KR20070040807A

KR20070040807A - 회전 코일 튜브를 이용하여 지하 유정을 시추하고서비스하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20070040807A
Application number: KR1020077002665A
Authority: KR
Inventors: 테렌스 보르스트; 두들리 제이 주니어 페리오
Original assignee: 테렌스 보르스트; 두들리 제이 주니어 페리오
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-04-17
Also published as: ES2317275T3; RU2378486C2; ATE412106T1; DK1781896T3; NZ552978A; RU2007103905A; US20090126946A1; US20060000619A1; BRPI0511312A; WO2006007552A1; SI1781896T1; AU2005262342A1; CA2576448A1; CN101010483B; SG153854A1; MX2007000283A; CN101010483A; PL1781896T3; CA2576448C; BRPI0511312B1

Abstract

본 발명은 연속 길이의 코일 튜브를 이용하여 시추공을 시추 및/또는 서비스하기 위한 시스템에 관한 것으로, 여기서 회전 가능한 어셈블리는 코일 튜브가 시추공 내에 있는 중에 회전하도록 코일 튜브용 릴 어셈블리와 카운터밸런스 어셈블리를 시추공을 중심으로 회전시킨다. 별도의 회전 가능한 어셈블리 또는 릴 어셈블리와 동일한 회전 가능한 어셈블리에 코일 튜브용 인젝터가 제공될 수 있다.

Description

회전 코일 튜브를 이용하여 지하 유정을 시추하고 서비스하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DRILLING AND SERVICING SUBTERRANEAN WELLS WITH ROTATING COILED TUBING}

본 발명은 탄화수소-수반 유체를 회수하기 위한 지하 유정을 시추 및/또는 서비스하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로 회전 코일 튜브를 이용하여 지하 유정을 시추 및/또는 서비스하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

역사적으로, 조인트된 파이프 또는 튜브 섹션의 단부에 부착된 비트를 회전시킴으로써 지하 유정을 시추하고 있다. 조인트된 파이프 스트링은 표면으로부터 회전하고, 이러한 회전이 비트에 전달된다. 회전 비트가 지면을 시추할 때에, 더 깊이 시추하기 위해서는 파이프의 추가의 섹션 또는 조인트가 부가되어야 한다. 드릴 스트링에 파이프의 새로운 섹션을 부가하거나 스트링으로부터 새로운 섹션을 제거하는 데에는 상당한 시간 및 에너지가 소모된다.

미국 특허 제4,863,091호에 개시된 바와 같은 코일 튜브가 실질적으로 제한이 없는 길이로 이용될 수 있고, 지하 유정으로부터 탄화수소의 탐사 및 생산에 다양한 목적으로 이용되고 있다. 현재까지는, 코일 튜브가 시추 작업을 위한 대체 조인트된 파이프를 구비하고 있지 않다.

시추 작업에 가장 일반적으로 사용되는 코일 튜브는 드릴 비트 근처에서 튜브의 단부에 위치한 모터 또는 다른 에너지원을 사용하고 있다. 한 가지 유형의 모터로는, 코일 튜브를 통하여 유동하는 가압된 시추용 머드를 드릴 비트용 회전 에너지로 전환시키는 머드 모터(mud motor)가 있다. 이러한 유형의 시스템에 있어서, 코일 튜브 자체는 회전하지 않는다. 예컨대, 발명의 명칭이 "Steering Drill Bit While Drilling A Bore Hole"인 미국 특허 제5,360,075호는 특히, 튜브를 조종함으로써 조종될 수 있는 코일 튜브의 단부에 있는 모터 동력식 드릴 비트를 개시하고 있다. Leading Edge Advantage International Ltd의 논문 "Introduction to Coiled Tubing Drilling"은 비회전 코일 튜브를 이용하여 시추하는 분야의 상태를 개략적으로 설명하고 있는 것으로 생각되며, 이 논문의 사본을 www.lealtd.com에서 확인할 수 있다. 상기 논문의 내용은 모든 목적을 위하여 본원 명세서에 참고로 인용된다.

코일 튜브를 이용하여 시추하는 다른 방법은, 발명의 명칭이 "Apparatus and Method for Rotating Coil Tubing in a Well"인 미국 특허 출원 제4,515,220호에 개시되어 있고, 이 특허 출원은 특히 튜브가 시추 작업을 위하여 회전할 수 있기 전에 스풀로부터 멀어지게 코일 튜브를 절단하는 것을 개시하고 있다.

발명의 명칭이 "Method and a Device for Use in Coiled Tubing Operations"인 미국 특허 제6,135,052호는 코일 튜브의 스풀을 축을 중심으로 물리적으로 회전시켜 시추공을 시추하는 장치를 개시하고 있는 것으로 보인다. 발명의 명칭이 "Method and a Device for Use in Coil Pipe Operations"인 미국 특허 제5,660,235 호는 특히, 릴을 피벗점을 중심으로 회전시키고 및/또는 릴을 인젝터 헤드에 대하여 병진 이동시킴으로써 튜브가 감기거나 풀릴 때에 인젝터 헤드에 의해 코일 튜브를 상당한 정렬 상태로 유지하는 것을 개시하고 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술을 기초로 하며, 회전 코일 튜브를 이용하여 지하 유정을 시추하고 및/또는 서비스하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 코일 튜브를 이용하여 유정을 시추하거나 서비스하는 시스템이 제공되며, 이 시스템은 베이스를 플로어에 회전 가능하게 고정하는 베어링 시스템을 구비하는 회전 가능한 베이스 또는 턴테이블과, 코일 튜브의 릴을 지지하도록 되어 있는 지지 구조체를 구비하는 릴 어셈블리를 포함한다. 이 지지 구조체는 코일 튜브가 릴로부터 풀릴 때에 코일 튜브를 유정과 정렬하는 정렬 시스템을 구비한다. 릴 어셈블리는 베이스의 둘레 근처에 배치되어 있고, 코일 튜브용 인젝터 헤드가 유정과 정렬되어 있다. 릴 어셈블리와 반대측에서 베이스 상에 카운터밸런스 어셈블리가 위치하고, 이 카운터밸런스 어셈블리는 튜브가 릴로부터 풀릴 때에 시스템의 밸런스를 유지하도록 릴 어셈블리를 향해 그리고 릴 어셈블리로부터 멀어지게 이동할 수 있다. 베이스를 회전시켜 유정 내의 코일 튜브에 토크를 전달하는 기동 시스템이 또한 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 시스템은 한 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있는 가동 리그 또는 영구 리그의 일부로서 배치될 수 있다.

전술한 사항은 본 발명의 각각의 가능한 실시예를 요약하는 것으로 의도되지 않고, 단순히 이하에 개시된 예시적인 실시예를 요약하는 것이다.

첨부 도면을 참고로 하는 이하의 설명을 통하여, 전술한 사상, 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 본 발명의 다른 양태를 가장 잘 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 릴 어셈블리와 회전 가능한 어셈블리의 측면도를 도시하고,

도 2는 도 1에 도시된 어셈블리들을 보다 상세하게 도시한 도면이고,

도 3은 도 2에 도시된 릴 어셈블리의 변형예를 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 트랜스듀서 시스템과 인젝터 헤드의 평면도이고,

도 5는 본 발명에 사용되도록 회전할 수 있는 인젝터의 바람직한 실시예를 도시하고,

도 6은 가동 리그(mobile rig)로서의 본 발명의 변형예를 도시하고,

도 7은 도 5의 가동 리그의 단부도이고,

도 8은 접이형 마스트(collapsible mast)를 가동 리그에 부착하는 것을 도시하고,

도 9는 접이형 마스트를 도시하는 다른 도면이고,

도 10a 및 도 10b는 접이형 마스트가 상승하여 가동 리그에 부착되어 있는 것을 도시하는 도면이고,

도 11은 접이형 마스트용 슬라이딩 시스템을 도시하고,

도 12a 및 도 12b는 가동 리그의 상부 플로어를 상승시키는 것을 도시하고,

도 13은 릴 어셈블리를 가동 리그에 운반하는 것을 도시하고,

도 14는 가동 리그의 상부 플로어 위로 릴 어셈블리를 상승시키는 것을 도시하고,

도 15는 회전 가능한 어셈블리 위에서 가동 리그 상에 릴 어셈블리를 위치 결정하는 것을 도시하고,

도 16은 릴 어셈블리, 제어 하우스 및 마스트가 적소에 있는 상태의 가동 리그를 도시한다.

상기 도면 및 이하의 상세한 설명은 출원인이 품은 본 발명의 넓이 또는 범위를 어떤 식으로도 제한하려는 의도는 없다. 오히려, 도면 및 상세한 설명은 개시된 특정의 상세한 실시예를 참조로 하여 당업자에게 본 발명을 설명하기 위해 제공된다.

이하에서, 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다. 본 출원인들이 그들의 발명이라고 간주하는 것을 개시하고 명확성을 기하기 위해서, 본 명세서에서는 실제적인 실시예의 모든 특징들을 설명하지는 않는다. 물론, 그러한 임의의 실제적인 실시예를 개발하는 데 있어서, 관련 시스템, 관련 사업 및 관련 정부 제약 사항을 만족시키는 것과 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해서, 다양한 실시예에 대해 특유한 결정(실시예에 따라 변함)을 내려야 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시로 인해서 장점을 갖게 되는 당업자에게 있어서는 일상적인 일이라는 것을 이해할 것이다.

일반적으로, 본 발명은 시추 및 다른 탐사를 위해 무한 길이의 코일 튜브의 다운홀을 회전시키는 개선된 방법, 시스템 및/또는 시추/서비스 리그(rig) 및/또는 채굴 공정을 제공한다. 시추공 둘레에 배향된 회전 가능한 플랫폼 상에 적어도 하나의 코일 튜브의 릴이 위치하는 시스템이 개시되어 있다. 튜브의 릴은, 튜브가 풀리거나 감길 때 시추공의 중심선에 대해 튜브의 위치를 조정하도록 되어 있다. 코일 튜브 중량의 동적 변화를 상쇄시키기 위해서 동적 평형추 시스템도 또한 마련되며, 이 동적 평형추 시스템은 회전 평형을 유지하기 위해서 시추공을 향하거나 시추공으로부터 멀어지게 이동하도록 되어 있을 수 있다. 코일 튜브 인젝터의 헤드는 코일 튜브를 시추공으로부터 후퇴시키거나 시추공으로 주입하기 위해 시추공에 인접 배치될 수 있다. 본 발명으로 인해, 종래의 공동 튜브 릴 혹은 제3의 공동 튜브 릴, 또는 전용 릴, 그리고 코일 튜브 인젝터 헤드와 같은 종래의 코일 튜브 처리 장비 또는 전용 코일 튜브 처리 장비를 사용할 수 있다. 본 발명은 트레일러 또는 급속한 리그-업(rig-up) 및 리그-다운(rig-down)과 유정 위치간의 이송을 용이하게 하기 위한 다른 이동 구조체에 합체될 수 있다. 그러한 이동 구조체는 시추공 또는 다른 시추공 구조체의 외벽을 소제하기 위해 적절히 이격된 구조로 되어 있는 휠과 트레일러 액슬(axle)을 포함할 수 있다.

적어도 하나의 실시예가 이하에서 보다 상세히 설명되는 본 발명은 오버 밸런싱 시추공과 언더 밸런싱 시추공 양자를 시추하고 완성할 때의 효율성을 현저히 향상시킨다. 즉, 본 발명은 재진입과 관련된 안전도와 채굴되지 않거나 고갈된 유정에 대한 작업 및 사이드트랙킹(side-tracking)을 개선하며, 저장지에서 소비되는 시간 및 리그-업 및 리그-다운 중에 소비되는 시간을 종래의 시추 공정에 비해 현저히 감소시킨다. 종래의 시추 공정에 비해, 본 발명은 인부의 수와 회전율을 감소시키고, 침투율 및 도달율을 증가시키며, 시추공을 동시에 안전하게 시추, 채굴 및 측정할 수 있다.

이제 도 1 및 도 2로 돌아가면, 본 발명의 개념의 광범위한 양태를 이해하는 것을 돕기 위해 본 발명의 실시예가 보다 상세히 도시되어 있다. 도 1은 처음에 전술한 시스템의 일부분에 대한 일실시예의 측면도이다. 시스템은 턴테이블 어셈블리(10) 및 릴 어셈블리(12)(회전된 위치에 있는 릴 어셈블리는 12'으로 나타냄)를 포함한다. 턴테이블 어셈블리(10)는 베이스(18)와 베어링 어셈블리(20)를 포함한다. 릴 어셈블리(12)는 코일 튜브(14)를 구비하는 릴(28)과, 지지 구조체(16)와, 코일 튜브 인젝터 헤드(22)와, 제어 라인(24), 그리고 평형추 시스템(26)을 포함한다. 동력 시스템(도시하지 않음)은 시스템을 위해 필요한 모든 동력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 별도의 이동 동력 시스템은 전력 및 유압을 생성하기 위한 300 HP 디젤 엔진을 포함한다.

릴(28)은 외경이 3.25 인치(8.255 cm)이고 벽 두께가 0.25 인치(0.635 cm)이며 길이가 적어도 약 13,000 피트(4,000 미터)인 코일 튜브(14) 용량을 갖는 것이 바람직하다. 3.25 인치 튜브는 널리 이용 가능하진 않지만, 그러한 튜브가 최적 밸런스의 피로 및 비틀림 강도를 갖는다는 것이 확인되었다. 텍사스 휴스턴에 소재하는 Precision Tube Technology는 3.25 인치의 코일 튜브를 제공한다. 물론, 본 발명은 모든 타입 및 크기의 코일 튜브에 대한 용례를 갖는다. 릴 어셈블 리(12)는 거의 인젝터 헤드(22) 바로 위에 튜브의 중심이 맞춰진 상태를 유지하는 유압 실린더(30)(도 2)를 더 포함한다. 튜브가 릴(28)에 감기거나 릴에서 풀릴 때, 전체 릴(28)은 필요에 따라 (도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 지면 내외로) 이동된다. 또한, 릴 어셈블리(12)는, 코일 튜브(14)의 각각의 권취부가 풀리거나 감겨, 풀리는 튜브(14)가 인젝터 헤드(22)에 중심이 맞춰진 상태로 유지될 때 피봇점(22)을 중심으로 인젝터 헤드(22)를 향해, 그리고 인젝트 헤드로부터 멀어지게 릴(28)을 이동시키거나 회전시키는 유압 실린더(32)를 포함한다. 보다 바람직하게는, 도 3에 도시한 바와 같이, 유압 실린더(32)는 릴(28)을 피봇점(33)을 중심으로 피봇팅시키는 대신에, 릴(28)을 시추공을 향해 그리고 시추공으로부터 멀어지게 이동시키도록 되어 있다.

릴 어셈블리(12)는 또한 릴 구동부와, 약 2,500 psi 이하로 튜브(14)를 풀 수 있는 인장 시스템(15)을 포함한다. 구동 시스템(15)은 릴(28) 둘레에 인접 배치되고, 릴(28) 둘레 상의 체인 또는 다른 기어와 맞물리는 하나 또는 그 이상의 유압 모터를 포함할 수 있다. 대안으로서, 유압 모터는 튜브를 구동하고 인장시키기 위한 릴(28)의 중심축에 인접 배치될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예는 이동 리그이기 때문에, 구성 요소의 중량 및 배향이 변한다는 것에 주목해야 한다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 릴(28)의 축에 인접한 외팔보형 유압 모터는 피로 파괴되는 경향이 있을 수 있다. 구동 시스템(15)에 대한 본 발명의 바람직한 실시예는 도 2에 도시한 바와 같은 단일 유압 모터 및 체인을 포함한다.

인젝터 헤드(22) 상부 상 또는 인젝터 헤드 위에는 변환기 시스템(34)이 장 착되는데, 이 변환기 시스템은 인젝터 헤드(22)에 대한 코일 튜브의 배향 및 정렬을 감지한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시스템에서 사용하기 적절한 변환기 시스템(34)은 튜브(14)를 효율적으로 둘러싸는 4개의 롤러(36)를 포함한다. 변환기 시스템(34)은 코일 튜브(14)가 하나 또는 그 이상의 롤러(36)와 접촉한 것을 검출하는 전자, 전기 또는 유압 센서를 더 포함한다. 튜브(14)가 롤러 또는 롤러들(36)과 접촉하게 되면, 변환기 시스템(34)이 적절한 제어기[예컨대, 인간 조작자, 프로그래밍 가능한 로직 제어기(PLC) 또는 다른 로직 장치]에 신호를 송신하고, 적절한 유압 실린더 또는 실린더들(30 또는 32)이 활성화되어 릴 어셈블리(12)를 이동시키고, 이에 따라 튜브(14)가 다시 인젝터 헤드(22)에 대하여 중심이 맞춰지게 정렬된다. 튜브 인젝터 헤드(22)에 대한 튜브(14)의 이동 범위는 롤러(36)의 구성과 변환기 시스템(34)의 감도에 의해 제어되어, 사용되는 특정 튜브(14)에 대해 최적화될 수 있다. 3.25 인치 OD 튜브를 사용하는 바람직한 실시예에서는, 보정 또는 복구 작업을 실시하기 전에 변환기 시스템(34)으로 인해 튜브가 시추공으로부터 약 0.5 인치 이하로 이탈될 수 있다.

변형예에서는, 변환기 시스템보다 PLC 또는 다른 로직 장치가 전술한 튜브의 정렬을 직접 제어할 수 있다. 예컨대, 튜브가 감기거나 풀릴 때, (주행 거리계와 같은) 적절한 변환기에 의해 풀린 피트 수가 로직 장치로 송신될 수 있다. 간단한 로직 프로그램은 풀린 튜브의 양을 적절한 릴 어셈블리의 배향으로 전환하여 적절한 제어 신호를 유압 실린더와 같은 정렬 시스템에 송신한다. 도 3에 도시된 변환기 시스템(34)은 한계선 및/또는 제한 기능을 위한 로직 기반 정렬 시스템과 함께 사용될 수 있다.

도 2로 되돌아가서, 주요 턴테이블(10)을 위한 바람직한 베어링 어셈블리(20)는 텍사스주 달라스에 소재하는 Kaydon에 의해 제공되는 모델 번호 D20-111N1과 같은 120 인치 직경의 이중 장착 베어링이다. 베어링 어셈블리(20)의 외측부(38)는, 예컨대 리그 바닥(40)에 부착되고, 베어링 어셈블리(20)의 내측부(42)는 베이스(18)에 장착된다. 베어링 어셈블리(20)의 장착 구조는 설계 조건에 따라 변할 수 있다. 베어링 어셈블리(20)의 내측부 및/또는 베이스(18)에는 링 기어(44)가 장착될 수 있다. 2개의 저속 고토크 유압 모터는 안전한 압력 해제 브레이크에 의해 완성되며, 구동 기어(46)는 리그 바닥에 장착되는 것이 바람직하다. 구동 기어는 바람직하게는 180°이격 배치된 링 기어(44)와 맞물린다. 바람직한 실시예에서, 이들 모터(46)는 약 0 내지 20 및 50 rpm의 어느 한 방향으로의 속력에서 튜브(14)에 약 8,500 내지 13,000 ft-lbs.의 결합 토크를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 튜브 인젝터 헤드(22)는 Hydra-Rig 모델 HR-5100, 100,000 lb, 용량 인젝터 헤드 어셈블리이다. HR 5100은 1.75 인치 OD 내지 3.5 인치 OD 크기의 코일 튜브를 취급하도록 구성된다. HR 5100은 개방 루프 유압 시스템 및 폐쇄 루프 유압 시스템 양자에 의해 작동되도록 구성된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 인젝터 헤드(22)는 주요 턴테이블 어셈블리(10)에 견고히 결합되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 인젝터 헤드(22)는 릴(28), 나아가서는 주요 턴테이블 어셈블리(10)에 대해 회전하지 않는 것이 바람직하다. 이렇게 견고하게 결합되지 않음으로써 조작자가 반응 토크 또는 디퍼런셜 토크(differential torque) 를 모니터링할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 인젝터 헤드(22)는 주요 턴테이블 어셈블리(10)와 인젝터 턴테이블(60) 간의 상대 회전이 가능하도록 별도의 턴테이블(60)에 장착되는 것이 바람직하다. 인젝터 턴테이블(60)은, 예컨대 직경이 큰 파이프 섹션을 포함할 수 있는데, 이 파이프 섹션의 일단부에 인젝터 헤드(22)가 장착될 수 있다. 파이프의 타단부는 종래의 베어링 시스템(62)을 통해 리그 바닥(40)과 같은 구조체에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

코일 튜브에 작용하는 다운홀의 반력이 거의 없거나 아주 없을 때, 인젝터(22)와 주요 턴테이블(10)은 거의 함께 회전할 것이다. 그러나, 마찰 드래그와 같은 반력이 다운홀을 증가시킬 때, 인젝터 헤드(22)의 회전은 다운홀이 겪게 되는 반력을 나타내는 지체량만큼 주요 턴테이블(10)의 회전 이후로 지체될 수 있다. 이들 반력은 여러 가지 다른 방식으로 정량화될 수 있다. 예컨대, 인젝터 턴테이블(60)과 주요 턴테이블(10) 사이에 기계식 토크 아암(64)이 배치될 수 있다. 다운홀의 반력이 증가하면, 예컨대 토크 아암(64)의 변형(strain)이 증가하여, 다운홀의 반력을 측정할 수 있다. 대안으로서, 모터(66)가 개별적으로 인젝터 턴테이블(60)에 동력을 공급할 수 있다. 전술한 PLC와 같은 제어 시스템은 인젝터 턴테이블(60)을 주요 턴테이블(10)과 동기식으로 구동시키는 데 사용될 수 있다. 다운홀의 반력이 증가하는 경우에는, 인젝터 헤드를 릴(28) 및 주요 턴테이블(10)과 동기시킨 상태로 유지하기 위해서 보다 많은 동력을 인젝터 턴테이블 모터(66)에 공급해야 한다는 것을 이해할 것이다. 물론, 인젝터 헤드(22)와 주요 턴테이블(10)이 상대 회전하지 않도록 인젝터 헤드(22)를 주요 턴테이블(10)에 결합시킬 수 있 다는 것도 고려된다.

선택되는 인젝터 헤드(22) 시스템에 따라, 인젝터 헤드(22)가 지지 구조체(16) 내에 완전히 후퇴될 때 시추공에 확실하게 접근하기 위한 길 외측으로 인젝터를 이동시킬 수 있는 슬라이딩 베이스에 인젝터 헤드를 장착하는 것이 유리할 것이다. 시스템이 (예컨대, 다른 시추공으로) 이동될 때, 인젝터 헤드는 지지 구조체(16) 내에 저장될 수 있다.

도 2를 다시 살펴보면, 릴 어셈블리(12)의 바로 맞은편에 카운터 밸런스 시스템(26)이 있다. 가장 간단한 형태에서 고철 및 쇠부스러기를 담기 위한 양동이 또는 박스를 평형추로서 포함하는 상기 카운터 밸런스 시스템(26)은, 릴 어셈블리(12)의 하중의 균형을 잡는데 기여한다. 하나 이상, 바람직하게는 2개의 유압 실린더(50)는 필요에 따라 평형추를 릴 어셈블리(12)를 향해 그리고 릴 어셈블리(12)로부터 멀어지게 이동시켜, 베어링 어셈블리(20) 상에서 실질적인 균형 하중을 유지시키도록 되어 있다. 예컨대, 릴(28)의 질량 중심이 시추공의 축을 향해 이동할 때, 평형추의 질량 중심도 또한 시추공의 축을 향해 이동하여야 하며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 코일 튜브가 풀어지거나 감길 때 상기 평형추를 릴의 방향과는 반대로 좌우 이동시키기 위해, 하나 이상의 다른 유압 실린더를 사용한다. 이러한 타입의 유압 제어는 제어 라인의 적절한 배관에 의해 실시될 수 있음은 물론이다. 또한, PLC 기반 시스템 등과 같은 보다 복잡한 제어 시스템도 사용될 수 있다.

이제 도 6 내지 도 16을 참조하여, 본 발명의 다른 양태에 따른 실시예와 그 사용법을 기술한다. 도 6은 본 발명의 많은 양태를 포함하고 있는 이동식 시추/서비스 리그(100)인 바람직한 실시예를 보여준다. 이동식 리그(mobile rig)(100)는 특정 유정 위치 또는 장소에 차로 또는 트레일러로 운반될 수 있고, 그곳에서 유정 위치(예컨대, 정두)에 걸쳐 놓이도록 지지되어 유정 위치에 대해 적절히 정렬된다. 트레일러의 차축 및 차륜은 유정의 지하층 또는 다른 유정 구조의 외벽을 닿지 않고 통과하도록 충분한 간격을 갖게 설계 및 구성되는 것이 바람직하다. 이동식 리그의 하부 구조는 약 441,000 lb_f(200 톤)의 회전 부하를 지지하도록 구조용강으로 제조될 수 있고, 시추층과 동일한 평면에 있도록 세팅된 회전 테이블을 수용할 수 있다. 이와 동시에 또는 거의 동시에, 동력 및 제어 기능을 제공하는 이동식 보조 시스템(도시 생략)이 현장에 옮겨져 적절하게 연결될 수 있다.

도 7은 이동식 리그(100)의 단부도로서, 이동 위치로부터 수평 또는 작업 위치까지 하강한 우측의 상부 리그 플로어 섹션(102)과 하부 리그 플로어 섹션을 보여준다. 또한, 좌측 플로어 섹션(106, 108)은 소정 위치로 하강되어, 모든 섹션이 예컨대 핀(110)에 의해 소정 위치에 고정된다. 다양한 기구를 사용하여 플로어 섹션을 소정 위치로 하강시킬 수 있다(그리고 이동을 위해 플로어 섹션을 상승시킬 수 있다). 상기 다양한 기구로는 유압 실린더, 케이블 시스템, 또는 수동 잭 등을 들 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 도 7에 도시된 실시예에서는, 하나 이상의 기둥 트럭(도시 생략)을 사용하여 플로어 섹션을 작업 위치를 향해 하강시킨다. 이동식 리그(100)가 차륜(112)을 구비하는 경우, 하부 리그 플로어(114)의 바 닥이 지면 또는 그 밖의 적절한 토대 상에 안착되도록, 차륜을 집어넣거나 분리할 수 있다. 좌우 섹션(106, 102) 및 중앙 섹션(116)을 포함하는 상부 리그 플로어는 레벨 표시기를 포함하고, 필요에 따라 상부 리그 플로어는 예컨대 시밍(shimming)에 의해 수평이 맞춰진다. 차륜(112)을 집어넣기 이전에 상기 하부 리그 플로어를 적정 위치로 하강시켜 고정시키는 것이 유익한 것은 물론이다.

도 8은 이동식 리그(100)와 함께 사용하기에 적합한 접이형 마스트(118)를 보여준다. 운반 중에, 마스트의 상부 섹션은 하부 섹션 내부에 고정될 수 있다. 현장에서 마스트(118)는 유압 윈치와 와이어 라인 시스템(도시 생략)의 사용을 통해 신장될 수 있다. 이동식 리그(100)의 하부 플로어 섹션에 핀으로 고정된 4곳의 하부 연결 지점(120) 중 2곳에 마스트(118)가 도시되어 있다. 접이형 마스트(118)는 예컨대 도 8에 도시된 트랙터(이에 한정되는 것은 아님) 등과 같은 다양한 수단에 의해 신장될 수 있고, 소정 위치에, 그 중에서도 핀에 의해 고정될 수 있다. 도 9는 접이형 마스트(118)의 다른 도면으로서, 리그의 시추 플로어에서 35 피트로 전개되고 클리어 훅의 높이가 약 55 피트이도록 설계될 수 있다는 것을 보여준다. 리그의 전방에는 크라운이 외팔보처럼 돌출해 있다. 크라운은 유정의 중앙으로부터 하부 리그 플로어의 가장자리로 이동할 수 있는 능력을 가진 하나 이상의 호이스트, 바람직하게는 100 톤의 호이스트를 수용할 수 있다. 마스트(118)는 하부 섹션(150, 152)과 상부 섹션(154, 156)으로 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 회전 시스템은 마스트(118)의 풋 프린트(footprint) 내부에서 회전할 것이다.

도 10a 및 도 10b에서, 접이형 마스트(118)는 이동식 리그(100)에 대하여 소 정 위치로 상승되어 있다. 마스트(118)는 2개의 복동형 3단 유압 실린더를 비롯한 당업계에 잘 알려진 다양한 시스템에 의해, 수직 위치로 상승될 수 있고 수평 위치로 하강될 수 있다. 양 유압 장치에 대한 제어부는 마스트(118)의 베이스 섹션 부근에 위치하는 작업자 조작 패널에 배치될 수 있다. 마스트(118)의 상단 섹션은 하부 섹션에 걸린다. 추가적인 안전 요소로서, 수동 안전 록이 마련될 수 있다. 래치는 지면 위치에서 적절히 기능하고 있음을 쉽게 시각적으로 확인하게 해준다. 추가적인 안전 요소로는, 리그의 업 또는 다운 중에 유압 시스템에 있어서 고장이 발생한 경우 마스트의 하강 속도를 제어하는 상승 실린더의 오리피스를 들 수 있다.

도 11은 마스트(118)와 함께 사용하기에 적합한 마스트 바닥(134)을 보여준다. 이 마스트 바닥은 복수 개의 힐만 롤러(Hillman roller)(136)를 포함한다. 힐만 롤러(136)는 수축 및 하강 위치를 갖고, 이 하강 위치에서 힐만 롤러는 마스트(118)가 하부 리그 플로어에 대해 이동하거나 또는 구르는 것을 허용한다. 마스트(118)의 이동은, 예를 들면 유압 혹은 전기 모터나 드로 웍스 시스템(draw works system)에 의해 수행될 수 있다. 마스트(118)의 이동을 추적하거나 및/또는 마스트의 이동을 제한하기 위해, 인코더 및/또는 리미트 스위치를 이용할 수 있다.

도 12a는 상부 플로어(102, 106 및 116)가 복수 개의 레그(122)에 의해 하부 플로어에 피벗 연결되어 있는 것을 보여준다. 상부 플로어는, 윈칭 작업 등에 의해 소정 위치로 피벗되고, 핀으로 고정된다. 예컨대, 마스트(118)는 상부 플로어를 소정 위치로 윈칭하는데 사용될 수 있다. 필요에 따라 추가적인 지주를 사용하 여 상부 플로어를 지지할 수 있다. 레그(122)는 지면 또는 하부 리그 플로어로부터 약 27 피트의 수직 간극을 제공하는 것이 바람직하다. 상부 플로어는 길이가 약 39 피트이고 폭이 약 39 피트인 풋 프린트를 갖는다. 도시된 바와 같이, 릴 어셈블리(12)와 턴테이블(10)은 마스트(118)의 풋 프린트 내에서 회전하도록 되어 있다.

도 13은 이동식 리그(100)에 전달된 릴 어셈블리(124)를 보여준다. 릴 어셈블리(124)는 코일 튜브(14)를 구비하는 릴(28)과, 지지 구조(16)와, 베이스(18)와, 코일 튜브 인젝터 헤드(22), 그리고 평형추(26)를 포함한다(예컨대, 도 2 참조). 릴 어셈블리 트레일러 상의 유압 실린더는, 릴 어셈블리(124)를 마스트(118)에 대해 상승 및 위치 설정하는 데 사용될 수 있다. 별도의 인젝터 턴테이블(60)을 이용하는 시스템의 실시예의 경우에, 인젝터 헤드(22)가 전술한 바와 같이 릴 어셈블리(124)의 구성 요소일 수도 있고 아닐 수도 있음은 물론이다.

도 14는 접이형 마스트(118)에 의해 상부 리그 플로어 위로 상승되어 있는 릴 어셈블리(124)를 보여준다. 릴 어셈블리(124)를 상승시키는 데 다양한 수단이 이용될 수 있지만, 마스트 윈치(150)를 이용하여 릴 어셈블리를 상부 플로어에 대해 상승시키는 것이 바람직하다.

도 15는 릴 어셈블리(124)를 턴테이블 어셈블리(128) 상의 장착 패드(126)에 대해 중심에 놓도록 마스트(118)를 이동시킨 것을 보여준다. 바람직한 실시예에서, 각 마스트(118)는 이중 윈치 드럼을 구비한다. 한쪽 드럼에서는 케이블이 반시계 방향으로 급송되고 다른쪽 드럼에서는 케이블이 시계 방향으로 급송된다. 매 여있지 않은 케이블 단부는 리그 플로어 상의 마운트에 부착된다. 마스트 바닥(134)은 유압에 의해 상승 및 하강되는 힐만 롤러(136)(도 11 참조)를 포함한다. 하강시, 마스트(118)를 원하는 방향으로 이동시키도록 이중 윈치 드럼에 에너지를 공급할 수 있다. 별법으로서, 랙 앤 피니언 시스템, 체인 시스템, 유압 실린더 또는 그 밖의 유사 장치가 마스트(118)를 이동시킬 수 있다.

도 16에서, 릴 어셈블리(124)는 소정 위치로 하강된 후, 턴테이블 어셈블리(128) 상의 장착 패드(126)에 핀으로 고정되어 있다. 인젝터 헤드(22)를 유정 위치의 중심선(130) 상의 소정 위치로 왕복 이동시키는 것에 의해, 릴 어셈블리(124)는 이동 상태에서 해제된다. 인젝터 헤드는 트랙 상에 장착되고, 유압 실린더, 케이블 및 드럼, 또는 그 밖의 유사 장치에 의해 이동된다. 인젝터 헤드(22)가 그 자체의 턴테이블(60)에 결합되어 있는 실시예의 경우, 인젝터는 인젝터 턴테이블(60) 상의 소정 위치로 이동되어 인젝터 턴테이블에 대해 결합될 수 있다. 또한, 평형추(26)는 턴테이블 어셈블리(128) 상에서 릴(28)의 반대편에 배치된다. 또한, 제어 하우스(132)는 소정 위치로 미끄러져 가거나 또는 굴러간다. 바람직한 실시예에서, 힐만 롤러는 제어 하우스를 소정 위치로 이동시키는 것을 돕기 위해 제어 하우스에 사용된다. 일단 릴 어셈블리가 적소에 위치하면, 접이형 마스트(118)는 이동식 리그(100)의 전방부로 되돌아갈 수 있다.

도 1 내지 도 16은 회전하는 코일 튜브를 이용하여 유정을 시추하거나 및/또는 서비스하는 개량된 시스템이 개시되어 있지만, 세부 구조 중 복잡한 사항은 본 명세서에 기재되어 있지 않았으며, 본 명세서를 읽은 당업자라면 이러한 개량된 시 스템이 어떻게 설계되고 실시되는가를 쉽게 알 것이다. 코일을 양 방향에 있어서 최대 약 20 RPM 또는 그 이상으로 회전시키는 능력을 갖는 코일 튜브 시추의 이점을 통합한 개량된 코일 튜브 시스템을 출원인이 만들었다는 것은 물론이다. 본원에 개시된 개량된 시스템은 오버 밸런스 유정 또는 언더 밸런스 유정에 사용될 수 있다. 언더 밸런스 유정에 대해서는, 2002년 LEAding Edge Advantage, Ltd의 "Introduction to Underbalanced Drilling"의 개시 내용에 나와 있는데, 이 참조 문헌의 사본은 www.lealtd.com에서 구할 수 있고, 그 내용이 본원에 여러 목적으로 인용되어 있다.

통상의 스너빙 유닛은, 실질적으로 그 자체로도 충분하며 언더 밸런스 유정 및 오버 밸런스 유정 모두를 준비 및 완성할 수 있는 개량된 시스템을 만드는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 소정 위치에 도착시 대략 6시간 내에 채비되어 작동 가능한 상태가 될 수 있다. 코일 튜브가 회전하기 때문에, 개량된 시스템은 마찰 록업, 구멍 세척 문제 및 비트의 이송을 위한 추에 의해 덜 제한받을 것이다. 또한, 기존의 또는 통상의 시추 공저 어셈블리(BHA) 기술을 사용하여 본 발명의 시스템에 큰 유익을 제공할 수 있다. 예컨대, 상기 개량된 시스템은 통상의 코일 튜브 시추 작업과 동일한 크루 크기를 이용하는 동시에 통상의 조인트식 파이프 리그보다 4배 빠르게 감아 올릴 수 있는 것으로 고려된다. 개량된 시스템은 기존 또는 통상의 언더 밸런스 분리 유닛과 함께 사용할 수 있고, 아마도 완전 일체형의 이동식 언더 밸런스 시추(UBD) 시스템과 함께 사용하면 가장 효과적일 것이다.

언더 밸런스 용례에서, BHA는 통상의 윤활제를 이용하여 전개될 수 있다. 다양한 시추 용례에 대해서 머드 펄스 기술 또는 EMWD(electro-magnetic while drilling) 옵션을 이용하는 회전 조향 가능한 시스템에는, 터빈을 통한 표준 포지티브 용량형 모터 용례로부터의 많은 BHA 옵션이 이용 가능하다.

실제로, BHA의 코일 튜브에 대한 접속이 이루어지고 압력이 시험되는 것으로 고려된다. 그 후, BHA가 유정에 넣어져 시추가 시작될 것이다. 튜브의 회전이 필요한 경우, 코일 튜브의 릴과 나아가 유정에 있어서의 코일 튜브는 필요에 따라 최대 약 20 RPM 이상으로 회전될 수 있다. 그 후, 응답 토크가 문제시되면 릴은 또한 반대 방향으로 회전될 수 있다. 소정 방향의 시추가 실시되는 동안에, 릴의 회전을 중단하여 완만한 궤적을 그리며 필요한 변경을 달성하는 것을 돕고, 필요한 보정이 달성되면 그 후에 탄젠트 방향 섹션을 시추할 수 있다. 조인트식 접속을 만들지 않고도 트리핑 및 시추가 모두 수행될 수 있으므로, 정상 상태의 다운홀 압력 조건이 유지되고, 다운홀 압력의 전이가 저장조를 잠재적으로 손상시키는 것과 언더 밸런스 시추의 이점을 무효화하는 것을 방지한다.

유정으로부터 감아올려지는 동안에, 시스템은 유정의 청소를 돕고 파이프 고착 가능성을 줄이기 위해 슈우(shoe)로 되돌아가는 접속을 형성하거나 끊지 않으면서, 연속적으로 백 리밍할 수 있다. 비트가 슈우에 위치하면, 튜브의 회전이 필요에 따라 중단되어, 비트의 손상을 방지할 수 있고, 코일 튜브는 언더 밸런스 조건을 유지하면서 표면까지 트립된다. BHA는 복원될 수 있고, 시스템은 리그의 다운 프로세스를 시작하거나 리그 프로그램이 지시하는 바에 따라 유정을 다시 완성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 통상의 BHA 및 머드 모터 이외에도 통상의 코일 튜브 및 회전 조향 가능한 어셈블리에 사용될 수 있다. 다양한 BHA 또는 옵션의 사용 능력은, 코일 튜브 BHA에 의해 시추된 기존의 유정에서 현재 발견되고 있는 사인파 진동을 감소시키는 능력을 본 발명에 제공한다. 또한, 본 발명은 다운홀 시추, 로깅, 피싱, 유기, 채굴 및 그 밖의 공구 또는 공정의 모든 방식에 사용될 수 있다. 또한, 코일 튜브는 시추 비트/모터의 회전의 반대 방향으로 회전하여, 튜브에 의해 응답되는 시추 토크의 양을 감소시킬 수 있고, 유정 내에서 튜브의 사인파 진동을 유익하게 감소시킬 수 있다.

바람직한 그 밖의 실시예에 대한 전술한 설명은 출원인이 품은 본 발명의 개념의 범위 또는 응용 가능성을 제한하거나 한정하려는 것이 아니다. 본원에 포함된 본 발명의 개념을 개시하는 대신에, 출원인은 첨부된 청구 범위에 의해 주어지는 모든 특허권을 희망한다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 이하의 청구 범위의 범위 내에 있는 모든 수정예 및 변형예와 그 등가물을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

코일 튜브(coiled tubing)에 의해 언더밸런스 또는 오버밸런스 상태의 유정을 시추하고 서비스하기 위한 시스템으로서,

베이스를 플로어에 회전 가능하게 고정하는 베어링 시스템을 구비하는 회전 가능한 베이스;

베이스의 둘레 근처에 위치되어 있는 릴 어셈블리로서, 코일 튜브의 릴을 지지하도록 되어 있는 지지 구조체를 구비하고, 이 지지 구조체는 코일 튜브가 릴에 감기거나 릴로부터 풀릴 때에 코일 튜브를 유정과 정렬하는 정렬 시스템을 구비하는 릴 어셈블리;

릴 어셈블리 근처에서 유정과 정렬되게 배치되는 코일 튜브용 인젝터 헤드;

릴 어셈블리와 실질적으로 반대측에서 베이스 상에 위치하고, 코일 튜브가 릴에 감기거나 릴로부터 풀릴 때에 회전 가능한 베이스의 밸런스를 유지하도록 릴 어셈블리를 향해 그리고 릴 어셈블리로부터 멀어지게 이동할 수 있는 카운터밸런스 어셈블리;

베이스를 회전시켜 유정 내의 코일 튜브에 토크를 전달하는 기동 시스템

을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 인젝터가 결합되는 회전 가능한 제2 베이스를 더 포함하며, 회전 가능한 제1 베이스와 회전 가능한 제2 베이스는 서로 상대 회전할 수 있는 것 인 시스템.
제2항에 있어서, 유정 내의 튜브에 작용하는 토크의 크기를 측정하도록 되어 있는 토크 측정 시스템을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 정렬 시스템은 코일 튜브가 풀릴 때에 릴을 유정을 향하여 이동시키는 제1 세트의 하나 이상의 유압 실린더와, 코일 튜브가 풀릴 때에 릴을 유정에 대하여 병진 이동시키는 제2 세트의 하나 이상의 유압 실린더를 포함하는 것인 시스템.
제2항에 있어서, 상기 인젝터 헤드는, 유정의 중심선에 대한 코일 튜브의 방위를 검출하고, 코일 튜브를 다시 정렬시키도록 정렬 시스템을 기동시키기 위한 하나 이상의 신호를 발생시키는 트랜스듀서 시스템을 구비하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기동 시스템은 베이스에 결합된 링 기어와 맞물리는 하나 이상의 유압 모터를 구비하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기동 시스템은 베이스를 약 0 내지 20 rpm의 속도로 회전시키고, 코일 튜브에 약 13,000 foot-lbf에 이르는 토크를 발생시키는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 플로어는 진행을 위해 재위치 설정되도록 되어 있는 복수의 섹션을 구비하는 것인 시스템.
제8항에 있어서, 가동 리그(mobile rig)를 더 포함하는 시스템.
코일 튜브에 의해 언더밸런스 또는 오버밸런스 상태의 유정을 시추하고 서비스하기 위한 시스템으로서,

하부와, 이 하부의 위쪽에 간격을 두고 있는 상부를 구비하는 플랫폼 어셈블리;

유정의 축과 실질적으로 일치하는 회전축을 갖고, 상부 플랫폼 상에 배치되며, 베이스를 상부에 회전 가능하게 고정하는 베어링 시스템을 구비하는 회전 가능한 제1 베이스;

제1 베이스에 배치되는 릴 어셈블리로서, 코일 튜브의 릴을 지지하도록 되어 있는 지지 구조체를 구비하며, 이 지지 구조체는 코일 튜브가 릴에 감기거나 릴로부터 풀릴 때에 코일 튜브를 유정에 대하여 적어도 두 방향으로 정렬하는 정렬 시스템을 구비하는 것인 릴 어셈블리;

유정의 축과 실질적으로 일치하는 회전축을 갖는 회전 가능한 제2 베이스에 배치되며, 제1 베이스와 상대 회전할 수 있는 코일 튜브용 인젝터;

릴 어셈블리와 실질적으로 반대측에서 회전 가능한 제1 베이스 상에 위치하 고, 코일 튜브가 릴에 감기거나 릴로부터 풀릴 때에 회전 가능한 제1 베이스의 밸런스를 유지하도록 릴 어셈블리를 향해 그리고 릴 어셈블리로부터 멀어지게, 릴 어셈블리에 대하여 옆으로 이동할 수 있는 카운터밸런스 어셈블리;

제1 베이스를 회전시켜 유정 내의 코일 튜브에 토크를 전달하는 기동 시스템

을 포함하는 시스템.
제10항에 있어서, 회전 가능한 제1 베이스와 제2 베이스 사이의 토크 차이의 크기를 측정하도록 되어 있는 토크 측정 시스템을 더 포함하는 시스템.
제10항에 있어서, 상기 인젝터는, 유정의 축선에 대한 코일 튜브의 방위를 검출하고, 코일 튜브를 다시 정렬시키도록 정렬 시스템을 기동시키기 위한 하나 이상의 신호를 발생시키는 트랜스듀서 시스템을 구비하는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 상기 기동 시스템은 베이스에 결합된 링 기어와 맞물리는 하나 이상의 유압 모터를 구비하는 것인 시스템.
제13항에 있어서, 상기 기동 시스템은 베이스를 약 0 내지 20 rpm의 속도로 회전시키고, 코일 튜브에 약 13,000 foot-lbf에 이르는 토크를 발생시키는 것인 시스템.
제10항에 있어서, 가동 리그를 더 포함하는 시스템.
제15항에 있어서, 상기 플로어는 진행을 위해 재위치 설정되도록 되어 있는 복수의 섹션을 구비하는 것인 시스템.
유정을 중심으로 정향된 플로어 어셈블리를 제공하는 단계;

플로어와 결합되고, 유정의 축과 실질적으로 정렬된 회전축을 가지며, 코일 튜브용 릴 어셈블리와 카운터밸런스 어셈블리를 구비하는 제1 회전 구조체를 제공하는 단계;

제1 플로어와 결합되고, 유정의 축과 실질적으로 정렬된 회전축을 가지며, 튜브용 인젝터를 구비하는 제2 회전 구조체를 제공하는 단계

를 포함하는 유정 시추 또는 서비스 방법.
제17항에 있어서, 상기 유정은 언더밸런스 상태인 것인 유정 시추 또는 서비스 방법.
제17항에 있어서, 상기 유정은 오버밸런스 상태인 것인 유정 시추 또는 서비스 방법.
제17항에 있어서, 제1 회전 구조체와 제2 회전 구조체 사이의 임의의 토크 차이를 측정하는 단계를 더 포함하는 유정 시추 또는 서비스 방법.