KR101841681B1 - 보상기 - Google Patents

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KR101841681B1
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Abstract

부유선(3a)과 세장형 요소(5) 사이의 상대적 움직임들을 제어하는 운동 보상 시스템으로서, 상기 세장형 요소는 제 1 단부에서 부유선에 매달리며, 부유선 아래의 수역(body of water) 내로 연장한다. 액티브 운동 보상기(8)는 직립한(erect) 지지 구조(2)의 상부 구역에 배열된 요소(10)를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결되며, 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 상기 요소(10)를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결된다. 상기 운동 보상기(8, 12a, 12b)들은 구조적으로 그리고 작동식으로 분리되는 그리고 독립적인 유닛들이며, 분리 및 상호 독립적인 작동을 위해서 구성된다.

Description

보상기 {A COMPENSATOR}
본 발명은 부유 구조물들로부터의 석유 및 가스 시추 및 연관된 작업들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 청구항 1의 전제부에서 설명된 바와 같은 운동 보상 시스템에 관한 것이다.
부유선들(선박들, 플랫폼들 등)은 심해저(subsea) 오일 및 가스 유정(well)들의 시추(drilling), 서비싱 및 유지보수를 위해 보편적으로 사용된다. 전형적으로, 라이저(riser)가 드릴 플로어 아래에 매달리며 해저 상에서 심해저 유정의 정두(wellhead)로 연장한다. 드릴 스트링은 시추 데릭(derrick)에 매달릴 수 있으며, 유정의 정두를 통해 그리고 지하 탄화수소 리저보어(subterranean hydrocarbon reservoir) 내로 라이저 내측에 이어질 수 있다. 해저 유정의 정두와 리저보어 사이의 거리(그리고 이에 따라 드릴 스트링 길이)는 상당할 수 있다. 이러한 구성에서, 라이저는 (유정의 정두를 경유하여) 해저에 고정되는 반면, 드릴 스트링은 그렇지 않다. 따라서, 기능이상인 드릴 스트링 또는 드릴 스트링 보상기는, 드릴 스트링이 라이저 내측에서 이어짐에 따라 유정의 무결성을 정상적으로 손상시키지 않을 것이다. 라이저는 유정이 해수에 개방되지 않는 것을 보장한다.
라이저와 부유선 사이 그리고 드릴 스트링과 부유선 사이의 각각의 연결들은 수중에서의 부유선의 움직임을 위해 보상되어야 한다. 부유선 움직임들을 유발하는 유력한 인자들은 파도들(waves) 및 조류들(tidal currents)이지만, 부유선이 해저에 확실하게 정박되어 있지 않다면, 해류(drift)가 또한 인자일 수 있다. 부유선 상의 고정된 지점과 해저 유정의 정두 사이의 거리는 이들 인자들의 크기에 따라 변할 것이다.
보상기들은, 일반적으로 유압-공압 시스템에서 가압된 실린더들을 기반으로 한다. 이러한 이른바 패시브 보상기(passive compensator)는 사실상, 미리 정해진(비록 조절가능하지만) 힘을 갖는 스프링이다. 패시브 보상기는 원칙적으로, 작동중 외부 유틸리티들(예컨대, 전기, 제어 시스템, 공기 또는 오일 공급장치)을 필요로 하지 않을 것이다. 라이저는 드릴 플로어 아래에 있는 텐셔너(tensioner) 시스템에 의해 정상적으로(normally) 매달린다. 드릴 스트링은 데릭의 상부에서 드릴 스트링 보상기(drill string compensator; 따라서, 종종 "DSC"라 언급됨)에 의해 정상적으로 매달리며("상부 장착식 보상기"), 이는 종래 기술에서 보편적으로 공지되어 있다.
다른 작동 구성에서, 드릴 스트링(또는 케이싱)은 라이저 없이 해저와 부유선 사이에서 연장한다. 드릴 스트링은 x-마스 트리(x-mas tree)에 연결될 수 있고, 보상의 맥락에서 해저에 고정되는 것이 고려될 수 있다. 이러한 이른바 "바닥 고정식" 구성에서, 드릴 스트링이 단지 해저에만 연장하고 유정 내로 연장하지 않음에 따라, 보상기 소요 능력(capacity requirement)은 상당히 감소된다. 그러나, 바닥 고정식 구성에서 라이저가 없는(riserless) 드릴 스트링이 불안정한(precarious) 상태인 경우, 예컨대 보상기 기능이상(malfunction)에 기인하여 드릴 스트링이 고장 난다면 유정은 주변 해수에 개방될 것이다. 이에 따라, 보상기 시스템의 신뢰성은 이러한 구성에서 매우 중요한 인자이다.
드릴 스트링 보상기들의 종래 기술은 데릭의 상부에 배열된 패시브 상부 장착식 드릴 스트링 보상기(DSC)를 포함한다. 이러한 드릴 스트링 보상기는 크라운 블록에 연결된다(이에 따라, 또한 "크라운 장착식 보상기(crown-mounted-compensator)" 또는 "CMC" 라고 종종 부름). 따라서, 이는 후크 부하 편차들을 직접 해결하고, 시추(drilling) 중 웨이트-온-비트(weight-on-bit) 편차들을 최소로 감소시킬 수 있다. 상부 장착식 DSC/CMC에는 종종 액티브 히브 보상기(active heave compensator) 실린더가 보충되며, 이 보상기 실린더는 BOP들, 심해저 트리들과 같은 심해저 장비 랜딩시 그리고 언더-리밍(under-reaming) 및 최소 이동을 필요로 하는 다른 다운홀(downhole) 작동들 중에 사용된다. 액티브 히브 보상기 실린더는 크라운 블록에 기계적으로 연결된다. 리프팅 작동들은 정규적이며 비보상식인 드로워크스(drawworks)에 의해 수행된다. CMC는 정상적으로 듀얼 로커-아암 시스템(리프팅 드로워크스용)을 포함하며, 데릭 및 크라운 블록 배열의 정적 용량(static capacity)에 비해 상당한 동적 부하(dynamic load)들을 취급할 수 있다. 예컨대, 각각 대략 1279 톤의 정적 용량을 갖는 데릭, 드로워크스 및 CMC를 위해서, CMC 동적 및 액티브 용량은 정상적으로 대략 680 톤, 즉 정적 용량의 대략 50%이다. CMC 패시브 실린더는, 전형적으로 대략 7.6 미터이다.
상기 언급된 DSC/CMC 에 대해 다른 공지된 대안은, 액티브 보상식, 즉 상부 장착식 DSC/CMC 가 없는 드로워크스이다. 이러한 유형의 드로워크스는 전형적으로 유압 또는 전기 모터들에 의해 구동되며, 액티브 보상은 모터들 및/또는 유압식 기계(hydraulics)(펌프들, 제어 밸브들 등)의 제어된 조작에 의해 실행되며, 예컨대 부유선 운동 기록 유닛으로부터의 입력 데이터에 기초하며 드로워크스가 와이어를 풀어주거나(pay out) 또는 와이어를 당기는 것(reel in)을 유발한다. 이러한 시스템은 패시브 모드가 없다. 또한, 액티브 보상식 드로워크스는 드릴 스트링 보상의 완전한 손실을 유발하는 기계적 기능이상에 민감하다. 그러나, 액티브 보상식 드로워크스는 상부 장착식 DSC/CMC에 비해서 중량 및 평형(balance) 관점(perspective)에서 유리하며; DSC/CMC는 비교적 무거우며 데릭의 상부에 위치설정되지만, 액티브 보상식 드로워크스는 보다 경량이며 데크 레벨에 배열된다.
본 출원인은 종래 기술의 문제점들을 극복하고 추가의 이점들을 얻기 위해서 본 발명을 고안하고 구현하였다.
본 발명은 독립항에서 설명되고 특징화되는 한편, 종속항들은 본 발명의 다른 특징들을 설명한다.
이에 따라, 부유선과 세장형 요소 사이의 상대적 움직임들을 제어하는 운동 보상 시스템이 제공되며, 여기서, 상기 세장형 요소는 제 1 단부에서 부유선에 매달리며, 부유선 아래의 수역(body of water) 내로 연장하며; 직립한(erect) 지지 구조의 상부 구역에 배열된 요소를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결되는 액티브 운동 보상기, 및 상기 요소를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결되는 패시브 운동 보상기를 특징으로 하며, 상기 운동 보상기들은 구조적으로 그리고 작동식으로 분리되는 그리고 독립적인 유닛들이며, 분리 및 상호 독립적인 작동을 위해서 구성되며, 액티브 운동 보상기는 패시브 운동 보상기가 작동될 때 정적 상태에서 휴지하게 되도록 구성되며, 이와 역으로 구성된다.
일 실시예에서, 상기 패시브 운동 보상기는 하나 또는 그 초과의 패시브 운동 보상 실린더들을 포함한다.
상기 액티브 운동 보상기는, 바람직하게는 부유선의 데크에 배치된 액티브 보상식 드로워크스를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 패시브 운동 보상기는 상기 요소에 연결되는 제 1 단부 및 상기 직립한 지지 구조에 연결되는 제 2 단부를 포함하며, 상기 요소는 가이드 구조에서 이동가능하다.
상기 직립한 지지 구조는 요소를 위한 지지 부재를 포함하며, 지지 부재 상에서 요소는 패시브 운동 보상기가 작동되지 않고 액티브 보상기가 작동될 때 휴지상태가 된다.
일 실시예에서, 상기 패시브 운동 보상기는 액티브 운동 보상기 위의 수직 거리에서 직립한 지지 구조에 의해 지지된다.
상기 세장형 요소의 제 2 단부가 수역 아래 바닥에 고정될 때, 액티브 운동 보상기는 휴지 상태가 되며 패시브 운동 보상기는 작동한다.
이로써, 종래 기술의 상부 보상기들에 비해 감소된 용량을 갖는 액티브 보상식 드로워크스 및 패시브 상부 보상기의 조합을 활용함으로써, "바닥 고정식" 작동들에서의 보상기 성능들을 잃을 우려가 제거된다. 액티브 보상식 드로워크스는 드릴 스트링이 "바닥 고정식"이 아닌 작동들을 다룰 수 있을 것이다. 이러한 모드에서, 패시브 운동 보상기는 사용되지 않으며, 크라운 블록이 지하수면 상에 놓여져, 부하들이 데릭 내로 직접 전달되고 패시브 운동 보상기를 통해 전달되지 않는다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여, 비제한적인 예시로서 부여된 실시예의 우선적인 형태의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 액티브 보상 모드에서의 본 발명의 시스템을 예시한다.
도 2는 패시브 보상 모드에서의 본 발명의 시스템을 예시한다.
도 1은 액티브 모드에서의 본 발명에 따른 운동 보상기(motion compensator) 시스템의 개략적 예시이다. 데릭(derrick; 2)이 데크 구조(3b)를 갖는 부유선(floating vessel)("3a"로서 개략적으로 나타냄)에 의해 지지된다. 시추기(drilling machine; 1)가 데릭에 매달리며(suspended) 문풀(moon pool; 4)을 통해 그리고 수중으로(into the water) 그리고 해저(seabed; 도시 생략)로 연장하는 드릴 스트링(drill string; 5)을 제어한다. 이러한 배열은 당업계에서 주지되어 있다.
드릴 스트링(5)은 시추기(1) 및 와이어 앤 시브(wire-and-sheave) 배열체(7, 15b, 15c)를 통해 크라운 블록(crown block; 10)에 매달린다. 이러한 액티브 보상 모드에서, 크라운 블록(10)은 데릭의 워터테이블(watertable; 9) 상에 놓여지고 그리고 바람직하게는 워터테이블에 볼트식으로 결합된다. 드로워크스(drawworks)가 시브(15a 내지 15d)들을 통해 그리고 데크 구조 상에서 연결 포인트(6)에 이어진 와이어(7)를 통해 데크 구조(3b) 그리고 시추기(1)에 연결된다(요구되는 파워 및 제어 장치, 유압 호스들 등이 도면으로부터 생략되고 있는데, 이는 이들 아이템들이 종래 기술에서 주지되어 있기 때문임). 이에 따라, 드릴 파이프(5)의 움직임(및 이에 따라 드릴 파이프의 운동 보상)이 드로워크스의 제어된 작동에 의해 얻어진다. 드로워크스는 바람직하게는 액티브 보상식 드로워크스이며, 드릴 스트링이 "바닥 고정식(fixed-to-bottom)"이 아닐 때, 예컨대 다운홀 작업(downhole operation)과 관련된 큰 부하들을 취급하도록 치수결정된다. 이러한 움직임은 도 1에서 양방향 화살표(double headed arrow; MA)에 의해 나타낸다.
2 개의 패시브 보상기 실린더들의 형태로 개략적으로 예시된 패시브 운동 보상기가 데릭 내의 지지 플랫폼(14)과 크라운 블록(10) 사이에 연결된다(요구되는 파워 및 제어 장치들, 유압 호스들 등은 도면으로부터 생략되고 있는데, 이는 이들 아이템들이 종래 기술에서 주지되어 있기 때문임). 본 발명에 따른 운동 보상기 시스템이 액티브 모드에 있을 때, 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 휴지상태에 있으며, 사용되지 않는다. 크라운 블록(10)은 워터테이블(9) 상에 놓여지고 바람직하게는 워터테이블에 고정식으로 연결된다.
도 2는 패시브 모드에서의 본 발명에 따른 운동 보상기 시스템의 개략적 예시이며, 이는 드릴 스트링의 "바닥 고정식" 구조에 사용된다. 여기서, 크라운 블록(10)은 워터테이블(9)로부터 해제되며, 가이드 구조(11)에서 상하로 자유롭게 움직인다. 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 작동되며(양방향 화살표(MP)로 나타냄) 부유선 움직임들을 보상하도록 설정된다. 이러한 구성에서, 드로워크스는 종래의 드로워크스로서 작동된다. 이에 따라, 드릴 스트링은 "바닥 고정식" 작업 중 패시브 보상기(12a, 12b)에 의해서만 보상된다.
패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 "바닥 고정식" 작업들과 연관된 (비교적) 작은 하중들만을 취급하도록 설계된다. 이 시스템이 액티브 보상 모드(예컨대, 다운홀 작업들용임, 도 1 참조)에 있을 때, 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 어떠한 부하들도 전혀 취하지 않는다(부하들은 워터테이블 상에 놓여진 크라운 블록을 경유해 데릭 내로 전달된다). 따라서, 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 종래의 드릴 스트링 보상기들보다 훨씬 더 얇으며(slimer) 더 가볍게 설계될 수 있다. 실린더 스트로크 및 부하 취급 능력(capability)들을 위한 요구조건들은 공지된 CMC들에 비해 감소된다. 또한, 로커 아암(rocker arm)들이 요구되지 않는다. 새로운 패시브 운동 보상기는, 공지된 보상기들의 경우에서와 같이 데릭 최대 부하를 위해 치수결정될 필요 없다. 공지된 데릭, 드로워크스 및 CMC 조합을 위한 상기 예시를 참조하면, 종래 기술과 본 발명의 시스템 간의 차이들은 하기 예시적 데이터에 의해 예시된다:
종래 기술 본 발명
ㆍ데릭 용량(톤) 1270 1270
ㆍ드로워크스 용량(톤) 1270 1270
ㆍ상부 보상기
o 정적(static) 용량 (톤) 1270 1270
o 동적(dynamic) 용량 (톤) 680 150
o 액티브(active) 용량 (톤) 680 해당없음
o 스트로크(미터) 7.6 5

Claims (7)

  1. 부유선(floating vessel; 3a)과 세장형 요소(5) 사이의 상대적 움직임들을 제어하는 운동 보상(motion compensation) 시스템으로서,
    상기 세장형 요소는 제 1 단부에서 부유선에 매달리며, 부유선 아래의 수역(body of water) 내로 연장하는, 운동 보상 시스템에 있어서,
    - 직립한(erect) 지지 구조(2)의 상부 구역에 배열된 요소(10)를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결되는 액티브 운동 보상기(8), 및
    - 상기 요소(10)를 경유하여 세장형 요소 제 1 단부에 연결되는 패시브 운동 보상기(12a, 12b)를 특징으로 하며,
    상기 운동 보상기(8, 12a, 12b)들은 구조적으로(structurally) 그리고 작동식으로(operationally) 분리되는 그리고 독립적인 유닛들이며, 분리 및 상호 독립적인 작동을 위해서 구성되며,
    (i) 상기 액티브 운동 보상기(8)는 상기 패시브 운동 보상기(12a, 12b)가 작동될 때 정지 상태에서(static state) 휴지하도록(rest) 구성되고, (ii) 상기 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 상기 액티브 운동 보상기(8)가 작동될 때 정지 상태에서 휴지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    운동 보상 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 하나 또는 그 초과의 패시브 운동 보상 실린더들을 포함하는,
    운동 보상 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액티브 운동 보상기(8)는 상기 부유선의 데크(3b) 상에 배치된 액티브 보상식 드로워크스(drawworks)를 포함하는,
    운동 보상 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 상기 요소(10)에 연결되는 제 1 단부 및 상기 직립한 지지 구조에 연결되는 제 2 단부를 포함하며, 상기 요소(10)는 가이드 구조(11)에서 이동가능한,
    운동 보상 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 직립한 지지 구조는 요소(10)를 위한 지지 부재(9)를 포함하며, 지지 부재 상에서 요소(10)는 패시브 운동 보상기가 작동되지 않고 액티브 보상기가 작동될 때 휴지상태가 되는,
    운동 보상 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 액티브 운동 보상기(8) 위의 수직 거리(h)에서 직립한 지지 구조에 의해 지지되는,
    운동 보상 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세장형 요소(5)의 제 2 단부가 수역 아래 바닥에 고정될 때, 액티브 운동 보상기(8)는 휴지 상태가 되며 패시브 운동 보상기(12a, 12b)는 작동하는,
    운동 보상 시스템.
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