KR20090128094A - 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 관한 것으로서, 유정에 저장되어 있는 해저자원을 시추하기 위하여 전진 설치되는 케이싱 파이프와, 케이싱 파이프의 내부를 따라 설치되며 하단에 드릴 비트와 드릴 비트를 회전시키기 위한 드릴 모터가 구비된 드릴 파이프와, 드릴 파이프의 외주연을 따라 하나 이상 설치되어 배출되는 저밀도의 머드와 회수되는 고밀도 머드를 혼합시켜서 머드의 밀도가 조절되어 순환되도록 돕는 머드튜브와, 각 머드튜브에 저밀도의 머드를 공급하는 압력펌프를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 고밀도의 머드가 회수되는 과정에서 드릴 파이프의 외주연에 배치된 머드튜브를 통하여 배출되는 저밀도의 머드와 고밀도의 머드가 혼합되어 시추홀의 압력이 유지되고, 케이싱 파이프의 도움 없이도 머드를 안전하게 순환시킬 수 있다. 즉, 케이싱 파이프의 포인트가 줄어들어 생산성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 드릴 파이프를 연질의 튜브 형태로 제작하여 실제 드릴 파이프들간의 체결과 관련된 작업의 손실을 보상하며, 시추선 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능하여 저장 공간을 절약할 수 있는 효과가 있다.

시추, 머드, 밀도, 케이싱 파이프, 드릴 파이프

Description

머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치{APPARATUS FOR DRILLING HAVING ADJUSTING MUD DENSITY}

본 발명은 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 유정탑(single derrick) 또는 다중 유정탑(double derrick)이 장착되어 근해 탐사시추를 수행하기 위한 시추 장치에 있어서 순환되는 머드의 밀도를 조절하여 케이싱 파이프의 포인트를 감소시킬 수 있는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 시추(試錐)는 지층의 구조나 성상을 알기 위하여 지각(地殼) 속에 지름이 작은 구멍을 뚫는 일로서, 지각 내부의 여러 지식을 얻기 위하여, 또는 석유 ·천연가스, 온천 ·지하수 등을 채취하기 위하여 이루어진다.

사용 목적에 따라 규모도 여러 가지가 있는데 길이는 수m ~ 수천m, 지름은 수mm ~ 수십cm에 이르는 것이 있다. 오늘날은 수직 갱도로 사용할 목적으로 지름 수m에 이르는 대규모의 시추도 실시된다.

굴착 방법에 따라 분류하면, 드릴 비트에 충격을 주어 암석을 파쇄하여 천공하는 충격식과, 철관(파이프) 끝에 다이아몬드·초경합금을 끼워 넣은 비트를 암석 면에 대하여 누르면서 회전시켜 구멍을 뚫는 회전식이 있다. 세계적으로 가장 깊은 시추구멍은 미국의 유전지대에서 천공된 8,000m에 달하는 것이다.

전통적인 드릴링 방식에 따르면, 시추구멍이 깊어질수록 드릴 비트의 직경이 점점 작아지고, 구멍을 보호하고 지탱하는 케이싱 포인트 역시 증가하게 된다. 이는 근해를 너머 심해 시추의 경우에, 수많은 케이싱으로 인한 드릴쉽 부하의 증가를 야기시킨다. 또한 케이싱 포인트의 증가로 인한 비효율적인 시간소모와 에너지의 낭비를 가져오게 된다.

이는 심해 시추선의 성능 향상을 위하여 효율적인 케이싱의 사용 및 공간의 절약을 위한 방법들이 요구되는 중요한 배경이 된다.

도 1에서는 종래의 일반적인 시추 드릴링 과정을 개략적으로 도시한 단면도이다.

드릴쉽 즉, 해상에 부유되어 있는 원유 시추선(1)으로 부터 라이저(riser:10)와, 케이싱 파이프(20)와, 다양한 직경의 시추 스트링이 시추에 이용된다.

시추선(1)과 해저 사이는 라이저(10)로 연결되고, 라이저(10)의 단부에 드릴 비트(40)가 땅속의 가스전을 잘못 건드릴 경우 가스가 배까지 올라와 폭발하는 것을 방지하는 BOP(12)가 설치된다. BOP(12)는 해저로부터의 가스 분출 시 시추공의 입구를 봉쇄함으로써, 시추선에서의 인명피해를 방지하는 것이다.

그리고 해저 바닥(sea bed) 아래의 암반에 위치하는 유정(well)에 저장되어 있는 해저자원을 시추하기 위하여 케이싱 파이프(20) 및 드릴 파이프(30)를 전진시 키게 된다.

케이싱 파이프(20)는 드릴 파이프(30)를 유정까지 전진시키기 전에 미리 해저 바닥까지 전진되는 부재로서, 드릴 파이프(30)가 해수에 노출되는 것을 방지하고, 케이싱 파이프(20)가 설치되면 케이싱 파이프(20) 내부로 드릴 파이프(30)가 유정까지 하향 전진된다.

이와 같이 케이싱 파이프(20)를 해저 바닥까지 하향 전진시키거나, 드릴 파이프(30)를 유정까지 전진시킬 경우, 길게 연결된 케이싱 파이프(20)나 드릴 파이프(30)를 하향 전진시키는 것이 아니라 짧은 길이의 케이싱 파이프(20)들이나 드릴 파이프(30)를 연결하여 하향 전진시킨다.

그리고 드릴 파이프(30)의 단부에는 시추 깊이에 따라 각기 다른 직경으로 장착되는 드릴 비트(40)가 설치되며, 드릴 비트(40)에 회전 동력을 전달하기 위한 드릴 모터(32)가 드릴 파이프(30)상에 설치된다.

그리고 시추선(1)에는 시추 후의 암석 또는 머드들을 케이싱 파이프(20)과 드릴 파이프(30)의 외부를 통해 이송시키며, 머드를 시추 깊이에 적합한 압력으로 드릴 파이프(30)로 전달하는 공급펌프(2)가 설치된다.

따라서 시추 과정은, 공급펌프(2)를 통한 머드 압력이 드릴 파이프(30)의 내부를 따라 이동되어 직진성을 가지고서 전달되는 유압 동력과, 드릴 모터(32)에 의한 회전력을 통해 드릴 비트(40)가 시추를 진행하게 된다. 그리고 시추 과정에서의 암석과 머드 들은 케이싱 파이프(20)와 드릴 파이프(30)의 외부를 통해 이송시키며, 시추 홀의 압력을 적절히 유지시키면서 포메이션(formation)이 붕괴되지 않도 록 조절되면서 시추가 진행된다.

여기서 위와 같은 종래의 시추 과정에서 설명한 바와 같이, 드릴링 머드는 드릴 비트에 유압동력을 전달하고 시추 후의 암석들을 케이싱 파이프와 드릴 파이프의 사이를 통해 이송시키며, 특히 도 2의 그래프에서와 같이 시추홀 주변의 포어압력(PORE PRESSURE)과 파괴압력(FRACTURE PRESSURE)사이에서 시추홀을 안정적으로 유지시켜 케이싱 파이프가 설치되어 있지 않은 시추홀 부분이 붕괴되거나 또는 블로우 아웃(blow out)과 같은 치명적인 사고가 발생되는 것을 막는 역할을 한다.

그런데, 종래와 같이 일정한 밀도의 머드를 가지고 순환시키게 되면, 무거운 머드로 인하여 드릴링 속도(DRILLING RATE)가 감소되고, 고밀도의 머드로부터 시추홀을 안정화시키기 위하여 보다 많은 수의 케이싱 파이프가 필요하게 된다. 이는 생산성을 저하시키는 매우 중요한 문제점이었다.

따라서 본 발명에서는, 케이싱 파이프의 내부에서 유정을 시추하는 드릴 파이프의 외주연에 일정한 밀도를 가지는 머드튜브들을 힘의 평형이 유지되도록 배치함으로써, 밀도가 큰 머드가 회수되는 과정에서 머드튜브를 통하여 배출되는 저밀도의 머드와 고밀도의 머드가 혼합되어 시추홀의 압력이 유지되고, 결국 케이싱 파이프의 도움 없이도 머드를 안전하게 순환시킬 수 있는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는, 드릴 파이프를 연질의 튜브 형태로 제작하여 실제 드릴 파이프들간의 체결과 관련된 작업의 손실을 보상하며, 시추선 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능하여 저장 공간을 절약할 수 있는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 있어서, 유정에 저장되어 있는 해저자원을 시추하기 위하여 전진 설치되는 케이싱 파이프와, 케이싱 파이프의 내부를 따라 설치되며 하단에 드릴 비트와 드릴 비트를 회전시키기 위한 드릴 모터가 구비된 드릴 파이프와, 드릴 파이프의 외주연을 따라 하나 이상 설치되어 배출되는 저밀도의 머드와 회수되는 고밀도 머드를 혼합시켜서 머드의 밀도가 조절되어 순환되도록 돕는 머드튜브와, 각 머드튜브에 저밀도의 머드를 공급하는 압력펌프를 포함하는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치를 제공한다.

그리고 바람직하게 드릴 파이프와 머드튜브는, 연질의 재질로 하여 일체로 이어지도록 구성되어 시추선 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능하다.

그리고 각 머드튜브는, 포메이션 압력에 해당하는 머드의 밀도보다 작은 밀도로 머드가 순환되도록 한다.

또한, 각 머드튜브는, 드릴 파이프의 축방향을 따라 길이가 서로 상이하게 설치되며, 길이가 상이한 각 머드튜브에 연결되는 압력펌프에서는 서로 다른 밀도의 머드를 공급하여 회수되는 머드의 밀도를 조절할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에서의 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 따르면, 고밀도의 머드가 회수되는 과정에서 드릴 파이프의 외주연에 배치된 머드튜브를 통하여 배출되는 저밀도의 머드와 고밀도의 머드가 혼합되어 시추홀의 압력이 유지되고, 케이싱 파이프의 도움 없이도 머드를 안전하게 순환시킬 수 있다. 즉, 케이싱 파이프의 포인트가 줄어들어 생산성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 드릴 파이프를 연질의 튜브 형태로 제작하여 실제 드릴 파이프들간의 체결과 관련된 작업의 손실을 보상하며, 시추선 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능하 여 저장 공간을 절약할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에서의 A-A선 평단면도이다.

도 3에 도시된 시추 드릴링 장치는, 해상에 부유되어 있는 원유 시추선(100)이 라이저(110)로 하여 해저에 연결하고, 라이저(110)의 단부에는 드릴 비트(146)가 땅속의 가스전을 잘못 건드릴 경우 가스가 배까지 올라와 폭발하는 것을 방지하는 BOP(120)가 설치된다.

그리고 해저 속으로는 직경이 큰 케이싱 파이프(130)부터 차례로 위치되고, 케이싱 파이프(130)의 내측으로 시추선(100)부터 연결되는 드릴 파이프(140)가 설치된다.

시추선(100)으로부터 이어지는 드릴 파이프(140)의 입구부측에는 처리된 머드의 공급이 이루어지는 공급펌프(142)가 설치되고, 드릴 파이프(140) 상에는 드릴 모터(144)가 설치되며, 드릴 모터(144)에 의해 회전되어 시추 진행하는 드릴 비트(146)가 단부에 설치된다.

그리고 드릴 파이프(140)의 외주연을 따라 머드튜브(150)가 하나 이상 설치된다.

여기서 드릴 파이프(140)와 머드튜브(150)는, 바람직하게 연질의 재질로 하여 일체로 이어지도록 구성되어 시추선(100) 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능하다.

각 머드튜브(150)는 드릴 파이프(140)의 외주연을 따라 설치되되, 각각 일정 직경을 가지고서 드릴 파이프(140)의 축방향을 따라 설치되고, 배출되는 저밀도의 머드와 회수되는 고밀도 머드를 혼합시켜서 머드의 밀도가 조절되어 순환되도록 돕게 된다.

그리고 이들 머드튜브(150)를 통하여 밀도 조절은 예시된 실시예들을 통하여 이루어지며, 그 일예로 도 3에서와 같이 드릴 파이프(140)의 축방향을 따라 이어지는 각 머드튜브(150)의 길이가 서로 상이하게 설치되며, 이들 길이가 상이한 각 머드튜브(150)에 각기 다른 머드 압력을 가지고서 머드를 공급할 수 있는 압력펌프(160)가 설치된다.

이와 같은 구조로 이루어진 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치의 작용은 다음과 같이 이루어진다.

공급펌프(142)를 통한 머드 압력이 드릴 파이프(140)의 내부를 따라 이동되어 직진성을 가지고서 전달되는 유압 동력과, 드릴 모터(144)에 의한 회전력을 통해 드릴 비트(146)가 시추를 진행하게 된다. 그리고 시추 과정에서의 암석과 머드 들은 케이싱 파이프(130)와 드릴 파이프(140)의 외부를 통해 이송된다.

이때, 시추 깊이가 깊어질수록 머드는 압력 등에 의해 고밀도를 가지게 되며, 이 고밀도의 머드가 계속 순환되어 회수되는 과정에서 케이싱 파이프(130)가 설치되어 있지 않은 시추홀을 파괴할 수 있기 때문에 이를 방지하고자 더 많은 케이싱 파이프(130)가 필요하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 드릴 파이프(140)에 저밀도의 머드를 배출하는 머드튜브(150)를 근접 설치함으로써 케이싱 파이프(130)의 도움 없이도 시추홀의 손상없이 계속되는 시추 작업이 가능하다.

일실시예로서 예컨대, 도 4에 도시된 각 머트튜브(150)를 3개 내지 4개의 군으로 분류하고, 이들 군 중에서 드릴 비트(146)와 가장 근접하는 군(150a)에는 가장 큰 고밀도의 머드를 만나므로 가장 작은 저밀도 압력의 머드를 공급하여 혼합을 유도하고, 차례로 다음 길이를 가지는 군(150b)(150c)에서는 밀도를 조금씩 높여서 배출함으로써, 고밀도의 머드와 저밀도의 머드를 효과적으로 혼합하여 회수하고, 혼합되어 회수된 머드는 재처리되어 공급펌프(142)를 통하여 순환된다.

이때, 각 머드튜브(150)는, 포메이션 압력에 해당하는 머드의 밀도보다 작은 밀도로 머드가 순환되도록 한다.

그리고 각 군에 연결되는 압력펌프(160)에서는 시추 깊이에 따라 계산된 압력값에 따라 적합한 저밀도의 머드를 공급하게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 대하여 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어 남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1에서는 종래의 일반적인 시추 드릴링 과정을 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 2는 시추 깊이에 따른 드릴 머드의 압력을 보여주는 그래프이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치의 구성도이고,

도 4는 도 3에서의 A-A선 평단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 시추선 110 : 라이저

120 : BOP 130 : 케이싱 파이프

140 : 드릴 파이프 142 : 공급펌프

144 : 드릴 모터 146 : 드릴 비트

150 : 머드 튜브(Mud Tube) 160 : 압력펌프

Claims (4)

1. 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치에 있어서,

   유정에 저장되어 있는 해저자원을 시추하기 위하여 전진 설치되는 케이싱 파이프와,

   상기 케이싱 파이프의 내부를 따라 설치되며 하단에 드릴 비트와 상기 드릴 비트를 회전시키기 위한 드릴 모터가 구비된 드릴 파이프와,

   상기 드릴 파이프의 외주연을 따라 하나 이상 설치되어 배출되는 저밀도의 머드와 회수되는 고밀도 머드를 혼합시켜서 머드의 밀도가 조절되어 순환되도록 돕는 머드튜브와,

   상기 각 머드튜브에 저밀도의 머드를 공급하는 압력펌프

   를 포함하는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 드릴 파이프와 상기 머드튜브는, 연질의 재질로 하여 일체로 이어지도록 구성되어 시추선 상에 릴처럼 묶어서 보관이 가능한 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 머드튜브는, 포메이션 압력에 해당하는 머드의 밀도보다 작은 밀도 로 머드가 순환되도록 하는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 머드튜브는, 상기 드릴 파이프의 축방향을 따라 길이가 서로 상이하게 설치되며, 길이가 상이한 상기 각 머드튜브에 연결되는 상기 압력펌프에서는 서로 다른 밀도의 머드를 공급하여 회수되는 머드의 밀도를 조절할 수 있는 머드 밀도 조절 가능한 드릴링 장치.

Images