KR20160048415A - 드릴링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해저에서 드릴링 파이프를 회전시키는 드릴링 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시추 구조물의 드릴링 시스템으로서, 시추 구조물; 상기 시추 구조물과 연결된 드릴 파이프의 끝에 위치한 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는 웨이트 온 비트 조절 장치; 및 상기 드릴 파이프를 회전시키는 드릴 파이프 회전 장치를 포함하고, 상기 웨이트 온 비트 조절 장치 및 상기 드릴 파이프 회전 장치는 해저에 설치되는, 드릴링 시스템이 제공된다.

Description

드릴링 시스템 및 방법{DRILLING SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 드릴링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 해저에서 드릴링 파이프를 회전시키는 드릴링 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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

이와 같은 이유로, 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었으며, 따라서 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이런 유전의 개발에 적합한 시추 설비를 구비한 드릴쉽이 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 사용되었다.

최근에는 첨단의 시추 장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 드릴쉽(Drill ship), 반잠수식 리그(semi-submersible rig) 등이 개발되어 해저 시추 및 생산에 사용되고 있다.

그리고 최근에 심해(deep-water)에서 오일과 가스가 발견되어 3,000m 이상의 수심에서 드릴링 작업이 필요하게 되었다.

심해에서 드릴링 작업 시 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째는, 드릴 파이프(drill pipe)의 핸들링 문제이다. 심해로 갈수록 드릴 파이프의 길이가 길어져 비틀림(torsion)이나 좌굴(buckling)에 의한 파손이 잦아질 수 있다.

또한 드릴 파이프의 길이가 길어지므로 비틀림이나 좌굴에 의한 변형으로 케이싱(casing) 과의 접촉이 빈번히 일어날 수 있다.

둘째는, 탑 드라이브(top drive)의 문제이다. 탑 드라이브는 회전 운동을 드릴 스트링(drill string)에 전달하는 수단으로 로터리 테이블(rotary table)을 대신하여 사용된다.

탑 드라이브는 트래블링 블록(travelling block)에 매달려 있으며, 전기 또는 유압 모터에 의해 구동되고, 드릴 스트링이 탑 드라이브에 바로 연결된다.

전술한 바와 같이 심해로 갈수록 드릴 파이프의 길이가 길어지므로 드릴 스트링의 중량 증가로 탑 드라이브의 작동하지 않는 시간(down-time)이 증가할 것으로 예상된다.

특히 트래블링 블록은 아주 크고 다양한 시이브 리프팅 블록(sheave lifting block)으로서 기본적으로 드릴링 작업을 하는 동안에 드릴 스트링의 무게를 지지한다.

또한 트래블링 블록은 드로웍스(drawworks)에 의한 상하 운동으로 드릴 파이프와 케이싱을 드릴링 홀 속으로 넣거나, 드릴링 홀로부터 빼내는데 사용된다.

심해로 갈수록 드릴 스트링의 무게가 증가 되므로 드릴 스트링의 하중을 지지하기 위해 트래블링 블록의 사이즈를 크게 해야 하고, 이는 수직 운동 보상기(heave compensator)의 사이즈를 증가시킨다.

나아가 드릴 스트링의 무게가 증가 되므로 드로웍크의 로워링(lowering) 시 하락 부하(falling load) 제동(braking)에 따라 발생 되는 에너지를 신속히 흡수하지 못하는 단점이 있고, 메인 AC 동력원(power source)의 순간적인 정전으로 인한 순간 과도 상태가 발생 될 수 있다.

덧붙여 메인 데크의 상부 영역에 고 하중의 드릴링 장비가 복수로 배치되므로 선체의 무게 중심(center of gravity)도 높아지게 된다. 그 결과 선박이 외부의 힘에 의하여 옆으로 기울어졌을 때 원상태로 되돌아오려는 성질인 복원성도 떨어지게 되어 드릴쉽의 안정성(stability)에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 복원성이 좋아야 심한 바람과 파도에도 전복되지 않고 안정적인 작업을 할 수 있다.

따라서 드릴 스트링의 하중을 메인 데크의 상부 영역에서 지지함으로 인해 발생되는 전술한 단점을 보완할 수 있는 새로운 개선책이 요구된다.

선행기술 : 국제특허공개공보 WO2004-018826호 (2004. 03. 04)

본 발명의 목적은 드릴 파이프를 효율적으로 핸들링할 수 있고 메인 데크의 상부 영역에 배치되는 고 하중의 드릴링 장비를 제거할 수 있는 드릴링 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시추 구조물의 드릴링 시스템으로서, 시추 구조물; 상기 시추 구조물과 연결된 드릴 파이프의 끝에 위치한 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는 웨이트 온 비트 조절 장치; 및 상기 드릴 파이프를 회전시키는 드릴 파이프 회전 장치를 포함하고, 상기 웨이트 온 비트 조절 장치 및 상기 드릴 파이프 회전 장치는 해저에 설치되는, 드릴링 시스템이 제공된다.

특히, 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 복수의 지지 레그들에 의해 고정되고, 상기 복수의 지지 레그들에 설치되어 있는 레일을 따라 상하로 이동하면서 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절할 수 있다.

또한, 드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 줄이려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 줄일 수 있다.

또한, 드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 키우려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 늘릴 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시추 구조물의 드릴링 방법에 있어서, 해저에 웨이트 온 비트 조절 장치 및 드릴 파이프 회전 장치를 설치하는 단계; 상기 웨이트 온 비트 조절 장치로 상기 시추 구조물과 연결된 드릴 파이프의 끝에 위치한 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하면서 상기 드릴 파이프 회전 장치로 상기 드릴 파이프를 회전시켜 드릴링 하는 단계를 포함하는 드릴링 방법이 제공된다.

특히, 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 복수의 지지 레그들에 의해 고정되고, 상기 복수의 지지 레그들에 설치되어 있는 레일을 따라 상하로 이동하면서 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절할 수 있다.

또한, 드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 줄이려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 줄일 수 있다.

또한, 드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 키우려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 늘릴 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 로테이션 장치 및 웨이트 온 비트(weight on bit) 조절 장치를 해저에 설치하여 드릴 파이프를 해저에서 회전시킴으로써 드릴 파이프를 효율적으로 다룰 수 있고, 메인 데크의 상부 영역에 배치되는 고 하중의 드릴링 장비를 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타내 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템은 시추 구조물(100), 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)를 포함한다.

시추 구조물(100)은, 드릴링(drilling) 작업에 필요한 드릴 파이프(DP)가 적재되는 드릴쉽(drillship) 이나 반 잠수식 리그일 수 있다.

본 실시 예에서 시추 구조물(100)에는 드릴 파이프(DP)가 해저로 이동되는 통로인 문풀(MP, moonpool)이 마련되고, 문풀(MP)의 상부에는 드릴 플로어(DF, drill floor)와 데릭(D)이 마련된다.

본 발명의 실시예에서는 드릴 파이프(DP)의 하중을 메인 데크(MD)의 상부 영역이 아닌 해저에서 지지하므로, 종래 데릭에 마련되는 탑 드라이브(top drive), 트래블링 블록(travelling block), 수직 운동 보상기(heave compensator)을 설치하지 않아도 된다.

따라서, 데릭(D)의 상부 구조물을 간소화할 수 있고, 선체의 수직 방향 무게 중심(vertical center of gravity)을 낮출 수 있어 복원성이 높아지므로 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한 해저에서 드릴 파이프(DP)의 하중이 지지 되므로 드릴 파이프(DP)를 올리거나 내릴 때 사용되는 드로워크스(drawworks)의 크기와 용량을 종전에 비해 줄일 수 있다.

드릴 파이프 회전 장치(300)는 해저에 설치되어 드릴 파이프를 회전시킨다.

웨이트 온 비트 조절 장치(200)는 드릴 파이프의 무게를 지지함으로써 드릴 파이프의 끝에 있는 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는 장치이다. 웨이트 온 비트 조절 장치(200)는 복수의 지지 레그(210)들에 의해 고정되고, 복수의 지지 레그(210)들에 설치되어 있는 레일을 따라 상하로 이동하면서 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절할 수 있다. 예를 들어, 드릴링 작업 중에 드릴 비트에 가해지는 힘을 줄이기 위해서는 웨이트 온 비트 조절 장치(200)의 하강 속도를 줄일 수 있고, 드릴 비트에 가해지는 힘을 키우기 위해서는 웨이트 온 비트 조절 장치(200)의 하강 속도를 키울 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템을 설명한다. 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템은 시추 구조물(100), 웨이트 온 비트 조절 장치(200), 드릴 파이프 회전 장치(300) 및 방수 캡슐(400)을 포함한다.

시추 구조물(100), 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)는 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 바와 동일하다.

방수 캡슐(400)은 내부에 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)가 설치된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)는 방수 캡슐(400)의 내부에 설치되고, 방수 캡슐(400)은 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)에 해수가 닿지 않도록 하여 해수 및 수압으로부터 보호한다. 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)는 해수와 접촉하고 강한 수압을 받게 되면 장치들이 손상될 수 있다. 따라서, 방수 캡슐(400)은 강한 수압을 견딜 수 있는 방수 소재로 만들어진다.

웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)는 육상 또는 시추 구조물(100)에서 방수 캡슐(400) 내부에 설치될 수 있다. 그리고, 방수 캡슐(400)을 해저로 내려서 해저에 설치함으로써 설치의 용이성을 높일 수 있다.

그리고, 방수 캡슐(400)의 상부와 하부에는 드릴 파이프가 관통할 수 있는 홀이 있고, 드릴 파이프와 방수 캡슐(400)이 접하는 부위에는 실링부가 있다.

실링부는 드릴 파이프가 관통되는 방수 캡술(400)의 홀에 마련되는 하우징과, 하우징에 회전 가능하게 결합 되는 베어링과, 베어링에 결합 되어 베어링과 같이 회전되며 드릴 파이프와 방수 캡슐(400)의 간극을 실링하는 실링부재를 포함한다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템을 설명한다. 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템은 시추 구조물(100), 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500), 제2 웨이트 온 비트 조절 장치(200) 및 드릴 파이프 회전 장치(300)를 포함한다.

본 발명의 제3 실시예에서는 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)를 시추 구조물(100)에 설치하고, 제2 웨이트 온 비트 조절 장치(200)를 해저에 설치하여, 드릴 파이프의 무게를 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)와 제2 웨이트 온 비트 조절 장치(200)가 분담하여 지지함으로써, 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)만 설치한 경우보다 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)의 파손을 방지할 수 있다. 이때, 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)가 제2 웨이트 온 비트 조절 장치(200)보다 드릴 파이프의 무게의 더 많은 부분을 지지할 수 있다. 예를 들어, 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)가 드릴 파이프의 무게의 90%를 지지하고, 제2 웨이트 온 비트 조절 장치(200)가 드릴 파이프의 무게의 10%를 지지할 수 있다.

제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)는 시추 구조물(100)에 설치되고, 도 3에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프를 감싸서 잡는 형태이다. 그러면, 드릴 파이프를 위에서 잡는 경우에 비해 데릭의 높이를 낮출 수 있는 장점이 있다.

그리고, 제1 웨이트 온 비트 조절 장치(500)는 드로워크스(510)에 연결되어, 드로워크스(510)에 의해 움직임이 조절된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 시추 구조물
200 : 제2 웨이트 온 비트 조절 장치
500 : 제1 웨이트 온 비트 조절 장치
300 : 드릴 파이프 회전 장치
400 : 방수 캡슐

Claims (8)

1. 시추 구조물의 드릴링 시스템으로서,
   시추 구조물;
   상기 시추 구조물과 연결된 드릴 파이프의 끝에 위치한 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는 웨이트 온 비트 조절 장치; 및
   상기 드릴 파이프를 회전시키는 드릴 파이프 회전 장치를 포함하고,
   상기 웨이트 온 비트 조절 장치 및 상기 드릴 파이프 회전 장치는 해저에 설치되는, 드릴링 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 복수의 지지 레그들에 의해 고정되고, 상기 복수의 지지 레그들에 설치되어 있는 레일을 따라 상하로 이동하면서 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는, 드릴링 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 줄이려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 줄이는, 드릴링 시스템.
4. 청구항 2에 있어서,
   드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 키우려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 늘리는, 드릴링 시스템.
5. 시추 구조물의 드릴링 방법에 있어서,
   해저에 웨이트 온 비트 조절 장치 및 드릴 파이프 회전 장치를 설치하는 단계;
   상기 웨이트 온 비트 조절 장치로 상기 시추 구조물과 연결된 드릴 파이프의 끝에 위치한 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하면서 상기 드릴 파이프 회전 장치로 상기 드릴 파이프를 회전시켜 드릴링 하는 단계를 포함하는 드릴링 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 복수의 지지 레그들에 의해 고정되고, 상기 복수의 지지 레그들에 설치되어 있는 레일을 따라 상하로 이동하면서 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 조절하는, 드릴링 방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 줄이려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 줄이는, 드릴링 방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   드릴링 작업 중에 상기 드릴 비트에 가해지는 힘을 키우려면 상기 웨이트 온 비트 조절 장치는 상기 웨이트 온 비트 조절 장치의 하강 속도를 늘리는, 드릴링 방법.

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