KR102134967B1 - 고압 머드펌프 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압의 머드펌프를 투입전 시험할 수 있는 신뢰성 있는 시험장치를 제안한다. 본 발명은 저압 머드펌프를 통하여 공급되는 유체를 고압화하는 고압 머드펌프를 시험하기 위한 것이다. 그리고 고압 머드펌프(14)에서 토출되는 고압의 유체가 흐르고, 유압으로 개폐되는 유압제어밸브가 설치되어 있는 고압라인(Pc)과; 상기 고압라인(Pc)에서 나오는 고속의 유체가 탱크안내파이프(22)를 통하여 유입되고, 고속유체를 저속화시키는 유속억제판(24b)를 구비하고 있는 제1유체 저장탱크(20); 상기 제1유체 저장탱크(20)에서 유체를 전달받고, 상기 저압 머드펌프로 유체를 공급하기 위하여 유체를 저장하고 있는 제1유체 저장탱크(30)로 구성된다.

Description

고압 머드펌프 시험장치{Apparatus for testing mud pump}
본 발명은 시추장치 등에 사용되는 고압 머드펌프를 시험하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압으로 머드를 토출하는 머드펌프의 성능을 검증할 수 있는 고압 머드펌프 시험장치에 관한 것이다.
머드 펌프에 대하여, 한국 특허 공개 제10-2013-0090105호에는 다음과 같은 취지로 설명하고 있다.
일반적으로 드릴쉽(drill ship)은 해저 유전 등의 개발에 적합한 시추장비를 탑재하여 해상에서 원유와 가스를 발굴하고, 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 제작된 시추선박이다. 드릴쉽과 해저 사이는 라이저로 연결되고, 해저바닥 아래의 암반에 위치하는 유정에 저장되어 있는 해저 자원을 시추하기 위하여 해저 속으로는 직경이 큰 케이싱 파이프가 위치되고, 케이싱 파이프의 내측으로는 드릴쉽과 연결되는 드릴 파이프가 설치된다.
드릴 파이프의 단부에는 드릴 비트가 설치되고, 드릴쉽에는 드릴 비트로의 머드을 공급하는 머드순환시스템이 구비된다. 머드순환시스템은 머드가 저장되는 머드탱크와, 머드탱크에 저장된 머드를 펌핑하여 드릴 파이프 내부에 공급하기 위한 머드펌프가 구비된다. 한국 특허 제10-1358123에에 의하면, 머드펌프에 의해 공급되는 머드는 인렛라인을 통해 회전고리로 공급된 후. 캘리 및 드릴 파이프 내부를 통해 하방으로 이동하여 드릴 비트에서 토출된다.
그리고 드릴 비트에서 토출된 머드는 드릴 비트에 의해 부서진 암석과 혼합된 후 케이싱 파이프와 드릴 파이프 사이의 공간을 통해 상승하여 회수라인을 통해 다시 머드탱크에 저장된 후 재사용되게 된다. 여기서 머드펌프와 머드탱크 사이에는 머드펌프에 과압이 걸리는 것을 방지하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같이 압력안전밸브(Pressure Safety Valve:PSV,21) 및 블리드밸브(bleed valve,22)가 설치되는 파이프라인(20)이 설치된다.
그러나 이와 같은 기능을 가지는 머드펌프가 만들어진 후, 기능이 정상적인 것인가를 검증할 시험장치에 대한 선행 기술은 찾아보기 어렵다고 할 수 있다. 따라서 설계 의도에 따라서 정확하게 생산된 제품이라고 하더라도, 실제 현장에 투입되기 전에 정상적인 동작의 수행 여부를 검증하는 것은 쉽지 않다고 할 수 있다. 더욱이 실제 현장에서 필요로 하는 압력이 대략 7500 Psi에 이르는 고압이기 때문에, 이러한 고압 유체의 생성 및 순환이 정상적인가의 여부를 시험하는 것은 쉽지 않다.
본 발명은 이와 같은 요구에 따라서 제안되는 것으로, 드릴 쉽의 시추 작업에 이용되는 머드 펌프의 정상 동작 여부를 시험할 수 있는 시험장치를 제안하는 것에 기본적인 목적을 두고 있다.
본 발명의 시험장치는, 저압 머드펌프를 통하여 공급되는 유체를 고압화하는 고압 머드펌프를 시험하기 위한 것이고; 고압 머드펌프에서 토출되는 고압의 유체가 흐르고, 유압으로 개폐되는 유압제어밸브가 설치되어 있는 고압라인과; 상기 고압라인에서 나오는 고속의 유체가 탱크안내파이프를 통하여 유입되고, 고속유체를 저속화시키는 저속화수단을 구비하고 있는 제1유체 저장탱크; 상기 제1유체 저장탱크에서 유체를 전달받고, 상기 저압 머드펌프로 유체를 공급하기 위하여 유체를 저장하고 있는 제2유체 저장탱크로 구성된다.
본 발명에서 저속화수단에 대한 실시 예에 의하면, 내부로 공급되는 고압의 유체가 부딪혀서 저속화시키도록 저면에서 상방으로 연장 성형된 유속억제판을 구비하는 입구케이싱과, 상기 입구케이싱에서 유속억제판을 넘는 유체를 받아서 개방된 단부를 통하여 제1유체 저장파이프로 낙하시키는 파이프로 구성된다.
그리고 저속화수단에 대한 다른 실시 예에 의하면, 내부로 공급되는 고압의 유체가 부딪혀서 저속화시키도록 저면에서 상방으로 연장 성형된 유속억제판을 구비하는 입구케이싱과, 상기 입구케이싱에서 유속억제판을 넘는 유체를 받고 막힌 단부를 가지는 파이프와; 이러한 파이프의 외측에 설치되어 그 사이에서 유체가 흐를 수 있는 적어도 하나의 외부파이프를 포함하고, 이러한 파이프 내부 및 파이프와 외부파이프 사이를 통과한 유체가 제1유체 저장파이프로 낙하되도록 구성되고 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 제1유체 저장탱크와 제2유체 저장탱크의 적어도 하나의 내부에는, 일정한 높이를 가지는 적어도 하나의 격벽이 설치되고, 유체는 격벽을 넘어서 타측으로 이동하도록 구성되고 있다.
이상과 같은 구성을 보이는 본 발명에 의하면, 예를 들면 517 바아 내외의 고압으로 유체를 압축하여 토출하는 고압 머드펌프에 대한 충분한 성능 시험이 가능하게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 고압의 유체(머드) 펌프는 실제 현장에 투입되기 전에 신뢰성에 대한 충분한 시험이 필요한데, 본 발명의 시험장치로 이러한 시험이 가능하게 됨을 알 수 있다.
본 발명 시험장치의 제1 및 제2유체 저장탱크는, 순차적으로 고압, 고속의 유체를 저속화시킴과 동시에 안정화시킴으로서 연속적으로 수행되는 시험에 충분히 대응할 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다. 따라서 장시간 또는 연속되는 다수의 시험에도 신뢰성이 있는 결과를 제공하는 것이 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명 고압 머드펌프 시험장치의 평면 예시도.
도 2는 본 발명 고압 머드펌프 시험장치의 제1유체 저장탱크 측면 예시도.
도 3은 본 발명 고압 머드펌프 시험장치의 제1유체 저장탱크의 입구케이싱의 내부를 보인 종단면 예시도.
도 4는 본 발명 고압 머드펌프 시험장치의 제1유체 저장탱크의 입구케이싱 내부를 보인 다른 실시 예의 종단면 예시도.
다음에는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.
도 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 시험장치는 고압 머드펌프(14)의 정상 동작 여부를 시험하기 위한 장치이다. 이러한 시험장치는, 고압 머드펌프에서 고압 라인(호스)(Pc)를 통하여 나오는 고압의 유체를 제어하기 위한 유압 제어밸브(Vb)와, 이러한 유압 제어밸브(Vb)를 통하여 나오는 고압의 고속 유체를 저속화하고 저장하는 것에 의하여, 다시 공급할 수 있는 제1유체 저장탱크(20) 및 제2유체 저장탱크(30)를 포함하고 있다.
여기서 제1 및 제2유체 저장탱크(20,30)는, 고압의 유체(실제 머드에 대응하는 실험을 위한 유체)를 받아서, 유동을 저지하고 안정된 유체를 저압 펌프(12)로 공급하기 위한 것이다. 그리고 제2유체 저장탱크(30)는 제1연결라인(Pa)을 통하여 저압 머드펌프(12)와 연결되어 있다. 상기 제2유체 저장탱크(30)의 바로 하류에는 수작업으로 또는 전기적으로 개폐 가능한 공급용 밸브(Va)가 설치되어 있다.
이러한 공급용 밸브(Va)가 수동 또는 전기적 힘으로 열리게 되면, 가장 안정된 상태로 유체를 저장하고 있는 제2유체 저장탱크(30)의 유체는 저압 머드펌프(12)로 공급된다. 그리고 제2연결라인(Pb)를 통하여, 저압 머드펌프(12)에서 고압 머드펌프(14)로 유체가 이동하게 된다. 여기서 저압 머드펌프(12) 자체는 공지된 것으로 예를 들면 원심펌프로 구성될 수 있으며, 상대적으로 저압 상태로 다량의 유체를 고압 머드펌프(14)로 공급하는 것이다.
그리고 본 발명에서의 고압 머드펌프(14) 자체도 공지된 것을 사용할 수 있을 것이고, 어떠한 형태의 머드펌프라도 시험을 위한 것으로 사용될 수 있다. 이러한 고압 머드펌프(14)는 유체를 고압으로 토출하게 되는데, 이러한 고압의 유체는 고압라인(Pc) 내부를 통하여 공급된다. 물론 유체는 비압축성이기 때문에 고압 머드펌프(14)에서 작용하는 고압에 의하여 실질적으로 압축되지는 않지만 고압이 걸린 상태로 고압라인(Pc)의 내부로 공급된다.
이러한 고압라인(Pc)의 하류측에는 유압제어밸브(Vb)가 설치되어 있다. 여기서 유압제어밸브(Vb) 자체도 공지된 것이라고 할 수 있는데, 유압제어밸브는 유압(예를 들면 유압실린더)에 의하여 밸브의 개폐를 제어할 수 있도록 구성되는 것이다. 그리고 이러한 유압제어밸브(Vb)는 제어부(16)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 제어부(16)는, 예를 들면 감지되는 고압라인(Pc) 내부의 유체 압력에 기초하여, 유압제어밸브(Vb)를 여닫을 수 있도록 하는 것이다.
이러한 유압제어밸브(Vb)는, 예를 들면 개폐 밸브의 상부에 유압실린더가 설치되어 있고, 이러한 유입실린더 내부로 출입하는 유체를 단속하는 전기적 신호는 상술한 제어부(16)에 의하여 결정된다. 그리고 도시는 생략하였지만, 고압라인(Pc) 내부의 유체 압력을 감지하는 압력 감지센서가 설치되어 있고, 이러한 압력감지센서에서의 전기적 신호가 제어부(16)으로 입력된다. 따라서 설정된 상태의 제어부(16)는, 압력감지센서에서 감지되는 고압라인(Pc) 내부의 압력을 입력받아서, 상기 유압제어밸브(Vb)의 개폐 여부를 제어하게 된다.
예를 들어, 517 Bar를 기준압력으로 설정한 상태에서 고압 머드펌프(14)의 운전이 시작되면, 고압라인(Pc) 내부의 유체 압력이 설정된 고압(517 Bar)에 이를 때까지 제어부(16)에 의하여 유압제어밸브(Vb)는 닫힌 상태를 유지하게 된다. 그리고 지속하여 증가한 압력이 설정된 압력에 이르게 되면 유압제어밸브(Vb)는 열리게 된다. 그리고 시험하고자 하는 고압 머드펌프(14)의 운전에 의하여 이러한 압력을 지속할 수 있는가를 시험할 수 있게 된다. 또는 설정된 압력에 도달할 때까지 유압제어밸브(Vb)를 닫고 운전하는 자체도 고압 머드펌프(14)가 원하는 고압에 이를 수 있는가를 시험하는 것이라고도 할 수 있다.
이와 같이 하여, 설정된 압력으로 고압 머드펌프(14)의 운전은 일정 시간 지속될 수 있을 것이고, 이를 통하여 고압 머드펌프(14)의 정상 여부를 판단할 수 있을 것이다. 여기서 상기 유압제어밸브(Vb)를 통하여 고압라인(Pc)에서 분출되는 유체는 상당한 속도를 가지고 있다. 따라서 유압제어밸브(Vb)와 연결된 탱크안내파이프(22)을 통하여, 제1유체 저장탱크(20)의 내부로 도입되는 유체는 고속으로 분출되는 것이라고 할 수 있다.
이렇게 고속으로 분출되는 유체는 제1유체 저장탱크(20)의 입구케이싱(24)에서 저속화되도록 구성되고 있다. 여기서 입구케이싱(24)는 제1유체 저장탱크(20)의 상측 상류에 설치되는 것으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 유압제어밸브(Vb)와 연결된 탱크안내파이프(22)의 하류단부와 연결되는 공간을 형성하는 것이라고 할 수 있다. 이러한 입구케이싱(24)의 내부에는 입구공간(24a)이 형성되어 있고, 상기 입구공간(24a)과 연통되는 외부파이프(24c)와 외부파이프(24c)의 내부에서 일정한 간격을 두고 설치되는 내부파이프(24g)가 설치되어 있다.
도 3에 도시한 실시 예에서는, 이러한 내부파이프(24g)의 단부(24d)가 개방되어 있어서, 입구케이싱 출구(24e)를 통하여 제1유체 저장탱크(20)의 하방으로 떨어지게 된다. 이러한 실시 예에서는 실질적으로 내부파이프(24g)의 개방된 단부를 거쳐 입구케이싱 출구(24e)에서 제1유체 저장탱크(20)의 하방으로 낙하되는 구성을 가지고 있다.
그런데 입구케이싱(24)의 입구공간(24a)의 공간에는 유속억제판(24b)가 설치되어 있다. 이러한 유속억제판(24b)은 탱크안내파이프(22)에서 나오는 고압, 고속의 유체가 부딪혀서 속도를 줄이기 위한 판이라고 할 수 있고, 입구케이싱(24)의 저면에서 상부로 연장 성형되고 있다. 이러한 유속억제판(24b)의 상부는 탱크안내파이프(22)(유체가 공급되는 방향)을 향하여 곡면을 가지고 벤딩되어 있다. 따라서 탱크안내파이프(22)을 통하여 고속으로 유출되는 유체는, 유속억제판(24b)에 부딪히면서 난류화됨과 동시에 속도가 줄어들게 된다. 그리고 이러한 입구공간(24a)에서 유체가 더 공급되어 차게 되면, 유속억제판(24b)의 상단부를 넘어서 외부파이프(24c)으로 공급된다.
도 3에 도시한 실시 예에 있어서는, 외부파이프(24c)와 연결된 내부파이프(24g)의 단부가 개방되어 있기 때문에, 개방된 단부를 통하여 나오는 유체는 입구케이싱 출구(24e)를 통하여 제1유체 저장탱크(20)의 하방으로 떨어진다. 이렇게 하방으로 떨어지는 유체는 실질적으로 아주 저속되되고 안정된 상태의 것이라고 할 수 있다. 여기서 외부파이프(24c)와 이보다 작은 직경의 내부파이프(24g)의 내부를 흐르는 유체는 층류화되면서 보다 안정적으로 될 수 있음은 당연하다. 본 발명에서 유체가 다양한 파이프를 통과하도록 하는 것 자체도, 유속을 저속화시키면서 안정시키는 기능을 가진다고 볼 수 있다.
이렇게 하여 저속화되면서 안정성이 높아진 유체가 상대적으로 상부에 위치하는 입구케이싱 출구(24e)를 통하여 제1유체 저장탱크(20)로 떨어진다. 그리고 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1유체 저장탱크(20)의 내부에는 격벽(28)이 설치되어 있다. 이러한 격벽(28)은 제1유체 저장탱크(20)의 내부 저면에서 상방으로 일정한 높이를 가지고 있다. 따라서 격벽(28)를 중심으로 일측으로 떨어진 유체는 격벽(28)의 높이에 해당하는 일정한 높이까지 채워져야만, 제1유체 저장탱크(20)의 격벽(28)의 타측으로 넘어갈 수 있다. 이와 같은 격벽(28)의 구성도, 유체의 흐름을 보다 저속화 및 안정화시키기 위한 것이라고 할 수 있다.
그리고 제1유체 저장탱크(20)는 제2유체 저장탱크(30)와 연결부(40)에 의하여 연결되어 있다. 이러한 연결부(40)는 예를 들면 제1유체 저장탱크(20)의 중간 이상의 높이에서 제2유체 저장챙크(30)의 상부와 연결되어 있어서, 제1유체 저장탱크(20)에서 제2유체 저장탱크(30)로 유체가 흐를 수 있도록 구성되어 있다. 여기서 제1유체 저장탱크(20)는 제2유체 저장탱크(30)보다 높은 위치를 가지고 있어서, 유체가 흘러서 제1유체 저장탱크(20)에서 제2유체 저장탱크(30)로 흐를 수 있으면 충분하다.
이러한 제2유체 저장탱크(30)의 내부에도, 제1유체 저장탱크(20)와 같이 저면에서 상방으로 성형된 일정 높이의 격벽이 설치될 수 있고, 이러한 격벽에 의하여 유체는 더욱 안정화 될 수 있을 것이다. 이와 같이 고압의 유체가 고속으로 토출되는 유압제어밸브(Vb)에서 출발하여 제1유체 저장탱크(20) 및 제2유체 저장탱크(30)에 이르는 과정에서, 특히 제1유체 저장탱크(20)의 입구케이싱의 내부 구조에 의하여, 유체는 저속화되면서 안정화됨을 알 수 있다.
이렇게 안정화된 유체는, 제2유체 저장탱크(30)에 설치되는 공급용 밸브(Va)의 조작에 의하여 다시 저압 머드펌프(12)로 공급될 수 있을 것이다. 그 이후의 유체의 흐름은 위에서 설명한 바와 동일하다. 다음에는 도 4를 참조하면서, 제1유체 저장탱크(20)의 입구에 설치되는 입구케이싱(24)에서 입구부 출구(24e)에 대한 다른 실시 예에 대하여 살펴보기로 한다.
본 실시 예는, 내부파이프(24g)의 단부(24d)가 막혀 있고, 내부파이프(24g)에 형성된 통과공(24h)을 통하여 유체가 흐르도록 구성되는 실시 예이다. 내부파이프(24g)의 통과공(24h)으로 나온 유체는 외부파이프(24c)의 내측에서 다시 통과공을 통하여 커버파이프(24k)의 내측으로 유입된다. 그리고 커버파이프(24k)의 내부에서 유체는 좌우측 단부의 개방된 부분을 통하여 하방으로 떨어진다.
상술한 입구케이싱(24)은, 실제로 제1유체 저장탱크(20)의 내부에 설치되는 것이기 때문에, 커버파이프(24k)의 내부에서 좌우측 열린 단부를 통하여 유체가 떨어진다는 것은 제1유체 저장탱크(20)의 내부에서 유체가 하방으로 떨어진다는 것과 동일한 의미이다. 본 실시 예에서는 다수의 파이프를 통하여 관로를 형성함으로써 유체의 속도를 낮추고 안정화시킬 수 있는 것이라고 이해될 수 있을 것이다. 즉, 내부파이프(24g) ▶ 내부파이프(24g)와 외부파이프(24c) 사이 ▶ 외부파이프(24c)와 커버파이프(24k) 사이를 경유하는 경로를 형성하고, 이러한 경로를 통하여 유체가 흐른 후 제1유체 저장탱크(20)로 낙하하도록 구성하고 있는 것이다. 그리고 본 실시 예에서 고압 머드펌프 시험장치의 다른 구성은 위에서 설명한 바와 실질적으로 동일하기 때문에 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형이 가능함은 당연할 것이다. 그리고 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 바에 기초하여 해석되어야 할 것도 특허법의 규정 취지상 당연한 것이라고 할 수 있다.
12 ..... 저압 머드펌프
14 ..... 고압 머드펌프
16 ..... 제어부
20 ..... 제1유체 저장탱크
22 ..... 탱크안내파이프
24 ..... 입구케이싱
24a ..... 입구공간
24b ..... 유속억제판
24c ..... 외부파이프
24d ..... 내부파이프의 단부
24e ..... 입구케이싱 출구
24g ..... 내부파이프
24k ..... 커버파이프
30 ..... 제2유체 저장탱크
Va ..... 공급용 밸브
Vb ..... 유압 제어 밸브

Claims (4)

  1. 저압 머드펌프를 통하여 공급되는 유체를 고압화하는 고압 머드펌프를 시험하기 위한 것이고;
    고압 머드펌프에서 토출되는 고압의 유체가 흐르고, 유압으로 개폐되는 유압제어밸브가 설치되어 있는 고압라인(Pc)과;
    상기 고압라인(Pc)에서 나오는 고속의 유체가 탱크안내파이프(22)를 통하여 유입되고, 고속유체를 저속화시키는 저속화수단을 구비하고 있는 제1유체 저장탱크(20); 그리고
    상기 제1유체 저장탱크(20)에서 유체를 전달받고, 상기 저압 머드펌프로 유체를 공급하기 위하여 유체를 저장하고 있는 제2유체 저장탱크(30)로 구성되고:
    저속화수단은,
    내부로 공급되는 고압의 유체가 부딪혀서 저속화시키도록 저면에서 상방으로 연장 성형된 유속억제판을 구비하는 입구케이싱(24)과,
    상기 입구케이싱에서 유속억제판을 넘는 유체를 받고 막힌 단부를 가지는 내부파이프, 그리고
    상기 내부파이프의 외측에 설치되고 내부파이프에 형성된 통과공을 통하여 나오는 유체가 그 내부를 흐르는 외부파이프를 포함하고,
    이러한 내부파이프와 외부파이프 사이를 통과한 유체가 제1유체 저장탱크로 낙하되는 고압 머드펌프 시험장치.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부파이프의 외측에 설치되고 외부파이프에 성형된 통과공을 통하여 나오는 유체가 그 내부를 흐르는 커버파이프를 더 포함하고, 상기 커버파이프 내부의 유체가 좌우측의 열린 단부를 통하여 제1유체 저장탱크로 낙하되는 고압 머드펌프 시험장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1유체 저장탱크와 제2유체 저장탱크의 적어도 하나의 내부에는, 일정한 높이를 가지는 적어도 하나의 격벽이 설치되고, 유체는 격벽을 넘어서 타측으로 이동하도록 구성되는 고압 머드펌프 시험장치.







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