KR20140014426A - 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브 - Google Patents

Abstract

시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브를 제공한다.
본 발명은, 해저 바닥에서 이상 고압이 드릴 파이프를 타고 올라오는 것을 차단하도록 유정의 입구에 설치된 분출 방지장치에 구비되는 쵸오크 밸브에 있어서, 원유와 가스를 포함하는 유체가 유입되고 배출되는 유입구와 배출구를 포함하고, 상기 유입구로 배출구의 통로를 개폐하도록 엑추에이터에 개폐작동되는 니들을 포함하는 밸브본체 ; 상기 니들이 삽입되거나 이탈되는 중앙공을 관통형성하고, 상기 중앙공과 연통되는 유입공을 몸체 외부면에 복수개 관통형성한 제1정류체를 상기 유입구와 배출구가 합류하는 합류지점에 고정설치하여 상기 유입공을 통해 유입되는 유체를 배출구측으로 배출하면서 1차 정류시키는 제1정류부 ; 및 상기 니들과 대응하는 중앙에 관통공이 관통형성된 복수개의 디스크를 다층으로 적층한 제2정류체를 상기 제1정류부와 배출구사이에 구비하여 상기 디스크를 통과한 유체를 2차 정류시켜 상기 배출구로 배출하는 제2정류부 ;를 포함한다.

Description

시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브{a Choke Valve of Blow-out Preveter for Drilling}

본 발명은 시추용 분출방지장치에 구비되는 쵸오크 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세히는 심해환경에서 시추시 유정두에서 올라오는 가스 및 원유를 포함하는 난류성 유체를 일정한 압력을 갖는 층류성 유체로 전환시 통과시킬 수 있는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브에 관한 것이다.

국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 지구 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 오일의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.

이러한 이유로 최근에는 육상 시추를 넘어 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전이나 심해유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 시추선이 개발되어 있다.

종래의 해저 시추에는 다른 예인선에 의해서만 항해가 가능하고 계류 장치를 이용하여 해상의 일 점에 정박한 상태에서 해저 시추 작업을 하는 해저 시추 전용의 리그선(rig ship)이나 고정식 플랫폼이 주로 사용되었으나, 최근에는 첨단 시추장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 소위, 시추선(drillship)이 개발되어 해저 시추에 사용되고 있다.

이러한 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추할 수 있도록 각종 시추장비를 갖춘 리그선, 플랫폼, 또는 시추선(이하, 시추선)의 중심부에는 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추하기 위한 라이저(riser) 또는 드릴 파이프(drill pipe)가 상하로 이동될 수 있도록 문풀(moonpool)이 형성되어 있다.

도 1은 일반적으로 해수면에서 시추작업을 수행하고 있는 시추선을 도시한 개략도이다.

즉, 바다에서 석유 또는 가스 자원을 채굴하기 위한 시추선의 작업은 데크 바닥에 설치된 적치대로부터 시추용 파이프(드릴 파이프 또는 라이저 파이프 등)들을 라이저 핸들링 크레인(riser handling crane)으로 들어 올려 캣워크(catwalk)로 이동시키고 다시 서브스트럭춰(substructure) 상부의 드릴플로어(drillfloor)로 수평이동시킨 다음 데릭(derrick)을 사용하여 세워 시추선의 중앙에 형성된 문풀을 통해 하향 전진시킴으로써 해저 바닥(sea bed) 아래의 저유지(reservoir)에 위치하는 유정(well)에 저장되어 있는 해저자원을 시추한다.

라이저(4)는 드릴 파이프(5)를 상기 유정(13)까지 전진시키기 전에 미리 상기 해저 바닥(6)까지 전진되는 부재로서 머드가 되돌아오는 통로를 제공한다. 라이저(4)가 설치되면 라이저 내부로 드릴 파이프(5)가 해저 지층(11)을 통해 상기 유정(13)까지 하향 전진된다.

해저 바닥에는 이상 고압이 드릴 파이프(5)를 타고 올라오는 것을 차단하기 위해 시추 시작 전에 시추구멍 입구인 유정두(well head)에 분출 방지용 스택(blow-out preventer; BOP)(7)이 설치된다.

해저 지층에서는 시멘트(9)에 의해 케이싱(8)을 고정한 후, 케이싱 내부로는 드릴비트(10)가 장착된 드릴 파이프(5)를 삽입하여 해저자원을 시추한다. 드릴비트가 땅을 뚫을 때 발생되는 열에 의해 드릴비트가 과열되는 것을 방지하고 윤활작용을 하여 드릴링을 더욱 쉽게 하기 위해, 드릴 파이프 속으로는 머드(9)가 삽입된다. 이러한 머드는 드릴비트(10)를 통해 빠져나가 케이싱(8)과 라이저(4)를 통하여 다시 되돌아 오게 된다.

한편, 시추선에서 드릴비트(10)로서 해저 지면에 구멍을 뚫을 때는 지층이나 유정속의 고압가스, 물 및 원유 등이 시추선까지 올라오는 사고의 위험성을 방지하기 위해서 설치되는 분출방지장치(7)는 약 350 내지 1000 ㎏/㎠ 의 고압을 견딜 수 있어 시추 도중 갑자기 가스가 분출될 경우, 시추구멍 입구를 막고 그 안에서 가스가 외부로 분출되지 않고 머물도록 하여 시추선과 인명에는 피해가 없게 해주는 중요한 안전설비이다.

이러한 분출방지장치(7)는 고압을 견딜 수 있으며 비상시 차단해주는 밸브가 4 내지 5층의 다층으로 층층이 적층된 스택(Stack)과, 시추공 압력을 조절하는 밸브(choke and kill valve) 및 전기제어장치 등으로 구성된다.

대한민국 특허공보 1992-0007709호(1992.9.15)호에는 유정의 배압조절용 쵸오크밸브가 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 밸브는 폐색과정에서 밸브의 마모없이 마모성이 매우 큰 가스,모래 및 혼합체와 유동있도록 유정 상부에서 배압을 조절할 수 있는 장점은 있지만 해수면으로부터 1000m 이상 떨어진 해저면 심해환경에서 시추시 유정에서 발생하는 이상압력을 효율적으로 제어하기 곤란하였다.

이에, 가스분출로 인한 폭발 발생 시에 BOP제어설비 측에 일차적인 손상이 발생할 가능성이 매우 높고, 이렇게 손상이 발생할 경우 BOP에 대한 원활한 제어가 불가능한 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 1000m 이상의 심해환경에서 시추시 유정두에서 올라오는 가스 및 원유를 포함하는 난류성 유체를 일정한 압력을 갖는 층류성 유체로 전환시 통과시킬 수 있는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 해저 바닥에서 이상 고압이 드릴 파이프를 타고 올라오는 것을 차단하도록 유정의 입구에 설치된 분출 방지장치에 구비되는 쵸오크 밸브에 있어서, 원유와 가스를 포함하는 유체가 유입되고 배출되는 유입구와 배출구를 포함하고, 상기 유입구로 배출구의 통로를 개폐하도록 엑추에이터에 개폐작동되는 니들을 포함하는 밸브본체 ; 상기 니들이 삽입되거나 이탈되는 중앙공을 관통형성하고, 상기 중앙공과 연통되는 유입공을 몸체 외부면에 복수개 관통형성한 제1정류체를 상기 유입구와 배출구가 합류하는 합류지점에 고정설치하여 상기 유입공을 통해 유입되는 유체를 배출구측으로 배출하면서 1차 정류시키는 제1정류부 ; 및 상기 니들과 대응하는 중앙에 관통공이 관통형성된 복수개의 디스크를 다층으로 적층한 제2정류체를 상기 제1정류부와 배출구사이에 구비하여 상기 디스크를 통과한 유체를 2차 정류시켜 상기 배출구로 배출하는 제2정류부 ;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브를 제공한다.

바람직하게, 상기 제1정류체는 상기 유입공과 대응하는 몸체 외부면에 제1유입공을 관통형성하고, 서로 다른 내경을 갖는 복수개의 제1정류관을 내부에 다중으로 중첩배치한 중공원통체로 이루어진다.

더욱 바람직하게, 상기 유입공과 대응하는 제1유입공은 유체가 유입되는 궤적을 선형으로 형성하도록 구멍중심이 서로 일치하지 않도록 배치된다.

바람직하게, 상기 제2정류체는 상기 배출구의 상단에 조립되는 정류체 어댑터의 하부단으로부터 연장되는 연장부에 조립되는 복수개의 고정축과, 상기 고정축의 하부단에 조립되어 상기 관통공을 덮어 차단하는 고정판 및 상기 연장부와 고정판사이에 다층으로 적층되는 복수개의 디스크를 포함한다.

더욱 바람직하게, 상기 디스크의 상부면 또는 하부면에는 상기 제1정류부를 통과하면서 1차 정류된 후 상기 제2정류체의 관통공으로 유입된 유체가 방사방향으로 통과하여 배출될 수 있도록 배출홈을 구비한다.

바람직하게, 상기 제1정류부와 대응하는 밸브본체에는 밸브내부의 압력을 낮출수 있도록 개폐작동되는 벤트구를 구비한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

유입구를 통해 유입되는 이상고압의 난류성 유체를 밸브본체의 유입구와 배출구사이의 합류지점에 구비되는 제1정류체의 유입공을 통해 유입하여 1차 정류한 다음, 1차 정류되어 압력이 낮아진 유체를 제1정류부와 배출구사이에 구비된 제2정류체의 다층으로 적층된 디스크사이로 배출시켜 낮은 유체압력을 갖도록 2차로 정류함으로써 10000m 이상의 심해환경에서 시추시 유정두에서 올라오는 가스 및 원유를 포함하는 난류성 유체를 일정한 압력을 갖는 층류성 유체로 전환시킬 수 있기 때문에 이상압력으로 인한 화재 및 폭발을 방지하는 분출방지장치의 안전성을 확보하여 시추작업의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 일반적으로 해수면에서 시추작업을 수행하고 있는 시추선을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브의 폐쇄상태를 도시한 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브의 개방상태를 도시한 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브에 채용되는 제1정류체를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브에 채용되는 제2정류체를 도시한 구성도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브(100)는 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 해저 바닥에서 이상 고압이 드릴 파이프를 타고 올라오는 것을 차단하도록 유정의 입구에 설치된 분출 방지장치에 구비되어 가스 및 원유를 포함하는 고압상태의 난류성 유체를 일정압력을 갖는 층류성 유체로 정류시켜 배출할 수 있도록 밸브본체(101), 제1정류부(110) 및 제2정류부(120)를 포함한다.

상기 밸브본체(101)는 원유와 가스를 포함하는 난류성 유체가 유입되는 유입구(102)와, 정류되어 일정압력을 갖는 층류성 유체가 배출되는 배출구(103)를 구비하는 대략 T자형의 금속구조물이다.

상기 밸브본체(101)에 구비되는 유입구(102)는 도면상 좌측으로부터 우측으로 난류성 유체가 유입되도록 수평하게 관통형성되고, 상기 배출구(103)는 상기 유입구(102)의 단부와 연통되어 직교하도록 수직하게 관통형성되어 정류된 층류성 유체를 도면상 하부측으로 배출하도록 구비된다.

상기 배출구와 연통되는 밸브본체의 상부에 구비되는 니들삽입구(104)에는 상기 유입구(102)와 배출구(103)사이의 연결통로를 개폐하도록 상기 니들삽입구(104)내에서 미도시된 엑추에이터의 외력을 전달받아 상하작동되는 니들(105)을 포함한다.

상기 니들삽입구(104)에는 상기 니들(105)과 조립되어 상하작동을 안내하는 중공형 니들어댑터(106)을 장착하고, 상기 중공형 니들어댑터(106)는 상기 니들삽입구(104)의 상단내주면에 형성된 암나사부에 체결되는 수나사부를 갖는 너트부재(107)에 의해서 분리이탈이 곤란하도록 조립된다.

상기 중공형 어댑터(106)와 조립되어 엑추에이터에 의해서 상하작동되는 니들(105)은 길이중간에 상하스트로크를 제어하도록 내부단턱에 걸림제어되는 스토퍼어(105a)를 구비한다.

이에 따라, 상기 엑추에이터에 의해서 하강작동되는 니들의 선단은 상기 제1정류부의 제1정류체에 삽입되어 유입구(102)와 배출구(103)사이의 연결통로를 폐쇄하게 되어 유체이동을 차단하는 반면에 상기 니들이 상승되면 유입구(102)와 배출구(103)사이의 연결통로를 개방하여 유체이동을 가능하게 하는 것이다.

이러한 니들(105)을 상하작동시키는 엑추에이터는 상기 유입구(102)와 연결되는 배관내의 유체압력을 검지하는 압력센서의 측정값과, 이를 기준값과 비교하는 제어부에 의해서 상기 니들의 작동시기를 결정하고 판단하게 되는 것이다.

상기 제1정류부(110)는 상기 유입구(102)와 배출구(103)가 합류하는 합류지점에 고정설치되는 제1정류체(111)를 포함하며, 이러한 제1정류체(111)는 상기 니들(105)의 선단이 삽입되거나 이탈되는 중앙공(113)을 몸체 중앙에 관통형성하고, 상기 중앙공(113)과 연통되는 유입공(112)을 몸체 외부면에 복수개 관통형성한 대략 중공원통체로 이루어진다.

이에 따라, 상기 니들(105)의 하강작동에 의한 상기 중앙공(113)내로의 니들선단의 삽입시 상기 유입공(112)에 니들의 외부면이 접하여 유입공을 통한 유체의 유입을 차단하게 되는 반면에 상기 니들(105)의 상승작동에 의한 상기 중앙공(113)으로부터 니들선단의 상승시 상기 유입공(112)을 노출시켜 이를 통한 유체의 유입을 가능하게 하는 것이다.

여기서, 상기 제1정류체(111)는 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 유입공(112)과 대응하는 몸체 외부면에 제1유입공(112a,112b,112c,112d)을 관통형성하고, 서로 다른 내경을 갖는 복수개의 제1정류관(111a,111b,111c,111d)을 내부에 다중으로 중첩배치한 중공원통체로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입공(112)과 대응하는 제1정류관(111a,111b,111c,111d)의 제1유입공(112a,112b,112c,112d)은 유체가 유입되는 궤적을 나선형으로 형성하도록 구멍중심이 서로 일치하지 않도록 배치된다.

이에 따라, 상기 밸브본체(110)의 유입구(102)를 통해 유입되는 이상고압의 난류성 유체는 나선형으로 배치된 유입공과 제1유입공을 통과하면서 1차적으로 정류되는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서 상기 제1정류부(110)는 서로 다른 내경을 갖는 5개의 중공원통체로 이루어지는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 그 이하 또는 그 이상의 중공원통체로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제1정류부(110)와 대응하는 밸브본체(101)에는 이상고압시 밸브내부의 압력을 낮출수 있도록 개폐작동되는 벤트구(109)를 구비한다.

그리고, 상기 니들(105)이 삽입되는 중앙공(113)의 내경은 상기 니들(105)의 외경과 동일하게 구비되며, 상기 니들(105)의 선단은 삽입방향으로 갈수록 외경이 작아지는 원추형태로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 제2정류부(120)는 상기 제1정류부(110)와 배출구(103)사이에 구비되는 제2정류체(121)를 포함하여 상기 제1정류부를 통과하면서 1차 정류된 유체를 2차로 정류하여 배출구측으로 배출하는 것이다.

상기 제2정류체(121)는 상기 니들(105)과 대응하는 중앙에 관통공(122)이 관통형성된 복수개의 디스크(123)를 다층으로 적층한 적층체로 이루어짐으로써 상기 제1정류체(111)를 통과하면서 1차 정류된 유체는 서로 인접하는 디스크(123)를 통과하면서 압력이 상대적으로 낮아진 층류성 유체로 2차 정류된 다음, 배출구(103)로 배출처리되는 것이다.

이러한 제2정류체(121)는 상기 배출구(103)의 상단에 조립되는 정류체 어댑터(108)의 하부단으로부터 연장되는 연장부(108a)에 조립되는 복수개의 고정축(124)과, 상기 고정축(124)의 하부단에 조립되어 상기 관통공(122)을 덮어 차단하는 고정판(125) 및 상기 연장부(108a)와 고정판(125)사이에 다층으로 적층되는 복수개의 디스크(123)를 포함한다.

여기서, 상기 디스크(123)와 고정판(125)에는 상기 고정축(124)이 관통되는 축공(123b,125a)을 각각 관통형성하고, 상기 고정판(125)의 축공(125a)을 관통한 고정축(124)의 각 하부단에는 너트부재가 조립된다.

상기 디스크(123)의 상부면 또는 하부면에는 상기 제1정류부(110)를 통과하면서 1차 정류된 후 상기 제2정류체(121)의 관통공(122)으로 유입된 유체가 방사방향으로 통과하여 배출될 수 있도록 배출홈(123a)을 구비한다.

상기 배출홈(123a)은 유체가 외측으로 배출되는 경로를 길게 연장할 수 있도록 굴곡형으로 구비되는 것이 바람직하며, 이러한 배출홈은 굴곡형으로 한정되는 것은 아니며 직선형 또는 톱니형과 같이 다양한 형태로 구비될 수 있다.

이에 따라, 상기 디스크(123)가 다층으로 적충된 제2정류체(121)의 관통공(122)으로 유입된 유체는 상기 제2정류체(121)의 하부단이 고정판에 의해서 차단되어 있기 때문에 서로 인접하는 디스크(123)사이에 형성된 유일통로인 배출홈(123)을 통하여 외측으로 배출되면서 2차 정류되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

101 : 밸브본체 102 : 유입구
103 : 배출구 104 : 니들삽입구
105 : 니들 106 : 니들어댑터
108 : 정류체 어댑터 109 : 벤트구
110 : 제1정류부 111 : 제1정류체
111a,111b,111c,111d : 제1정류관
112a,112b,112c,112d : 제1정류관
112 : 제1유입공
120 : 제2정류부 121 : 제2정류체
122 : 관통공 123 : 디스크
124 : 고정축 125 : 고정판

Claims (6)

1. 해저 바닥에서 이상 고압이 드릴 파이프를 타고 올라오는 것을 차단하도록 유정의 입구에 설치된 분출 방지장치에 구비되는 쵸오크 밸브에 있어서,
   원유와 가스를 포함하는 유체가 유입되고 배출되는 유입구와 배출구를 포함하고, 상기 유입구로 배출구의 통로를 개폐하도록 엑추에이터에 개폐작동되는 니들을 포함하는 밸브본체 ;
   상기 니들이 삽입되거나 이탈되는 중앙공을 관통형성하고, 상기 중앙공과 연통되는 유입공을 몸체 외부면에 복수개 관통형성한 제1정류체를 상기 유입구와 배출구가 합류하는 합류지점에 고정설치하여 상기 유입공을 통해 유입되는 유체를 배출구측으로 배출하면서 1차 정류시키는 제1정류부 ; 및
   상기 니들과 대응하는 중앙에 관통공이 관통형성된 복수개의 디스크를 다층으로 적층한 제2정류체를 상기 제1정류부와 배출구사이에 구비하여 상기 디스크를 통과한 유체를 2차 정류시켜 상기 배출구로 배출하는 제2정류부 ;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1정류체는 상기 유입공과 대응하는 몸체 외부면에 제1유입공을 관통형성하고, 서로 다른 내경을 갖는 복수개의 제1정류관을 내부에 다중으로 중첩배치한 중공원통체로 이루어진다. 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유입공과 대응하는 제1유입공은 유체가 유입되는 궤적을 선형으로 형성하도록 구멍중심이 서로 일치하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2정류체는 상기 배출구의 상단에 조립되는 정류체 어댑터의 하부단으로부터 연장되는 연장부에 조립되는 복수개의 고정축과, 상기 고정축의 하부단에 조립되어 상기 관통공을 덮어 차단하는 고정판 및 상기 연장부와 고정판사이에 다층으로 적층되는 복수개의 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크 밸브.
5. 제4항에 있어서,
   상기 디스크의 상부면 또는 하부면에는 상기 제1정류부를 통과하면서 1차 정류된 후 상기 제2정류체의 관통공으로 유입된 유체가 방사방향으로 통과하여 배출될 수 있도록 배출홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1정류부와 대응하는 밸브본체에는 밸브내부의 압력을 낮출수 있도록 개폐작동되는 벤트구를 구비하는 것을 특징으로 하는 시추용 분출방지장치의 쵸오크밸브.

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