KR102573047B1 - 드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치 - Google Patents

드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치는 드릴쉽에 설치된 머드 탱크 내에 저장된 머드의 밀도를 측정하는 장치로서, 머드 탱크를 수직 방향으로 관통하여 설치되며, 다수의 구멍이 형성된 단일 파이프; 상기 단일 파이프 내에서 상기 머드 탱크의 바닥면으로부터 제1 높이(H1)만큼 이격되어 설치되는 제1 압력 센서; 상기 머드 탱크의 하부 공간으로 돌출된 상기 단일 파이프의 하단에 연결되는 T자 형상의 분기관; 상기 분기관의 상단, 수평 분기부 및 하단에 각각 설치되는 제1 밸브, 제2 밸브 및 제3 밸브; 및 상기 제2 밸브의 끝단에 설치되는 제2 압력 센서를 포함할 수 있다.

Description

드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치{Mud density measuring device for drill ship}
본 발명은 드릴쉽의 머드 밀도 측정 장치에 관한 것이다.
드릴쉽(Drill ship) 혹은 드릴링리그(Drilling rig)에는 드릴링 머드(Drilling mud)를 보관하는 머드 탱크(Mud tank) 혹은 머드 피트(Mud Pit)가 있다. 이하에서는 머드 탱크와 머드 피트를 모두 머드 탱크로 칭하고, 드릴쉽과 드릴링리그를 통합하여 드릴쉽으로 칭하기로 한다.
머드는 드릴링 시 드릴 비트(Drill bit)를 냉각하고 윤활하는 역할을 한다. 또한, 커팅물(cutting)을 드릴쉽으로 운반하는 역할도 한다.
머드의 경우 밀도(density)가 중요한 요소이다. 머드 밀도는 웰(well)의 킥(kick)에 대한 첫번째 배리어(barrier) 역할을 하고, 웰의 안전성에 대해서도 중요한 역할을 한다.
따라서, 드릴쉽에서 머드 밀도 측정은 매우 중요하다. 머드 탱크의 머드 밀도는 일반적으로 2개의 압력 센서를 사용하여 측정한다.
도 1은 종래 머드 탱크에서의 머드 밀도 측정 장치를 나타낸 도면이다.
머드 탱크(10)의 내부에는 구멍이 일정한 간격으로 여러 개 뚫린 2개의 파이프()를 설치한다. 2개의 파이프(20, 22)에는 각각 압력 센서(30, 32)가 1개씩 설치된다. 하부에 위치하는 압력 센서(30)는 바닥에서 제1 간격(예컨대, 100mm 정도) 이격되게 설치하고, 상부에 위치하는 압력 센서(32)는 바닥에서 제2 간격(예컨대, 1100mm 정도) 이격되게 설치한다. 이러한 설치 간격의 차이를 통해 두 압력 센서(30, 32) 간의 간격을 1000mm 로 하고, 두 압력 센서(30, 32)의 압력 차를 이용하여 머드 밀도를 측정하게 된다.
도 1에 도시된 것과 같은 머드 밀도 측정 장치(100)의 경우, 드릴쉽에 설치함에 있어서 다음과 같은 문제점이 있다.
(1) 머드 탱크(10) 1개에 대해 머드 밀도를 측정하기 위해 파이프를 2개씩 설치해야 하는 단점이 있다.
(2) 상부에 설치되는 압력 센서(도 1에서는 도면부호 32)의 높이가 탱크 바닥으로부터 1,100mm 정도 떨어져 있기 때문에 머드 레벨(mud level)이 1,100mm 이하이면 압력을 측정할 수 없고, 따라서 밀도 계산도 할 수 없다.
(3) 두 개의 파이프 간격을 최대한 가깝게(예컨대, 250mm 이하) 설치해야 하는데, 현장 여건 상 머드 탱크(10)의 상부에 여유 공간이 없어 250mm 보다 멀리 설치해야 하는 경우가 발생한다. 이처럼 파이프 간의 거리가 증가하면 밀도 측정 오차가 증가하는 단점이 있다. 이는 파이프 2개의 거리가 멀면, 선박이 기울어졌을 때 두 파이프가 설치된 지점의 머드 레벨이 달라지기 때문에 압력 측정 오차가 발생하게 되고 밀도 측정에도 오차가 발생하기 때문이다.
한국등록특허 제10-1824195호 (2018.01.25. 등록) - 머드 저장용 탱크
본 발명은 밸브를 이용하여 파이프의 수량을 1개로 줄여 머드 밀도를 측정함으로써 선박 기울어짐에 따른 측정 오차를 줄이고 설치 자유도를 높인 머드 밀도 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 드릴쉽에 설치된 머드 탱크 내에 저장된 머드의 밀도를 측정하는 장치로서, 머드 탱크를 수직 방향으로 관통하여 설치되며, 다수의 구멍이 형성된 단일 파이프; 상기 단일 파이프 내에서 상기 머드 탱크의 바닥면으로부터 제1 높이(H1)만큼 이격되어 설치되는 제1 압력 센서; 상기 머드 탱크의 하부 공간으로 돌출된 상기 단일 파이프의 하단에 연결되는 T자 형상의 분기관; 상기 분기관의 상단, 수평 분기부 및 하단에 각각 설치되는 제1 밸브, 제2 밸브 및 제3 밸브; 및 상기 제2 밸브의 끝단에 설치되는 제2 압력 센서를 포함하는 머드 밀도 측정 장치가 제공된다.
상기 제2 압력 센서는 다이아프램 타입일 수 있다.
상기 제2 압력 센서는 상기 바닥면으로부터 상기 단일 파이프의 하부 돌출 길이(h21), 상기 제1 밸브의 길이(h22), 상기 제2 밸브의 상단 길이(h23)의 합에 해당하는 제1 깊이(H2)만큼 이격하여 위치할 수 있다.
상기 제1 압력 센서의 측정값과 상기 제2 압력 센서의 측정값을 비교하여 머드 압력을 측정하고, 상기 머드 압력에 기초하여 머드 밀도를 계산하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제1 압력 센서의 측정값과 상기 제2 압력 센서의 측정값은 상기 제1 높이(H1) 및 상기 제1 깊이(H2)의 합에 상응하는 압력값일 수 있다.
상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 노말 오픈 밸브이고, 상기 제3 밸브는 노말 클로즈 밸브일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 밸브를 이용하여 파이프의 수량을 1개로 줄여 머드 밀도를 측정함으로써 선박 기울어짐에 따른 측정 오차를 줄이고 설치 자유도를 높인 효과가 있다.
도 1은 종래 머드 탱크에서의 머드 밀도 측정 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머드 밀도 측정 장치의 개념도,
도 3은 도 2의 A 부분의 확대도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머드 밀도 측정 장치의 개념도이고, 도 3은 도 2의 A 부분의 확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 머드 탱크(10), 탱크 하부 공간(14), 탱크 상부 공간(12), 머드 밀도 측정 장치(100), 단일 파이프(110), 제1 밸브(131), 제2 밸브(132), 제3 밸브(133), 분기관(120), 제1 압력 센서(140), 제2 압력 센서(150)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 머드 밀도 측정 장치(100)는 드릴쉽에서 일반적으로 사용하는 파이프 2개에 각각 압력 센서를 1개씩 설치하여 머드 밀도를 측정하는 방법이 아닌, 밸브와 분기관을 이용하여 1개의 파이프만으로도 머드 밀도를 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 1개의 파이프를 이용함으로써 드릴쉽의 기울어짐에 따른 오차가 발생하지 않고 머드 탱크(10)의 구조에도 영향을 받지 않고 설치할 수 있어 높은 설치 자유도를 가질 수 있다.
본 실시예에서 머드 밀도 측정 장치(100)가 설치되는 머드 탱크(10)는 그 상부와 하부에 각각 탱크 상부 공간(12)과 탱크 하부 공간(14)을 가진다. 탱크 하부 공간(14)은 일반적으로 머드 펌프(미도시)가 배치되는 공간으로, 머드 탱크(10)의 하부에 기본적으로 마련되는 빈 공간이다.
본 실시예에 따른 머드 밀도 측정 장치(100)는 단일 파이프(110), 분기관(120), 제1 밸브(131), 제2 밸브(132), 제3 밸브(133), 제1 압력 센서(140), 제2 압력 센서(150)를 포함한다.
단일 파이프(110)는 머드 밀도 측정 장치(100)의 기본 골격을 이루는 부분으로, 그 상단과 하단이 머드 탱크(10)의 천정과 바닥을 관통하도록 설치된다. 단일 파이프(110)는 머드 탱크(10)의 바닥면에 대해 수직하게 설치될 수 있다.
단일 파이프(110)에는 일정 간격으로 다수의 구멍이 형성되어 있어, 단일 파이프(110) 내부로 머드 탱크(10)에 저장된 머드가 유입될 수 있다. 단일 파이프(110)에 대해 앞뒤로 구멍이 형성되어, 머드가 단일 파이프(110)의 내부로 자유롭게 흘러 들어갈 수 있게 한다.
단일 파이프(110) 내부에는 상단에 케이블이 연결된 제1 압력 센서(140)가 탱크 바닥면으로부터 제1 높이(H1)만큼 이격 설치될 수 있다. 단일 파이프(110) 내로 유입된 머드의 자중에 의해 제1 압력 센서(140)가 가압됨으로써, 제1 압력 센서(140)는 머드 탱크(10) 내에서 제1 높이(H1)에서의 압력(P1)을 측정한다.
여기서, 제1 압력 센서(140)가 설치된 제1 높이(H1)가 본 실시예에서 머드 탱크(10) 내에 저장된 머드 밀도를 측정하기 위한 하한선으로, 데드존(deadzone)의 높이가 된다. 제1 높이(H1)는 예를 들어 300mm 일 수 있고, 100~500mm의 범위 내에 속하는 임의의 높이일 수 있다.
단일 파이프(110)의 상단은 탱크 상부 공간(12)에 배치되고, 제1 압력 센서(140)의 상단에 연결된 케이블이 단일 파이프(110)의 상단을 통해 외부로 노출되어 제어부(미도시)에 연결될 수 있다. 즉, 제1 압력 센서(140)의 측정값은 케이블을 통해 제어부로 전달될 수 있다.
단일 파이프(110)의 하단은 탱크 바닥면보다 낮게 설치하여, 탱크 하부 공간(14)에 배치된다. 단일 파이프(110)의 하단에는 분기관(120)이 설치된다. 분기관(120)은 T자 형상을 가지며, 3개의 밸브(제1 밸브(131), 제2 밸브(132), 제3 밸브(133))가 설치될 수 있다.
제1 밸브(131)는 단일 파이프(110)의 하단과 분기관(120)의 상단 사이에 설치된다. 제2 밸브(132)는 분기관(120)의 수평 분기부 끝단에 설치된다. 제3 밸브(133)는 분기관(120)의 하단에 설치된다.
제2 밸브(132)에는 제2 압력 센서(150)가 설치될 수 있다. 제2 압력 센서(150)는 다이아프램 타입(diaphragm type)일 수 있다.
제2 압력 센서(150)는 탱크 바닥면에 대해 제1 깊이(H2)만큼 낮게 설치될 수 있다. 제1 깊이(H2)는 단일 파이프(110)의 하부 돌출 길이(h21)와, 제1 밸브(131)의 길이(h22)와, 분기관(120)의 상부 길이(h23)의 합일 수 있다(H2=h21+h22+h23).
이 경우 제2 압력 센서(150)는 탱크 하부로 제2 높이(H2)에 해당하는 위치에서의 압력, 즉 제2 압력(P2)을 측정한다. 제2 압력 센서(150)도 케이블에 의해 제어부에 연결되어, 제2 압력 센서(150)의 측정값(P2)이 제어부로 전달될 수 있다.
제어부는 제1 압력 센서(140)의 측정값(P1)과 제2 압력 센서(150)의 측정값(P2)을 비교하여 머드 압력을 측정하고, 머드 압력에 기초하여 머드 밀도를 측정할 수 있다.
제1 밸브(131)는 노말 오픈 밸브(Normally Open Valve)로서, 평상 시에는 개방 상태를 유지한다. 제2 밸브(132) 및 제3 밸브(133) 중 하나 이상의 유지 보수가 요구되는 경우, 제1 밸브(131)를 폐쇄하여 머드 탱크(10) 내의 머드가 아래로 흘러내리는 것을 방지한다.
제2 밸브(132)는 분기관(120)의 수평 분기부 끝단에 설치되는 노말 오픈 밸브로서, 평상 시에는 개방 상태를 유지한다. 제2 압력 센서(150)의 유지 보수가 요구되는 경우, 제2 밸브(132)를 폐쇄하여 머드가 흘러내리는 것을 방지한다.
제3 밸브(133)는 노말 클로즈 밸브(Normally Closed Valve)로서, 평상 시에는 폐쇄 상태를 유지한다.
제1 밸브(131)가 평상 시 개방 상태이기 때문에 제3 밸브(133)의 상부에 찌꺼기가 쌓일 수 있는데, 찌꺼기가 쌓인 경우 제1 밸브(131)를 폐쇄하고 제3 밸브(133)를 개방하여 분기관(120) 내부에 대한 청소가 가능하게 함으로써 제2 압력 센서(150)의 동작에 문제가 발생하지 않도록 할 수 있다.
본 실시예에서는 평상 시 제1 밸브(131)가 개방되어 있고 제3 밸브(133)가 폐쇄되어 있어, 단일 파이프(110)가 제3 밸브(133)의 상부까지 연장된 것과 같은 효과를 볼 수 있다. 따라서, 단일 파이프(110) 내에 유입된 머드는 단일 파이프(110)의 하단을 거쳐 분기관(120) 내를 채우게 된다. 제2 밸브(132)가 개방된 상태에서 그 끝단에는 제2 압력 센서(150)가 설치되어 있어, 머드의 유출을 방지함과 동시에 해당 깊이(H2)에서의 머드 압력을 측정할 수 있다.
즉, 단일 파이프(110)가 연장된 구조에서 분기관(120)의 하단이 압력 측정을 위한 바닥면으로서 기능하게 되고, 이보다 높이 위치하는 제1 압력 센서(140) 및 제2 압력 센서(150)의 높이 차, 즉 제1 높이와 제1 깊이의 합(H1+H2)을 활용하여 머드 압력을 측정하고, 이에 기초하여 머드 밀도를 측정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 1개의 머드 탱크에 대해 파이프를 2개씩 설치하지 않고 1개씩만 설치하면 충분하므로 파이프 설치 공간의 확보가 용이하고 파이프 물량을 절감할 수 있다.
도 1과 같은 종래 방식에 의하면, 상부에 위치하는 압력 센서의 높이가 탱크 바닥에서부터 두 압력 센서 간에 요구되는 높이 차(예컨대, 1m 정도) 이상이 된다. 예를 들면, 탱크 바닥에서부터 1,100mm 정도 떨어져 있기 때문에 데드존의 높이가 상승하여 머드 레벨이 상부의 압력 센서 높이 이하로 내려가면 압력 측정이 불가하고 밀도 측정도 불가능하다.
하지만, 본 실시예에 따르면, 탱크 바닥면을 기준으로 제1 압력 센서(140)는 상부에 위치하고 제2 압력 센서(150)는 하부에 위치한다. 따라서, 상대적으로 상부에 위치하는 제1 압력 센서(140)의 높이가 탱크 바닥에서 제1 높이(H1)에 불과하다. 제1 높이(H1)는 두 압력 센서 간에 요구되는 높이 차(H1+H2)보다는 작은 값이므로, 종래 방식에 비해 데드존의 높이를 상당히 낮츨 수 있게 되어, 데드존의 크기를 감소시킬 수 있고 머드 밀도 측정을 적은 양의 머드에 대해서도 수행할 수 있게 된다.
또한, 종래 방식에 의하면 2개의 파이프 간격을 최대한 가깝게 설치해야 하는 제약 조건이 있었고, 드릴쉽이 많이 기울어져 있으면 밀도 측정 오차가 커지는 단점이 있었다. 하지만, 본 실시예에 의하면, 단일 파이프 구조를 가지고 있어 설치의 제약 조건이 업고, 드릴쉽이 기울어진 상태에서도 밀도 측정에 문제가 없는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 머드 탱크 20: 제1 파이프
22: 제2 파이프 30: 압력 센서
32: 압력 센서 12: 탱크 상부 공간
14: 탱크 하부 공간
100: 머드 밀도 측정 장치 110: 단일 파이프
120: 분기관 131: 제1 밸브
132: 제2 밸브 133: 제3 밸브
140: 제1 압력 센서 150: 제2 압력 센서

Claims (5)

  1. 드릴쉽에 설치된 머드 탱크 내에 저장된 머드의 밀도를 측정하는 장치로서,
    머드 탱크를 수직 방향으로 관통하여 설치되며, 다수의 구멍이 형성된 단일 파이프;
    상기 단일 파이프 내에서 상기 머드 탱크의 바닥면으로부터 제1 높이(H1)만큼 이격되어 설치되는 제1 압력 센서;
    상기 머드 탱크의 하부 공간으로 돌출된 상기 단일 파이프의 하단에 연결되는 T자 형상의 분기관;
    상기 분기관의 상단, 수평 분기부 및 하단에 각각 설치되는 제1 밸브, 제2 밸브 및 제3 밸브; 및
    상기 제2 밸브의 끝단에 설치되는 제2 압력 센서를 포함하는 머드 밀도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압력 센서는 다이아프램 타입인 머드 밀도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압력 센서는 상기 바닥면으로부터 상기 단일 파이프의 하부 돌출 길이(h21), 상기 제1 밸브의 길이(h22), 상기 분기관의 상단 길이(h23)의 합에 해당하는 제1 깊이(H2)만큼 이격하여 위치하는 머드 밀도 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압력 센서의 측정값과 상기 제2 압력 센서의 측정값을 비교하여 머드 압력을 측정하고, 상기 머드 압력에 기초하여 머드 밀도를 계산하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제1 압력 센서의 측정값과 상기 제2 압력 센서의 측정값의 차이는 상기 제1 높이(H1) 및 상기 제1 깊이(H2)의 합에 상응하는 압력값인 머드 밀도 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브는 노말 오픈 밸브이고, 상기 제3 밸브는 노말 클로즈 밸브인 머드 밀도 측정 장치.
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