KR102080788B1 - 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법 - Google Patents

워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치는 단부에 천공작업을 수행하는 비트유닛이 승강가능하게 설치된 설치된 해머본체와, 상기 해머본체에 슬라이딩 가능하게 설치되며 길이 방향으로 작동유체배출부를 가진 피스톤과, 상기 해머본체부와 피스톤의 사이에 설치되어 피스톤의 상부를 지지하며 해머본체와 연결된 로드를 통하여 공급되는 물에 의해 상기 피스톤을 승강시키는 구동유닛을 구비하며, 상기 해머본체에 설치된 피스톤을 관통하여 상기 비트에 승강되는 상태에서 회전력을 전달할 수 있도록 제1결합부에 의해 비트와 결합된 회전축을 구비한 해머유닛과, 상기 해머본체와 시추방향각도 조정유닛에 의해 결합되는 외부관체와, 상기 외부관체의 내부에 설치되어 외주관체의 내주면과 해머유닛으로 공급되는 제1작동유체공급통로를 형성하는 것으로 제2작동유체공급로를 가지는 내부관체와, 상기 내부관체의 하단부측에 설치되는 것으로, 상기 회전축과 연결되어 이를 회전시키기 위한 구동축을 가지는 머드모터와, 상기 외부관체와 내부관체의 타측단부에 설치되어 상기 제 1작동유체공급로와 제 2작동유체공급로로 압력을 분산시키기 위한 압력분배유닛을 구비한 머드모터유닛을 구비한다.

Description

워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법{Horizontal directional drilling method using water hammer directional drilling assembly}
본 발명은 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 워터해머유닛의 비트를 회전시킴과 아울러 KOP(kick off point)로부터 표지점까지 수직이 아닌 일정한 궤도로 시추작업을 할 수 있는 워터해머를 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법에 관한 것이다.
일반적으로 시추(試錐)는 지층의 구조나 성상을 알기 위하여 지각(地殼)에 상대적으로 작은 직경의 구멍을 뚫는 것으로서, 지각 내부의 여러 지식을 얻거나 또는 석유, 천연가스, 온천, 지하수 등을 채취하기 위하여 이루어진다. 이러한 시추 깊이와 천공되는 직경은 사용 목적에 따라 다양하다.
시출작업을 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 굴삭 시 측방향으로의 추력이 작용하도록 하여 방향성을 제공하거나, 혹은 드릴축의 방향만을 변환하여 방향을 변환하거나 이수의 배출방향을 조정함으로써 이루어지게 된다. 이러한 방법은 정교환 시추방향의 제어가 용이하지 않다.
특히, 건설산업과 광업분야의 케이블포설, 지반조사와 터널 및 각종 구조물의 설계와 시공에서 사용되는 시추 조사는 수직, 수평 또는 일정한 각을 설정하여 천공하게 되는데, 시추방향 및 각도 정확한 방위를 측정할 필요가 있다.
시추과정에서 균일한 등방성(等方性)을 지니는 금속물질을 시추하는 경우, 오차가 크지 않으나 여러물질이 복합된 이방성(異方性)을 지니는 암석에서는 진행방향의 오차와 편차가 상대적으로 크며, 균열 및 절리 파쇄가 있는 암반은 더욱 심하다.
또한 상술한 바와 같은 종래의 시추방법에 의해 임의의 각도로 시추하는 것은 상대적으로 천공을 위한 굴진속도가 느린 문제점이 있다.
일본공개특허 평05-25998호(1993.02.02)에는 굴삭기의 방향제어방법 및 장치가 게시되어 있다. 게시된 방법 및 장치는 헤드부 및 후부에 굴곡 가능하게 연결된 테일부를 구비한 실드 본체를 이용한 것으로, 구축하여야 할 터미널의 계획선과 같은 기준선에 따라서 지향되는 광선을 이용하여 굴삭기의 전진방향을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
그러나 이러한 종래의 굴삭기의 방향제어방법은 기준선을 따라 지향되는 광선을 이용하여 방향제어가 가능하나 지반이 연약하여 무너지는 경우 굴삭작업을 원활하게 수행할 수 없다.
한편, 지반의 시추를 위한 굴삭장치로는 상호 연결되어 천공기계의 헤드부에 장착된 로드들의 단부에 설치되어 석유시추, 가스시추, 터널천공, 지하 케일블를 위한 공사, 지하 열원개발, 지하수 개발 등을 위해 지반의 천공기로 해머장치가 이용된다.
이러한 해머장치는 작동유체에 따라 공압을 이용한 에어해머와 고압의 물을 이용한 워터해머 등이 있다. 에어해머는 공압을 이용하여 피스톤을 작동시켜 지반의 천공을 위한 타격력을 제공하는 것으로, 상대적으로 깊은 홀을 천공하기 어렵다. 그리고 워터해머의 경우, 비압축성 유체인 물을 작동유체로 사용하게 되므로 타격력을 크게 할 수 있는 장점과 공급된 유체의 배출 시 천공과정에서 발생되는 토양 및 암석조각을 동시에 배출할 수 있는 장점이 있다. 그러나 소정의 경사를 갖는 시추작업 시 방향성의 제어가 용이하지 않은 문제점이 있다.
대한민국 특허등록 제 876450호, 대한민국 특허 등록 제 1300243호에는 물로 구동되는 해머가 게시되어 있다.
일본공개특허 평05-25998호(1993.02.02) 대한민국 특허등록 제 876450호 대한민국 특허 등록 제 1300243호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 타격력을 제공하는 비트를 회전시킴과 아울러 굴착방향의 제어가 가능한 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 지반의 천공 깊이가 깊어짐에 따라 천공된 홀 내부의 수압 상승으로 인한 피스톤에 의해 비트에 의한 굴삭력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치는
단부에 천공작업을 수행하는 비트유닛이 승강가능하게 설치된 해머본체와, 상기 해머본체에 슬라이딩 가능하게 설치되며 길이 방향으로 작동유체배출부를 가진 피스톤과, 상기 해머본체와 피스톤의 사이에 설치되어 피스톤의 상부를 지지하며 해머본체와 연결된 로드를 통하여 공급되는 물에 의해 상기 피스톤을 승강시키는 구동유닛을 구비하며,
상기 해머본체에 설치된 피스톤을 관통하여 상기 비트에 승강되는 상태에서 회전력을 전달할 수 있도록 제1결합부에 의해 비트와 결합된 회전축을 구비한 해머유닛과,
상기 해머본체와 시추방향각도 조정유닛에 의해 결합되는 외부관체와, 상기 외부관체의 내부에 설치되어 외부관체의 내주면과 해머유닛으로 공급되는 제1작동유체공급통로를 형성하는 것으로 제2작동유체공급로를 가지는 내부관체와, 상기 내부관체의 하단부측에 설치되는 것으로, 상기 회전축과 연결되어 이를 회전시키기 위한 구동축을 가지는 머드모터와, 상기 외부관체와 내부관체의 타측단부에 설치되어 상기 제 1작동유체공급로와 제 2작동유체공급로로 압력을 분산시키기 위한 압력분배유닛을 구비한 머드모터유닛을 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 비트유닛과 구동유닛 사이의 해머본체와 피스톤의 사이에 설치되어 피스톤을 가이드하며, 피스톤에 의한 비트의 타격 시 피스톤과 비트 사이의 물을 도피시키기 위한 도피공간을 형성하고, 도피공간으로 유입된 물로부터 기포를 분리하여 도피공간의 상부측에 저장되도록 하는 작동유체도피부를 더 구비한다.
상기 작동유체도피부는 해머본체의 내부의 내주면에 양단부가 고정되어 피스톤의 하부와 비트의 상부를 지지하며, 해머본체의 내주면과의 사이에 피스톤과 비트의 타격 시 피스톤과 비트 사이의 작동유체인 물이 도피하는 도피공간을 형성하고, 피스톤과 비트의 사이의 물이 유입 및 유출되는 작동유체도피공이 형성된 서브하우징과,
상기 작동유체도피부는 상기 피스톤과 비트의 타격부와 인접되는 서브하우징과 해머본체의 사이에 피스톤에 의한 비트의 타격 시 도피된 물로부터 기포를 분리하여 상기 도피공간의 상부에 저장되도록 하는 기수분리부를 구비한다.
상기 기수분리부는 상기 비트가이드부와 인접되는 피스톤가이드부의 외주면과 상기 해머본체의 내주면 사이에 설치되며 다수개의 기체통과공이 형성된 구획부재를 구비한다.
한편, 상기 비트와 회전축을 연결하는 제1결합부는 비트에 길이 방향으로 중공부가 형성되고, 이 중공부의 내주면과 회전축단부에 내주면에 암수스플라인이 각각 형성되어 상호 결합되어 이루어진다.
상기 압력분배유닛은 제1외관부재의 단부에 설치되어 로드와의 결합을 위한 소켓과, 상기 내부관체의 단부에 결합되며 단부가 상기 소켓의 내주면과 결합되고 상기 제2작동유체공급로와 연통되는 중공부를 가지며, 이 중공부와 상기 제 1작동유체공급로와 연통되는 복수개의 통기공이 형성된 오리피스본체부재와, 상기 오리피스본체부재의 중공부에 삽입되어 통기공과 중공부로의 작동유체의 통과유량을 제어하여 압력을 분산시키는 오리피스부재를 구비한다.
본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치와 이를 이용한 지향성 압입공법은 천공하고자 하는 시추공의 설계에 따라 방향성의 제어가 가능하며 나아가서는 지향시추작업이 가능하다.
그리고 워터해머유닛을 이용한 시추장치는 해머본체의 내부에 작동유체도피부를 형성함으로써 구동유닛에 의해 승강되는 피스톤에 의해 비트의 타격 시 비트와 피스톤의 단부 사이의 작동유체인 물이 도피공간으로 유입 및 유출시킬 수 있다. 또한 도피공간으로 유입된 물로부터 기포를 분리하여 도피공간의 상부측에 공기를 저장 할 수 있다. 이 작동유체도피부는 피스톤의 상승 및 하강 시 피스톤과 비트 사이의 물에 의해 간섭이 발생됨으로써 피스톤에 의한 비트의 타격력과 피스톤의 상승력이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 비트를 타격과 동시에 회전시킬 수 있으므로 굴신성을 향상시킬 수 있다.
특히, 본원 발명에 따른 시추장치는 방향성 시추작업과 직진성 시추작업을 동시에 수행할 수도 있다.
도 1은 천공장치에 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치가 장착되어 시추가 이루어진 상태를 개략적으로 나타내 보인 측단면도,
도 2은 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치의 분리 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치의 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치의 구동유닛을 발췌하여 도시한 확대 단면도.
도 5 내지 도 6는 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치의 작동상태를 나타내 보인 단면도.
도 7는 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치의 비트부위를 발췌하여 도시한 사시도.
본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치 및 이를 이용한 지향성 압입공법은 지열발전, 석유천연가스, 온천, 지하수, 지각내부의 지식을 위한 샘플채취, 케이블포설 등을 위하여 방향성 시추 작업을 수행하기 위한 것으로, 그 일 실시예를 도 1 내지 도 7에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치는 천공장치(1)에 장착되어 지반을 시추하기 위한 것으로, 비트를 이용하여 지반을 시추하기 위한 워터해머유닛(10)과, 상기 워터해머유닛(10)과 시추각도 조정유닛(130)에 의해 결합되어 워터해머유닛(10)의 비트 즉, 피스톤에 의해 타격되는 비트(32)를 회전시키기 위한 머드모터유닛(200)를 구비한다. 상기 머드모터유닛(200)와 시추각도조정유닛(130)의 사이에는 완충을 위한 어큐뮬레이팅유닛(300)을 더 구비할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치(10)를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 워터해머유닛(10)과 이를 이용한 방향성 시추장치의 워터해머유닛(10)은 천공장치(1)의 헤드부(2)에 의해 하강하며 상호 연결된 로드(3)들과 머드모터유닛(200)을 통하여 공급되는 작동유체 의해 작동되어 지반을 천공하게 된다.
상기 워터해머유닛(10)은 상부 측에 시추각도 조정유닛(130)과 결합되는 체결부(21)를 가지며 하부측에 천공작업을 수행하는 비트유닛(30)이 설치된 해머본체(20)를 구비한다. 그리고 상기 해머본체(20)의 내부에 슬라이딩 가능하게 설치되며 길이 방향으로 작동유체배출부(41)을 가진 피스톤(40)을 구비한다.
그리고 상기 해머본체(20)에 설치된 피스톤(40)을 관통하여 상기 비트(32)에 승강되는 상태에서 회전력을 전달할 수 있도록 제1결합부(47)에 의해 비트(32)와 결합된 회전축(48)을 구비한다.
상기 회전축(48)의 일측은 해머본체에 설치된 피스톤을 관통하여 상기 비트에 승강되는 상태에서 회전력을 전달할 수 있도록 제1결합부(47)에 의해 비트와 결합되고, 상기 회전축(48)의 타측 단부는 후술하는 머드모터유닛(200)의 구동축과 결합되는 제 2결합부(49)가 형성된다.
상기 비트(32)와 회전축(48)을 결합하는 제1결합부(47)는 비트(32)에 길이 방향으로 형성된 중공부(34)의 내주면에 암스플라인(47a)가 형성되고 상기 회전축(48)의 단부에 숫스플라인(47b)가 형성되어 이들의 결합됨으로써 이루어질 수 있다. (도 2, 3 및 도 7참조)
상기 워터해머유닛(10)은 해머본체(20)의 내주면과 피스톤(40) 상부측의 외주면 사이에 설치되어 피스톤(40)의 상부를 지지하며 해머본체(20)와 연결된 머드모터유닛(200) 또는 어큐뮬레이팅유닛(300)을 통해 공급되는 물에 의해 상기 피스톤(40)을 승강시키는 구동유닛(50)을 구비한다. 상기 해머본체(20)의 하단부에 설치되는 비트유닛(30)과 구동유닛(50)사이의 해머본체(20)의 내면과 피스톤(40)의 외면 사이에 설치되어 피스톤(40)을 가이드하며, 피스톤(40)에 의한 비트유닛(30)의 비트 타격 시 피스톤(40)과 비트 사이의 물의 피난공간을 형성하고, 피난공간으로 유입된 물로부터 기포를 분리되어 저장되는 작동유체도피부(100)를 더 구비한다. 본 발명에 있어서, 상기 작동유체 도피부(100)은 반드시 설치될 필요는 없다.
그리고 워터해머유닛(10)과 연결되는 로드를 통하여 공급되는 작동유체는 다수의 기포가 포함될 수 있다. 즉, 작동유체는 펌프에 의해 물에 기포(공기)를 편승시킨 후 펌프를 이용하여 고압으로 펌핑함으로써 기포가 포함될 수 있다.
상기 워터해머유닛(10)의 해머본체(20)는 내부에 중공부(22)가지는 관상의 구조를 가지며, 상단부측에 로드와의 결합을 위한 체결부(21)가 형성된다. 상기 체결부(21)는 해머본체(20)의 단부측 내주면에 나사부가 형성되어 이루어질 수 있다.
그리고 상기 해머본체(20)의 중공부(22)에는 승강가능하게 설치되는 피스톤(40)이 설치되는데, 이 피스톤(40)은 상술한 바와 같이 상기 작동유체도피부(100)을 이루는 서브하우징(110)과, 해머본체(20)의 내주면과 피스톤(40)의 상부측에 설치되는 구동유닛(50)에 의해 지지된다. 그리고 상기 피스톤(40)은 상기와 같이 길이 방향으로 관통하는 작동유체배출통로(41)를 구비한다. 상기 작동유체배출통로(41)에는 상기 회전축(48)이 관통하게 된다.
상기 워터해머본체(20)의 하부측에 설치되는 비트유닛(30)은 해머본체(20)의 단부에 컬러부재(31)가 설치되고, 상기 컬러부재(31)에는 타격부(32)를 가진 비트(32)가 회전 및 승강 가능하게 설치된다. 그리고 상기 비트(32)와 컬러부재(31)에는 비트(32)의 승강에 따른 행정거리를 한정하기 위한 행정거리제한유닛(35)을 구비한다. 행정거리제한유닛(35)는 상기 비트(32)의 외주면에 소정길이(비트의 행정거리에 해당하는 길이)의 비드가이드홈(36)들이 길이 방향으로 형성되고, 상기 컬러부재(31)에는 내측단부가 상기 비트가이드홈(36)과 결합되는 비트로커(37)가 설치된다. 상기 비트로커(37)는 비트(32)의 승강 시 비트가이드홈(36)을 따라 비트(32)를 가이드하여 비트(32)의 승강에 따른 행정거리를 한정하게 된다. 상기 비트(32)의 중앙부에는 상기 피스톤(40)의 작동유체배출부(41)와 연통되는 배출통로(34)가 형성된다.
상기 구동유닛(50)은 로드를 통하여 공급되는 작동유체인 물을 이용하여 피스톤(40)을 승강시키기 위한 것으로, 상기 해머본체(20)의 중공부(22)에 결합되는 원통형의 피스톤 하우징(51)이 설치되고, 상기 피스톤 하우징(51) 내에는 상기 피스톤(40)이 비트(32)을 타격할 수 있도록 슬라이딩 가능하게 설치된다.
상기 피스톤(40)은 서브하우징(110)에 슬라이딩 시 가이드 되는 가이드부(42)와, 상기 가이드부(42)로부터 점차적으로 단차져 피스톤 하우징(51)의 내주면 사이에 후술하는 밸브부재(70)가 설치되는 밸브설치공간부를 구획할 수 있도록 하는 가압부(44)와 단차부(43)를 구비하는데, 상기 가압부(44)에는 후술하는 밸브부재(70)의 제 1차단부(71)와 접촉되는 가이드디스크부(44a)가 형성된다. 그리고 상기 피스톤(42)의 단차부(43)에는 상기 작동유체배출부(41)와 연통되는 제1연통공(45)이 형성된다. 여기에서 상기 피스톤(40)의 가이드부(42)의 직경(D1)이 가압부(44)의 직경(D2)보다 크게 형성되고, 상기 제1연통공(45) 형성부위의 단차부(43)의 직경(D3)은 상기 직경(D2) 보다 작게 형성된다.
상기 피스톤 하우징(51)의 상부측에는 해머본체(20)에 삽입되어 지지되며 상기 단차부(43)가 삽입되어 가이드 되는 수용부(53)을 구비한 슬리이브부재(52)가 설치된다.
상기 슬리이브부재(52)는 해머본체(20)의 상단부에는 작동유체배출부(41)와 연통되는 중공(54a)을 가지는 제1접속관(54)과 결합되는데, 상기 제1접속관(54)의 외주면과 해머본체(20)의 내주면 사이에는 다수개의 작동유체가 흐르는 다수개의 제1관통공(54b)이 형성된 플랜지부(54c)가 형성된다.
한편, 피스톤 하우징(51)과 슬리이브부재(52)의 내측에는 상기 피스톤(40)에 의해 구획되는 밸브설치공간부(60)가 형성되는데, 이 밸브설치공간부(60)에는 상기 피스톤하우징(51)과 피스톤(40) 및 슬리이브부재(52)에 의해 슬라이딩 가능하게 설치되어 밸브설치공간부(60)를 제 1,2,3공간부(61)(62)(63)으로 구획하며(도2, 3참조), 구획된 공간부측으로 측으로 공급되는 물의 압력에 의해 패스톤(40)을 승강시킬 수 있도록 제어하는 밸브부재(70)가 설치된다.
이 밸브부재(70)는 도 1 및 도 2 내지 4에 나타내 보인 바와 같이 상기 가압부(44)의 외주면과 피스톤하우징(51)의 내주면 사이에 소정의 폭으로 설치되어 제1공간부(61)를 구획하는 제1차단부(71)와, 상기 제1차단부(71)로부터 연장되어 상기 제1연통공(45)과 연결되는 제2공간부(62)를 형성하는 연장부(72)와 상기 연장부(72)의 단부로부터 연장되어 피스톤(40)의 단부측에 슬라이딩되며 상기 피스톤(40)과 슬리이브부재(52)의 내주면과 더블어 제3공간부(63)를 구획하는 제2차단부(73)를 구비한다. 상기 밸브부재(70)의 연장부(72)측에는 상기 제2공간부(62)로부터 상기 슬리이드부재(52)의 측으로 형성되어 수압이 가하여지는 상대적인 단면적을 줄이는 관통부(74)가 형성된다. 또한 상기 밸브부재(70)의 연장부(72)에는 피스톤(40)의 가압부(44)의 직경(D2)보다 실질적으로 동일한 직경을 가지는 삽입부(75)가 형성된다. 삽입부(75)의 상부측 연장부(72)의 내면은 가압부(44)의 직경보다 큰 직경 D4를 갖도록 형성되어 제 1차단부(71)의 단면적과 제 3공간부( 63)에 노출되는 제2차단부(72)의 단면적 차이가 발생될 있도록 한다.
여기에서 상기 피스톤(40)의 가압부(44)에 형성된 가이드디스크부(44a)와 제1차단부(71)에 의해 형성되는 피스톤(40)의 길이의 직각 방향으로의 단면적은 상기 피스톤(40)의 단차부(43)의 외주면과 슬리이브부재(52) 및 밸브부재(70)의 제2차단부(73)에 의해 구획된 제 3공간부에 노출된 단차부(43)의 단면적보다 넓게 형성된다. 그리고 상기 가이드디스크부(44a)와 접촉되는 제1차단부(71)는 밸브부재(70)가 상승되어도 상기 가이드디스크부(44a)와 접촉상태가 분리되지 않는 길이를 가지며, 피스톤(32)의 상승 시 분리되어 제1공간부(61)에 공급되어 피스톤(42)을 상승시킨 물이 제2공간부(62)와 제1연통공(45) 및 피스톤(40)의 작동유체배출부(41)를 통하여 배출될 수 있는 길이를 가진다.
여기에서 상기 피스톤(32)의 초기 상승 즉, 제1단차부(71)와 가압부(44)의 가이드디스크부(44a)가 분리되는 시점에서 상기 제1연통공(45)과 제2공간부(62)는 연결되고 피스톤(40)이 더욱 상승함에 따라 피스톤(40)의 가압부(42)의 직경 D2를 갖는 부위가 삽입부(75)와 결합됨으로서 제1연통공(45)과 제2공간부(62)의 연결이 차단된다.
그리고 상기 제1공간부(61)와 상기 제3공간부(63)에는 밸브부재(70)와 피스톤(40)를 승강시키기 위해 작동유체인 물 즉, 소정의 압력을 가진 물을 공급하기 위한 작동유체공급부(80)가 구비된다.
그리고 작동유체공급부(80)는 상기 슬리이브부재(52)와 해머본체(20)의 외주면의 사이에 제 1수압통로(81)가 형성되고, 상기 제1수압통로(81)와 연통되며, 해머본체(20)의 내주면과 피스톤하우징(51)의 외주면 사이에 형성되는 제2수압통로(82)가 형성된다. 그리고 상기 슬리이브부재(52)에는 제1수압통로(81)와 상기 제3공간부(63)와 연통될 수 있도록 제2연통공(83)이 형성되고, 상기 피스톤하우징(51)에는 상기 제 1공간부(61)에 작동유를 공급하기 위한 제 2수압통로(82)와 연통되는 제 3연통공(84)이 형성된다. 상술한 본 발명의 워터해머장치의 구동유닛은 본 발명인이 발명하여 등록 받은 대한민국 특허 등록 제 0562954호에 게시되어 있다.
상기 워터해머유닛(10)장치의 작동유체도피부(100)는 피스톤(40)이 비트(32)의 타격 시 비트(32)와 피스톤(40) 단부 사이의 작동유체인 물을 도피 시키고, 피스톤의 상승 시 이들의 사이에 작동유체를 공급하는 구조를 가진다.
이러한 작동유체도피부(100)는 해머본체(20)의 내부면에 설치되어 피스톤(40)의 하부와 비트(32)의 상부를 지지하며, 해머본체의 내주면과의 사이에 피스톤과 비트(32)의 타격 시 피스톤(40)과 비트(32) 사이의 작동유체인 물이 도피시키는 도피공간(101)을 형성하는 서브하우징(110)과, 상기 피스톤(40)과 비트(32)의 인접되는 서브하우징(110)과 해머본체(20)의 내주면 사이에 피스톤(40)에 의한 비트(32)의 타격 시 도피된 물로부터 기포를 분리하여 상기 도피공간의 상부에 저장되도록 하는 기수분리부(120)을 구비한다.
상기 서브하우징(110)은 상단부가 해머본체(20)의 내주면에 밀착 고정되어 도피공간(101)의 상단부측을 서부하우징과 해머본체(20)에 의해 차단되도록 하는 고정부(111)와, 상기 고정부(111)로부터 하부로 연장되어 피스톤(40)의 하부를 가이드하며 해머본체(20)의 내주면과의 사이에 도피공간(101)을 형성하는 피스톤가이드부(112)와, 상기 피스톤가이드부(112)로부터 연장되어 비트(32)의 외주면을 가이드하며 상기 도피공간(101)의 하부측을 밀폐하여 구획할 수 있도록 비트(32)와 외주면과 해머본체(20)의 내주면 사이를 차단하는 차단부(113)을 구비한다.
그리고 상기 비트(32)의 타격을 위한 피스톤(40)의 승강 시 피스톤(40)과 비트(32) 사이의 작동유체가 도피공간(101)으로 유입 및 유출되도록 하는 작동유체도피공(114)가 형성된 비트가이드부(115)를 구비한다. 여기에서 상기 차단부(113)과 작동유체도피공(114)가 형성된 비트가이드부(115)는 별도의 부재로 제작되어 서브하우징(110)과 결합되어 이루어질 수 있다. 또한 상기 비트(32)와 피스톤(40)의 단부 주위의 비트가이드부(115)의 내면에는 작동유체도피공(114)과 연통되는 작동유체유동공간부(116)가 형성될 수 있다.
그리고 상기 피스톤(40)의 승강 시 상기 작동유체도피공(114)을 통하여 도피공간(101)으로 유입된 작동유체인 물로부터 기포를 분리하여 도피공간(101)의 상부측에 저장될 수 있도록 하는 기수분리부(120)는 상기 비트가이드부(115)와 인접되는 피스톤가이드부(112)의 외주면과 상기 해머본체(20)의 내주면 사이에 설치되며 다수개의 기체통과공(121)이 형성된 구획부재(122)를 포함한다. 상기 기수분리부(120)는 작동유체도피공(114)이 형성된 비트가이드부(115)와 인접된 고정부(111) 측에 형성함이 바람직하다.
그리고, 상기 워터해머유닛(10)의 체결부(21)는 시추각도조절유닛(130)과 어큐물레이팅 유닛(300)에 의해 결합된다. 그리고 상기 어큐뮬레이팅 유닛(300)은 머드해머유닛과 결합된다.
상기 시추각도조절유닛(130)은 상기 해머유닛(10)의 체결부와 결합되는 제1시추각결합부(131)와 상기 어큐뮬레이팅유닛(300)과 결합되는 제2시추각결합부(132)를 가지는 체결부재(135)를 구비한다.
상기 제 1시추각결합부(132)와 제 2시추각결합부(132)는 방향성 시추를 위해 1도 내지 1.5도의 각도로 경사져 있다.(도 2 및 도 3참조). 상기 제 2시추결합부(132)와 결합된 머드모터유닛(200) 및 어큐뮬레이팅유닛(300)에 대해 제1시추각결합부(131)와 체결된 해머유닛(10)의 경사각도가 1 내지 1,5도를 이루게 된다.
그리고 상기 어큐뮬레이팅유닛(300)은 제1외관부재(301)와 제 1내관부재(305)가 결합되고, 상기 제1외관부재(301)의 하단부는 상기 시추각도조절유닛(130)의 제 2시추각결합부(132)와 결합되어 제 3작동유체공급로(310)을 형성된다. 상기 제 1내관부재(305)은 회전축(48)이 관통하는 제1코어관부재(320)와 결합되어 제1내관부재(305)의 내주면과 제1코어관부재(320)의 와주면 사이에 공기저장탱크부(321)를 형성한다. 그리고 상기 제 1내관부재(305)의 하단부측에는 상기 제3작동유체공급로(310)와 공기저장탱크부(321)를 연통시켜 제 3작동유체공급부(310)을 통하여 흐르도록 하는 연결공(322)이 형성되어 작동유체가 상기 공가저장탱크부(321)를 경유하여 워터해머유닛 측으로 공급된다. 따라서 작동유체에 포함된 기포는 상기 상승하여 공기저장탱크부(321)에 저장된다.
그리고 어큐뮬레이팅유닛(300)과 시추방향각도 조정유닛(130)에 의해 결합되는 머드모터유닛(200)은 제 2외부관체(201)와, 상기 제2외부관체(201)의 내부에 설치되어 제 2외부관체(201)의 내주면과 더블어 워터해머유닛(10)으로 공급되는 제1작동유체공급통로(210)를 형성하는 것으로 제2작동유체공급로(220)를 가지는 제 2내부관체(202)와, 상기 제 2내부관체(202)의 하단부측에 설치되는 것으로, 상기 회전축(48)과 연결되어 이를 회전시키기 위한 구동축(251)을 가지는 머드모터(250)와, 상기 제 2외부관체(201)와 제 2내부관체(202)의 타측단부에 설치되어 상기 제 1작동유체공급로(210)와 제 2작동유체공급로(202)로 압력을 분산시키기 위한 압력분배유닛(250)을 구비한다.
상기 압력분배유닛(260)은 상기 제1외관부재(301)의 단부에 설치되어 로드와의 결합을 위한 소켓(261)과, 상기 제2내부관체(202)의 단부에 결합되며 단부가 상기 소켓(261)의 내주면과 결합되며 상기 제2작동유체공급로(220)와 연통되는 중공부를 가지며, 이 중공부와 상기 제 1작동유체공급로(210)와 연통되는 복수개의 통기공(262)이 형성된 오리피스본체부재(262)와, 상기 오리피스본체부재(262)의 중공부에 삽입되어 통기공(263)과 중공부로의 작동유체의 통과유량을 제어하여 압력을 분산시키는 오리피스공(264)이 형성된 오리피스부재(265)를 구비한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 천공기의 천공에 따른 작용을 도 5 내지 도 6를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 방향성 천공작업을 수행하기 위해서는 상호 연결되는 천공장치(1)의 드라이브 로드(미도시)와 머드모터유닛(200)와 시추각 조정유닛(130)을 결합한다. 이와 같이하면 머드모터유닛(200)에 대해 1 내지 1.5도의 경사를 갖도록 워터해머유닛(10)가 결합된다.
이와 같이 결합이 완료된 상태에서 로드를 통하여 공급되는 고압의 작동유체을 공급한다. 이와 같이 하면, 작동유체는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 압력분배유닛(260)의 통기공(263)과 오리피스부재(265)의 오리피스공(264)을 통하여 분산되어 유입된다. 상기 이때에 압력의 분산은 오리피스공(264)을 통하여 머드모터(250)에 공급되는 유량을 감안하여 상대적으로 머드모터(250) 측으로 공급되는 작동유체의 압력을 낮게 함이 바람직하다.
이와 같이 하면 오리피스공(264)을 통하여 공급되는 작동유체는 머드모터(250)을 구동시키게 되고, 이 머드모터(250)의 구동축(251)은 회전축(48)과 연결되어 있으므로 이 회전축(48)이 회전하게 되고, 나아가서는 비트가 회전하게 된다.
그리고 상기 머드모터(250)을 통과한 작동유체는 상기 제 1작동유체공급로(210)을 통과한 물과 혼합되어 어큐물레이팅유닛(300)을 통과한 후 워터해머유닛(10)의 작동유체 공급부(80)의 제1수압통(81)와 제 2수압통로(82)로 유입된다.
이와 같이 유입된 작동유체는 슬리이브부재(52)에 형성된 제 2연통공(83)과 피스톤하우징(51)에 형성된 제 3연통공(84)을 통하여 각각 제 1공간부(61)와 제3공간부(63)에 공급된다.
따라서 피스톤(40)의 길이 방향으로 제1차단부(71)의 압력을 받는 단면적이 제 2차단부(73)의 압력을 받는 단면적 보다 넓으므로 이 단면적 차이에 의해 밸브부재(70)의 제 1,2차단부(71)(73)에 압력차가 발생된다. 이 압력의 차이로 밸브부재(70)는 상승하게 된다. 이때에 상기 제1차단부(71)는 피스톤(40)의 가압부(44)의 가이드디스크부(44a)를 벗어나지 않게 되므로 상기 제1공간부(61)에 작용하는 압력은 유출되지 않는다.
그리고 상기 제1공간부(61)에 작용하는 압력중 피스톤(40)의 가압부(44)에 작용하는 압력 즉, 가이드디스크부(44a)의 하면에 작용하는 압력에 의해 피스톤(40)이 상승하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기와 같이 피스톤(40)이 소정의 높이로 상승되면, 상기 제1차단부(71)로부터 상기 가압부(44)의 가이드디스크부(44a)의 외주면이 분리되고, 상기 제1공간부(61)에 압력을 제공하는 일부의 제 2공간부(62)내의 물은 상기 가압부(44) 및 가이드디스크부(44a)와 제1차단부(71) 사이에 발생되는 갭과 제2공간부(62)와 피스톤(40)에 형성된 제1연통공(45)을 통하여 작동유체배출부(41)로 배출된다.
그리고 상기 피스톤(40)이 더욱 상승하게 되면, 단차부(43)에 형성된 제1연통공(45)은 직경 D2를 가진 가압부(44)의 단부측이 슬라이드부재(52)와 피스톤하우징(51)에 지지된 밸브부재(70)의 삽입부(72)와 결합됨으로써 차단된다.(도 3 및 4 참조)
따라서 상기 제1,3공간부(61)(63) 내의 압력은 동일하고, 제 3공간부에 노출된 밸브부재(70)의 제2차단부(73)의 단면적에 작용하는 압력과 제1차단부(71)에 작용하는 압력의 차이에 의해 밸브부재(70)가 하강하게 된다. 즉, 제 3공간부(63)에 노출되는 상기 제2차단부(73)의 단면적이 제2공간부(62)에 노출된 제 1차단부(71)의 단면적보다 상대적으로 넓은 단면적을 가지게 되므로 밸브부재(70)는 하강하게 된다.
따라서 상기 제 1,2공간부(61)(62)는 연통된 하나의 밀폐공간이 형성된다. 이 상태에서 상기 피스톤(40)은 차단부(44)의 가이드디스크부(44a)를 경계로 하여 가이드디스크부(44a)를 포함하는 차단부(44)의 단면적이 제 3공간부에 노출된 단차부(43)의 단면적 보다 크게 형성되어 있으므로 가압부(32c)에 작용하는 압력이 상대적으로 커져 피스톤(40)이 하강됨으로써 회전축(48)에 의해 회전하는 비트(21)를 타격하게 된다.
한편, 상술한 바와 같이 작동되는 과정에서 해머장치에 의해 천공되는 홀의 내부와 상기 작동유체배출부(41)의 내부에는 작동유체인 물이 채워지게 되는데, 상기 해머장치에는 작동유체도피부(100)가 형성되어 있으므로 피스톤(40)과 비트(32)의 사이에 위치되는 물에 해 피스톤(40)이 간섭되어 타격력과 상승력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이를 더욱 상세하게 설명하면, 구동유닛(50)의 작동으로 상기 피스톤(40)이 회전하는 비트(32)를 타격하기 위해 하강하게 되면, 피스톤(40)의 단부와 비트(32)의 사이의 작동유체인 물은 상기 작동유체도피공(114)를 통하여 도피공간(101)로 유입되어 피스톤(40)이 하강하는 저항을 줄이게 된다.
상기 도피공간(101)으로 도피된 작동유체인 물에는 기포가 포함되어 있으므로 이 기포는 상승하여 도피공간(101)을 구획하는 구획판(122)에 형성된 기체통과공(121)을 통하여 상승하게 되고, 도피공간(101)의 상부측에 저장되어 압축된다. 그리고 피스톤(40)이 비트(32)을 타격하고 상승하게 되면, 도 4에 도시된바와 같이 상기 도피공간(101)의 상부측에 저장된 압축공기가 도피공간(101)의 하부측에 위치된 작동유체상기 작동유체도피공(114)을 통하여 피스톤(40)과 비트(32)의 사이로 공급하게 유입되고, 이 유입된 물은 피스톤(40)을 상승시키는 압력으로 작용하여 피스톤(40)의 상승이 원활하게 이루어지게 된다.
특히, 상기 도피공간에 공급되는 기포는 지중에 천공하는 천공깊이가 깊어짐에 따라 지속적으로 드라이브 로드들을 연결하여야 하는데, 이 때에 드라이브 로드의 빈공간에 포함된 공기가 물의 유입 시 물과 같이 편승하여 이동 후 분리됨으로써 높아지게 된다. 상기 도피공간에 저장된 공기의 압력을 높이기 위하여 상술한 바와 같이 해머장치의 작동을 위한 작동유체에 공기를 편승시켜 고압으로 펌핑할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따른 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치에 의해 시추작업이 이루어지는 동안 시추각도조절유닛(130)에 의해 워터해머유닛가 머드모터유닛(200)에 의해 소정각도( 1 내지 1.5도) 경사지게 설치되어 있으므로 방향성 시추가 가능하다. 즉, 머드모터유닛(200)에 의해 비트가 회전하고, 머드모터유닛(200)에 의해 워터해머유닛(10)이 경사지게 설치되어 있으므로 굴진에 따른 직진방향에 대해 방향성을 가지고 굴진이 이루어지게 된다.
상술한 바와 같이 시추작업이 이루어지는 동안 굴진방향의 검층은 MWB를 이용하여 시추과정의 방향성 시추위치를 검층하면서 압입시추를 시행한다. 이러한 공법은 시추방향을 MWD를 이용하여 검층 할 수 있으므로 상대적으로 정확한 시추가 가능하다. 또한 굴진삭업시 워터해머유닛의 구동에 따른 작동유체의 맥동을 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 단부에 천공작업을 수행하는 비트유닛이 승강가능하게 설치된 해머본체와, 상기 해머본체에 슬라이딩 가능하게 설치되며 길이 방향으로 작동유체배출부를 가진 피스톤과, 상기 해머본체와 피스톤의 사이에 설치되어 피스톤의 상부를 지지하며 해머본체와 연결된 로드를 통하여 공급되는 물에 의해 상기 피스톤을 승강시키는 구동유닛을 구비하며,
    상기 해머본체에 설치된 피스톤을 관통하여 상기 비트에 승강되는 상태에서 회전력을 전달할 수 있도록 제1결합부에 의해 비트와 결합된 회전축을 구비한 해머유닛과,
    상기 해머본체와 시추방향각도 조정유닛에 의해 결합되는 외부관체와, 상기 외부관체의 내부에 설치되어 외부관체의 내주면과 해머유닛으로 공급되는 제1작동유체공급통로를 형성하는 것으로 제2작동유체공급로를 가지는 내부관체와, 상기 내부관체의 하단부측에 설치되는 것으로, 상기 회전축과 연결되어 이를 회전시키기 위한 구동축을 가지는 머드모터와, 상기 외부관체와 내부관체의 타측단부에 설치되어 상기 제 1작동유체공급로와 제 2작동유체공급로로 압력을 분산시키기 위한 압력분배유닛을 구비한 머드모터유닛을 구비한 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비트유닛과 구동유닛 사이의 해머본체와 피스톤의 사이에 설치되어 피스톤을 가이드하며, 피스톤에 의한 비트의 타격 시 피스톤과 비트 사이의 물을 도피시키기 위한 도피공간을 형성하고, 도피공간으로 유입된 물로부터 기포를 분리하여 도피공간의 상부측에 저장되도록 하는 작동유체도피부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 작동유체도피부는 해머본체의 내부의 내주면에 양단부가 고정되어 피스톤의 하부와 비트의 상부를 지지하며, 해머본체의 내주면과의 사이에 피스톤과 비트의 타격 시 피스톤과 비트 사이의 작동유체인 물이 도피하는 도피공간을 형성하고, 피스톤과 비트의 사이의 물이 유입 및 유출되는 작동유체도피공이 형성된 서브하우징과,
    상기 작동유체도피부는 상기 피스톤과 비트의 타격부와 인접되는 서브하우징과 해머본체의 사이에 피스톤에 의한 비트의 타격 시 도피된 물로부터 기포를 분리하여 상기 도피공간의 상부에 저장되도록 하는 기수분리부를 구비한 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 서브하우징은 상단부가 해머본체의 내주면에 밀착고정되는 고정부와, 상기 고정부로부터 하부로 연장되어 피스톤의 하부를 가이드하며 해머본체의 내주면과의 사이에 도피공간을 형성하는 피스톤가이드부와, 상기 피스톤가이드부로부터연장되어 비트의 타격을 위한 피스톤의 승강 시 피스톤과 비트 사이의 작동유가 도난공간으로 유입 및 유출되도록 하는 작동유체도피공들이 형성된 비트가이드부와, 상기 비트가이드로부터 연장되어 비트의 외주면을 가이드하며 해머본체의 내주면과 비트의 외주면 사이를 차단하는 차단부를 구비하며,
    상기 비트와 피스톤의 단부 주위의 비트가이드부의 내면에는 상기 작동유체도피공 연통되는 작동유 유동공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기수분리부는 상기 비트가이드부와 인접되는 피스톤가이드부의 외주면과 상기 해머본체의 내주면 사이에 설치되며 다수개의 기체통과공이 형성된 구획부재를 구비한 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비트와 회전축을 연결하는 제1결합부는 비트에 길이 방향으로 중공부가 형성되고, 이 중공부의 내주면과 회전축단부에 내주면에 암수스플라인이 각각 형성되어 상호 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압력분배유닛은 제1외관부재의 단부에 설치되어 로드와의 결합을 위한 소켓과, 상기 내부관체의 단부에 결합되며 단부가 상기 소켓의 내주면과 결합되고 상기 제2작동유체공급로와 연통되는 중공부를 가지며, 이 중공부와 상기 제 1작동유체공급로와 연통되는 복수개의 통기공이 형성된 오리피스본체부재와, 상기 오리피스본체부재의 중공부에 삽입되어 통기공과 중공부로의 작동유체의 통과유량을 제어하여 압력을 분산시키는 오리피스부재를 구비한 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 방향성 시추장치.
  8. 제 1항의 워터해머유닛을 이용하여 방향성 시추작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 워터해머유닛을 이용한 지향성 압입공법,




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