KR20160084609A

KR20160084609A - 드릴링 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160084609A
Application number: KR1020150001026A
Authority: KR
Inventors: 배재류; 추교식; 김인수; 이수호; 김진강; 장웅권; 이규석; 김건호; 권정한; 김성수
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2016-07-14
Also published as: KR101665478B1

Abstract

해저 자원을 시추하기 위한 드릴링 시스템이 개시된다.
본 발명의 드릴링 시스템은, 시추용 해양구조물에 설치되는 시추 구조물; 및 해저에 마련되며 시추 구조물과 연결되어 드릴링 되는 드릴 파이프의 무게를 지지하는 드릴 파이프 지지유닛;을 포함한다.

Description

드릴링 시스템 및 방법{DRILLING SYSTEM AND METHOD}

본 발명은, 드릴링 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 드릴 파이프의 하중을 해저에서 지지하면서 드릴링 작업을 할 수 있는 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.

국제특허공개공보 WO2004-018826호(seabed rig as) 2004. 03. 04

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 드릴 파이프의 하중을 해저에서 지지하여 메인 데크의 상부 영역에 배치되는 고 하중의 드릴링 장비를 제거할 수 있는 드릴링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 해저 자원을 시추하기 위한 드릴링 시스템에 있어서, 시추용 해양구조물에 설치되는 시추 구조물; 및 해저에 마련되며 상기 시추 구조물과 연결되어 드릴링 되는 드릴 파이프의 무게를 지지하는 드릴 파이프 지지유닛;을 포함하는 드릴링 시스템이 제공될 수 있다.

상기 드릴 파이프 지지유닛은, 해저에 고정되며 해수의 유입이 차단되는 내부 공간이 마련되는 본체; 상기 본체에 마련되어 상기 드릴 파이프를 홀딩하며 상기 드릴 파이프와 같이 회전되는 드릴 파이프 홀딩부; 및 상기 본체에 마련되어 상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전 가능하게 지지하는 드릴 파이프 하중지지부;를 포함할 수 있다.

상기 드릴 파이프 홀딩부는, 상기 드릴 파이프 하중지지부에 회전 가능하게 지지 되는 홀딩 본체; 및 상기 홀딩 본체에 마련되어 상기 홀딩 본체를 관통하는 상기 드릴 파이프를 홀딩하는 복수의 홀딩 실린더;를 포함할 수 있다.

상기 홀딩 본체는, 상기 복수의 홀딩 실린더에 의해 홀딩 된 상기 드릴 파이프와 같이 회전 시 상기 본체의 내부에 마련되는 복수의 가이드 로드에 지지 될 수 있다.

상기 드릴 파이프 하중지지부는, 상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전 가능하게 지지하는 지지프레임; 및 상기 본체의 내부에 마련되어 상기 지지프레임을 승강 가능하게 지지하는 복수의 하중지지 실린더;를 포함할 수 있다.

상기 드릴링 시스템은, 해저에 마련되는 BOP(blowout preventer)에 연결되어 라이저 파이프(riser pipe) 없이 머드(mud)를 리턴 시키는 머드 리턴유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 머드 리턴유닛은, 상기 BOP에 연결되며 시추홀에서 리턴 되는 머드가 저장되는 머드 저장탱크; 및 상기 머드 저장탱크에 마련되어 저장된 머드를 상기 시추 구조물로 펌핑하는 머드 리턴펌프;를 포함할 수 있다.

상기 드릴링 시스템은, 상기 본체의 내부에 마련되어 상기 드릴 파이프 홀딩부에 의해 홀딩 된 상기 드릴 파이프를 회전시키는 드릴 파이프 회전부를 더 포함할 수 있다.

상기 드릴 파이프 회전부는, 상기 드릴 파이프 홀딩부의 외주면에 마련되는 피동기어; 및 상기 드릴 파이프 홀딩부에 지지 되며 상기 피동기어와 기어 맞물림 되어 상기 드릴 파이프를 홀딩한 상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전시키는 구동모터;를 포함할 수 있다.

상기 드릴 파이프 회전부는, 상기 본체의 내부에 마련되어 상기 구동모터의 승강을 가이드 하는 승강 가이더를 더 포함할 수 있다.

상기 드릴링 시스템은, 드릴 파이프를 연결하거나 풀 때 드릴 스트링을 핸들링(handling) 하는 드릴 스트링 핸들링유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 드릴 스트링 핸들링유닛은, 상기 드릴 스트링을 클램핑 하는 클램프; 및 상기 시추 구조물에 마련되어 상기 클램프를 승강시키는 클램프 승강부;를 포함할 수 있다.

상기 클램프 승강부는, 상기 시추 구조물의 드릴 플로어(drill floor)에 마련되어 상기 클램프를 승강시키며 데릭을 통해 상기 클램프와 연결되는 드로웍스; 및 상기 데릭에 마련되어 상기 드로웍스와 상기 클램프를 연결하는 연결부재를 지지하는 복수의 롤러;를 포함할 수 있다.

상기 드릴링 시스템은, 상기 본체의 내부에 회전 가능하게 마련되는 회전축; 상기 회전축과 상기 드릴 파이프를 연결하여 상기 드릴 파이프를 회전시키는 연결부재; 및 상기 본체의 내부에 마련되어 상기 회전을 회전시키는 회전축 구동모터가 구비된 드릴 파이프 회전부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 해저에 드릴 파이프를 홀딩시키는 드릴 파이프 지지유닛을 고정하는 단계; 및 상기 드릴 파이프 지지유닛으로 해저에서 상기 드릴 파이프의 무게를 지지한 상태에서 시추 구조물과 연결된 드릴링 파이프를 회전시켜 드릴링 하는 단계;를 포함하는 드릴링 방법이 제공될 수 있다.

상기 드릴링 방법은, 드릴링 작업 중에 시추홀로 공급되는 머드를 리턴 시키는 머드 리턴단계를 더 포함하고, 상기 머드 리턴단계에서 상기 머드는 머드 리턴유닛에 의해 라이저 파이프(riser pipe) 없이 상기 시추 구조물로 리턴될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 드릴 파이프를 메인 데크의 상부 영역이 아닌 해저에서 드릴 파이프 지지유닛으로 지지함으로써 종래의 탑 드라이브, 트래블링 블록 등을 제거할 수 있어 시추 구조물의 장비를 간소화할 수 있다.

또한 메인 데크의 상부 영역에 고 하중의 드릴링 장비가 제거되므로 선체의 무게 중심을 낮출 수 있어 시추 구조물의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 드릴 파이프 지지유닛을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 III-III선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 실시 예에서 시추홀에서 리턴 되는 머드의 처리 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 "A" 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 드릴 파이프 회전부의 변형 실시예이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템에서 드릴 파이프와 회전 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템에서 드릴 파이프와 회전 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 드릴 파이프 지지유닛을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 III-III선에 따른 단면도이고, 도 4는 본 실시 예에서 시추홀에서 리턴 되는 머드의 처리 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 "A" 영역을 확대 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 드릴링 시스템(1)은, 시추 구조물(100)과, 해저에 마련되며 시추 구조물(100)과 연결되어 드릴링 되는 드릴 파이프(DP, drill pipe)의 하중을 지지하는 드릴 파이프 지지유닛(200)과, 해저에 마련되는 BOP(blowout preventer)에 연결되어 라이저 파이프(riser pipe) 없이 머드(mud)를 리턴 시키는 머드 리턴유닛(300)과, 본체(210)의 내부에 마련되어 드릴 파이프 홀딩부(220)에 의해 홀딩 된 드릴 파이프(DP)를 회전시키는 드릴 파이프 회전부(400)와, 드릴 파이프(DP)를 연결하거나 풀 때 드릴 스트링(drill string)을 핸들링(handling) 하는 드릴 스트링 핸들링유닛(500)을 구비한다.

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

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 실시 예는 자세히 후술하겠지만 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 드로웍스(521, drawworks)의 크기와 용량을 종전에 비해 줄일 수 있다.

드릴 파이프 지지유닛(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 해저에 마련되며, 드릴링 작업 시 해저에서 드릴 파이프(DP) 등의 하중을 지지하는 것으로서, 종래의 트래블링 블록과 같은 역할을 한다.

따라서 본 실시 예는 트래블링 블록을 시추 구조물(100)에 설치할 필요가 없으므로 트래블링 블록의 설치에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있다.

본 실시 예에서 드릴 파이프 지지유닛(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 해저에 고정되며 해수의 유입이 차단되는 내부 공간이 마련되는 본체(210)와, 본체(210)에 마련되어 드릴 파이프(DP)를 홀딩하며 드릴 파이프(DP)와 같이 회전되는 드릴 파이프 홀딩부(220)와, 본체(210)에 마련되어 드릴 파이프 홀딩부(220)를 회전 가능하게 지지하는 드릴 파이프 하중지지부(230)를 포함한다.

드릴 파이프 지지유닛(200)의 본체(210)는, 하측부에 마련되는 복수의 지지레그(211)에 의해 해저에 고정될 수 있다. 또한 본체(210)의 내부로, 도 2에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프(DP)가 관통되므로 해수가 본체(210)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 드릴 파이프(DP)와 본체(210)가 접하는 영역에는 실링부(212)가 마련된다.

본 실시 예에서 실링부(212)는 드릴 파이프(DP)가 관통되는 본체(210)의 홀에 마련되는 하우징(미도시)과, 하우징에 회전 가능하게 결합 되는 베어링(미도시)과, 베어링에 결합 되어 베어링과 같이 회전되며 드릴 파이프(DP)와 본체(210)의 간극을 실링 하는 실링부재(미도시)를 포함한다.

드릴 파이프 지지유닛(200)의 드릴 파이프 홀딩부(220)는, 드릴 파이프(DP)의 하중을 지지하기 위해 드릴 파이프(DP)를 홀딩하며 드릴 파이프(DP)와 같이 회전된다.

본 실시 예에서 드릴 파이프 홀딩부(220)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프 하중지지부(230)에 회전 가능하게 지지 되는 홀딩 본체(221)와, 홀딩 본체(221)에 마련되어 홀딩 본체(221)를 관통하는 드릴 파이프(DP)를 홀딩하는 복수의 홀딩 실린더(222)를 포함한다.

드릴 파이프 홀딩부(220)의 홀딩 본체(221) 중앙부에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프(DP)가 관통되는 홀이 마련된다. 또한 그 테두리에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(210)에 마련된 가이드 로드(213)가 관통되는 가이드 홀(221a)이 원형으로 연속적으로 마련되고, 홀딩 본체(221)는 회전 시 가이드 로드(213)에 지지 된다.

드릴 파이프 홀딩부(220)의 복수의 홀딩 실린더(222)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 홀딩 본체(221)의 내부에 마련되어 드릴 파이프(DP)를 가압 홀딩한다.

본 실시 예에서 복수의 홀딩 실린더(222)는 홀딩 본체(221)의 내부에 마련되어 홀딩 본체(221)와 같이 회전되므로, 홀딩 실린더(222)를 유압으로 작동시키면 홀딩 본체(221)의 회전시 홀딩 실린더(222)에 연결되는 유압 라인이 꼬일 수 있고, 이러한 꼬임을 방지하기 위해 별도의 장치를 설치해야 한다.

따라서 본 실시 예에서 복수의 홀딩 실린더(222)는 전기로 작동되는 전동실린더일 수 있고, 전동실린더로의 전력 공급은 홀딩 본체(221)의 상부에 마련되는 대용량의 축전지(미도)에 의해 공급될 수 있다. 이 경우 대용량의 축전지도 홀딩 본체(221)와 같이 회전되므로 전선의 꼬임 문제는 발생 되지 않는다.

드릴 파이프 지지유닛(200)의 드릴 파이프 하중지지부(230)는, 드릴 파이프(DP)를 홀딩한 드릴 파이프 홀딩부(220)를 지지하여 드릴링 시 드릴 비트에 가해지는 하중을 조절하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 드릴 파이프 하중지지부(230)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 홀딩 본체(221)를 회전 가능하게 지지하는 지지프레임(231)과, 지지프레임(231)을 지지하는 복수의 하중지지 실린더(232)를 포함한다.

드릴 파이프 하중지지부(230)의 지지프레임(231)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 홀딩 본체(221)와의 사이에 지지베어링(231a)이 마련되고, 이 지지베어링(231a)은 홀딩 본체(221)를 지지프레임(231)에 구속되지 않고 자유롭게 회전시킨다.

드릴 파이프 하중지지부(230)의 복수의 하중지지 실린더(232)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(210)의 내부에 마련되어 지지프레임(231)을 지지한다.

본 실시 예에서 복수의 하중지지 실린더(232)는 드릴 파이프(DP)의 드릴링 속도와 대응되는 속도로 하강 될 수 있다.

머드 리턴유닛(300)은, 도 1에 도시된 바와 같이, BOP(blowout preventer)에 연결되어 시추홀에서 리턴 되는 머드를 라이저 파이프(riser pipe) 없이 시추 구조물(100)로 리턴시키는 역할을 한다.

본 실시 예는 드릴 파이프(DP)를 메인 데크(MD)의 상부 영역이 아닌 해저에서 회전시키므로, 드릴 파이프(DP)의 외부를 라이저 파이프가 감싸는 구조이면 드릴 파이프(DP)를 홀딩하여 드릴 파이프(DP)의 하중을 지지하거나, 드릴 파이프(DP)를 회전시키는 것이 어려울 수 있다.

따라서 본 실시 예와 같이 라이저 파이프 없이 머드를 리턴 시키면 드릴 파이프(DP)의 하중 지지나 회전을 원활하게 할 수 있다.

본 실시 예에서 머드 리턴유닛(300)은, 도 1에 도시된 바와 같이, BOP에 연결되며 상기 시추홀에서 리턴 되는 머드가 저장되는 머드 저장탱크(310)와, 머드 저장탱크(310)에 마련되어 저장된 머드를 시추 구조물(100)로 펌핑하는 머드 리턴펌프(320)를 포함한다.

본 실시 예가 적용되는 riserless 시추시스템은 전통적인 해양라이저 시스템에서 사용하는 큰 직경의 라이저 파이프 대신 작은 직경의 관을 사용하여 머드와 암편 등을 순환시킨다.

이 시스템은 유정 상단에서의 압력을 바닷물로 인한 정수압과 같도록 유지시킨다. 이를 위해 여러 가지 방법이 가능하나 해저면에 펌프를 설치하여 펌프의 흡입압력을 해수로 인한 정수압과 같은 값으로 유지하는 방법이 사용될 수 있다.

이하에서 시추홀에서 리턴 되는 머드의 처리 과정을 도 4를 참고하여 간략히 설명한다.

시추공으로 공급되는 머드는 머드 리턴유닛(300)을 통해 리턴되는 머드는 재사용을 위해, 도 4에 도시된 바와 같은 처리시스템을 거친다. 즉, 리턴되는 머드를 포함한 커팅 절단물에 함유된 자갈 또는 굵은 돌과 같은 암석조각은 검보 박스(gumbo box)에서 걸러진다. 검보 박스를 통과한 커팅 절단물에 함유된 셰일, 점토 또는 암석 조각은 플로우 디바이더(flow divider)에 의해 각각의 이수 분리기(shale shaker)로 나누어 공급된다.

플로우 디바이더를 통과한 머트 커팅 절단물은 이수 분리기를 통해 머드와, 유성 머드 커팅절단물(oil based mud and cutting)과, 수성 머드 커팅절단물(water based mud and cutting)로 분리된다.

이수 분리기에서 분리된 머드는 머트 탱크로 공급된 후 리사이클 시스템을 거쳐 시추홀로 재공급되고, 유성 머드 커팅절단물은 커팅 컨베이어로 공급되어 컨테이너에 보관된 후 육상에서 처리하거나 커팅 드라이어(cutting dryer) 또는 센트리퓨지 시스템(centrifuge system)을 거쳐 해상에서 처리된다.

이수 분리기에서 분리된 수성 머드 커팅절단물은 커팅 슈트를 거쳐 해상으로 배출된다. 이수 분리기는 평상시에는 작업 및 시추 상황에 따라 유동적으로 작동되며 최대 가동시에는 8대가 작동된다.

드릴 파이프 회전부(400)는, 드릴 파이프(DP)를 회전시켜 드릴링 작업이 가능하게 하는 것으로, 종래의 탑 드라이브(top drive)의 기능을 수행한다.

본 실시 예에서 드릴 파이프 회전부(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(210)의 내부에 마련되어 드릴 파이프 홀딩부(220)를 회전시킴으로써 드릴 파이프(DP)를 회전시킬 수 있다.

본 실시 예에서 드릴 파이프 회전부(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 홀딩 본체(221)의 외주면에 마련되는 피동기어(410)와, 본체(210)의 내부에 마련되는 승강지지로드(420)에 승강 가능하게 마련되며 피동기어(410)와 기어 맞물림 되는 구동모터(430)와, 일측부는 홀딩 본체(221)의 상측부에 지지되고 타측부는 구동모터(430)에 연결되어 홀딩 본체(221)의 승강 시 구동모터(430)를 같이 승강시키는 승강 가이더(440)를 포함한다.

드릴 파이프 회전부(400)의 피동기어(410)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 홀딩 본체(221)의 외주면을 360도로 둘러싸면서 연속적으로 마련될 수 있다.

드릴 파이프 회전부(400)의 구동모터(430)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 3개가 등 각도를 이루면서 마련될 수 있다.

드릴 파이프 회전부(400)의 승강 가이더(440)는, 일측부가 홀딩 본체(221)의 상면에 구속되지 않고 자유 상태로 지지 되고, 타측부는 구동모터(430)에 고정 연결되므로 홀딩 본체(221)의 회전에 영향을 받지 않고 홀딩 본체(221)의 승강 시 같이 승강 된다.

따라서 일측부는 승강 가이더(440)에 고정되고 타측부는 승강지지로드(420)에 승강 가능하게 지지 된 구동모터(430)는 승강 가이더(440)의 승강 시 같이 승강 되므로, 별도의 동력 없이도 구동모터(430)를 승강시킬 수 있다.

그리고 본 실시 예에서 드릴 파이프 회전부(400)로 드릴 파이프(DP)를 회전 시 드릴 파이프(DP)의 상단부는 시추 구조물(100)의 드릴 플로어(DF)에 마련되는 로터리 테이블(RT, 도 1 참조)에 회전 가능하게 지지 될 수 있다.

드릴 스트링 핸들링유닛(500)은, 드릴링 작업 시 파이프 스탠드(pipe stand)를 서로 연결하기 위해 파이프 스탠드를 지지하거나, 드릴 스트링 전체를 제거하는 트립핑 아웃(tripping out) 작업시나, 드릴링 작업이 완료된 후 드릴 파이프(DP)를 드릴 플로어(DF)로 끌어올리는 역할을 한다.

참고로 파이프 스탠드 또는 스탠드는 한 개당 9m를 갖는 드릴 파이프(DP) 3개를 미리 조립해 놓은 것을 말하고, 하나의 파이프 스탠드는 약 27m의 높이를 가지며 하부는 드릴 플로어(DF)에 놓이게 되고 상부는 핑거 보드(FB) 안에 넣어서 수직으로 세워진다.

또한 본 실시 예에서 드릴 스트링(drill string)은 드릴 파이프, 파이프 스탠드, 드릴 비트(drill bit) 또는 드릴 칼라(drill collar)를 포함한다.

본 실시 예는 드릴 파이프(DP)의 하중을 해저에서 지지하여 종래의 탑 드라이브나 트래블링 블록이 필요 없으므로, 시추 과정에서 드릴 스트링을 효과적으로 핸들링하는 새로운 개선책이 요구되며, 이의 해결 방안으로 후술하는 드릴 스트링 핸들링유닛(500)이 제공된다.

본 실시 예에서 드릴 스트링 핸들링유닛(500)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 드릴 스트링을 클램핑 하는 클램프(510)와, 시추 구조물(100)에 마련되어 클램프(510)를 승강시키는 클램프 승강부(520)를 포함한다.

드릴 스트링 핸들링유닛(500)의 클램프(510)는, 내장된 전동실린더에 의해 작동되어 드릴 스트링을 클램핑 할 수 있다.

드릴 스트링 핸들링유닛(500)의 클램프 승강부(520)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 드릴 플로어(DF)에 마련되는 드로웍스(521)와, 데릭(D)에 마련되어 드로웍스(521)와 클램프(510)를 연결하는 와이어를 지지하는 복수의 롤러(522)를 포함한다.

한편 본 실시 예는 드릴 플로어(DF)에서 조립된 파이프 스탠드를 핑거 보드(FB)로 상승시켜 세우는 스탠드 빌딩 암(SB, stand building arm)과, 핑거 보드(FB) 근처로 세워진 파이프 스탠드를 핑거 보드(FB)에 안착 보관시키는 브릿지 크레인(BC)을 더 포함한다.

본 실시 예에서 스탠드 빌딩 암(SB)은 스탠드 파이프를 클램핑 하는 기능이 구비되어 있고, 데릭(D)의 높이 방향으로 길게 마련되는 한 쌍의 레일(R)을 따라 승강 될 수 있다.

본 실시 예에서 브릿지 크레인(BC)은 핑거 보드(FB)의 가로 방향과 세로 방향 모두로 이동될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 가이드 레일(GR)의 길이 방향으로 이동 가능하게 연결되는 연결로드(CR)에 이동 가능하게 연결될 수 있다.

즉 본 실시 예에서 브릿지 크레인(BC)은 연결로드(CR)의 길이 방향으로 이동될 수 있고, 한 쌍의 가이드 레일(GR)의 길이 방향으로 이동될 수 있다. 그 방법으로는 브릿지 크레인(BC)과 연결로드(CR)의 연결 부분과, 연결로드(CR)와 한 쌍의 가이드 레일(GR)의 연결 부분에 랙과 피니언의 기어 결합 구조를 마련하고, 모터의 피니언 기어를 마련하여 모터의 회전력으로 이동될 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 드릴 파이프 회전부의 변형 실시예이다.

본 실시 예는, 도 6에 도시된 바와 같이, 본체(210)의 내부에 전술한 실시예와 다른 타입의 드릴 파이프 회전부(600)를 마련하여 드릴 파이프(DP)를 회전시킬 수 있다.

드릴 파이프 회전부(600)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 본체(210)의 내부에 회전 가능하게 마련되는 회전축(610)과, 회전축(610)과 드릴 파이프(DP)를 연결하여 회전축(610)의 회전력을 드릴 파이프(DP)로 전달하는 연결부재(620)와, 본체(210)의 내부에 마련되며 회전축(610)과 기어 맞물림 되어 회전축(610)을 회전시키는 회전축 구동모터(630)를 포함한다.

드릴 파이프 회전부(600)의 회전축(610)은, 본체(210)의 내부 바닥부에 마련되는 베어링에 고정되어 회전될 수 있다. 또한, 미 도시되었지만 회전축(610)의 상단부에는 회전축(610)을 회전 가능하게 지지하는 가이드 로드(213)가 마련될 수 있다.

드릴 파이프 회전부(600)의 연결부재(620)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 일측부는 회전축(610)에 감겨지고 타측부는 드릴 파이프(DP)에 연결되는 끈일 수 있다. 본 실시 예에서 연결부재(620)인 끈은 회전축(610)의 회전력을 미끄럼 없이 드릴 파이프(DP)로 전달하고, 회전축(610) 자체에서 끈의 미끄러짐을 방지하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전축(610)의 대부분에 감겨 질 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 드릴링 시스템에서 드릴 파이프와 회전 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 실시 예에 따른 드릴링 시스템(1a)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프(DP)의 형상을 회전 장비의 일부와 맞물리게 변형하고, 회전 장비가 회전됨으로 인해 회전 장비와 맞물린 드릴 파이프(DP)의 회전으로 시추 작업을 할 수도 있다.

본 실시 예는 드릴 파이프(DP)의 상단부와 하단부를, 도 7에 도시된 바와 같이, 일측 외주면이 뾰족하게 돌출되도록 마련할 수 있고, 회전 장비는 로터리 테이블(RT) 일 수 있다. 또한, 로터리 테이블(RT)의 내부면에는 드릴 파이프(DP)의 뾰족한 돌출 부분이 수용되는 홈이 마련될 수 있다.

그리고 본 실시 예에서 로터리 테이블(RT)은 외주면에 마련되는 나사산과, 드릴 플로어(DF)에서 메인 데크(MD)까지 마련되며 내벽에 로터리 테이블(RT)의 나사산과 맞물리는 나사산이 마련되는 지지대에 의해 드릴 플로어(DF)의 하강 시 같이 하강 될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 드릴링 시스템에서 드릴 파이프와 회전 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 실시 예에 따른 드릴링 시스템(1b)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프(DP)의 이음새 부분을 회전 장비와 맞물리게 육각형 모양으로 할 수 있다. 따라서 회전 장비가 작동되면 회전 장비의 내부를 따라 드릴 파이프(DP)가 내려가며 시추 작업을 할 수도 있다.

한편 본 실시 예에서 드릴 파이프(DP)는 하나의 드릴 파이프를 의미할 수도 있고, 3개의 드릴 파이프를 결합시킨 파이프 스탠드일 수도 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 드릴 파이프를 메인 데크의 상부 영역이 아닌 해저에서 드릴 파이프 지지유닛으로 지지함으로써 종래의 탑 드라이브, 트래블링 블록 등을 제거할 수 있어 시추 구조물의 장비를 간소화할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 드릴링 시스템 100 : 시추 구조물
200 : 드릴 파이프 지지유닛 210 : 본체
220 : 드릴 파이프 홀딩부 230 : 드릴 파이프 하중지지부
300 : 머드 리턴유닛 310 : 머드 저장탱크
320 : 머드 리턴펌프 400,600 : 드릴 파이프 회전부
410 : 피동기어 420 : 승강지지로드
430 : 구동모터 440 : 승강 가이더
500 : 드릴 스트링 핸들링유닛 510 : 클램프
520 : 클램프 승강부 610 : 회전축
620 : 연결부재 630 : 회전축 구동모터
BC : 브릿지 크레인 CR : 연결로드
D : 데릭 DF : 드릴 플로어
DP : 드릴 파이프 FB : 핑거 보드
GR : 가이드 레일 MD : 메인 데크
MP : 문풀 R : 레일
RT : 로터리 테이블 SB : 스탠드 빌딩 암

Claims

해저 자원을 시추하기 위한 드릴링 시스템에 있어서,
시추용 해양구조물에 설치되는 시추 구조물; 및
해저에 마련되며 상기 시추 구조물과 연결되어 드릴링 되는 드릴 파이프의 무게를 지지하는 드릴 파이프 지지유닛;
을 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴 파이프 지지유닛은,
해저에 고정되며, 해수의 유입이 차단되는 내부 공간이 마련되는 본체;
상기 본체에 마련되어 상기 드릴 파이프를 홀딩하며 상기 드릴 파이프와 같이 회전되는 드릴 파이프 홀딩부; 및
상기 본체에 마련되어 상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전 가능하게 지지하는 드릴 파이프 하중지지부;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 드릴 파이프 홀딩부는,
상기 드릴 파이프 하중지지부에 회전 가능하게 지지 되는 홀딩 본체; 및
상기 홀딩 본체에 마련되어 상기 홀딩 본체를 관통하는 상기 드릴 파이프를 홀딩하는 복수의 홀딩 실린더;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 홀딩 본체는 상기 복수의 홀딩 실린더에 의해 홀딩 된 상기 드릴 파이프와 같이 회전 시 상기 본체의 내부에 마련되는 복수의 가이드 로드에 지지 되는 것을 특징으로 하는, 드릴링 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 드릴 파이프 하중지지부는,
상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전 가능하게 지지하는 지지프레임; 및
상기 본체의 내부에 마련되어 상기 지지프레임을 승강 가능하게 지지하는 복수의 하중지지 실린더;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 1에 있어서,
해저에 마련되는 BOP(blowout preventer)에 연결되어 라이저 파이프(riser pipe) 없이 머드(mud)를 리턴 시키는 머드 리턴유닛을 더 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 머드 리턴유닛은,
상기 BOP에 연결되며 시추홀에서 리턴 되는 머드가 저장되는 머드 저장탱크; 및
상기 머드 저장탱크에 마련되어 저장된 머드를 상기 시추 구조물로 펌핑하는 머드 리턴펌프;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 본체의 내부에 마련되어 상기 드릴 파이프 홀딩부에 의해 홀딩 된 상기 드릴 파이프를 회전시키는 드릴 파이프 회전부를 더 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 드릴 파이프 회전부는,
상기 드릴 파이프 홀딩부의 외주면에 마련되는 피동기어; 및
상기 드릴 파이프 홀딩부에 지지 되며 상기 피동기어와 기어 맞물림 되어 상기 드릴 파이프를 홀딩한 상기 드릴 파이프 홀딩부를 회전시키는 구동모터;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 드릴 파이프 회전부는,
상기 본체의 내부에 마련되어 상기 구동모터의 승강을 가이드 하는 승강 가이더를 더 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 1에 있어서,
드릴 파이프를 연결하거나 풀 때 드릴 스트링을 핸들링(handling) 하는 드릴 스트링 핸들링유닛을 더 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 드릴 스트링 핸들링유닛은,
상기 드릴 스트링을 클램핑 하는 클램프; 및
상기 시추 구조물에 마련되어 상기 클램프를 승강시키는 클램프 승강부;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 클램프 승강부는,
상기 시추 구조물의 드릴 플로어(drill floor)에 마련되어 상기 클램프를 승강시키며 데릭을 통해 상기 클램프와 연결되는 드로웍스; 및
상기 데릭에 마련되어 상기 드로웍스와 상기 클램프를 연결하는 연결부재를 지지하는 복수의 롤러;
를 포함하는, 드릴링 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 본체의 내부에 회전 가능하게 마련되는 회전축;
상기 회전축과 상기 드릴 파이프를 연결하여 상기 드릴 파이프를 회전시키는 연결부재; 및
상기 본체의 내부에 마련되어 상기 회전을 회전시키는 회전축 구동모터가 구비된 드릴 파이프 회전부;
를 더 포함하는, 드릴링 시스템.
해저 자원을 시추하기 위한 드릴링 방법에 있어서,
해저에 드릴 파이프를 홀딩시키는 드릴 파이프 지지유닛을 고정하는 단계; 및
상기 드릴 파이프 지지유닛으로 해저에서 상기 드릴 파이프의 무게를 지지한 상태에서 시추 구조물과 연결된 드릴링 파이프를 회전시켜 드릴링 하는 단계;
를 포함하는, 드릴링 방법.
청구항 15에 있어서,
드릴링 작업 중에 시추홀로 공급되는 머드를 리턴 시키는 머드 리턴단계를 더 포함하고,
상기 머드 리턴단계에서 상기 머드는 머드 리턴유닛에 의해 라이저 파이프(riser pipe) 없이 상기 시추 구조물로 리턴 되는 것을 특징으로 하는, 드릴링 방법.