가이드팁을 사용하여 해면 등에서 보어홀을 굴삭하기 위한 방법 및 장치

가이드팁을 사용하여 해면 등에서 보어홀을 굴삭하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DRIVING BORE-HOLES, ESPECIALLY IN THE SEA BED, USING A GUIDE TIP}

탐사 보링은 광상을 조사할 목적으로 실시되며, 광상 내에 존재하는 물질의 시료 채취를 가능하도록 한다. 탐사 보링은 특히, 광상이 비교적 깊은 곳에 은폐되어 있거나 호수 또는 바다와 같은 광상 위의 물이 시굴 수갱을 파내려 가는 데 장애가 되는 경우에 이루어진다.

채굴 보링은 바닥층으로부터 광상의 내용물을 얻어내기 위하여 이용된다. 이하, 채굴 보링에 대한 예로서, 해저상에 있는 금강석을 함유하는 바다 침적물의 분리를 설명한다.

금강석을 함유하는 침적물은 대부분 하구 앞에서 극도로 거대하고, 바위로 된 바닥 위에 퍼져 있는 층의 형태로 형성된다. 금강석 함유 침적물을 분리하기 위해서는, 선박으로부터 연장 가능한 드릴스트링(drill string)을 따라서 해저까지 강하되는 장치를 사용한다. 이러한 방식의 장치는 비교적 큰 직경의 보어를 위해 설계된 보링헤드(boring head)를 포함한다. 이러한 큰 직경의 다수의 보어들이, 금강석을 함유하는 전체 물질을 가급적 광범위하게 채굴할 수 있기 위해 나란히 조밀하게 배치된다.

경우에 따라, 긴 로드에 고정된 보링헤드가 해면에 충돌하는 경우, 굴삭하고자 하는 해저의 장소에 보링 공구의 보링헤드가 반듯하게 삽입되지 않고, 오히려 측면으로 벗어나거나, 특히 바닥이 단지 약간이라도 기울어져 있는 경우에는 나선형으로 원을 그리면서 이리저리 움직이는 경향을 보인다.

보링헤드가 이와 같이 측방으로 벗어나는 것을 방지하기 위해서 보링헤드 아래의 중앙에 가이드팁(guide tip)을 배치하는 것이 공지되어 있다. 이 가이드팁은 보링헤드의 작용 방향으로 작용하는 굴삭력하에서 침적물층의 표면 내로 진입하여, 특히 보링의 초기 단계에서 보링 공정이 시작될 때(즉, 보링헤드가 아직까지 보어 벽을 통해 측방의 안내를 받지 않고 있을 때) 보링헤드가 측방으로 벗어나는 것을 방지하도록 안내한다.

보링헤드가 침적물층을 거의 관통했을 때, 선행하는 가이드팁은 그 아래에 있는 대부분 바위로 이루어진 바닥에 부딪히게 되고, 이 바닥으로는 진입하지 못하거나 또는 매우 느리게 높은 마찰하에서 진입하게 된다. 이때, 보링헤드는 더 이상 침적물 내로 진입할 수 없게 된다.

채굴 보링 방법의 경제성은 다수의 연속하는 보어를 얼마나 신속하게 굴삭하는가에 달려있기 때문에, 지금까지 침적물 아래에 있는 바닥에 가이드팁이 충돌하는 경우에는 그때마다 보링 공정이 심하게 지연되었고 따라서 비경제적이었다.

미국특허 제 3,277,972 호에는, 보링헤드가 유연한 침적물층에 진입할 때 강하되는 장치가 공지되어 있다. 보링헤드가 하우징에 대해서 드릴스트링 방향으로 이동 가능하도록 배치됨으로써, 하우징의 전면 단부가 단단한 암석층에 충돌하자마자 보링헤드는 하우징과 무관하게 파들어 갈 수 있다.오스트리아특허 제 379 863 호에는, 보어홀 내에서의 안내를 위해 드릴 로드를 부분적으로 방사형으로 감싸는 가이드 부시를 포함하는 드릴 로드가 공지되어 있다.

미국특허 제 3,729,057 호에는, 드릴스트링을 따라 상하 이동가능한 2 부분으로 구성된 보링헤드장치가 공지되어 있다. 이 보링헤드장치는 보링헤드의 하단에 형성된 플레이트에 부착되는 보링 팁을 갖는다. 플레이트는 드릴스트링의 종방향에 대해 직각으로 연장되는 축을 중심으로 회전가능하게 장착되고, 보링헤드는 플레이트가 회전후퇴할 때 드릴스트링에 대해서 위쪽으로 이동할 수 있다.

본 발명은 특히 탐사 보링 및 채굴 보링을 위한 보어홀(bore-hole)의 굴삭 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 여러 실시예가 도면에 도시되어 있다.

도 1 은 가이드팁이 침적물의 위쪽에 있고 보링헤드가 상부위치에 있는 것을 나타내는 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,

도 2 는 보어의 바닥까지 파들어간 보링헤드에 의한 보링공정의 마지막 상태에 있는 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,

도 3 은 보링헤드가 상부위치에 있는 드릴스트링의 하부의 확대도이고,

도 4 는 보링헤드가 하부위치에 있는 상태의 도 3 과 동일한 드릴스트링 하부의 개략도이고,

도 5 는 도 3 의 부분(V)의 확대도이고,

도 6 은 보링헤드의 부분(도 3의 부분(Ⅵ))의 확대도이고,

도 7 은 보링헤드를 구동시키기 위한 구동장치의 부분 단면도(도 6 의 부분(Ⅶ))이고, 그리고

도 8 은 가이드 부시에 형성된 종동부 및 보링헤드에 형성된 대응 종동부의 확대 단면도(도 6 의 부분(Ⅷ))이다.

본 발명의 목적은, 그다지 단단하지 않은 광상층을 통과하여 그 아래의 대부분 바위인 바닥 암석 바로 위에 이르기까지 하방으로 채굴할 수 있는 동시에 그 방법이 비경제적이지 않도록, 전술한 유형의 탐사 보링 및 채굴 보링을 위한 보어홀의 굴삭 방법 및 장치를 개선하는 것이다. 또한, 상기 장치는 다양한 보링 조건 및 보링 깊이에 대한 적합성이 우수하고, 제조비용이 가급적 저렴해야 한다.

방법적인 측면에서의 상기 목적은 청구항 1 의 기재에 의해 달성된다.

상기 목적을 위해 본 발명에 따라, 드릴스트링의 종방향으로 고정된 가이드팁을 굴착될 바닥을 향한 단부에 구비하는 드릴스트링이 보어가 굴착되어야 하는 장소에 올려진다. 이 경우, 가이드팁은 통상적으로 적어도 약간 침적물층 내부로 진입한다. 그 다음에, 가이드팁이 1 이상의 절삭부재로부터 돌출하는 상부위치와 1 이상의 상기 절삭부재가 가이드팁의 단부와 동일한 높이에 있거나 또는 작용 방향으로 돌출하는 하부위치 사이에서 이동가능한, 바닥을 향한 측면에 1 이상의 절삭부재를 가지는 보링헤드가, 드릴스트링의 하강 동안에 상부위치로부터 하부위치로 이동된다. 가이드팁이 일정한 양만큼 침적물층 내부로 진입하면, 보링헤드의 1 이상의 절삭부재가 침적물층 내에서 보링헤드를 측면에서 안내하는 보어 유입구를 형성하므로, 그 후에는 가이드팁이 보링헤드를 안내하는 작용이 감소한다. 보링헤드가 침적물층 내부로 더 진입하면 1 이상의 절삭부재는 가이드팁의 단부와 같은 평면상에 있게 되거나 또는 가이드팁을 앞질러 감으로써, 침적물층 아래 있는 암석 위까지 보링은 본 발명에 따른 방법에 따라 아무런 문제 없이 이루어질 수 있다. 가이드팁은 통상적으로 보링공정 동안에 침적물층 아래의 암석에 진입할 필요가 없기 때문에, 가이드팁의 마모는 현저하게 감소된다.

본 발명에 따른 방법의 제 1 변형예에서는, 보링공정 동안 드릴스트링이 자체 종축선을 중심으로 회전됨으로써 드릴스트링에 고정 지지된 보링헤드 뿐만 아니라 마찬가지로 드릴스트링에 고정되어 있는 가이드팁도 회전된다. 따라서, 이 변형예에서는 가이드팁이 침적물층을 굴삭하게 된다.

그러나, 청구항 3 에 기재된 바와 같이, 드릴스트링을 구동시키고, 토크를 고정 장착된 보링헤드에는 전달하지만, 그와 반대로 드릴스트링의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 장착된 가이드팁에는 전달하지 않는 것도 바람직할 수 있다. 그럼으로써, 가이드팁이 침적물 내에서 회전되지 않게 된다. 이에 따라, 비록 침적물층 내부로 가이드팁의 굴삭 동작이 이루어지지는 않지만, 가이드팁이 이 가이드팁에 가해지는 중량에 의해서 약간 침적물층 내부로 진입함으로써 대부분의 경우에 가이드팁이 충분한 안내 기능을 수행하는 것으로 확인되었다. 침적물층과 가이드팁 사이에 상대적인 움직임이 없기 때문에, 본 발명에 따른 방법의 전술한 변형예에 비해 가이드팁이 더 적게 마모된다.

청구항 4 에 기재된 방법의 실시예, 즉 드릴스트링이 고정 장착되고 보링헤드가 드릴스트링의 종축선에 대해서 회전되는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 상기 조치에 의해서 통상적으로 보링헤드 반대측의 드릴스트링의 단부에 배치되는 구동장치, 및 경우에 따라 비용이 많이 드는 회전 전달 수단이 생략되기 때문이다. 이 경우에는 가이드팁을 드릴스트링에 고정 장착하는 것이 가능하다.

그러나, 침적물이 비교적 단단한 경우에는 가이드팁이 드릴스트링의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 장착되고 보링헤드와 함께 종축선을 중심으로 회전되는 것이 장점이 될 수 있는데, 그 이유는 그럼으로써 가이드팁을 침적물 내부로 진입시켜 가이드팁의 초기 안내 작용을 높일 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 추가의 변형예가 청구항 6 에 기재되어 있다. 상기 변형예에서는, 가이드팁이 드릴스트링의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 장착되며, 보링헤드가 상부위치로부터 출발하여 이 보링헤드의 1 이상의 절삭부재가 가이드팁 단부의 높이에 적어도 거의 도달했을 때, 비로서 가이드팁은 보링헤드와 함께 움직인다.

이러한 조치에 의해, 가이드팁이 더 이상 침적물 내로 진입하지 않는 경우에는 가이드팁이 공회전에 의해 침적물 내에 폐쇄되지 않으며, 보링헤드가 침적물 내부로 더 깊게 들어가는 경우에도 1 이상의 절삭부재에 의해서 절삭되지 않는 영역에 코어(core)가 형성되는 것이 확실하게 방지된다.

상기 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 굴착될 바닥 또는 보어 전면에 보링헤드의 전면을 접촉시키는 힘은 보링헤드에 제공된 1 이상의 부유체에 의해서 조절될 수 있다.

장치의 측면에서 본 발명의 목적은, 굴착될 바닥 또는 보어의 전면을 향한 드릴스트링의 단부에 이 드릴스트링의 종방향으로 고정된 가이드팁이 배치되며, 가이드팁이 1 이상의 절삭부재로부터 돌출되는 상부위치와 상기 절삭부재가 가이드팁의 단부와 동일한 높이에 있거나 또는 보링헤드의 작용 방향으로 상기 단부로부터 돌출하는 하부위치 사이에서 보링헤드가 드릴스트링의 종방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 청구항 8 에 따른 장치에 의해서 달성된다. 본 발명에 따른 장치에서, 가이드팁은 우선 보링의 초기단계에서는 보링헤드가 움직이는 것을 방지하기 위해서 이용되는 반면, 보링헤드의 강하 후에는 가이드팁이 드릴스트링에 상대적으로 1 이상의 절삭부재에 의해 규정되는 평면의 후방에 남겨지게 되어, 바닥층 또는 암석에 접촉함으로써 보링 공정을 방해하는 일이 없게 된다.

본 발명에 따른 장치에서는, 드릴스트링의 일단부가 자체 종축선을 중심으로 회전 가능하게 장착되고, 상기 단부의 영역에서 드릴스트링과 함께 작용하는 회전 구동 헤드를 사용함으로써 보링헤드를 공지된 방식으로 회전시키는 것이 가능하다. 이 경우 보링헤드는 드릴스트링에 고정 장착될 수 있다(청구항 10).

가이드팁이 보링 초기에 침적물 내부로 밀려 들어가는 것만으로도 대개의 경우 보링헤드의 안내가 이루어지기 때문에, 가이드팁을 드릴스트링의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 상기 드릴스트링에 지지하는 것은 가이드팁의 마멸을 줄이는 데 바람직할 수 있다(청구항 11).

그러나 특히 바람직한 것은, 청구항 12 에 기재된 바와 같이, 보링헤드의 반대측의 드릴스트링의 단부가 드릴스트링의 지지 장치에 고정 장착되는 것이다.

상기와 같은 장착을 위해서는 청구항 13 에 따른 카르단식(Cardan) 지지장치 (짐벌(Gimbal))가 특히 적합하다.

이 경우 보링헤드는 바람직하게 상기 보링헤드에 배치된 구동장치에 의해 드릴스트링에 대해서 그의 종축선을 중심으로 회전된다(청구항 14).

구동장치는 청구항 15 에 기재된 바와 같은 드릴스트링에 배치된 토크를 수용하기 위한 장치, 바람직하게는 청구항 16 에 기재된 바와 같은 세로방향 기어부로 형성된 장치와 함께 작용하는 회전 모터를 포함한다.

상기 회전 모터는 청구항 17 에 기재된 바와 같이 유압 모터일 수 있다.

그러나, 회전 모터를 전자 모터로 형성하는 것도 가능하다(청구항 18).

가이드팁이 자체 종축선을 중심으로 회전되지 않는 채로 침적물 내부로 밀려 들어가는 경우, 특정한 침적물에서는 가이드팁의 안내 효과가 충분하지만, 다른 침적물은 종축선을 중심으로 하는 가이드팁의 회전을 필요로 한다는 사실이 테스트를 통해 나타났다. 따라서, 청구항 19 에 기재된 바와 같이, 가이드팁이 드릴스트링의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 상기 드릴스트링에 장착되고, 보링헤드에 제공된 대응 종동부와 맞물릴 수 있는 종동부가 가이드팁에 제공되는 것이 바람직하다.

바람직하게 청구항 20 에 기재된 바와 같이, 종동부 및 대응 종동부는 가이드팁이 구동되는 경우에 서로 맞물리는 세로방향 기어부로 이루어진다.

다수의 침적물에 있어서는, 종동부 및 대응 종동부가 드릴스트링의 종방향과 관련하여 보링헤드의 위치와 무관하게 맞물리는 실시예가 매우 적합하다고 나타났다.

청구항 22 의 특징을 갖는 장치는 다른 침적물에 특히 적합하다. 이 장치에서 종동부 및 대응 종동부는, 1 이상의 절삭부재가 가이드팁 단부의 높이에 있거나 또는 이 단부로부터 보링헤드의 작용 방향으로 돌출하는 경우에만 가이드팁이 회전하는 보링헤드와 맞물리도록 구성된다. 이러한 조치에 의해서, 보링헤드가 침적물 내부로 추가로 내려가는 동작은 1 이상의 절삭부재에 의해 절삭되지 않는 영역에 형성되는 코어에 의해서 방해를 받지 않게 된다.

종동부 및 대응 종동부를 형성하는 세로방향 기어부의 특히 바람직한 구성예는 청구항 23 에 기재되어 있다.

보링헤드의 작용 방향으로 작용하는 굴삭력을 조절하기 위한 1 이상의 부유체가 보링헤드에 제공되면, 상기 장치는 다양한 침적물에 대해 특히 우수한 적응성을 갖게된다. 이러한 조치에 의해서, 가이드팁을 침적물 내로 밀어주는 힘은 변동하지 않으면서, 보링헤드의 작용 방향으로 작용하는 굴삭력은 그때그때의 침적물의 특성에 적합하게 될 수 있다. 이에 따라, 특히 침적물이 단단한 경우에 충분한 안내 효과를 달성하기 위해서 가이드팁을 큰 힘으로 가압하는 것이 가능해지는 동시에, 1 이상의 절삭부재의 맞물림 결합이 한편으로는 보어로부터의 이탈을 방지하고 다른 한편으로는 보링 작용을 최적화시킬 수 있도록 굴삭력을 조절할 수 있다.

청구항 25 에 기재된 바와 같이, 1 이상의 부유체가 부양가능한 탱크나 또는 가스, 특히 압축 공기로 채워질 수 있는 탱크를 포함하면, 보링 공정 동안에도 굴삭력을 변동시킬 수 있다. 그럼으로써, 예를 들어 보링 공정의 초기에는 (보어로부터 이탈될 위험이 아직 존재하는 동안, 예컨대 해저가 심하게 기울어진 경우에는) 작은 굴삭력을 선택할 수 있지만, 보링 공구가 보어 내에서 자체적으로 안내되기 시작하자마자 보링 작용의 향상을 위해서 굴삭력을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 바람직하게 보링헤드의 반대측의 드릴스트링의 단부를 지지하고, 해저 내부에 보어홀을 굴삭하는데 사용되는 부유 플랫폼과 결합된다(청구항 26).

예를 들어 파도 또는 조수차에 의해 야기되는 플랫폼의 수직 움직임을 상쇄하기 위해서는, 청구항 27 에 기재된 바와 같이, 드릴스트링을 플랫폼에 지지되는 상부 드릴스트링부 그리고 보링헤드 및 가이드팁을 지지하는 하부 드릴스트링부로 나누는 것이 특히 바람직하며, 이 경우에는 상부 드릴스트링부 및 하부 드릴스트링부가 드릴스트링의 종방향으로 망원경 형태로 서로 끼워맞춰지고 서로 상대적으로 이동될 수 있기 때문에, 굴삭력은 현저하게 변동되지 않으면서도 플랫폼의 수직 움직임이 상쇄된다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에서는 청구항 28 에 기재된 바와 같이, 길이가 변동될 수 있는 부하 발생기, 바람직하게는 피스톤/실린더 유닛이 제공되는데, 이 부하 발생기는 일측에서는 하부 드릴스트링부에, 타측에서는 보링헤드에 장착되며, 이 때 길이 변동은 드릴스트링의 종축선의 방향으로 이루어진다. 이러한 조치에 의해서, 플랫폼상에 있는 권상기(16)의 작동 및 로우프(16')의 부하를 필요로 하지 않으면서도 보링헤드는 드릴스트링의 하부에 대해 상대적으로 이동될 수 있다. 이것은 특히 보링헤드(10)가, 예를 들어 보어벽의 붕괴에 의해서 보어 내에 갇히는 경우에 장점이 되는데, 그 이유는 길이 변동 가능한 부하 발생기의 상응하는 작동에 의해서, 특히 보어가 전체 침적물층을 통해 연장되는 경우에 그 아래에 있는 단단한 암석 위에 지지되는 가이드팁에 대해 상대적으로 위로 움직일 수 있기 때문이다. 따라서, 대부분의 경우 보링헤드(10)는 보어벽의 붕괴 후에도 이로부터 벗어날 수 있다.

상기 실시예에 의해서는 또한, 가이드팁의 선행하는 길이를 바닥 특성에 의해 미리 설정된 조건에 적합하게 하는 것이 가능하다.

하부 드릴스트링부, 특히 이 하부 드릴스트링부의 상단부 영역에 부력을 제어할 수 있는 부유체가 제공되면, 가이드팁을 바닥에 올려 놓는 힘을 그때 그때의 지배적인 조건에 적합하게 할 수 있다. 이 경우, 보링헤드에 청구항 28 에 기재된 바와 같은 길이 변동 가능한 부하 발생기를 장착하면, 하부 드릴스트링부 및 축방향으로 견고하게 결합된 구성요소에 상응하는 중량만큼 굴삭력이 증가될 수 있다.

도 1 및 도 2 에서 전체로서 도면 부호 100으로 표기된 장치는 부유 플랫폼(1) 상에 배치된 마스트(mast; 2)를 포함하며, 이 마스트(2)는 전체로서 도면부호 5로 표기된 드릴스트링의 하나 이상의 세그먼트(4, 4')를 상승 또는 하강시키기 위해서 이용되는 활차(3)를 갖는다.

드릴스트링 세그먼트(4, 4')를 활차(3)와 접속시키기 위하여, 도면에 다만 암시만 된 장치, 통상적으로 파이프 이렉터(pipe erector) 또는 파이프 핸들링 시스템(pipe handling system)으로 언급되는 장치가 이용된다. 드릴스트링 세그먼트(4, 4')를 담당하기 위해서 마스트(2)는 플랫폼(1)에 축(S)을 중심으로 선회 가능하게 장착된다. 선회 동작을 개시하고 마스트(2)를 직립시켜 고정하기 위해서 자세하게 도시되지 않은, 길이 변동 가능한 지지부(2')가 이용되는데, 이 지지부(2')는 예를 들어 도면에 도시되지 않은 피스톤/실린더-유닛을 포함할 수 있다.

이미 서문에 언급한 바와 같이, 해체 가능한 세그먼트(4, 4')로 이루어진 드릴스트링(5)은 상부 드릴스트링부(6) 및 하부 드릴스트링부(7)를 포함한다. 상부 드릴스트링부(6)는 개소(8)에서 망원경 형태로 하부 드릴스트링부(7) 내부로 삽입되어, 도 1 의 도면에서의 대략 개소(9)까지 하부 드릴스트링부(7) 내부에서 연장된다. 상부 및 하부 드릴스트링부(6, 7)는, 상부 드릴스트링부(6)가 삽입되는 길이방향 영역에서, 상기 드릴스트링부(6, 7)가 상기 길이방향 영역에서 마찰 없이 드릴스트링(5)의 종축선(L) 방향으로 상대적으로 움직일 수는 있지만 이 종축선을 중심으로 2 개의 드릴스트링부(6, 7)가 상호 회전할 수는 없도록 구성되어 있다.

하부 드릴스트링부(7)의 하단부에는 보링헤드(10)가 배치되어 있다. 보링헤드(10)는 이 보링헤드에 통합된 회전 구동장치(11)에 의해, 플랫폼에 고정 지지되어 있으며 반동 토크를 흡수하는 드릴스트링(5)에 대해서 회전 가능하다. 도시된 실시예에서는, 동력원으로서 유압 모터가 이용되며, 이 모터에는 유압 도관(12)을 통해 압력하에 있는 액체가 공급된다. 그러나, 유압 모터 대신에 전자 모터를 사용하고 유압 도관(12) 대신에 전선을 배치하는 것도 가능하다.

하부 드릴스트링부(7)의 상단부에는 2 개의 부유체(69)가 종축선(L)에 대하여 서로 마주보도록 배치되며, 이 부유체의 부력 또는 배출량은 조절 가능하다.

상부 드릴스트링부(6)를 플랫폼(1)에 고정 지지하기 위해서, 플랫폼의 수직 중심면을 따라 2 개로 분할되어 카르단식(Cardan)으로 현가되는 지지장치(19) (짐벌(Gimbal))가 이용되며, 장착된 드릴스트링 세그먼트(4)를 해체할 수 있도록 이 지지장치(19)의 2 개의 절반체는 서로로부터 분리 가능하다.

상부 드릴스트링부(6)의 중력에 의해 야기되는 지지장치(19)의 하중, 및 상기 드릴스트링을 상승시키기 위해 제공된 리프팅 장치(3') 또는 플랫폼(1)에 대한 부하를 감소시키기 위해서, 상부 드릴스트링부(6)에는 필요에 따라 1 이상의 (도시된 실시예에서는 2 개의) 추가의 부유체(70)가 제공된다. 이러한 조치에 의해서, 상부 드릴스트링부(6)는 상기의 부유체를 갖지 않는 장치에 비해서 더 길게 형성될 수 있기 때문에, 보다 깊은 곳에서의 탐사 보링이 가능해 진다. 마찬가지로, 부유체(70)는 가변적인 부력 용량을 갖도록 구성될 수 있다.

보링헤드(10)에는 드릴스트링의 종축선(L)에 대해 서로 마주하는 구멍(13)이 형성되며(도 1, 도 2 및 도 6 참조), 상기 구멍(13)에는 플랫폼(1)에 형성된 개구부(14)를 통과하여 편향 롤러(15)를 통해 권상기(16)에 접속되는 2 개의 로우프(16')가 고정되며, 상기 개구부(14)에는 또한 드릴스트링(5)도 통과된다. 그럼으로써, 권상기(16)의 작동에 의해서 하부 드릴스트링부(7)가 상승 및 하강될 수 있다.

이하, 먼저 도 1 및 도 2 를 참조하여 본 발명에 따른 장치의 도시된 실시예의 원리적인 기능을 설명한다.

도 1 에 도시된 상태에서 있어서, 드릴스트링(5)은 이미 개개의 세그먼트(4 또는 4')가 나사 결합에 의해서 조립됨으로써 완전한 길이를 갖는다. 드릴스트링(5)의 상단부에는 끌어 올려진 토사를 배출하기 위한 곡관(17)이 배치된다. 드릴스트링(5)의 상단부는 이미 카르단식 지지장치(19)의 2 개 부분의 폐쇄에 의해 플랫폼(1)에 고정 지지되어 있다. 곡관(17)은 깔때기 형상의 단부를 갖는 유입구(20) 내로 삽입되며, 이 유입구(20)는 토사내에 포함된 금강석을 분리하기 위한 도면에 도시되지 않은 공지된 장치로 토사를 공급한다.

도 1 에 도시된 상태에서 장치(100)는, 보링헤드(10)가 해저(40)의 굴착될 장소의 상부에 있도록 위치 결정되어 있다.

실제의 보링 공정이 시작되기 전에 권상기(16)가 풀려진다. 이에 따라, 하부 드릴스트링부(7) 내에 넣어져 있는 상부 드릴스트링부(6)의 부분을 따라 하부 드릴스트링부(7)가 아래로 계속 미끄러져, 하부 드릴스트링부(7)의 하단부에 형성된 가이드팁(22)의 하단부(21)가 해저(40) 상에 닿게 된다. 하부 드릴스트링부 (7)의 중량은, 실질적으로 가이드팁(22)의 단부(21)를 해저(40) 상에 지지하는 힘이 된다.

예를 들어 파도 또는 조수차에 의하여, 플랫폼(1)이 날씨 상태에 따라 수미터에 달하는 수직 운동을 하는 경우에도, 가이드팁(22)을 해저(40)에 지지하거나 또는 해저(40) 내로 삽입하는 힘은 영향을 받지 않게 되는데, 그 이유는 삽입되어 있는 내측의 상부 드릴스트링부(6)가 플랫폼(1)의 수직 운동에 따라서 마찰 없이 하부 드릴스트링부(7)의 내외로 이동할 수 있기 때문이다.

보링헤드(10)를 해저로 강하시키기 위해서 먼저 회전 구동장치(11)가 작동됨으로써, 후술되는 바와 같이 보링헤드(10)만 또는 보링헤드(10)와 가이드팁(22)이 드릴스트링(5)의 종축선(L)을 중심으로 회전한다. 보링헤드(10)의 전면(23)은 도 1 에 도시된 상부위치와 가이드팁(22)의 단부(21)와 적어도 동일한 높이에 있거나 이 단부(21)로부터 돌출하는 하부위치 사이에서 이동할 수 있으므로, 로우프(16')가 추가로 풀어지면 보링헤드(10)의 전면(23)이 계속해서 하강되어 마침내는 해저(40)상에 닿게 된다. 해저의 특성에 따라 많거나 적게 해저층 내로 삽입되는 가이드팁(22)의 단부(21)는 보링공정이 시작될 때 보링헤드(10)가 굴삭하고자 하는 장소로부터 나선형상으로 이탈하는 것을 방지해 준다.

로우프(16')가 계속해서 풀어지게 되면, 도 2 의 보링공정의 마지막에서 알 수 있는 바와 같이, 로우프(16')가 느슨하게 늘어지기 때문에, 이에 의해 야기되는 보링헤드(10)의 중력은 보링헤드(10)를 드릴스트링(5)의 종축선(L) 방향으로 보어의 바닥(41)에 지지하는 굴삭력이 된다.

이하, 도 3 내지 도 8 을 참조하여 보링헤드(10)의 구조 및 기능을 자세히 설명한다.

도 3 은 보링헤드(10) 및 가이드팁(22)을 갖는 하부 드릴스트링부(7)의 확대도이다. 하부 드릴스트링부(7)는 상부 영역에서 드릴스트링(5)의 종축선(L) 방향으로 서로 이격된 다수의 롤러 장치(24)를 포함하며, 이들 롤러 장치(24)는 상부 및 하부 드릴스트링부(6, 7)가 마찰 없이 서로 상대적으로 드릴스트링(5)의 종축선(L)의 방향으로 움직일 수는 있지만 서로에 대해 종축선(L)을 중심으로 회전하는 것은 불가능하도록, 하부 드릴스트링부(7) 내부로 연장된 상부 드릴스트링부(6)의 부분(25)에 형성된 다수의 레일(26)과 상호 작용한다.

도 3 에서 밑에서 두 번째의 세그먼트(4') 내에 나타나 있고, 도 5 에서 확대 도시된 부분(V)에서 알 수 있는 바와 같이, 상부 드릴스트링부(6)에는 측면 개구부(27)가 형성되어 있다. 이 개구부(27)는 도 3 에서 도시된 바와 같이, 상부 드릴스트링부(6)의 외부면에 강성의 압력관(18)으로서 형성될 수 있는 압축공기 공급수단을 접속하는데 이용된다. 그러나, 가요성의 압력관을 이용하여 압축공기를 공급할 수도 있다. 이러한 압력관은 2 개의 드릴스트링부(6, 7)의 상대적인 움직임을 드릴스트링(5)의 종축선(L) 방향으로 제한하지 않기 때문에, 도 7 에 도시된 압력관(18')의 접속에 이용되는 배출관(45)과 통하는 다른 측면 개구부(27')를 하부 드릴스트링부(7)에 형성하는 것이 가능하다. 이들 개구부(27, 27')는 공지된 에어 리프팅 방법(air lifting method)을 이용하기 위한 압축공기를 공급하기 위해서 이용되는데, 이 방법에 의해 보링공정시 해저(40)로부터 나오는 침적물은 가이드팁(22) 내에 형성된 유입구(44)를 통해 드릴스트링의 내부로 유입된 후에, 이 드릴스트링을 통해 플랫폼(1)까지 이송된다.

드릴스트링 내에 유입된 침적물이 상부 드릴스트링부(6) 및 하부 드릴스트링부(7) 사이의 장착부분에 유입되어 이들 드릴스트링부 상호의 마찰 없는 동작을 방해하는 것을 방지하기 위해서, 하부 드릴스트링부(7) 내부로 연장되어 있는 상부 드릴스트링부(6)의 하단부에는 내관(46)이 플랜지 결합되어 있다. 이 내관(46)은 하부 드릴스트링부(7) 내에서 연장되어 회전 구동장치(11)의 바로 위에서 개방된 상태로 끝난다(도 5 참조). 하부 드릴스트링부(7)는 이 영역에서 이중벽으로 형성되어 있으며, 이 경우 내부벽(47)은 내관(48)에 의해서 형성된다. 내관(48)의 내경은 이 내경이 내관(46)의 외경과 함께 좁은 고리형상의 틈(49)을 형성하도록 치수설정되어 있다.

이러한 조치에 의해서, 에어 리프팅 방법에 의해 상부 드릴스트링부(6)의 내부가 저압으로 되기 때문에 굴삭된 침적물은 내관(46)의 하부 개구부를 통해 상부 드릴스트링부(6)의 내부로 유입됨으로써, 침적물은 롤러 장치(24) 또는 레일(26)과 접촉하지 않게 된다. 또한 상부 드릴스트링부(6)의 내부에서의 지배적인 저압에 의해, 고리형상의 틈(49)을 통해 하부 드릴스트링부(7)의 상단부로부터 계속적으로 일정량의 주변의 물이 흡인되어 롤러 장치(24) 및 레일(26)의 주변을 씻어 내므로, 침적물의 일부가 유입되더라도 외부로 씻겨져 나오게 된다.

도 3 및 도 4 에 개략적으로 도시된, 실질적으로 실린더 형태인 하우징(28)을 갖는 보링헤드(10)는 드릴스트링(5)의 종축선(L)과 관련하여 보어를 향한 전면(23)에 절삭부재(29)를 구비한다. 이 절삭부재(29)는 하우징(28)의 외주면으로부터 반경방향으로 가이드팁(22)의 외주면까지 연장된다. 절삭부재(29)는 다수의 절삭 톱니, 절삭 톱니와 절삭 로울러, 또는 도면에 도시된 실시예에서와 같이 절삭 로울러(30)만을 구비할 수 있다. 절삭부재(29)는 각각의 보어의 바닥에서 해저를 풀어헤치는데 사용된다.

보링헤드(10)의 상부 영역에 제공된 회전 구동장치(11)는 2 개의 유압 모터(11')를 포함한다. 이들 모터(11')는 도 6 및 도 7 를 참조하여 후술되는 기어장치(31)를 통해 보링헤드(10)를 드릴스트링(5)에 대해서 종축선(L)을 중심으로 회전시킨다.

또한, 보링헤드(10)는 둘레에 걸쳐 분배된, 부유체(32)로서 작용하는 다수의 탱크(33)를 갖는다. 이들 탱크(33)는 부양이 가능하거나 또는 도면에 도시되지 않은 압축공기 공급수단에 의해 압축 공기로 채워질 수 있다. 상기 탱크(33)는 보링헤드(10)의 회전되지 않는 하우징부에 고정되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 경우에는 기술적으로 비용이 소요되는 회전 밀봉을 필요로 하지 않으면서 공기 공급이 간단한 압력관에 의해 이루어질 수 있기 때문이다. 이렇게 부력을 변동시킬 수 있기 때문에, 보링헤드(10)의 작용 방향으로 작용하는 굴삭력, 즉 절삭부재(29) 또는 절삭 로울러(30)를 보어의 바닥(41) 상에 올려 놓는 힘은 그때 그때의 조건에 적합하게 될 수 있다. 이미 서문에 언급한 바와 같이, 보링헤드(10)가 도 3 에 도시된 상부위치와 도 4 에 도시된 하부위치 사이에서 마찰 없이 드릴스트링을 따라 이동할 수 있기 때문에, 부유체의 부력 용량의 변동에 의해서는 가이드팁(22)의 단부(21)를 해저상에서 지지하는 힘은 영향을 받지 않고 다만 굴삭력만 영향을 받는다. 그 결과, 부력이 높고 그에 따라 굴삭력이 작은 경우에도 가이드팁(22)의 안내 작용은 영향을 받지 않게 된다. 특히 이러한 구성에 의해서, 절삭부재가 보어 내에서 굴삭위치를 벗어나지 않고 스스로 파고들어갈 수 있는 상태가 아닌 동안에는 굴삭력을 약하게 유지하고, 스스로 안내할 수 있는 상태가 된 후에는 탱크(33)를 채움으로써 보다 신속한 굴삭이 이루어지도록 굴삭력을 높일 수 있다.

도 6 의 우측 절반에서 알 수 있는 바와 같이, 피스톤/실린더 장치(66)를 포함한다. 피스톤측에서는 피스톤/실린더 장치(66)가 베어링 유닛(67)에 의해 상부 하우징부(56)와 결합되고, 이 하우징부(56)는 이동 부시(57)에 고정되어 있다. 이하, 도 6 및 도 7 을 참조하여 이동 부시(57)의 구성 및 기능을 설명한다. 실린더 측에서, 피스톤/실린더 장치(66)는 대응하는 베어링 유닛(68)에 의해서 드릴스트링(5)의 하단부에 결합된다. 피스톤/실린더 장치(66)는, 보링헤드(10)가 도 6 에 도시된 상부위치에 있을 때에는 피스톤이 완전히 실린더 내부로 삽입되도록 치수설정되어 있다.

피스톤/실린더 장치(66)는 상부 실린더 단부 및 하부 실린더 단부에 2 개의 압력 커넥터(66', 66'')를 포함한다. 도면의 윗부분에 도시된 압력 커넥터(66'')에 압력하에 있는 액체가 공급되면, 보링헤드(10)는 하부 드릴스트링부(7)에 대해 그리고 그에 따라 가이드팁(22)에 대해서도 상대적으로 아래로 움직이게 되고, 또한 압력 커넥터(66')에 액체가 공급되면 보링헤드(10)는 가이드팁(22)에 대해 위쪽으로 이동된다.

이러한 구성에 의해, 보링헤드(10)를 그 작용방향으로 보어의 바닥(41)에 접촉시키는 굴삭력을 높이는 것이 원리적으로는 가능하지만, 특히 드릴스트링이 전술한 실시예에서와 마찬가지로 2 부분으로 망원경 형태로 서로 끼워맞춰지도록 형성된 경우에는, 통상적으로 드릴스트링(5)은 추진력을 흡수하기에는 적합하지 않다. 그렇기 때문에 피스톤/실린더 장치(66)는, 통상적으로 보링헤드(10)의 외부면이 예를 들어 보어벽의 붕괴에 의해서 보어 내에 갇히는 경우에 사용된다. 이 경우, 피스톤/실린더 장치(66)의 커넥터(66')에 압력 매체를 공급하면, 보링헤드(10)는 현재 위치로부터 가이드팁(22)에 대해서 위쪽으로 이동된다. 통상적으로 비교적 약한 침적물 아래에는 단단한 암석층이 있기 때문에, 가이드팁(22)은 그 암석층에 지지될 수 있으므로, 보링헤드(10)는 피스톤/실린더 장치(66)에 의해서 가해지는 힘에 의해 보어 내에서 위쪽으로 이동한다. 따라서, 플랫폼(1)에 형성된 권상기(16)와 로우프(16')가 그만큼 사용될 필요가 없기 때문에, 보링헤드(10)가 보어 내에 갇힌 경우에 플랫폼(1) 상의 권상기(16) 또는 구조물에 과부하가 걸리거나 또는 리프팅 장치(3')를 추가로 사용하는 것을 방지할 수 있다.

하부 드릴스트링(7)에 있어서의 보링헤드(10) 및 가이드팁(22)의 결합 및 구성은 도 6 내지 도 8 에 상세하게 도시되어 있다.

가이드팁(22)은 위로 개방된 파이프 형태의 가이드 부시(34)를 포함하며, 이 가이드 부시(34)는 밑으로부터 하부 드릴스트링부(7)의 하단부에 덮어 씌워지며, 이 하단부에서 드릴스트링(5)의 종축선(L) 방향으로 서로 이격된 2개의 방사형 베어링 유닛(35)에 의해 하부 드릴스트링부(7)를 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 가이드팁(22)을 종축선(L)의 방향으로 축방향으로 지지하기 위해서 하부 드릴스트링부(7)에 형성된 둘레 홈(36)이 이용된다. 이 홈(36) 내부로는 방사 방향으로 돌출하는 2개 부분으로 이루어진 베어링 링이 삽입되며, 가이드 부시(34)는 이 부시 내에 형성된 쇼울더(38)에 의해 보어 바닥(41)의 방향으로 볼 때 상기 링의 돌출 영역상에서 지지된다. 반대 방향에서의 축방향 장착을 위해서 상응하는 대응 쇼울더(42)가 이용되는데, 이 쇼울더(42)는 실질적인 선단을 형성하는 가이드팁(22)의 하부(39)에 형성되어 있으며, 상기 하부(39)는 방사 방향으로 돌출하는 둘레 플랜지(43) 내에서 가이드 부시(34)와 나사 결합된다.

가이드 부시(34)의 외주면에는 종동부(50)가 형성되어 있다. 도시된 실시예에서, 이 종동부(50)는 가이드 부시(34)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 세로방향 기어부로서 형성되어 있다. 종동부(50)에는 대응 종동부(51)가 맞물리며, 이 대응 종동부(51)는 보링헤드(10)의 내부 하우징벽(52)에 움직이지 않도록 결합되어 있다. 도면에 도시된 실시예에서 종동부(50) 및 대응 종동부(51)는, 보링헤드(10)가 도 3 에 도시된 상부위치에 있든지 혹은 도 4 에 도시된 하부위치에 있든지에 상관 없이 항상 맞물려 있다. 침적물이 단단한 경우에 가이드팁(22)이 마모되는 것을 방지하기 위해서, 보링헤드(10)가 하부위치 근처에 있을 때만 종동부(50)와 대응 종동부(51)가 맞물리는 것이 바람직할 수 있다. 도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 대응 종동부(51)가 종축선(L)에 대해 짧은 길이에 걸쳐서만 연장되기 때문에, 도시된 실시예와 달리 종동부(50)는 둘레 플랜지(43)로부터 일정한 높이까지, 예컨대 도 8 의 개소(53)까지만 형성될 수도 있다.

보링헤드(10)를 구동하기 위해서 구동장치(11)의 다수의 회전 모터(11')의 구동축(54)에는 기어가 각각 하나씩 제공되며, 도 7 에는 상기 회전 모터들 중에서 하나의 모터만이 도시되어 있다. 회전 모터(11')는 상부 하우징부(56)에 회전 불가능하게 플랜지 결합된다. 하우징부(56)는 종축선(L)의 방향으로 이동 가능한 이동 부시(57)와 결합되지만, 상기 이동 부시(57)와 결합되어 있는 종동부 스트립(58)에 의해서 하부 드릴스트링부(7)의 하부 접속부를 형성하는 관(59)에 회전 불가능하게 장착된다.

기어(55)는 구동 기어(60)와 맞물려 있으며, 이 구동 기어(60)는, 이 기어 (60)를 조립하기 위해 종축선(L)에 대해 수직으로 분할 가능하며 2 개의 축방향 베어링(61) 및 하나의 반경방향 베어링(62)을 포함하는 베어링 장치(63)에 의해서, 하우징부(56) 및 이동 부시(57)에 대해 회전 가능하게 장착된다. 보어의 바닥(41)을 향하고 있는 전면에서 구동 기어(60)는 커버(64)에 고정 결합되며, 이 커버(64)는 2 개의 밀봉 장치(65)를 이용하여 구동 기어(60) 및 베어링 장치(63)를 주변환경에 대해 밀폐시킨다.

보어의 바닥(41)을 향해 있는 커버(64)의 전면과 보링헤드(10)의 하우징 벽(52)이 회전 불가능하게 결합되어 있기 때문에, 회전 모터(11')에 의해 발생된 토크가 보링헤드(10)에 전달되어, 상기 보링헤드(10)는 드릴스트링(5)에 대하여 회전된다. 가이드팁(22)의 구동은 이미 전술한 종동부/대응 종동부(50, 51)를 통해서 이루어진다.