 상기 케이싱의 내부로 유입된 머드가 이동되는 제 1 압력 공급 라인; 상기 제 1 압력 공급 라인에 연결되는 전환 밸브; 및 상기 전환 밸브 및 구동부를 연결하는 제 2 압력 공급 라인을 더 포함하고, 상기 전환 밸브는, 상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드가 상기 제 2 압력 공급 라인으로 전달되는 것을 연결 또는 차단할 수 있다.

상기 회전 축 모듈의 내부에는 상기 스티어링의 굴진 방향으로 머드를 토출하기 위한 머드 토출 통로가 형성되고, 상기 스티어링은, 상기 전환 밸브 및 머드 토출 통로에 연결되며, 상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드를 상기 머드 토출 통로로 우회시킬 수 있는 바이패스 라인을 더 포함할 수 있다.

상기 전환 밸브는, 상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드를 상기 제 2 압력 공급 라인 및/또는 바이패스 라인으로 전달되게 하는 삼방 밸브(3-way valve)일 수 있다.

상기 케이싱은, 상기 회전 축 모듈의 둘레 방향을 따라서 형성되는 임시 공간을 포함하고, 상기 회전 축 모듈은, 상기 머드가 유입되는 머드 유입 통로; 상기 머드 유입 통로 및 임시 공간을 연통시키는 임시 공간 통로; 및 상기 머드 유입 통로 및 제 1 압력 공급 라인을 연통시키는 머드 공급 통로를 포함할 수 있다.

상기 스티어링은, 상기 머드 유입 통로 상에 이동 가능하게 배치되어, 상기 머드 유입 통로 및 머드 공급 통로를 연결 또는 차단시킬 수 있는 압력 밸브; 및 상기 압력 밸브가 상기 머드 유입 통로 및 머드 공급 통로를 차단시키는 방향으로 탄성력을 제공하는 지지 스프링을 더 포함할 수 있다.

상기 방향 전환 모듈은, 상기 가압 부재의 이동량을 측정하기 위한 인코더를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따르면, 방향 전환 모듈이 시추공의 내벽을 밀어냄과 동시에, 스티어링부 내부의 축을 꺾어 스티어링부의 출력단이 방향 전환됨으로써, 높은 굴진각을 갖도록 할 수 있다. 다시 말하면, 푸시 비트 방법 및 포인트 비트 방법을 함께 이용함으로써, 방향 전환 시추 장치가 높은 굴진각을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서도 시추를 할 수 있다. 또한, 간단한 구조를 이용함으로써, 비용이 적게 드는 장점이 있다.

도 1은 실시 예에 따른 방향 전환 시추 장치의 사용 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 스티어링의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 압력 제공 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 구동 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시 예에 따른 제 1 슬라이딩 조인트의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시 예에 따른 따른 방향 전환 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 각도 제한 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 제 2 슬라이딩 조인트의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 스티어링 내부에서 머드가 유동하는 경로를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 예에 따른 방향 전환 모듈이 동작하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시 예에 따른 전체 회전 축 모듈이 동작하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 12는 다른 실시 예에 따른 동력 전달 부재를 나타내는 도면이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 실시 예에 따른 방향 전환 시추 장치의 사용 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 실시 예에 따른 스티어링의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 방향 전환 시추 장치(10)는, 방향성 시추를 위해 제안된 장치로서, 드릴의 하단부를 원하는 방향으로 스티어링(steering)된 상태에서 시추가 가능한 방향 제어 시스템이다. 방향 전환 시추 장치(10)는, 시추 축의 방향을 내부에서 조절하여 방향을 전환함과 동시에, 방향 전환 시추 장치(10)의 외부로 외벽을 밀어내는 구조를 이용하여, 시추 공의 내벽을 밀어내며 방향을 전환할 수도 있다. 방향 전환 시추 장치(10)는, 지각을 뚫기 위한 드릴 비트(11)와, 드릴 비트(11)의 방향을 조절하기 위한 스티어링(100)과, 머드 모터(12)와, 스티어링(100) 및 머드 모터(12)를 제어하는 제어부(13)와, 지표면까지 연장되는 연장 파이프(14)를 포함할 수 있다.

머드 모터(12)는, 스티어링(100) 및/또는 드릴 비트(11)에 동력을 제공할 수 있다. 또한, 머드 모터(12)는, 스티어링(100)의 내부로 머드를 유입시킬 수 있다.

스티어링(100)은, 방향 전환 모듈(400)을 구동하기 위한 압력을 제공하는 압력 제공 장치(200)와, 머드 모터(12)로부터 드릴 비트(11)로 전달되는 동력을 전달하기 위한 구동 장치(300)와, 드릴 비트(11)의 절곡 각도를 제한하기 위한 각도 제한 장치(500)를 포함할 수 있다.

압력 제공 장치(200)는, 머드 모터(12)가 체결되는 머드 모터 체결부(201)와, 압력 제공 장치 케이싱(205)과, 머드 모터(12)의 동력을 전달받아 회전하는 제 1 회전 축(210)과, 제 1 회전 축(210)의 내부에 구비되는 지지 축(220)과, 지지 축(220) 상에 이동 가능하게 설치되는 압력 밸브(230)와, 압력 밸브(230)를 지지하는 지지 스프링(240)과, 압력 밸브(230)의 위치를 조절하기 위한 압력 조절부(250)를 포함할 수 있다.

제 1 회전 축(210)은, 압력 제공 장치 케이싱(205)에 대하여 회전 중심이 고정된 상태로 회전될 수 있다.

구동 장치(300)는, 구동 장치 케이싱(305)과, 압력 조절 장치(200)로부터 머드를 전달받는 제 1 압력 공급 라인(310)과, 제 1 회전 축(210)으로부터 동력을 전달받아 회전하는 제 2 회전 축(320)과, 제 1 회전 축(210) 및 제 2 회전 축(320)을 연결하는 제 1 조인트(330)와, 제 2 회전 축(320)으로부터 동력을 전달받아 회전하는 제 3 회전 축(340)과, 제 2 회전 축(320) 및 제 3 회전 축(340)을 연결하는 제 2 조인트(350)와, 제 3 회전 축(340)으로부터 동력을 전달받아 회전하는 제 4 회전 축(360)과, 제 3 회전 축(340) 및 제 4 회전 축(360)을 연결하는 제 3 조인트(370)와, 제 1 압력 공급 라인(310)에 연결되는 전환 밸브(380)와, 방향 전환 모듈(400)을 구동하는 구동부(390)와, 전환 밸브(380) 및 구동부(390)를 연결하는 제 2 압력 공급 라인(385)과, 전환 밸브(380)에 연결되는 바이패스 통로(387)를 포함할 수 있다.

제 2 회전 축(320)은, 제 1 회전 축(210)으로부터 토크를 전달받고, 제 1 회전 축(210)에 대하여 절곡 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 1 조인트(330)는, 유니버셜 조인트를 포함할 수 있다. 이 경우 제 1 조인트(330)는, "제 1 유니버셜 조인트"라고 할 수도 있다. 제 1 조인트(330)는, 예를 들어, 등속 조인트(constant velocity joint)일 수 있다.

제 3 회전 축(340)은, 제 2 회전 축(320)으로부터 토크를 전달받고, 제 1 회전 축(210)에 대하여 슬라이딩 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 2 조인트(350)는, 슬라이딩 조인트를 포함할 수 있다. 이 경우 제 2 조인트(350)는, "제 1 슬라이딩 조인트"라고 할 수도 있다.

제 4 회전 축(360)은, 제 3 회전 축(340)으로부터 토크를 전달받고, 제 3 회전 축(340)에 대하여 절곡 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 3 조인트(370)는, 유니버셜 조인트를 포함할 수 있다. 이 경우 제 3 조인트(370)는, "제 2 유니버셜 조인트"라고 할 수도 있다. 제 3 조인트(370)는, 예를 들어, 등속 조인트(constant velocity joint)일 수 있다.

각도 제한 장치(500)는, 각도 제한 장치 케이싱(505)과, 제 4 회전 축(360)으로부터 동력을 전달받아 회전하는 제 5 회전 축(510)과, 제 4 회전 축(360) 및 제 5 회전 축(510)을 연결하는 제 4 조인트(520)를 포함할 수 있다.

제 5 회전 축(510)은, 제 4 회전 축(360)으로부터 토크를 전달받고 제 4 회전 축(360)에 대하여 슬라이딩 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 4 조인트(520)는, 슬라이딩 조인트를 포함할 수 있다. 이 경우 제 4 조인트(520)는, "제 2 슬라이딩 조인트"라고 할 수도 있다.

한편, 압력 제공 장치 케이싱(205), 구동 장치 케이싱(305) 및 각도 제한 장치 케이싱(505)을 통칭하여, "케이싱"이라고 할 수도 있다. 압력 제공 장치 케이싱(205), 구동 장치 케이싱(305) 및 각도 제한 장치 케이싱(505) 중 둘 이상의 케이싱은 일체로 형성될 수도 있다.

동력 전달 순서에 따라서, 제 1 회전 축(210) 및 제 1 조인트(330)는, "입력 회전 축(610)"이라고 할 수도 있다. 입력 회전 축(610)은, 케이싱에 대하여 회전 중심이 고정된 상태로 회전 가능한 것으로 이해될 수 있다.

마찬가지로, 제 2 회전 축(320), 제 3 회전 축(340) 및 제 2 조인트(350)를 통칭하여, "연결 회전 축(620)"이라고 할 수도 있다. 연결 회전 축(620)은, 입력 회전 축(610)으로부터 토크를 전달받고, 입력 회전 축(610)에 대하여 절곡 가능한 것으로 이해될 수 있다. 또한, 연결 회전 축(620)은 총 길이가 가변되는 것으로 이해될 수도 있다.

마찬가지로, 제 4 회전 축(360), 제 3 조인트(370), 제 5 회전 축(510) 및 제 4 조인트(520)를 통칭하여, "출력 회전 축(630)"이라고 할 수도 있다. 출력 회전 축(630)은, 연결 회전 축(620)으로부터 동력을 전달받고, 연결 회전 축(620)에 대하여 절곡 가능한 것으로 이해될 수 있다. 또한, 출력 회전 축(630)은 총 길이가 가변되는 것으로 이해될 수도 있다.

한편, 입력 회전 축(610), 연결 회전 축(620) 및 출력 회전 축(630)을 통칭하여, "회전 축 모듈(600)"이라고 할 수도 있다. 회전 축 모듈(600)은 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 것으로 이해될 수 있다.

방향 전환 모듈(400)은, 회전 축 모듈(600)의 일측을 지지하며, 회전 축 모듈(600)의 길이 방향에 대하여 교차되는 방향으로 이동될 수 있다. 방향 전환 모듈(400)은 이동되면서 시추공의 내벽을 밀 수 있다. 따라서, 전체 방향 전환 시추 장치(10)는 방향 전환 모듈(400)이 이동되는 방향의 반대 방향으로 이동될 수 있다. 방향 전환 시추 장치(10)의 이동 방향의 자유도를 증가시키기 위하여, 도 1과 같이 3개의 방향 전환 모듈(400)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 3개의 방향 전환 모듈(400) 및 이를 구동하기 위한 구동부(390)는 120도 간격으로 배치될 수 있다.

한편, 도 2는 설명의 편의를 위하여 방향 전환 모듈(400)이 서로 대칭적으로 배치되는 경우에 대하여 도시한 것임을 밝혀둔다. 실시 예에 따른 방향 전환 시추 장치(10)는 적어도 하나 이상의 방향 전환 모듈(400)을 포함할 수 있으며, 방향 전환 모듈(400)의 개수는 제한되지 않는다. 방향 전환 모듈(400)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

도 3은 실시 예에 따른 압력 제공 장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 압력 제공 장치(200)는, 제 1 회전 축(210)을 지지하는 테이퍼 베어링(270)을 포함할 수 있다. 테이퍼 베어링(270)은, 수평 방향 및 수직 방향으로 작용하는 힘을 모두 안정적으로 지지할 수 있으며, 압력 제공 장치 케이싱(205)에 대한 제 1 회전 축(210)의 위치를 고정시킬 수 있다. 테이퍼 베어링(270)은, 회전 축 모듈(600)이 절곡된 상태에서 회전되는 경우에도 회전 축 모듈(600)이 안정적으로 회전되게 할 수 있다.

머드 모터 체결부(201)는, 머드 모터(12)로부터 유입되는 머드를 안내하기 위한 제 1 머드 유입 통로(202)를 포함할 수 있다.

압력 제공 장치 케이싱(205)은, 유입된 머드를 임시적으로 저장하기 위한 제 1 임시 공간(204)을 포함할 수 있다. 제 1 임시 공간(204)은, 제 1 회전 축(210)의 둘레 방향을 따라서 중심으로부터 외측으로 함몰되는 형상으로 압력 제공 장치 케이싱(205)의 내부에 제공될 수 있다. 제 1 임시 공간(204)은 실링 등을 이용하여 밀폐될 수 있다.

제 1 회전 축(210)은, 제 1 머드 유입 통로(202)와 연통되는 제 2 머드 유입 통로(212)와, 제 2 머드 유입 통로(212) 및 1 임시 공간(204)을 연통시키는 제 1 임시 공간 통로(214)와, 제 2 머드 유입 통로(212) 및 제 1 압력 공급 라인(310)을 연통시키는 머드 공급 통로(216)를 포함할 수 있다.

지지 축(220)은, 압력 밸브(230)의 이동량을 제한하는 지지부(221)를 포함할 수 있다. 지지부(221)는 예를 들어, 지지 축(220)의 둘레 방향을 따라 형성되는 돌출 고리일 수 있다.

압력 밸브(230)는, 외력이 가해지지 않았을 때에 지지 스프링(240)의 탄성력에 의하여, 제 2 머드 유입 통로(212) 및 머드 공급 통로(216)를 차단하는 상태를 유지할 수 있다. 이러한 상태를 "차단 상태"라고 할 수 있다. 차단 상태에서 머드 모터(12)가 동작하면, 제 1 머드 유입 통로(202) 및 제 2 머드 유입 통로(212)를 통하여 케이싱 내부로 머드가 유입될 수 있다. 유입되는 머드는 제 1 임시 공간 통로(214)를 통하여 제 1 임시 공간(204)으로 유입된다.

제 1 임시 공간(204)에 일정한 압력 이상의 압력이 가해지면, 압력 밸브(230)는, 지지 스프링(240)을 압축시키는 방향으로 이동되면서, 제 2 머드 유입 통로(212) 및 머드 공급 통로(216)를 연통시킬 수 있다. 이러한 상태를 "해제 상태"라고 할 수 있다. 해제 상태에서 머드는 머드 공급 통로(216) 및 제 1 압력 공급 라인(310)을 통하여 전환 밸브(380)로 전달될 수 있다.

위와 같은 구조를 이용하여, 머드 공급 통로(216)로 충분한 압력을 가진 머드가 공급될 수 있다. 한편, 압력 조절부(250)는, 차단 상태에서의 지지부(221)의 위치를 조절시킴으로써, 압력 밸브(230)의 초기 위치를 조절할 수 있다. 다시 말하면, 압력 조절부(250)는, 제 1 압력 공급 라인(310)을 통하여 전환 밸브(380)로 전달되는 압력의 크기를 조절할 수 있다. 압력 조절부(250)는 예를 들어, 지지 축(220)에 형성되는 숫나사산에 형합되는 암나사산을 포함하는 너트일 수 있다.

도 4는 실시 예에 따른 구동 장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 전환 밸브(380)는, 제 1 압력 공급 라인(310)으로부터 전달받은 압력을 제 2 압력 공급 라인(385) 및/또는 바이패스 라인(385)으로 전달되게 할 수 있다. 전환 밸브(380)는, 예를 들어, 삼방 밸브(3-way valve)일 수 있다. 구체적으로, 전환 밸브(380)는, 첫째, 제 1 압력 공급 라인(310) 및 제 2 압력 공급 라인(385)을 연통되게 하고, 제 1 압력 공급 라인(310) 및 바이패스 라인(385)이 차단되게 하거나, 둘째, 제 1 압력 공급 라인(310) 및 바이패스 라인(375)을 연통되게 하고, 제 1 압력 공급 라인(310) 및 제 2 압력 공급 라인(385)이 차단되게 하거나, 셋째, 제 1 압력 공급 라인(310), 제 2 압력 공급 라인(385) 및 바이패스 라인(375)이 모두 연통되게 할 수 있다. 이는 일반적인 삼방 밸브의 동작에 의해 구현될 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

전환 밸브(380)의 동작에 따라서 제 2 압력 공급 라인(385)을 통하여 구동부(390)로 압력이 전달되면, 구동부(390)가 구동될 수 있다.

구동부(390)는, 제 2 압력 공급 라인(385)에 연결되어 압력을 제공받는 실린더(391)와, 실린더(391)로 제공되는 압력에 따라 내부에서 왕복 운동 가능하게 설치되는 피스톤(392)과, 피스톤(392)에 연결되며 방향 전환 모듈(400)을 구동시키는 가이드 핀(393)을 포함할 수 있다.

도 5는 실시 예에 따른 제 1 슬라이딩 조인트의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 제 1 슬라이딩 조인트(350)는, 예를 들어, 스플라인 구조를 가질 수 있다. 제 1 슬라이딩 조인트(350)는, 복수 개의 제 1 돌기를 포함하는 제 1 스플라인 축(352)과, 복수 개의 제 1 돌기부와 각각 형합되는 복수 개의 제 1 돌기부를 포함하는 제 1 스플라인 보스(354)를 포함할 수 있다. 제 1 스플라인 보스(354)는, 제 1 스플라인 축(352)에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 제 1 스플라인 축(352) 및 제 1 스플라인 보스(354) 중 어느 하나는 제 2 회전 축(320)에 연결되고, 다른 하나는 제 3 회전 축(340)에 연결될 수 있다.

위와 같은 구조에 의하면, 제 3 회전 축(340)이 제 2 회전 축(320)으로부터 토크를 전달받으면서도, 동시에 슬라이딩될 수 있다.

도 6은 실시 예에 따른 따른 방향 전환 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 방향 전환 모듈(400)은, 구동부(390)에 연결되어 케이싱의 원주 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 가압 부재(410)와, 제 3 회전 축(340)을 회전 가능하게 지지하는 제 1 축 베어링(430)과, 가압 부재(410) 및 제 1 축 베어링(430) 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 부재(440)와, 가압 부재(410)의 이동량을 측정하기 위한 인코더(450)를 포함할 수 있다. 제어부(13, 도 1 참조)는, 인코더(450)로부터 전달받은 정보에 기초하여, 전환 밸브(380)를 조절함으로써, 방향 전환 모듈(400)을 제어할 수 있다.

가압 부재(510)에는, 가이드 핀(393)을 안내하며 가압 부재(410)의 이동 방향에 대하여 경사진 방향으로 형성되는 가이드 홈(411)이 형성될 수 있다. 한편, 가이드 홈(411)의 경사가 반대로 형성되는 것도 가능함은 물론이다.

위 구조에 따르면, 도 6을 기준으로 가이드 핀(393)이 상하 방향으로 이동되면, 가압 부재(410)는 좌우 방향으로 이동되면서 시추공의 내벽을 밀어낼 수 있다. 따라서, 방향 전환 시추 장치(10)는 시추공 내에서 가압 부재(410)가 이동하는 방향의 반대 방향으로 이동되면서 시추 방향을 변경시킬 수 있게 된다.

동력 전달 부재(440)는, 가압 부재(410)의 움직임에 연동하여 제 3 회전 축(340)이 절곡되게 할 수 있다. 동력 전달 부재(440)는, 예를 들어, 유니버셜 조인트 구조 또는 볼 조인트 구조 등을 포함할 수 있다.

도 7은 실시 예에 따른 각도 제한 장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 7을 참조하면, 각도 제한 장치(500)는, 제 5 회전 축(510)을 지지하는 제 2 축 베어링(530)과, 제 5 회전 축(510)의 외측 직경보다 더 큰 내측 직경을 갖는 각도 제한 부재(540)와, 제 1 실링(550)과, 제 2 실링(560)을 포함할 수 있다.

각도 제한 장치 케이싱(505)에는, 유입된 머드를 임시적으로 저장하기 위한 제 2 임시 공간(504)이 형성될 수 있다. 제 2 임시 공간(504)은, 제 5 회전 축(510)의 둘레 방향을 따라서 중심으로부터 외측으로 함몰되는 형상으로 각도 제한 장치 케이싱(505)의 내부에 제공될 수 있다. 제 2 임시 공간(504)은 실링 등을 이용하여 밀폐될 수 있다. 제 2 임시 공간(504)은 바이패스 라인(385)에 연결될 수 있다.

제 5 회전 축(510)의 내부에는 스티어링(100)의 굴진 방향을 향하여 머드를 토출하기 위한 머드 토출 통로(512)와, 머드 토출 통로(512) 및 제 2 임시 공간(504)을 연통시키는 제 2 임시 공간 통로(514)가 형성될 수 있다.

위와 같은 구조에 의하면, 제 1 압력 공급 라인(310)으로부터 전달받은 머드가, 바이패스 라인(385) 및 머드 토출 통로(512)를 통하여 외부로 토출되게 할 수 있다.

제 2 축 베어링(530)은, 예를 들어, 구면 롤러 베어링을 포함할 수 있다. 구면 롤러 베어링에 의하면, 제 5 회전 축(510)이 연결 회전 축(620)에 대하여 부드럽게 절곡되도록 할 수 있다.

각도 제한 부재(540)은, 제 5 회전 축(510)으로부터 유격 공간(542)을 사이에 두고, 이격된 상태로 배치된다. 유격 공간(542)의 크기에 따라서, 제 5 회전 축(510)의 절곡 각도는 제한될 수 있다. 각도 제한 부재(540)는 예를 들면, 볼 베어링을 포함할 수 있다.

제 1 실링(550) 및 제 2 실링(560) 사이에는 윤활제가 충진되어, 제 2 축 베어링(530) 및 각도 제한 부재(540)에 포함된 베어링이 원활하게 동작되게 할 수 있다. 또한, 제 1 실링(510) 및 제 2 실링(560)은 굴진 과정에서 스티어링(100) 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 도 7과 같이 제 1 실링(550) 또는 제 2 실링(560)은 복수 개의 분할된 실링 부재의 조합으로 구성될 수 있다.

도 8은 실시 예에 따른 제 2 슬라이딩 조인트의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 8을 참조하면, 제 2 슬라이딩 조인트(520)는, 예를 들어, 스플라인 구조를 가질 수 있다. 제 2 슬라이딩 조인트(520)는, 복수 개의 제 2 돌기를 포함하는 제 2 스플라인 축(522)과, 복수 개의 제 2 돌기부와 각각 형합되는 복수 개의 제 2 돌기부를 포함하는 제 2 스플라인 보스(524)를 포함할 수 있다. 제 2 스플라인 보스(524)는, 제 2 스플라인 축(522)에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 제 2 스플라인 축(522) 및 제 2 스플라인 보스(524) 중 어느 하나는 제 4 회전 축(360)에 연결되고, 다른 하나는 제 5 회전 축(510)에 연결될 수 있다.

위와 같은 구조에 의하면, 제 5 회전 축(510)이 제 4 회전 축(360)으로부터 토크를 전달받으면서도, 동시에 슬라이딩될 수 있다.

도 9는 실시 예에 따른 스티어링 내부에서 머드가 유동하는 경로를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 9를 참조하면, 머드 모터(12)를 통하여 유입된 머드는, 제 1 임시 공간(204)에 누적되어 충분히 압력이 높아진 상태에서, 제 1 압력 공급 라인(310)을 따라서 전환 밸브(380)로 공급될 수 있다. 공급된 머드는 전환 밸브(380)의 동작에 따라서, 제 2 압력 공급 라인(385) 및/또는 바이패스 통로(387)를 따라서 이동될 수 있다.

제 2 압력 공급 라인(385)을 따라 이동되는 머드는 구동부(390)를 구동시킬 수 있다. 위와 같은 과정을 통하여, 방향 전환 모듈(400)이 구동될 수 있다.

바이패스 통로(387)를 따라 이동되는 머드는 제 2 임시 공간(502)을 거쳐 머드 토출 통로(512)를 통하여 외부로 토출될 수 있다. 위와 같은 과정을 통하여, 드릴 비트(11, 도 1 참조)에 과도한 마찰 또는 열이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 10은 실시 예에 따른 방향 전환 모듈이 동작하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 11은 실시 예에 따른 전체 회전 축 모듈이 동작하는 모습을 나타내는 도면이다.

도 2, 도 10 및 도 11을 참조하면, 머드가 제 2 압력 공급 라인(385)을 따라서 구동부(390)로 유입되면, 가이드 핀(393)이 가이드 홈(411)을 따라 이동될 수 있다. 가이드 홈(411)의 형상에 따르면 가압 부재(410)는 케이싱의 외측을 향하여 이동될 수 있다. 위와 같은 과정을 통하여, 가압 부재(410)는 시추공의 내벽을 밀어내게 되며, 그 결과 전체 방향 전환 시추 장치(10)는 가압 부재(410)의 이동 방향의 반대 방향으로 이동될 수 있다. 다시 말하면, 방향 전환 시추 장치(10)가 푸시 비트 방법으로 구동될 수 있다.

한편, 회전 축 모듈(600)은, 방향 전환 모듈(400)을 중심으로 서로 반대되는 방향에 배치되는 2개의 유니버셜 조인트(330, 370)를 포함하므로, 드릴 비트(11)는, 방향 전환 시추 장치(10)가 가압 부재(410)에 의해 이동되는 방향(즉, 가압 부재(410)의 이동 방향의 반대 방향)으로 절곡될 수 있다.

구체적으로, 가압 부재(410)가 케이싱의 외측을 향하여 이동될 때, 동력 전달 부재(440)는 제 1 축 베어링(430)을 당기고, 그 결과 제 3 회전 축(340)은 가압 부재(410)의 이동 방향과 동일한 방향으로 절곡될 수 있다. 이 때, 제 5 회전 축(510)의 일측은 제 2 축 베어링(530)을 통하여 지지된 상태를 유지하므로, 제 5 회전 축(510)은 제 3 회전 축(340)과 반대 방향으로 절곡될 수 있다. 다시 말하면, 제 5 회전 축(510)은 가압 부재(410)의 이동 방향의 반대 방향으로 절곡될 수 있다. 그 결과 드릴 비트(11)는 가압 부재(410)의 이동 방향과 반대 방향으로 절곡될 수 있다.

다시 말하면, 드릴 비트(11)는, 방향 전환 시추 장치(10)가 가압 부재(410)에 의해 이동되는 방향으로 절곡될 수 있다. 다시 말하면, 방향 전환 시추 장치(10)는 푸시 비트 방법으로 구동됨과 동시에, 포인트 비트 방법으로 구동될 수 있으므로, 굴진각을 더욱 높일 수 있다.

한편, 회전 축 모듈(600)은, 방향 전환 모듈(400)을 중심으로 서로 반대 방향에 배치되는 2개의 슬라이딩 조인트(350, 520)를 포함할 경우, 전체 회전 축 모듈(600) 중 일부 회전 축이 절곡되더라도, 제 1 축 베어링(430) 및 제 2 축 베어링(530) 각각의 축 지지 위치가 유지될 수 있다.

구체적으로, 제 1 슬라이딩 조인트(350) 및 제 2 슬라이딩 조인트(520)에 의하면, 제 2 회전 축(320)이 제 1 회전 축(320)에 대하여 절곡되고, 제 4 회전 축(360)이 제 3 회전 축(340)에 대하여 절곡될 때에, 제 3 회전 축(340)이 제 2 회전 축(320)에 대하여 제 1 이격 공간(d1)만큼 슬라이딩 이동되고, 제 5 회전 축(510)이 제 4 회전 축(360)에 대하여 제 2 이격 공간(d2)만큼 슬라이딩 됨으로써, 제 1 축 베어링(430) 및 제 2 축 베어링(530) 각각의 축 지지 위치가 유지될 수 있다.

한편, 제 1 슬라이딩 조인트(350) 및 제 2 슬라이딩 조인트(520) 중 어느 하나만 구비되는 경우에도, 축 꺾임으로 인한 길이를 보상해줄 수 있으므로, 드릴 비트(11)가 스티어링(100)의 내부로 말려들어가는 문제는 발생하지 않을 수 있다.

이하 상기한 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소에 대하여, 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 상기한 실시 예에 대한 설명은 이하의 실시 예들에도 적용될 수 있다. 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 12는 다른 실시 예에 따른 동력 전달 부재를 나타내는 도면이다.

도 12를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 동력 전달 부재(440')는, 단순한 힌지 구조일 수도 있다. 이 경우, 동력 전달 부재(440')의 힌지 축에 의해 제 3 회전 축(340)이 절곡되는 것이 방해되지 않도록, 동력 전달 부재(440')의 힌지 축 및 힌지 구멍 사이에는 충분한 이격 공간(d3)을 형성할 수 있다. 한편, 예시적으로 설명한 것과 달리, 동력 전달 부재(440')는 와이어 등 동력을 전달할 수 있는 수단이라면 어떠한 것이라도 가능할 것이다.

실시 예에 따르면, 방향 전환 모듈이 시추공의 내벽을 밀어냄과 동시에, 스티어링부의 출력단이 방향 전환이 됨으로써, 높은 굴진각을 갖도록 할 수 있다. 다시 말하면, 푸시 비트 방법 및 포인트 비트 방법을 함께 이용함으로써, 방향 전환 시추 장치가 높은 굴진각을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 셰일가스 시추 및 복잡한 구성의 지하공간에서도 시추를 할 수 있다. 또한, 간단한 구조를 이용함으로써, 비용이 적게 드는 장점이 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

1. 케이싱;
   상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전 축 모듈;
   상기 회전 축 모듈의 일측을 지지하며, 상기 회전 축 모듈의 길이 방향에 대하여 교차되는 방향으로 이동 가능하게 설치되는 방향 전환 모듈; 및
   상기 방향 전환 모듈을 이동시키는 구동부를 포함하고,
   상기 구동부는,
   압력을 제공받는 실린더;
   상기 실린더로 제공되는 압력에 따라 구동되는 피스톤; 및
   상기 피스톤에 연결되는 가이드 핀을 포함하고,
   상기 방향 전환 모듈은,
   상기 구동부에 연결되어 상기 케이싱의 원주 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 가압 부재; 및
   상기 가이드 핀을 안내하며, 상기 가압 부재의 이동 방향에 대하여 경사진 방향으로 상기 가압 부재에 형성되는 가이드 홈을 포함하는 스티어링.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 방향 전환 모듈은,
   상기 회전 축 모듈을 회전 가능하게 지지하는 축 베어링; 및
   상기 가압 부재 및 축 베어링 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 부재를 더 포함하는 스티어링.
   
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제 4 항에 있어서,
   상기 동력 전달 부재는, 힌지 구조, 유니버셜 조인트 구조 또는 와이어를 포함하는 스티어링.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전 축 모듈은,
   상기 방향 전환 모듈을 중심으로 서로 반대되는 방향에 배치되는 2개의 유니버셜 조인트를 포함하는 스티어링.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 회전 축 모듈은,
   적어도 하나 이상의 슬라이딩 조인트를 포함하는 스티어링.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 회전 축 모듈은,
   상기 방향 전환 모듈을 중심으로 서로 반대되는 방향에 배치되는 2개의 슬라이딩 조인트를 포함하는 스티어링.
   
9. 제 7 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬라이딩 조인트는,
   스플라인 축; 및
   상기 스플라인 축에 슬라이딩 가능하게 결합되는 스플라인 보스를 포함하는 스티어링.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 축 모듈은,
    상기 케이싱에 대하여 회전 중심이 고정된 상태로 회전 가능한 입력 회전 축;
    상기 입력 회전 축으로부터 토크를 전달받고, 상기 입력 회전 축에 대하여 절곡 가능한 연결 회전 축; 및
    상기 연결 회전 축으로부터 토크를 전달받고, 상기 연결 회전 축에 대하여 절곡 가능한 출력 회전 축을 포함하는 스티어링.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 방향 전환 모듈은,
    상기 구동부에 연결되어 상기 케이싱의 원주 방향을 따라서 이동 가능하게 설치되는 가압 부재;
    상기 연결 회전 축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 축 베어링; 및
    상기 가압 부재 및 축 베어링 사이에서 동력을 전달하는 동력 전달 부재를 포함하고,
    상기 가압 부재가 상기 케이싱의 중심을 기준으로 일 방향으로 이동되면, 상기 출력 회전 축의 출력단은 상기 일 방향의 반대 방향으로 절곡되는 스티어링.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 출력 회전 축의 외측 직경보다 더 큰 내측 직경을 갖는 각도 제한 부재를 더 포함하는 스티어링.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱의 내부로 유입되는 머드가 이동되는 제 1 압력 공급 라인;
    상기 제 1 압력 공급 라인에 연결되는 전환 밸브; 및
    상기 전환 밸브 및 구동부를 연결하는 제 2 압력 공급 라인을 더 포함하고,
    상기 전환 밸브는,
    상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드가 상기 제 2 압력 공급 라인으로 전달되는 것을 연결 또는 차단할 수 있는 스티어링.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 회전 축 모듈의 내부에는 상기 스티어링의 굴진 방향으로 머드를 토출하기 위한 머드 토출 통로가 형성되고,
    상기 전환 밸브 및 머드 토출 통로에 연결되며, 상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드를 상기 머드 토출 통로로 우회시킬 수 있는 바이패스 라인을 더 포함하는 스티어링.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전환 밸브는,
    상기 제 1 압력 공급 라인으로부터 전달받은 머드를 상기 제 2 압력 공급 라인 또는 바이패스 라인으로 전달되게 하는 삼방 밸브(3-way valve)인 스티어링.
    
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 케이싱은,
    상기 회전 축 모듈의 둘레 방향을 따라서 형성되는 임시 공간을 포함하고,
    상기 회전 축 모듈은,
    상기 머드가 유입되는 머드 유입 통로;
    상기 머드 유입 통로 및 임시 공간을 연통시키는 임시 공간 통로; 및
    상기 머드 유입 통로 및 제 1 압력 공급 라인을 연통시키는 머드 공급 통로를 포함하는 스티어링.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 머드 유입 통로 상에 이동 가능하게 배치되어, 상기 머드 유입 통로 및 머드 공급 통로를 연결 또는 차단시킬 수 있는 압력 밸브; 및
    상기 압력 밸브가 상기 머드 유입 통로 및 머드 공급 통로를 차단시키는 방향으로 탄성력을 제공하는 지지 스프링을 더 포함하는 스티어링.
    
    

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