KR20100042634A - 기반암에 구멍을 드릴링하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 암석 드릴링 장치로 암석에 구멍을 드릴링하는 방법 및 암석 드릴링 기구에 관한 것으로, 여기서 암석 드릴링 장치는, 피드 빔 (1), 그 피드 빔 (1) 을 따라 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴 (2), 암석 드릴 (2) 에 의해 회전되도록 연결된 드릴 로드 (3), 드릴 로드 (3) 의 단부에 있는 드릴 비트, 및 피드 빔 (1) 의 암석측 단부에 위치되며 드릴링 동안 암석에 대항하여 밀리게 되는 전방 지지부 (6) 를 포함한다. 상기 방법에서, 드릴링 시작시에, 드릴 비트 (4) 가 피드 빔 (1) 의 횡방향으로 이동하여, 드릴 로드가 구부러지는 경우, 피드 빔 (1) 이 피드 빔 (1) 의 횡방향으로 전방 지지부 (6) 에 대해 이동된다. 상기 장치는 전방 지지부 (6) 와 피드 빔 (1) 사이에 횡방향 이동 장치 (7) 를 포함하고, 이 횡방향 이동 장치에 의해, 전방 지지부 (6) 및 피드 빔 (1) 은 서로에 대해 이동될 수 있다.

Description

기반암에 구멍을 드릴링하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DRILLING HOLE INTO BEDROCK}

본 발명은, 피드 빔, 그 피드 빔을 따라 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴, 암석 드릴에 의해 회전되도록 연결된 드릴 로드, 드릴 로드의 단부에 있는 드릴 비트, 및 피드 빔의 암석측 단부에 위치되며 드릴링 동안 암석에 대항하여 밀리게 되는 전방 지지부를 포함하는 암석 드릴링 장치로, 암석에 구멍을 드릴링하는 방법으로서, 암석에 대항하여 피드 빔의 전방 지지부를 밀어서, 드릴링 동안 암석에 대해 암석 드릴의 피드 빔을 지지한 후, 구멍을 드릴링하는, 상기 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 피드 빔, 그 피드 빔을 따라 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴, 암석 드릴에 의해 회전되도록 연결된 드릴 로드, 드릴 로드의 단부에 있는 드릴 비트, 및 피드 빔의 암석측 단부에 위치되며 드릴링 동안 암석에 대항하여 밀리게 되는 전방 지지부를 포함하는, 암석에 구멍을 드릴링하는 장치에 관한 것이다.

암석 표면에서 새로운 구멍의 드릴링을 시작하는 경우, 드릴 비트가 암석 표면에 대해 측방향으로 이동하는 것이 매우 통상적이다. 이로 인해, 실제로, 착암 드릴링 리그 (rig) 의 위치결정에서 의도된 지점으로부터 구멍이 오프셋되게 된다. 그 원인은, 암석 표면이 보통 다양한 방식으로 경사지거나 편평하지 않으므로, 한편으로 드릴링 기계의 공급력 및 다른 한편으로 드릴 비트의 회전이 드릴 비트를 측방향으로 이동시키려는 힘을 생성하기 때문이다. 이로써, 드릴링을 계속하는 경우, 드릴 로드가 본래 의도했던 드릴링 방향이 아니라 그에 대해 각도를 갖는 방향에 위치되는 결과가 초래된다. 더욱이, 드릴 비트의 위치가 본래 의도했던 드릴링 위치로부터 측방향으로 벗어나는 경우, 구멍이 의도했던 위치에 위치하지 않게 된다. 그리고, 드릴 로드의 구부러짐 (bending) 은 전체 드릴 리그뿐만 아니라 드릴 비트 및 드릴 로드를 변형시키고, 이는 불필요한 마모를 야기하고, 장치의 수명을 단축시킨다.

미국특허 제 4,979,575 호에 의해, 하나의 해법이 공지되었는데, 이 해법에서는, 드릴 비트가 여전히 예비 (preliminary) 구멍에 있으면서 붐 (boom) 과 피드 빔 (feed beam) 이 실질적으로 무변형 (strainless) 위치를 가질 수 있도록, 붐과 피드 빔 사이의 조인트 (joint) 를 예비 드릴링한 후, 선택적으로 피드 빔이 그 길이방향에서 자유로이 이동하도록 해제된다. 이 해법에서, 다양한 부품들 사이의 각도와 그들의 상호 위치는 그들이 무변형으로 놓인 때에 측정되고, 그 후, 구멍이 원하는 위치에 위치되도록 새로운 방향과 위치가 산출된다. 그러나, 이는 문제를 해결함에 있어 비교적 복잡하고 시간소모적인 방식이다.

본 발명의 목적은, 작은 측방향 이동에도 불구하고, 피드 빔의 방향을 재설정할 필요없이 용이하고 간단한 방식으로 드릴링을 계속할 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 방법은, 드릴 비트가 드릴링 시작시에 피드 빔의 횡방향으로 이동하여, 드릴 로드가 구부러지는 경우, 피드 빔이 드릴 비트의 이동방향을 향해 피드 빔의 횡방향으로 전방 지지부에 대해 이동되어, 드릴 로드가 다시 실질적으로 똑바로 되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 장치는, 전방 지지부와 피드 빔 사이에 횡방향 이동 장치를 포함하고, 이 이동 장치에 의해, 전방 지지부 및 피드 빔이 피드 빔을 가로지르는 적어도 한 방향으로 서로에 대해 이동될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기본 아이디어는, 암석 드릴링 리그의 피드 빔의 전방 단부에 있는 드릴링 지지부가 횡방향 이동 장치로 피드 빔에 연결되어, 드릴링 지지부가 기준 (normal) 위치로부터, 피드 빔의 길이방향 축선을 가로지르며 서로 실질적으로 직교하는 두 방향으로 이동될 수 있고, 이로써 예비 드릴링이 본래 지정된 위치로부터 측방향으로 어느 정도 오프셋되는 때, 피드 빔이 구부러진 방향으로의 편차에 따라 전술한 방향으로 이동되어, 피드 빔이, 드릴 로드와 함께, 드릴 비트와 동축 방향을 실질적으로 유지하면서, 실질적으로 변형없이 놓일 수 있다는 것이다. 그리고 나서, 드릴링 지지부 및 피드 빔은 제자리에 고정될 수 있고, 드릴링은 본래 구멍의 방향으로 계속될 수 있다.

본 발명은, 단지 전방 지지부에 대한 피드 빔의 위치의 단순한 변위에 의해, 구멍 드릴링 방향이 본래 의도했던 대로 유지된다는 이점을 갖는다. 또한, 본 발명은, 해법의 실행이 간단하고 용이하다는 이점도 갖는다.

이하에서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1 은, 피드 빔의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b 는, 각각, 피드 빔의 길이방향 및 횡방향에서 본 발명의 실시에 이용될 수 있는 이동 장치 요소의 개략도이다.
도 3 은, 이동 장치의 일 실시형태의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c 는, 일 이동 방향에 대한 본 발명의 작동의 개략도이다.
도 5 는, 필요한 이동량을 측정하기 위한 간단한 해법의 개략도이다.

도 1 은, 본 발명의 횡방향 이동 장치를 구비한 피드 빔의 개략도이다. 도 1 에는, 피드 빔 (1) 이 도시되어 있는데, 피드 빔 위에는, 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴링 기계 (2) 가 존재한다. 그러한 피드 빔과, 암석 드릴 및 암석 드릴링 기계를 이송하는데 이용되는 이송 장비는 일반적으로 그 자체로 잘 알려져 있으며, 본 기술분야의 당업자에게 자명하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 1 에는, 드릴 로드 (3) 가 도시되어 있는데, 드릴 로드의 단부에 드릴 비트 (4) 가 존재한다. 드릴 비트 (4) 측에 있는 드릴링 빔 (1) 의 단부에는, 전방 가이드 (5) 가 존재하며, 이 전방 가이드로 드릴링 동안 드릴 로드가 지지된다.

드릴링 빔 (1) 의 전방 단부에는, 전방 지지부 (6) 가 또한 존재하며, 이 전방 지지부는 드릴링되는 암석에 대항하여 밀리게 되며 이른바 그라운드 페그 (ground peg) 로 자주 불린다. 전방 지지부 (6) 는 횡방향 이동 장치 (7) (구조와 기능은 후술함) 로 피드 빔 (1) 에 연결된다. 일반적으로 피드 빔 (1) 은 붐에 연결되는데, 도면에는 붐의 일부만 도시되어 있으며, 붐은 일반적으로 드릴링 베이스 웰 (drilling base well) (그 자체로 공지되어 있음, 도시 생략) 에 설치된다. 관련 액추에이터를 이용한 붐과 피드 빔의 상호 연결은 본 기술분야의 당업자에게 일반적으로 알려져 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2a 는, 피드 빔 및 전방 지지부를 일 방향으로 상호간에 이동시키기 위해 본 발명의 실시에 적용될 수 있는 횡방향 이동 장치 (7) 의 일 이동 요소 (7a) 의 개략도 (피드 빔의 길이방향에서 바라보았을 때) 이다. 그리고, 도 2b 는, 도 2a 의 선 B-B 를 따라 자른 이동 요소의 단면도이다.

이동 요소 (7a) 는, 볼트 (9c) 로 서로 연결되어 일체형 보디를 형성하는 보디부 (9a, 9b) 로 이루어진 보디를 포함한다. 지지편 (support piece) (10) 이 피드 빔 (1) 의 횡방향으로 보디에 이동가능하게 설치된다. 지지편 (10) 과 보디 사이에, 이동 실린더 (11) 가 존재하며, 이로써 지지편 (10) 이 보디에 대해 이동될 수 있다. 이동 요소 (7a) 의 기준 위치에서, 지지편 (10) 이 이동 방향에서 각 방향으로 실질적으로 동일한 거리만큼 이동될 수 있는 보디에 대한 위치에 있는 것이 유리하다.

이동 요소 (7a) 의 보디는 삼각형 안내 홈부를 포함하며, 안내 홈부의 미끄러짐 표면은 도면 부호 12 로 표시되어 있다. 이에 대응하여, 지지편 (10) 은 보디의 홈부에 대응하는 각도를 갖는 에지를 포함하며, 지지편의 미끄러짐 표면은 도면 부호 13 으로 표시되어 있다. 이런 식으로, 지지편 (10) 은 보디의 홈부에 의해 안내되는 위치에 유지되지만, 이동 실린더 (11) 의 작용에 의해 도 2a 에서의 화살표 방향으로 왕복 이동할 수 있다.

제 2 이동 요소 (7b) 의 구조는 이동 요소 (7a) 의 구조와 실질적으로 동일하다. 이동 요소 (7a, 7b) 는 피드 빔의 길이방향에서 연속적으로 서로 연결되어 있으므로, 이동 요소의 지지편의 이동 방향은 서로에 대해 그리고 피드 빔의 길이방향에 대해 실질적으로 수직하다.

이동 요소 (7a, 7b) 는, 그들의 보디를 서로 연결함으로써 상호 연결되어, 그들의 이동 방향이 서로 가로지른다. 그러한 경우, 보디에 대해 그리고 서로에 대해 이동될 수 있는 지지편은, 피드 빔 (1) 에 그리고 전방 가이드 (6) 에 각각 연결된다. 이에 대응하여, 지지편이 상호 연결된다면, 지지편에 대해 그리고 서로에 대해 이동될 수 있는 보디는 피드 빔 (1) 에 그리고 전방 가이드 (6) 에 각각 연결된다.

도 3 은, 이동 요소 (7a, 7b) 가 어떻게 상호 연결되는지 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도 3 에서 볼 수 있는 것처럼, 이동 요소 (7a, 7b) 의 보디는 서로 90°의 각도를 갖고, 따라서 지지편 (10) 의 이동 방향이 서로 직각을 이룬다.

도 4a 내지 도 4c 는 일 이동 방향에 대한 본 발명의 작동의 개략도이다. 이는, 구멍 드릴링 시작시에 드릴 비트가 단지 수직방향으로 구부러진 경우 어떻게 본 발명이 적용되는지를 보여준다. 피드 빔 (1) 의 전방 지지부 (6) 가 암석 (14) 에 지지된 후, 구멍의 드릴링이 시작된다. 이것이 도 4a 에 도시되어 있다. 도 4a 내지 도 4c 는, 드릴 로드의 구부러짐을 결정하는데 이용될 수 있는 측정 장치 (15) 도 또한 개략적으로 보여준다. 측정 장치는 도 5 에 더 상세히 도시되어 있다.

도 4b 는, 드릴링이 시작된 후, 드릴 비트가 시작 지점으로부터 아래쪽으로 이동되어, 드릴 로드 (3) 가 구부러져 있는 상황을 보여준다. 이는 점선 (16) 으로 도시하였으며, 점선은 구부러짐이 없는 경우 드릴 로드가 향해야 하는 방향을 나타낸다.

도 4c 는, 드릴링 동안 드릴 로드 (3) 가 가능한 한 똑바로 되어서, 드릴 로드, 드릴 비트 및 다른 드릴링 장비에 불필요하게 응력을 가하지 않으면서 드릴링이 이루어질 수 있도록, 피드 빔이 전방 지지부 (6) 에 대해 아래쪽으로 이동되어 있는 상황을 보여준다. 이러한 효과를 위해, 이동 부재 (7b) 의 지지편이 그의 보디에 대해 위쪽으로 이동되고, 이에 따라 그에 연결된 보디와 피드 빔 (1) 이 이동 부재 (7a) 및 전방 지지부 (6) 에 대해 아래쪽으로 이동되어, 드릴 로드가 다시 똑바로 된다. 또한, 구부러짐이 횡방향으로 발생하는 경우, 구부러짐을 똑바르게 하기 위해, 이동 부재 (7a) 의 지지편이 상응하는 방식으로 적절한 방향으로 측방향으로 이동된다.

본 발명은 어떠한 센서없이 간단한 장치로 실시될 수 있지만, 드릴 작업자는 육간 인식에 기초하여 손으로 원하는 방식으로 횡방향 이동을 행한다. 그러나, 본 발명은 피드 빔에 대한 드릴 로드의 구부러짐을 검출하는 개별 검출 장치를 이용함으로써 적용될 수 있으며, 자동으로 또는 드릴 작업자 앞의 디스플레이에 의해 횡방향 이동을 행하는 것이 더 신뢰할 수 있다.

도 5 는 이러한 종류의 검출 장치를 개략적으로 보여주는데, 이 검출 장치는, 정상 상황에서 드릴 로드가 검출 장치를 관통하도록, 전방 가이드에 고정 설치된다. 검출 장치 (15) 는, 보디 (17), 및 그 보디의 중간에서 드릴 로드 (3) 를 둘러싸는 환형 검출기 (18) 를 포함하며, 환형 검출기는, 지지 스프링 (19) 에 의해 지지되어 수직 및 수평 방향으로 이동될 수 있도록 검출 장치 (15) 의 보디 (17) 에 횡방향으로 연결되어 있다. 검출 장치는, 검출기 (18) 가 기준 위치로부터 두 축방향으로 변위되었는지 여부를 감지하는 센서 (20) 를 또한 포함한다. 편향이 예컨대 드릴 작업자 앞의 디스플레이에 전기적으로 전달되는 경우, 드릴 작업자는, 검출 장치가 드릴 로드가 똑바르다는 것을 표시할 때까지, 디스플레이 정보에 따라 의도대로 피드 빔을 수직 및 수평 방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 대응하여, 피드 빔을 올바른 위치에 위치시키도록 수평방향에서의 이동이 상응하는 방식으로 행해진다.

이상에서, 설명과 도면은 단지 예로써 본 발명을 설명한 것이며, 보호범위는 청구항에서 규정된다. 이동 장치는, 피드 빔과 전방 지지부 사이에서 서로 연결되는 개별 이동 부재로 전술한 방식으로 조립될 수 있다. 또한, 이동 장치는, 동일한 보디가 지지편과 양 방향의 전달 실린더를 포함하는, 콤팩트한 통일체 (whole) 로서 실현될 수 있다. 또한, 보디는 안내 홈부 및 다른 필요한 요소가 기계가공된 일체형 부품으로 주로 이루어질 수 있다. 본 기술분야의 당업자의 일반적인 지식 내에서 다른 실현이 또한 가능한다. 지지편과 보디 사이의 가이드는 특정 요구를 충족시키기 위해 위에서 제시된 것과 다르게 될 수 있다. 이와 유사하게, 이동 실린더의 위치와 설치가 다르게 될 수 있다. 지지편의 형상도 또한 다르게 될 수 있다.

가장 중요하는 것은, 피드 빔이 전방 지지부와 피드 빔 사이에 이동 장치를 포함하고, 이 이동 장치에 의해, 피드 빔과 전방 지지부의 위치가 두 축방향 (유리하게는 서로 직교하고 피드 빔의 길이방향을 가로지름) 으로 서로에 대해 이동될 수 있으므로, 초기 드릴링 후, 드릴 로드가 실제 드릴링을 위해 실질적으로 똑바로 설정되는 것이다.

Claims (8)

1. 피드 빔 (1), 그 피드 빔 (1) 을 따라 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴 (2), 암석 드릴 (2) 에 의해 회전되도록 연결된 드릴 로드 (3), 드릴 로드 (3) 의 단부에 있는 드릴 비트, 및 피드 빔 (1) 의 암석측 단부에 위치되며 드릴링 동안 암석 (16) 에 대항하여 밀리게 되는 전방 지지부 (6) 를 포함하는 암석 드릴링 장치로, 암석에 구멍을 드릴링하는 방법으로서, 암석에 대항하여 피드 빔 (1) 의 전방 지지부 (6) 를 밀어서, 드릴링 동안 암석 (16) 에 대해 암석 드릴 (2) 의 피드 빔 (1) 을 지지한 후, 구멍을 드릴링하는, 암석에 구멍을 드릴링하는 방법에 있어서,
   드릴 비트 (4) 가 드릴링 시작시에 피드 빔 (1) 의 횡방향으로 이동하여, 드릴 로드 (3) 가 구부러지는 경우, 피드 빔 (1) 이 드릴 비트 (4) 의 이동방향을 향해 피드 빔 (1) 의 횡방향으로 전방 지지부 (6) 에 대해 이동되어, 드릴 로드 (3) 가 다시 실질적으로 똑바로 되는 것을 특징으로 하는 암석에 구멍을 드릴링하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 드릴 로드 (4) 의 구부러짐이 측정되고, 그 측정된 구부러짐에 기초하여 피드 빔 (1) 이 전방 지지부 (6) 에 대해 이동되는 것을 특징으로 하는 암석에 구멍을 드릴링하는 방법.
3. 피드 빔 (1), 그 피드 빔 (1) 을 따라 피드 빔의 길이방향으로 이동하는 암석 드릴 (2), 암석 드릴 (2) 에 의해 회전되도록 연결된 드릴 로드 (3), 드릴 로드 (3) 의 단부에 있는 드릴 비트, 및 피드 빔 (1) 의 암석측 단부에 위치되며 드릴링 동안 암석 (16) 에 대항하여 밀리게 되는 전방 지지부 (6) 를 포함하는, 암석에 구멍을 드릴링하는 장치에 있어서,
   상기 장치는 전방 지지부 (6) 와 피드 빔 (1) 사이에 횡방향 이동 장치 (7) 를 포함하고, 이 이동 장치에 의해, 전방 지지부 (6) 및 피드 빔 (1) 이 피드 빔 (1) 을 가로지르는 적어도 한 방향으로 서로에 대해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 횡방향 이동 장치 (7) 는, 피드 빔 (1) 을 가로지르는 두 교차 방향으로 전방 지지부 (6) 및 피드 빔 (1) 을 이동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 횡방향 이동 장치 (7) 는 보디, 그 보디에 대해 교차 방향으로 이동하는 2 개의 지지편 (10), 및 보디에 대해 지지편 (10) 을 이동시키도록 보디와 지지편 (10) 사이에서 작용하는, 두 지지편 (10) 을 위한 압력 매체 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 횡방향 이동 장치 (7) 는 2 개의 이동 부재 (7a, 7b) 로 이루어지고, 두 이동 부재는, 보디 (9a, 9b), 그 보디 (9a, 9b) 에 대해 이동하는 지지편 (10), 및 지지편 (10) 과 보디 (9a, 9b) 를 서로에 대해 이동시키도록 보디 (9a, 9b) 와 지지편 (10) 사이에서 작용하는 압력 매체 실린더를 포함하고, 상기 이동 부재 (7a, 7b) 는, 지지편 (10) 을 서로 연결하거나 또는 보디 (9a, 9b) 를 서로 연결함으로써 상호 연결되어서, 보디 (9a, 9b) 나 그에 대응하는 지지편 (10) 이, 상호 연결된 부품에 대하여 서로 가로지르는 이동 방향으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 피드 빔 (1) 의 수직 및 수평 방향에서 드릴 로드 (3) 의 구부러짐을 감지하기 위한 센서 (20) 를 갖는 검출 장치 (15) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 검출 장치는 개구를 구비한 보디 (17), 및 보디 (17) 의 개구 내에서 드릴 로드 (3) 가 통과하는 환형 검출기 (18) 를 포함하고, 환형 검출기 (18) 는, 서로 가로지르는 스프링 (19) 에 의해 보디 (17) 에 연결되어서, 보디 (17) 에 대해 이동할 수 있으며, 센서 (20) 는 검출기 (18) 의 기준 위치로부터의 변위를 측정하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.

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