KR101832083B1

KR101832083B1 - 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법

Info

Publication number: KR101832083B1
Application number: KR1020170004214A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 이세진; 강한별
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-02-26

Abstract

본 발명은 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 하부 끝단에 드릴비트가 구비된 드릴칼라와 상기 드릴칼라 상측에 연결된 드릴파이프로 구성된 시추유닛을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 시스템에 있어서, 상기 드릴파이프와 연결되어 시추이수를 공급 이송하는 시추이수공급관; 상기 굴착면으로 토출되어 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간으로 이송되어 토출되어지는 시추이수의 상태를 감지하는 순환감지유닛; 및 상기 시추이수공급관의 일측에 구비되어, 상기 순환감지유닛에서 측정된 시추이수 상태값을 기반으로 작동되어 상기 시추유닛으로 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하는 보조펌프유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템에 관한 것이다.

Description

대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법{Drilling Fluids Circulating Control System for deep drilling}

본 발명은 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법에 대한 것이다.

도 1a는 CO2 지중저장의 개념도를 도시한 것이다. CO2 지중저장기술은 발전소나 제철소와 같은 대규모의 CO2 발생원으로부터 CO2를 포집하여 이를 지중에 저장하는 기술로, 특히 CO2 저장기술은 기체, 액체, 고체 또는 수화물(hydrate) 상태로 이산화탄소를 육상이나 해저의 750m ~ 1,000m 심도 지층에 저장하는 기술이다.

도 1b는 대심도 시추 작업 사진을 도시한 것이다. 대심도 시추기술은 시추, 공벽안정(이수, 시멘팅) 등의 요소기술로 분류되며, 석유나 가스 등의 전통적인 자원산업 분야뿐만 아니라, 지열발전, 셰일가스 개발, 이산화탄소 지중저장 등의 산업분야에서 매우 중요한 공정에 해당한다.

이중 시추이수는 시수 시에 공벽안정에 있어 특히 중요한 요소로서, 시추 시 작업을 원활하게 하고, 시추 분쇄물(암편 등)을 이송하며, 시추공벽의 붕괴를 방지하는 기술에 해당한다. 도 1c는 공벽안정의 개념도를 도시한 것이고, 도 1d는 다양한 시추이수와 시추이수 재료 사진을 도시한 것이다. 또한, 시멘팅기술은 드릴비트로 구멍을 뚫은 후, 특수 제작된 시멘트를 이용하여 케이싱과 지층사이의 공백을 채우는 기술에 해당한다. 도 1e는 시멘팅 기술의 개념도를 도시한 것이다.

그리고 이러한 시추이수는 Oil based material과 water based material로 구분되며, 이를 재활용하기 위한 Desilter, Desander 등의 장치를 필요로 한다.

도 2는 통상의 시추이수 순환시스템의 개념도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 머드 펌프의 구동에 의해 머드 탱크 내의 시추이수가 시추이수 공급관을 통해 시추공으로 공급되게 됨을 알 수 있다.

시추작업시에 굴착면 측으로 공급된 시추이수는 시추공과 드릴칼라의 사이공간을 통해 상부측으로 이동되면서 공벽을 안정시키게 되며, 시추이수와 굴착된 시추분쇄물은 리턴라인을 통해 시추공 외부로 이동되게 된다. 그리고, 리턴라인을 통해 이송된 시추이수 및 시추분쇄물은 Shale Shaker - Desander - Desilter p Degasser를 거치며 시추분쇄물과 분리한 후 재활용되어 다시 시추이수공급관을 통해 시추공으로 공급되면서 순환되게 된다.

그러나 이러한 종래 시수이수순환시스템은 대심도 시추 시, 시추이수의 순환불량에 즉각적인 대처가 어려운 문제점이 존재한다. 또한, 시추이수 순환불량으로 인한 공벽불안정 구간의 즉각적인 대처가 어려우며 시추공 내 이수의 손실방지 및 드릴칼라의 고착현상을 방지할 수 없는 문제점이 존재한다.

도 3은 종래 머드 압력 조절시스템(한국등록특허 제1534234호, 종래기술 1)의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다, 도 3에 도시된 머드 압력조절시스템은, 시추선으로부터 해저 바닥으로 연장되는 라이저의 중간 구간에서 상기 라이저에 머드(시추이수)를 공급하거나 상기 라이저로부터 머드를 흡입하여 머드 순환 압력을 조절하는 머드 압력 조절 시스템에 대한 것임을 알 수 있다.

이러한 머드 압력조절시스템은, 상기 라이저의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 복수 개 장착되며, 각각 상기 라이저의 내부 공간과 연통하도록 형성되는 머드 연결 조인트; 및 다수개의 상기 머드 연결 조인트 중 어느 하나를 선택하여 해당 머드 연결 조인트에 머드를 공급하거나 해당 머드 연결 조인트로부터 머드를 흡입할 수 있는 머드 공급 유닛을 포함하여 구성된다.

또한, 머드 공급 유닛은 내부 공간에 머드를 저장하는 머드 탱크; 및 상기 머드 상기 머드 연결 조인트와 연결 결합될 수 있도록 형성되며, 상기 머드 탱크와 머드 공급 라인을 통해 연결되어 상기 머드 탱크로부터 상기 머드 연결 조인트로 머드를 공급할 수 있는 머드 리프트 펌프를 포함한다. 그리고, 상기 머드 리프트 펌프는 다수개의 상기 머드 연결 조인트 중 어느 하나에 선택적으로 결합하도록 구성되며, 상기 머드 탱크와 상기 머드 리프트 펌프를 연결하는 머드 공급 라인은 별도의 권취릴에 권취되어 상기 권취릴에 의해 길이 조절 가능하게 형성되고, 상기 머드 탱크와 상기 머드 리프트 펌프는 별도의 머드 배출 라인을 통해 연결되며, 상기 머드 리프트 펌프는 상기 머드 연결 조인트 및 머드 배출 라인을 통해 상기 라이저의 내부 공간으로부터 머드를 흡입하도록 작동할 수 있으며, 상기 머드 배출 라인은 별도의 권취릴에 권취되어 상기 권취릴에 의해 길이 조절 가능하게 형성되며, 상기 권취릴은 서로 일정간격을 두고 설치되며, 상기 머드 배출 라인은 가이드 롤러에 의해서 가이드되어 상기 머드 공급라인과 상기 머드 배출라인이 서로 수중에서 엉키는 것을 방지할 수 있다고 기재하고 있다.

그러나 이러한 종래기술 1은 라이저의 중간 구간에서 머드 공급 및 흡입 위치를 자유롭게 조절할 수 있도록 함으로써, 머드 압력 변화 상황에 따라 더욱 적절하고 신속하게 머드 순환 압력을 조절할 수 있고, 적절한 지점에서의 머드 공급 또는 흡입을 통해 머드 순환 압력을 정상적으로 회복시키는 시간을 줄일 수 있으나, 라이저의 중간에 머드 공급을 위한 기계장치 부착이 필요하고, 추가적인 머드 공급장치 부착을 위해 필요시마다 잠수부가 머드공급 위치로 이동하여 연결해야하는 문제점이 존재한다.

도 4는 종래 시추유체의 공급 및 회수시스템(한국 등록특허 제1415074호, 종래기술 2)의 구성도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 시추유체 공급 및 회수시스템은 머드(mud)와 브라인(brine)을 구분하여 저장할 수 있는 시추유체탱크; 시추유체탱크에 저장된 머드 또는 브라인을 공급경로와 드릴파이프를 통하여 드릴비트까지 압송하는 공급펌프; 드릴파이프 외측의 라이저를 통하여 복귀하는 시추유체를 안내하는 복귀경로; 복귀경로로부터 분기되어 시추유체탱크의 머드저장영역으로 연장되며 그 중도에 머드에 포함된 불순물을 제거하는 머드처리장치가 마련된 머드회수경로; 복귀경로로부터 분기되어 시추유체탱크의 브라인저장영역으로 연장되며 그 중도에 브라인에 포함된 불순물을 제거하는 브라인처리장치가 마련된 브라인 회수경로; 시추유체탱크에 저장된 머드와 브라인 중 하나의 유체를 선택적으로 순환시키기 위한 순환경로와 이순환경로에 마련된 순환펌프; 순환경로의 순환펌프 하류 측에 마련되며 순환하는 머드에 첨가물을 투입할 수 있는 믹싱호퍼를 포함하여 구성된다.

그러나 이러한 종래기술 2는 머드 시스템 중 시추공 밖의 공급시스템의 효율화를 위한 것으로, 머드와 브라인을 별도로 공급하기 위한 별도의 장치가 필요하다는 문제점이 존재한다.

또한, 대심도 시추작업은 드릴비트를 이용한 시추(굴진)→케이싱 설치→시멘팅 작업의 반복으로 구성된다. 이때 작업 중 장비에 이상이 생기거나 각 단계의 작업을 위해서 드릴비트를 시추공으로부터 끌어올리게 되면(이하 트립 아웃(trip out)) 작업시간의 손실이 막대하다. 그리고 대심도 시추에서, 시추 구간이 불안정한 경우 시추이수가 빠져나가 손실되는 경우가 발생될 수 있고, 이러한 경우 공벽안정화의 문제, 이수손실에 의한 보충문제 등으로 경제적, 시간적 손실이 발생되게 된다. 종래 기술은 이러한 문제에 대하여 즉각적인 대처, 방지가 가능한 특징에 대해 언급하고 있지 않다.

따라서 예상치 못한 시추이수 순환의 불안정으로 인한 문제를 드릴비트의 트입아웃 없이 즉각적으로 대처하여 작업상의 위험을 방지하고, 공사기간의 연장에 따른 경제적 손실을 방지할 수 있는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법의 개발이 요구되었다.

한국 등록특허 제1534234호 한국 공개특허 제2016-0000171호 한국 등록특허 제1415074호 한국 공개특허 제2016-0036267호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 대심도 시추 시, 시추이수의 순환불량에 즉각적인 대처를 통한 작업성을 확보할 수 있고, 시추이수의 압력변화에 따른 킥(kick)을 방지할 수 있으며 시추이수 순환불량으로 인한 공벽불안정 구간의 즉각적인 대처를 통한 시추작업효율을 극대화할 수 있으며, 시추공 내 이수의 손실방지 및 드릴칼라의 고착현상을 완화할 수 있는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템 및 시추이수 순환조절방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 하부 끝단에 드릴비트가 구비된 드릴칼라와 상기 드릴칼라 상측에 연결된 드릴파이프로 구성된 시추유닛을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 시스템에 있어서, 상기 드릴파이프와 연결되어 시추이수를 공급 이송하는 시추이수공급관; 상기 굴착면으로 토출되어 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간으로 이송되어 토출되어지는 시추이수의 상태를 감지하는 순환감지유닛; 및 상기 시추이수공급관의 일측에 구비되어, 상기 순환감지유닛에서 측정된 시추이수 상태값을 기반으로 작동되어 상기 시추유닛으로 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하는 보조펌프유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 시추이수공급관 일측에 구비되어 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하는 시추이수 유입측정유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 순환감지유닛은, 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간 상부 일측에 구비되어 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하는 리턴시추이수압력측정부; 및 리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인 일측에 구비되어, 토출되는 시추이수의 유량, 유속을 실시간으로 측정하는 리턴유량측정부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 리턴시추이수압력측정부는 밥 스택(Bop stack) 하단에 위치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 리턴유량측정부는 시추이수 상의 시추분쇄물의 혼재량을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 시추이수유입측정유닛에서 측정된 압력과, 상기 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 제어부는, 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량변화가 설정된 유량차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 제어부는, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 상기 혼재량이 설정된 범위 내가 아닌 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보조펌프유닛은 상기 시추공으로 이수손실방지제를 투입하는 방지제투입유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제어부는 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었다고 판단되는 경우 상기 방지제투입유닛을 가동하여 이수손실방지제를 투입시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보조펌프유닛이 가동될 때, 시추이수의 순환상태에 대한 상태정보를 송출하는 알림수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 하부 끝단에 드릴비트가 구비된 드릴칼라와 상기 드릴칼라 상측에 연결된 드릴파이프로 구성된 시추유닛을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 방법에 있어서, 머드펌프의 구동에 의해 시추이수가 상기 드릴파이프와 연결된 시추이수공급관을 통해 공급 이송되는 단계; 상기 시추이수가 상기 굴착면 측으로 분사된 후, 시추유닛과 공벽 사이 공간으로 이송되는 단계; 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간 상부 일측에 구비된 리턴시추이수압력측정부가 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하는 단계; 리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인 일측에 구비된 리턴유량측정부가 토출되는 시추이수의 유량, 유속을 실시간으로 측정하고, 시추분쇄물의 혼재량을 측정하는 단계; 제어부가 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 측정값과, 리턴유량측정부에서 측정된 측정값을 기반으로, 상기 시추이수공급관의 일측에 구비된 보조펌프유닛의 구동을 제어하여, 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법으로서 달성될 수 있다.

그리고, 시추이수공급관 일측에 구비된 시추이수유입측정유닛이 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 압력과, 상기 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 단계; 제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량변화가 설정된 유량차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 단계; 및 제어부가 상기 리턴유량측정부에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 상기 혼재량이 설정된 범위 내가 아닌 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 단계; 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었다고 판단되는 경우 방지제투입유닛을 가동하여 이수손실방지제를 투입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보조펌프유닛이 가동될 때, 알림수단이 시추이수의 순환상태에 대한 상태정보를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 대심도 시추 시, 시추이수의 순환불량에 즉각적인 대처를 통한 작업성을 확보할 수 있고, 시추이수의 압력변화에 따른 킥(kick)을 방지할 수 있으며 시추이수 순환불량으로 인한 공벽불안정 구간의 즉각적인 대처를 통한 시추작업효율을 극대화할 수 있으며, 시추공 내 이수의 손실방지 및 드릴칼라의 고착현상을 완화할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1a는 CO2 지중저장의 개념도,
도 1b는 대심도 시추 작업 사진,
도 1c는 공벽안정의 개념도,
도 1d는 다양한 시추이수와 시추이수 재료 사진,
도 1e는 시멘팅 기술의 개념도,
도 2는 통상의 시추이수 순환시스템의 개념도,
도 3은 종래기술 1에 따른 머드 압력 조절시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개념도
도 4는 종래기술 2에 따른 시추유체의 공급 및 회수시스템의 구성도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템의 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 8a는 이수 손실의 개념도,
도 8b는 이수손실 방지제 투입을 통한 공벽의 코팅 효과에 의한 파이프 스턱(pipe stuck) 완화 현상을 나타낸 개념도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템(100)의 구성, 기능 및 순환조절방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(60)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템(100)은 하부 끝단에 드릴비트(11)가 구비된 드릴칼라(10, drill collar)와 상기 드릴칼라(10) 상측에 연결된 드릴파이프(12)로 구성된 시추유닛(5)을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공(1)의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프(12) 측으로 공급되는 시추이수가 굴착면 측으로 분사된 후, 순환되는 과정에서 시추이수의 순환조절을 위한 시스템(100)에 대한 것이다.

이러한 시추이수 순환조절시스템(100)은 전체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 시추이수공급관(20), 순환감지유닛(50), 보조펌프유닛(30) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

시추이수공급관(20)은 드릴파이프(12)와 연결되어 시추이수를 시추유닛(5)으로 공급 이송하도록 한다. 즉, 머드펌프(3)의 구동에 의해 시추이수가 시추이수공급관(20)을 통해 시추유닛(5)을 공급되게 된다.

이러한 시추이수공급관(20) 일측에는 시추이수유입측정유닛(31)이 구비되어 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하게 된다.

공급된 시추이수는 드릴비트(11) 측에서 굴착면 측으로 분사되어 공벽(2)을 따라 상부측으로 이동하면서 공벽안정화, 시추 효율을 높이고, 리턴라인(40)을 통해 순환되게 된다.

순환감지유닛(50)은 굴착면으로 토출되어 시추유닛(5)(드릴칼라(10)와 드릴파이프(12))과 공벽(2) 사이 공간으로 이송되어 토출되어지는 시추이수의 상태를 실시간으로 감지하게 된다.

순환감지유닛(50)은 도 5에 도시된 바와 같이, 리턴시추이수압력측정부(51)와, 리턴유량측정부(52)로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

리턴시추이수압력측정부(51)는 시추유닛(5)과 공벽(2) 사이 공간 상부 일측에 구비되어 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하게 된다. 이러한 리턴시추이수압력측정부(51)는 도 5에 도시된 바와 같이, 밥스택(Bop stack, 4) 하단에 위치됨이 바람직하다.

그리고, 리턴유량측정부(52)는, 리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인(40) 일측에 구비되어, 토출되는 시추이수의 유량, 유속을 실시간으로 측정하게 된다. 또한, 리턴유량측정부(52)는 시추이수 상의 시추분쇄물의 혼재량을 측정하게 된다.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 보조펌프유닛(30)은, 시추이수공급관(20)의 일측에 구비되어, 순환감지유닛(50)에서 측정된 시추이수 상태값을 기반으로 작동되어 상기 시추유닛(5)으로 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하게 된다.

즉, 제어부(60)는 시추이수유입측정유닛(31)과, 순환감지유닛(50)인 리턴시추이수압력측정부(51)와 리턴유량측정부(52)에서 측정된 값을 실시간으로 전송받아 이러한 보조펌프유닛(30)의 구동을 제어하게 된다.

구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(60)는 분석수단(61)과 연계되게 분석수단(61)에 의해 시추이수유입측정유닛(31)에서 측정된 압력과, 리턴시추이수압력측정부(51)에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과한다고 판단되는 경우, 제어부(60)는 보조펌프유닛(30)을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하도록 제어하게 된다.

또한, 분석수단(61)이 시추이수유입측정유닛(31)에서 측정된 유량과, 리턴유량측정부(52)에서 측정된 유량의 차인 유량변화가 설정된 유량차를 초과한다고 판단되는 경우, 제어부(60)는 보조펌프유닛(30)을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하게 된다.

그리고, 분석수단(61)이 리턴유량측정부(52)에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 상기 혼재량이 설정된 범위 내가 아니라고 판단되는 경우, 제어부(60)는 보조펌프유닛(30)을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하게 된다.

또한, 이러한 측정값과, 보조펌프유닛(30)의 가동 상태, 시추이수의 순환상태정보는 디스플레이부(62)를 통해 작업자에게 디스플레이되게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보조펌프유닛(30)은 시추공(1)으로 이수손실방지제를 투입하는 방지제투입유닛(32)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 8a는 이수 손실의 개념도를 도시한 것이다. 도 8b는 이수손실 방지제 투입을 통한 공벽(2)의 코팅 효과에 의한 파이프 스턱(pipe stuck) 완화 현상을 나타낸 개념도를 도시한 것이다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 시추 시에 단층 등으로 인한 이수손실이 발생될 수 있다. 이러한 이수손실이 발생되게 되는 경우, 이수 손실방지제를 투입하여 도 8b에 도시된 바와 같이, 공벽(2)의 코팅효과를 통해 파이프 스턱 현상을 완화할 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 분석수단(61)은 시추이수유입측정유닛(31)에서 측정된 유량과, 리턴유량측정부(52)에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었는지 여부를 분석 판단되게 되고, 이수손실이 발생되었다고 판단되는 경우, 제어부(60)는 방지제투입유닛(32)을 가동하여 윤활기능이 있는 폴리머 계통의 이수손실방지제를 투입시키게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 시추이수순환조절시스템(100)은 보조펌프유닛(30)이 가동될 때, 시추이수의 순환상태에 대한 상태정보를 송출하는 알림수단(63)을 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 시스템(100)을 이용하여 시추이수 순환을 조절하기 위한 방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 방법은, 하부 끝단에 드릴비트(11)가 구비된 드릴칼라(10)와 상기 드릴칼라(10) 상측에 연결된 드릴파이프(12)로 구성된 시추유닛(5)을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공(1)의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프(12) 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 방법에 대한 것이다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 머드펌프(3)의 구동에 의해 시추이수가 상기 드릴파이프(12)와 연결된 시추이수공급관(20)을 통해 공급 이송되게 된다(S1).

그리고, 시추이수공급관(20) 일측에 구비된 시추이수유입측정유닛(31)이 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하게 된다(S2).

그리고 시추유닛(5)으로 공급된 시추이수가 굴착면 측으로 분사된 후, 시추 분쇄물과 함께, 시추유닛(5)과 공벽(2) 사이 공간으로 공벽을 안정화하며 이송되게 된다(S3).

그리고, 시추유닛(5)과 상기 공벽(2) 사이 공간 상부 일측에 구비된 리턴시추이수압력측정부(51)가 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하게 된다(S4).

그리고, 리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인(40) 일측에 구비된 리턴유량측정부(52)가 토출되는 시추이수의 유량, 유속을 실시간으로 측정하고, 시추분쇄물의 혼재량을 측정하게 된다(S5).

그리고, 입력시 압력 및 유량에 비해 변화가 발생되거나, 굴진율에 대비한 시추분쇄물 비율의 변화가 있는 경우 제어부(60)는 보조펌프유닛(30)을 가동하여 공급량을 조절하게 된다(S6).

즉, 제어부(60)는 리턴시추이수압력측정부(51)에서 측정된 측정값과, 리턴유량측정부(52)에서 측정된 측정값을 기반으로, 시추이수공급관(20)의 일측에 구비된 보조펌프유닛(30)의 구동을 제어하여, 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하게 된다.

구체적으로, 분석수단(61)이 시추이수유입측정유닛(31)에서 측정된 압력과, 상기 리턴시추이수압력측정부(51)에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과한다고 판단되는 경우, 제어부(60)는 보조펌프유닛(30)을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하게 된다.

그리고, 분석수단(61)이 리턴유량측정부(52)에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 혼재량이 설정된 범위 내가 아니라고 판단되는 경우, 보조펌프유닛(30)을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하게 된다.

또한, 분석수단(61)은 시추이수유입측정유닛(31)에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부(52)에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었는지 여부를 판단하게 된다. 그리고, 이수손실이 발생되었다고 판단되면 제어부(60)는 방지제투입유닛(32)을 가동하여 이수손실방지제를 투입시키게 된다(S7).

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 시추이수 순환조절시스템(100)에 의해, 대심도 시추 시, 시추이수의 순환불량에 즉각적인 대처를 통한 작업성을 확보할 수 있고, 시추이수의 압력변화에 따른 킥(kick)을 방지할 수 있으며 시추이수 순환불량으로 인한 공벽불안정 구간의 즉각적인 대처를 통한 시추작업효율을 극대화할 수 있으며, 시추공(1) 내 이수의 손실방지 및 드릴칼라(10)의 고착현상을 완화할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:시추공
2:공벽
3:머드펌프
4:밥 스택(Bop stack)
5:시추유닛
10:드릴칼라
11:드릴비트
12:드릴파이프
20:시추이수공급관
30:보조펌프유닛
31:시추이수유입측정유닛
32:방지제투입유닛
40:리턴라인
50:순환감지유닛
51:리턴시추이수압력측정부
52:리턴유량측정부
60:제어부
61:분석수단
62:디스플레이부
63:알림수단
100:대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템

Claims

하부 끝단에 드릴비트가 구비된 드릴칼라와 상기 드릴칼라 상측에 연결된 드릴파이프로 구성된 시추유닛을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 시스템에 있어서,
상기 드릴파이프와 연결되어 시추이수를 공급 이송하는 시추이수공급관;
상기 굴착면으로 토출되어 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간으로 이송되어 토출되어지는 시추이수의 상태를 감지하는 순환감지유닛;
상기 시추이수공급관의 일측에 구비되어, 상기 순환감지유닛에서 측정된 시추이수 상태값을 기반으로 작동되어 상기 시추유닛으로 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하는 보조펌프유닛; 및
상기 시추이수공급관 일측에 구비되어 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하는 시추이수유입측정유닛을 포함하고,
상기 순환감지유닛은, 상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간 상부 일측에 구비되어 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하는 리턴시추이수압력측정부; 및 리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인 일측에 구비되어, 토출되는 시추이수의 유량, 유속, 상기 시추이수 상의 시추분쇄물의 혼재량을 실시간으로 측정하는 리턴유량측정부를 포함하며,
상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 압력과, 상기 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하도록 제어하고, 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량변화가 설정된 유량차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하며, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 상기 혼재량이 설정된 범위 내가 아닌 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템.
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제 1항에 있어서,
상기 리턴시추이수압력측정부는 밥스택(Bop stack) 하단에 위치되는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템.
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제 1항에 있어서,
상기 보조펌프유닛은 상기 시추공으로 이수손실방지제를 투입하는 방지제투입유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템.
제 9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었다고 판단되는 경우 상기 방지제투입유닛을 가동하여 이수손실방지제를 투입시키는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템.
제 10항에 있어서,
상기 보조펌프유닛이 가동될 때, 시추이수의 순환상태에 대한 상태정보를 송출하는 알림수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절시스템.
하부 끝단에 드릴비트가 구비된 드릴칼라와 상기 드릴칼라 상측에 연결된 드릴파이프로 구성된 시추유닛을 통해 대심도 시추를 진행하는 과정에서, 시추공의 공벽안정화와 시추효율을 증대시키기 위해 드릴파이프 측으로 공급되어 굴착면 측으로 분사되어 순환되는 시추이수의 순환조절을 위한 방법에 있어서,
머드펌프의 구동에 의해 시추이수가 상기 드릴파이프와 연결된 시추이수공급관을 통해 공급 이송되는 단계;
상기 시추이수가 상기 굴착면 측으로 분사된 후, 시추유닛과 공벽 사이 공간으로 이송되는 단계;
상기 시추유닛과 상기 공벽 사이 공간 상부 일측에 구비된 리턴시추이수압력측정부가 시추이수의 압력을 실시간으로 측정하는 단계;
리턴되는 시추이수가 토출되는 리턴라인 일측에 구비된 리턴유량측정부가 토출되는 시추이수의 유량, 유속을 실시간으로 측정하고, 시추분쇄물의 혼재량을 측정하는 단계;
제어부가 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 측정값과, 리턴유량측정부에서 측정된 측정값을 기반으로, 상기 시추이수공급관의 일측에 구비된 보조펌프유닛의 구동을 제어하여, 투입되는 시추이수의 유속, 유량, 압력을 조절하는 단계를 포함하고,
시추이수공급관 일측에 구비된 시추이수유입측정유닛이 공급되는 시추이수의 압력, 유량 및 유속을 실시간으로 측정하며,
제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 압력과, 상기 리턴시추이수압력측정부에서 측정된 압력의 압력차가 설정된 압력차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하고, 제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량변화가 설정된 유량차를 초과하는 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하며, 제어부가 상기 리턴유량측정부에서 측정된 시추분쇄물의 혼재량과 굴진률을 대비하여 상기 혼재량이 설정된 범위 내가 아닌 경우, 상기 보조펌프유닛을 가동하여 시추이수의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법.
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제 12항에 있어서,
상기 제어부가 상기 시추이수유입측정유닛에서 측정된 유량과, 상기 리턴유량측정부에서 측정된 유량의 차인 유량차를 기반으로 이수손실이 발생되었다고 판단되는 경우 방지제투입유닛을 가동하여 이수손실방지제를 투입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법.
제 15항에 있어서,
상기 보조펌프유닛이 가동될 때, 알림수단이 시추이수의 순환상태에 대한 상태정보를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대심도 시추를 위한 시추이수 순환조절방법.