KR19980703416A - 압력 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더(1, 2, 3) 내에서 이동 가능한 피스톤(6)을 포함하며, 드릴 파이프의 하단부의 드릴 비트 위에 장착되어 드릴링 유체 유동의 일부에 보다 높은 유체 압력을 발생시키는 압력 변환기에 관한 것이다. 피스톤은 제1 방향으로 이동될 때 드릴 파이프(10)의 드릴링 유체의 압력에 의해 영향을 받는 큰 피스톤 영역(11) 및 제1 방향을 이동될 때 드릴링 유체 유동의 보다 작은 부분에서 증가된 압력을 제공하는 대향된 보다 작은 피스톤 영역(12)을 포함한다. 도관(31, 32)은 드릴 파이프(10) 외부의 환형부(50) 및 드릴 파이프(10) 내부의 드릴링 유체 유동 통로를 각각 연결시킨다. 작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 공간은 특정 작업 유체를 수납하도록 되어 있으며 드릴링 유체로부터 작업 유체를 분리시키도록 가동 막(12B, 14B)이 제공된다.

Description

압력 변환기

본 발명은 노르웨이 특허 제169,008호, 제171,332호, 제171,323호 및 제171,325호에서 기술된 구조를 보다 발전시키고 개선시킨 것으로 생각될 수 있다. 이러한 그리고 다른 공지의 압력 변환기가 양호하게는 이하의 설명에서 기술될 신규하고 개선된 구조로 대체되거나 또는 변형될 수 있다. 이러한 신규 구조에 의해 무엇보다도 압력 변환기의 주요 부품의 신뢰성이 개선되며 마모 및 파열이 감소될 수 있다.

본 발명은, 깊은 드릴링을 위해 드릴 파이프의 하단부에 드릴 비트 위에 장착되어, 특히, 오일 및 가스에 대해, 드릴 스트링 및 드릴 파이프를 통한 하향의 드릴링 유체 유동에서의 에너지를 사용함으로써 유체 압력을 증가시키는 압력 증폭기 또는 압력 변환기의 개선된 구조에 관한 것이다. 이는, 양호하게는, 둘러싼 암석 형상에서 절단 효과를 갖도록 된 하나 이상의 고압 제트에 의해, 향상된 드릴링 효과를 얻도록 수행될 수 있다.

도1은 상단부 위치에서 피스톤을 갖는 본 발명에 따른 압력 변환기의 제1 실시예를 종방향 단면으로 도시하는 도면이다.

도2는 상단부 위치에서 피스톤을 갖는 본 발명에 따른 압력 변환기의 다른 실시예를 종방향 단면으로 도시하는 도면이다.

상기 노르웨이 특허 명세서에 따른 압력 변환기와 같이, 본 발명은 실린더의 대향 단부 위치 사이에서 드릴링 유체 압력의 영향을 받아서 이동 가능한 왕복 피스톤을 포함하는 실시예를 출발점으로 한다. 피스톤은 한 쪽에서 제1 방향으로 피스톤 이동 중 드릴 파이프 내의 드릴링 유체 압력에 의해 영향을 받는 상대적으로 큰 피스톤 영역과, 반대 쪽에서 제1 방향으로 피스톤 이동 중 드릴링 유체 유동의 보다 작은 부분에서 증가된 압력을 발생시키는 상대적으로 작은 피스톤 영역을 갖는다. 밸브 수단은 실린더 내의 피스톤의 이동을 제어하며, 드릴링 유체가 상대적으로 저압을 갖는 경우 드릴 파이프 외부의 환형부 및 드릴 파이프 내의 드릴링 유체 유동 통로를 연결시키도록 도관이 제공된다. 체크 밸브를 갖는 고압 도관은 증가된 압력에서 드릴링 유체를 위한 헤드 도관에 작은 피스톤 영역의 전방의 공간을 연결시킨다.

본 발명에 따른 압력 변환기에서 신규하고 특징적인 것은 작은 피스톤 영역의 전방의 공간이 특정 작업 유체를 수납하도록 되어 있으며 드릴링 유체와 작업 유체 사이를 분리시키는 가동 막이 제공된다는 점이다.

첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 본 발명의 다른 장점 및 특징뿐만 아니라 본 발명에 따른 신규의 구조 상의 해결책을 보다 상세히 이해할 수 있을 것이다.

주요 특징에 관한 한 본 발명의 압력 변환기는 상기 노르웨이 특허 명세서에 따른 대응 구조물에 밀접하게 관계되기 때문에, 본 명세서에서는 이러한 주요 특징 및 기능에 대해 간단하게 설명하는 것으로 충분할 것이다.

공지의 구조물에서와 같이, 도1의 실시예는 피스톤(6)을 둘러싸도록 된 대체로 원통형 하우징(1, 2, 3)을 포함한다. 피스톤은 여러 개의 작동 피스톤 영역(active piston areas), 즉, 제1 위치의 상부의 상대적으로 큰 피스톤 영역(11), 제2의 대향한 큰 피스톤 영역(13) 및 피스톤 부재(6)의 하단부의 대향한 상대적으로 작은 피스톤 영역(12)을 갖는다. 피스톤은 각 피스톤 영역에서의 드릴링 유체 압력 변화의 영향을 받으며 축방향으로 자유로이 이동 가능하도록 되어 있다.

피스톤 영역(11)의 전방의 공간(또는 부피)은 저압 공간으로 표시될 수 있으며, 따라서, 피스톤 영역(12)의 전방의 공간은 고압 공간으로 표시될 수 있다. 고압 공간은 체크 밸브(15A)를 갖는 도관(15)을 통해 증가된 압력으로 드릴링 유체 유동(resulting drilling fluid flow)을 위해 헤더 도관(16)으로 연결된다. 상기 노르웨이 특허 명세서에서와 동일한 방식으로 다수의 이들 압력 변환기 유니트를 그룹으로 상호 연결하기 위해, 도관(16)은 하우징, 즉, 실린더 벽(1)의 전체 길이방향으로 연장된다.

고압 피스톤(12)뿐만 아니라 두 개의 상대적으로 큰 피스톤 영역(11, 13)을 갖는 피스톤(6)의 주요 부분 외에도, 도1의 실시예는 상기 제1의 작은 피스톤 영역(12)에 대해 대향하는 제2의 상대적으로 작은 피스톤 영역(14)까지 연장된 상향 연장부를 갖는다. 피스톤 영역에 파이프로부터 드릴링 유체를 가할 때 피스톤 영역(13)에 의해 야기된 피스톤의 상향 이동 중, 상술된 헤더 도관(16)으로 향하여 연장된 관련 체크 밸브(25A)를 갖는 제2 고압 도관(25)을 통해 증가된 압력으로 드릴링 유체가 전달된다. 따라서, 압력 변환기는 상향 및 하향으로 모두 작업 행정을 가지며, 상기를 참조한 공지 구조에서와 같은 실제 압력 증가 효과 없는 복귀 행정이 여기서는 발생되지 않는다.

상술된 바와 같이 상향 및 하향으로 피스톤(6)을 구동하도록 실린더 내로의 그리고 실린더로부터의 드릴링 유체를 제어하기 위해, 도1의 실시예는 피스톤의 각 단부 피스톤에서의 큰 피스톤 영역(11, 12)에 의해 영향받도록 된 밸브 수단을 도시한다. 밸브 수단은 실린더 축에 평행한 관련 구멍에서 변위될 수 있는 밸브 또는 슬라이드 로드(24)를 포함한다. 로드(24) 상에는, 브래킷의 단부가 실린더 내로 돌출되어 피스톤(6)의 각 단부 위치에서 피스톤 영역(11, 13)에 의해 영향을 받을 수 있도록 이러한 각이진 형상 및 연장부를 갖는 브래킷(24A, 24B)이 부착되어 있다. 따라서, 도1에서 도시된 위치에서, 피스톤 영역(11)은 브래킷(24B)을 압박하며, 그에 의해, 로드(24)는 상부 위치로 상향되며, 하부 브래킷(24A)은 단부 부분이 피스톤 영역(13)의 전방의 공간 내로 돌출된다. 피스톤(6)이 피스톤 하단부 위치에 근접할 때 브래킷(24A)은 로드(24), 따라서, 실린더의 상단부 부재(2)에 제공된 로터리 밸브(4)의 이동을 제공할 것이다. 슬라이드 로드(24)의 상단부에서 횡방향 아암(24C)에 의해 밸브(4)는 두 개의 각도 위치 사이에서 회전된다. 로터리 밸브(4)는 피스톤(6)의 압력 작동을 위해 드릴 파이프(10)의 내부로부터의 드릴링 유체 유동 및 환형부(50)로 드릴링 유체의 넘침을 각각 제어하도록 기능하여, 피스톤(6)의 소정의 왕복 운동이 얻어진다. 상기 종래의 특허 명세서는 이러한 제어 밸브의 여러 가지 구조를 도시하며, 본 명세서에서 밸브(4)를 보다 상세히 기술할 필요는 없을 것으로 보인다.

이러한 점에서, 본 출원인에 의해 제출된 압력 변환기에 관한 동일자의 국제 특허 출원을 참조할 필요가 있다. 상기 명세서에서는, 실린더 내의 실제 피스톤 배치 및 임의의 다른 특징이 도1을 참조하여 설명된 것에 매우 밀접하게 대응된다.

본 발명의 주요 특징은 실린더(1, 2, 3)에 수납되는 특정 작업 유체와 드릴링 유체 사이를 분리하도록 가동 막(여러 개의 막일 수도 있음)이 제공되어 이러한 작업 유체만이 기구의 주요 부품, 즉, 주로 여러 피스톤 영역을 갖는 피스톤(6)을 접한다는 점이다. 이러한 가동 막은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 공간, 즉, 피스톤(6)의 고압 측 상에 각각 연결된 적어도 챔버(12A, 14A)에 각각 제공된다. 도1로부터 특히, 챔버(14A) 내의 막(14B)은 상단부 위치까지 압박되며, 이에 의해 고압의 드릴링 유체가 고압 밸브(17A) 및 고압 도관(17)을 통해 헤더 도관(16)으로 압박되어 배출된다. 대응하는 방식으로, 하부 챔버(12A) 내의 막(12B)은 하부측의 드릴링 유체 압력의 영향을 받아서 상부 위치로 이동되며, 후속하는 하향 피스톤 이동 시 하향으로의 복귀 행정을 위해 준비되어, 피스톤 영역(12)은 막(12B)에 대해 하향으로 이 피스톤 영역의 전방의 공간 내의 작업 유체를 압박하며, 이에 의해, 작업 유체는 하부에서 하향으로 이동되어 고압 밸브(15A)를 통과하도록 드릴링 유체를 보다 압박할 것이다.

상술된 막(12B, 14B)은 본 실시예에서는 소위 롤러 막으로 도시되어 있으며, 이는 다른 종류의 장비 및 구조물로부터 본질적으로 공지된 부품이다. 도1의 압력 변환기에서 가동 막은, 롤러 막(12B, 14B)이 작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 공간에 제공된 경우 고압측에서 특히 유익하다.

막(12B, 14B) 외에도, 도1은 피스톤(6) 상에 큰 피스톤 영역(11, 13)의 전방의 공간과 각각 연결된 각 환형 챔버(11A, 13A)에 배치된 롤러 막(11B, 13B)을 또한 도시한다. 다른 측면에서, 이러한 환형 챔버(11A, 13A)는 도관(31, 32)을 통해 밸브(4)와 연결되며, 따라서, 상술된 왕복 이동을 위해 주 피스톤(6)의 하부측 및 상부측에 압력을 교대로 가할 수 있다. 대응 방식으로, 롤러 막(12B, 14B)으로서 다른 롤러 막(11B, 13B)이 한 쪽에서 도관(31, 32)을 통해 유동하는 드릴링 유체와 다른 쪽에서, 즉, 큰 피스톤 영역(11, 13)의 전방의 공간과 직접 연결되는 쪽에서 상기 작업 유체 사이를 분리시킨다.

특히 롤러 막(13B)에 대해 도시된 바와 같이, 두 단부 위치 사이에, 본질적으로 바람직하고 보다 확실한 막의 롤링 이동을 보장하는 데 기여하는 공지 방식으로, 롤러 막에는 중심부에 보강 링(stiffening ring) 또는 판(13C)이 제공될 수도 있다.

고압 피스톤 영역(14, 12)에 대해 각각 상향 및 하향 연장부를 포함하는 특수 형상의 피스톤(6)에서는, 도시된 바와 같이, 즉, 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 각 관련 공간의 방사상 외향으로 막 챔버(11A, 13A)가 위치되는 것이 편리하다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이들은 실린더-피스톤 구조물의 중심으로 그리고 축방향으로 위치된다.

본 실시예에서,막 챔버(11A, 13A)는 관련 롤러 막(11B, 13B)에 대응하는 구조를 갖는 환형이지만, 다수의 원통형의 그리고 분리된 막 챔버가 이러한 환형 챔버와 각각 대체될 수 있다.

작은 피스톤 영역(12, 14) 각각으로부터 축방향 외향으로 고압 쪽에 롤러 막(12B, 14B)을 위한 챔버(12A, 14A)를 위치시키는 것이 가장 실제적이다. 따라서, 고압 도관(15, 17)과 각 고압 밸브(15A, 17A)로의 직접적이고 유익한 연결이 달성된다.

통상 작업 유체로서 적절하고 상업적으로 얻을 수 있는 종류의 유압 액체가 사용될 것이다. 기구의 주요 부품, 특히, 피스톤(6) 및 여러 글라이드 및 피스톤 표면이 깨끗한 유압 액체에서 작동되며 드릴링 유체와 분리될 때, 보다 신뢰성 있는(reliable and dependable) 압력 변환기가 명백히 얻어질 수 있다.

도1에서 도시된 예시적인 실시예는 작업 유체와 드릴링 유체 사이의 분리로부터 기본적으로 벗어나지 않는 많은 방식으로 변형될 수 있다. 상술된 바와 같이, 이러한 변형은 예를 들어 밸브(4)에 대한 막 챔버 등의 구조 및 위치에 관련될 수 있다. 특성 상세로서, 본 명세서에서 단부 댐퍼가 작은 고압 피스톤 영역(12, 14)과 관련되어 제공될 수 있다.

특정 장점을 갖는 변형예가 도2에서 도시되어 있다. 도2는 하부 환형 막 챔버(43A) 내의 가동 막(43B)을 제외하고는 대체로 도1의 실시예에 대응한다. 이러한 구조의 막 챔버(43A)는 도1의 환형 챔버(13A)에 완전히 대응하지만, 막(43B)은 막(13B)과 같은 롤러 막은 아니며, 대체로 원통형 막이 챔버(43A)에 일반적으로 방사상으로 이동하도록 되어 있다. 도2에서 도시된 위치에서, 막(43B)은 도시된 피스톤 위치에, 즉, 도1에서 도시된 상부 위치에 대응하여 챔버(43A) 내의 방사상 내부 실린더 벽에 대해 대부분 놓인다. 피스톤이 하향 이동될 때, 막(43)의 외부에서 드릴링 유체가 도관(들)(32)을 통해 동시에 하향 압박되어 배출되면서, 막(43A)은 챔버(43A)의 외부 실린더 벽에 대해 다소 결합되도록 작업 유체에 의해 방사상 상향으로 압박될 것이다.

도2의 실시예에서, 주 피스톤 위의 환형 막 챔버에는 막(43B)에 대응하는 일반적으로 원통형 막이 제공될 수도 있다.

Claims (8)

1. 한 쪽에 제1 방향으로 피스톤 이동 중 드릴 파이프(10) 내의 드릴링 유체 압력에 의해 영향을 받는 상대적으로 큰 피스톤 영역(11) 및 대향하여 제1 방향으로 피스톤 이동 중 드릴링 유체 유동의 보다 작은 부분의 증가된 압력을 발생시키는 상대적으로 작은 피스톤 영역(12)을 가지며 드릴링 유체 압력의 영향을 받아서 실린더(1, 2, 3)의 대향 단부 위치 사이에서 이동 가능한 왕복 피스톤(6)과, 실린더(1, 2, 3) 내의 피스톤 이동을 제어하는 밸브 수단(4)과, 드릴링 유체가 상대적으로 저압을 갖는 경우 드릴 파이프(10) 외부의 환형부(50) 및 드릴 파이프(10) 내의 드릴링 유체 유동 통로를 연결시키는 도관(31, 32)과, 증가된 압력에서 드릴링 유체를 위한 헤더 도관(16)에 작은 피스톤 영역(12)의 전방의 공간을 연결시키기 위한 체크 밸브(15A)를 갖는 고압 도관(15)을 포함하는, 깊은 드릴링을 위해 드릴 파이프의 하단부에 드릴 비트 위에 장착되어, 특히, 오일 및 가스에 대해, 드릴 스트링 및 드릴 파이프를 통해 하향 드릴링 유체 유동의 에너지를 사용함으로써 유체 압력을 증가시키는 압력 변환기에 있어서,

   작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 공간은 특정 작업 유체를 수납하도록 되며 작업 유체와 드릴링 유체 사이를 분리하기 위한 가동 막(12B, 14B)이 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 막(12B, 14B)은 한 쪽에서 작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 공간과 연결되며 다른 쪽에서 고압 도관(15, 17)과 연결되는 챔버(12A, 14A) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 큰 피스톤 영역(11)의 전방의 공간은 상기 작업 유체를 수납하도록 되어 있으며, 상기 도관(31, 32) 내의 작업 유체와 드릴링 유체 사이를 분리하기 위해 적어도 두 개의 다른 가동 막(11B, 13B)이 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
4. 제3항에 있어서, 상기 다른 막(11B, 13B) 각각에 대해 한 쪽에서 실린더(1, 2, 3)와 연결되며 다른 쪽에서 상기 도관(31, 32) 중 적어도 하나와 연결되는 막 챔버(11A, 13A)가 제공되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 피스톤(6)에는 제1의 상기 큰 피스톤 영역(11)과 관련하여 대향되어 상기 제1 방향과 다른 대향 방향으로 피스톤(6)을 이동시키도록 드릴 파이프(10) 내의 드릴링 유체 압력에 의해 영향을 받도록 된 제2의 상대적으로 큰 피스톤 영역(13)이 제공되며 제1의 상기 작은 피스톤 영역(12)과 관련하여 대향되어 상기 다른 대향 방향으로 피스톤 이동 중 드릴링 유체 압력을 증가시키도록 된 제2의 상대적으로 작은 피스톤 영역(14)이 또한 제공되며, 제2 체크 밸브(25A)를 갖는 제2의 고압 도관(25)은 헤더 도관(16)에 제2의 대향한 작은 피스톤 영역(14)의 전방의 공간을 연결시키는 기능을 하며, 적어도 부분적으로 막 챔버(11A, 13A)는 작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 각 공간의 방사상 외부에 각각 위치되며, 상기 공간은 압력 변환기의 축방향 중심 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
6. 제5항에 있어서, 상기 막 챔버(11A, 13A)는 실린더-피스톤 축과 일치하는 축에 대해 환형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버(12A, 14A)는 각 작은 피스톤 영역(12, 14)의 전방의 상기 공간에 관해 축방향으로 정렬되어 위치되는 것을 특징으로 하는 압력 변환기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막(들)은 롤러 막(들) 형태인 것을 특징으로 하는 압력 변환기.