인-라인 확장 윙을 갖는 시추공 굴착장치 및 그 구동방법

인-라인 확장 윙을 갖는 시추공 굴착장치 및 그 구동방법{A drilling apparatus having in-line extending wings and driving method thereof}

도 1은 본 발명의 시추공 굴착장치에 대한 구성을 나타낸 단면도,

도 2는 도 1에서 가이드 디바이스(100)에 대한 구성도,

도 3은 도 1에서 확장 윙(200)에 대한 구성도이고,

도 4는 확장윙(200)의 평면도(A) 및 SS 선단면도(B),

도 5는 도 1에서 파일럿 비트(300)의 구성도,

도 6은 파일럿 비트(300)의 평면도(A), SS 선단면도(B) 및 S'-S' 선단면도(C),

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 링형 핀(400)의 구조를 나타낸 도면,

도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서 고정 핀(450)의 설치구조를 나타낸 도면,

도 10 및 도 11은 본 발명의 인-라인 구동방법에 대한 설명도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호에 대한 설명>

10 - 케이싱(Casing) 12 - 슈우(Shoe)

20 - 에어홀 (Air Hole) 30 - 슬러지 배출홈

40 - 버튼팁(Button Tip)

100 - 가이드 디바이스(Guide Device) 110 - 피스톤부

120 - 상축부 121 - 축 결합홈

130 - 하축부 131 - 나선돌부

132 - 걸림돌부 133,330 - 핀 홈

135,331,350 - 핀 삽입공 136 - 핀 수납홈

200 - 확장 윙 210 - 가이드 홈

220 - 단턱면 230 - 경사면

300 - 파일럿 비트(Pilot Bit) 310 - 윙 출입창

320 - 걸림턱 332 - 핀 지지구

333 - 볼트공 360 - 핀 걸림홈

400 - 링형 핀 410 - 원호형 핀

450 - 고정 핀 460 - 핀 지지봉

본 발명은 인-라인 확장 윙을 갖는 시추공 굴착장치와 그 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압공기에 의해서 구동되는 가이드 디바이스와 확장 윙 및 파일럿 비트로 이루어지되, 시추공의 직경을 확장시켜 주는 확장 윙이 인-라인(In-line) 방식으로 출몰하도록 함으로써, 확장 윙이 복귀하는 공간에 슬러지(sludge)가 적체되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 시추공 굴착장치와 그 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 시추공을 굴착하는데 사용되는 해머비트(Hammer bit) 장비는 위로부터 회동 장치와 타격 장치 및 굴착 장치로 구성된다. 본 발명은 이중 최하부 구조인 굴착 장치에 관한 것이다. 굴착 장치는 시추공의 직경을 확장시키는 수단, 예컨대 리머(reamer)나 확장날개 또는 아암(arms)의 구조에 따라 편심형과 확장형 및 활개형으로 구분할 수 있다.

편심형 굴착장치는 미국특허 제4,770,259호(1988년 9월 13일 공고)와 같이, 드릴 스트링(drill string)과 이 드릴 스트링의 하단부에 연결되는 절삭장치(cutting apparatus)로 구성된다. 그리고, 절삭장치는 드릴 스트링 내에서 회전하는 중계부(intermediate portion)와 외부면(outer surface)으로 구성되며, 상기 중계부에는 리머(reamer)가 중심축에 대해 편심을 갖도록 설치되어 있다. 따라서, 편심형은 상기 리머가 편심 회전하면서 시추공의 직경을 확장시킨다.

그리고, 확장형은 일본 특허공보 제2710192호(1994년 11월 29일 공개)에서와 같이, 에어 펌프에 의해서 구동되는 디바이스와 그 끝단에 설치된 비트장치 및 상기 디바이스와 비트장치 사이에 설치된 확장날개로 이루어진다. 상기 확장날개는 세로방향으로 각 운동 할 수 있도록 그 상단부가 디바이스에 핀 고정되어 있고, 비 트장치의 상단부에는 경사면이 형성되어 있어서 디바이스와 비트장치가 서로 접근하면 확장날개의 하단부가 비트장치 상단부의 경사면을 따라 벌어지도록 구성되어 있다.

또한, 활개형은 미국특허 제5,787,999호(1998년 8월 4일 공고)와 같이, 드라이버(driver)와 언더-리머 아암(under-reamer arms) 및 파일럿 비트로 이루어지고, 드라이버의 회전력에 의해 다수개의 아암들이 파일럿 비트의 중심에서 사선 방향으로 회전하면서 출몰하도록 구성되어 있다.

그러나, 상기한 편심형 굴착장치는 리머가 편심 회전하기 때문에 빠른 굴착작업이 불가능하고, 고부하에서는 중계부의 연결부위가 쉽게 파손되는 문제가 있었다. 또한, 확장형은 확장날개가 길이 방향으로 각 운동하면서 확장되기 때문에 고부하에서는 사용할 수 없고, 고정핀이 쉽게 파손되는 단점이 있었다.

그리고, 활개형은 편심형이나 확장형에 비해 고부하용으로 사용할 수 있는 장점은 있으나, 드라이버의 회전력이 아암을 강제로 활개 시킴과 동시에 아암을 통해서 파일럿 비트까지 회전시켜야 하기 때문에 아암과 파일럿 비트간의 접촉부가 심하게 마모되고, 아암을 고정시켜 주는 고정핀이 자주 파손되는 단점이 있었다. 더구나, 굴착작업을 종료하고 아암을 복귀시킬 때, 아암이 복귀하는 공간에 슬러지(sludge)가 적체되기 쉽고, 이렇게 되면 아암이 원래 위치로 복귀되지 않아서 결국 시추공 케이싱에서 굴착장치를 빼낼 수 없게 되는 매우 어려운 상황도 종종 발생하였다.

본 발명은 상기한 종래의 타격형 시추공 굴착장치들이 지닌 문제점을 해소하기 위하여 고부하 및 고속 굴착 작업이 가능하고, 확장 윙의 활개 및 복귀과정이 용이하며, 확장 윙이 수납되는 공간에 슬러지가 누적되지 않아서 작업 효율이 우수하고, 유지 및 관리비용을 크게 절감할 수 있는 새로운 구조의 시추공 굴착장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 시추공 케이싱 내에서 상하로 승강되면서 회전하는 가이드 디바이스와, 굴착공의 직경을 확장시키는 확장 윙과, 상기 가이드 디바이스의 하부에 결합되어 시추공 바닥을 타격하는 파일럿 비트로 이루어지되, 상기 가이드 디바이스의 저면에 형성된 나선돌부와 상기 확장 윙의 측면에 형성된 가이드홈이 서로 미끄럼 이동 가능하게 결합되고, 파일럿 비트의 측면에는 윙 출입창이 형성되어 있어서, 상기 확장 윙이 파일럿 비트의 중심으로부터 일직선상에서 활개되고 복구하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 시추공 굴착장치 및 그 구동방법을 제공한다.

본 발명에서 상기한 바와 같이, 확장 윙이 파일럿 비트의 중심에서부터 일직선상에서 서로 멀어지면서 활개 되고, 또한 일직선상에서 서로 접근하면서 복귀하는 구동방식을 이른바 '인-라인(In-line)' 방식이라 명명한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 가이드 디바이스와 시추공 확장 윙 및 파일럿 비트가 결합되어 이루어지는 시추공 굴착장치에 있어서; 상기 가이드 디바이스는 중심축을 따라 에어홀이 관통된 원통형 구조로서 피스톤부를 중심으로 상축부와 하축부로 이루어지되, 피스톤부의 외면에는 슬러지 배출홈이 형성되어 있고, 하축부의 저면에는 그 중심에서 반경이 점차 넓어지는 곡면을 갖는 나선돌부가 형성되어 있으며, 하축부의 측면에는 걸림돌부와 핀 체결수단이 형성되어 있고; 상기 확장 윙은 전체적으로 사각 구조로서, 그 측면에는 가이드 디바이스의 하부에서 나선돌부의 곡면을 따라 슬라이딩 이동하도록 결합하는 가이드 홈이 형성되어 있고; 상기 파일럿 비트는 상기 가이드 디바이스의 하축부와 확장 윙이 수납되는 凹형 구조로서, 측면에는 상기 확장 윙이 출입하는 출입창이 형성되어 있고, 내면에는 상기 걸림돌부에 의해 가이드 디바이스의 회전을 제한하는 걸림턱과 핀 체결수단이 형성되어 있으며, 저면에는 에어홀, 측면에는 슬러지 배출홈이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 인-라인 확장 윙을 갖춘 시추공 굴착장치인 것이다.

또한 본 발명은 가이드 디바이스와 시추공 확장 윙 및 파일럿 비트가 결합되어 이루어지는 시추공 굴착장치의 구동방법에 있어서; 상기 확장 윙이 파일럿 비트 내에 수납된 상태에서 가이드 디바이스와 일체로 회전하면서 하강하다가 파일럿 비트의 저면이 시추공의 바닥면을 타격하기 시작하면 그 마찰력에 의해 파일럿 비트의 회전이 억제되는 단계와; 파일럿 비트의 회전이 억제된 상태에서 가이드 디바이스가 계속 회전하면, 그 회전력에 의해 가이드 디바이스의 저면에 형성된 나선돌부 가 확장 윙의 측면에 형성된 가이드 홈을 따라 반경이 증가하는 방향으로 이동하면서 확장 윙을 파일럿 비트의 측면에 형성된 윙 출입창 밖으로 활개시키는 단계와;가이드 디바이스의 측면에 형성된 걸림돌부가 파일럿 비트의 내부에 형성된 걸림턱에 걸리면 확장 윙의 활개가 중단되고, 가이드 디바이스와 확장 윙 및 파일럿 비트를 일체로 회전하면서 시추공을 굴착하는 단계와; 확장 윙이 활개된 상태에서 가이드 디바이스가 역회전 하면서 상승하면 확장 윙의 상면이 시추공 케이싱의 슈우에 접촉하게 되고, 그 마찰력에 의해 확장 윙의 회전이 억제되는 단계와; 확장 윙의 회전이 억제된 상태에서 가이드 디바이스가 계속 역회전하면, 그 회전력에 의해 가이드 디바이스의 나선돌부가 확장 윙의 가이드 홈을 따라 반경이 감소하는 방향으로 이동하면서 확장 윙을 파일럿 비트의 윙 출입창 안으로 복귀시키는 단계와; 가이드 디바이스의 측면에 형성된 걸림돌부가 파일럿 비트의 내부에 형성된 걸림턱에 닿으면 확장 윙의 복귀가 중단되고, 가이드 디바이스와 확장 윙 및 파일럿 비트를 일체로 회전하면서 시추공 케이싱 밖으로 빠져나오는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인-라인 확장 윙을 갖는 시추공 굴착장치의 구동방법인 것이다.

이하, 첨부도면을 이용하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명의 시추공 굴착장치에 대한 전체 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에서 가이드 디바이스(100)에 대한 구성도이며, 도 3은 도 1에서 확장 윙(200)에 대한 구성도이고, 도 4는 확장 윙(200)의 평면도(A) 및 SS 선단면도(B)이다. 도 5는 도 1에서 파일럿 비트(300)의 사시도이고, 도 6은 파일럿 비트(300)의 평면도(A) 및 SS 선단면도(B)와 S'-S' 선단면도(C)이다.

본 발명의 시추공 굴착장치는 도 1과 같이, 타격 장치(도시하지 않음)에 결합되는 가이드 디바이스(100)와, 이 가이드 디바이스(100)의 하부에 설치되어 시추공의 직경을 확장하는 확장 윙(200)과, 상기 확장 윙(200)을 지지하면서 지면을 굴착하는 파일럿 비트(300)로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 가이드 디바이스(100)와 파일럿 비트(300)를 결합하는 핀 체결수단이 링형 핀(400)으로 이루어 진다.

먼저 가이드 디바이스(100)는 도 2와 같이 상대적으로 직경이 큰 피스톤부(110)를 중심으로 이보다 직경이 작은 상축부(120)와 하축부(130)로 구성된다. 피스톤부(110)는 도 1에서 보는 바와 같이 케이싱(10) 내에 약간의 유격을 가지고 끼워져서 케이싱(10)의 하단에 설치된 슈우(12)의 상단을 타격하면서 케이싱(10)을 시추공 속으로 진입시키는 역할을 한다. 피스톤부(110)의 외주연에는 굴착과정에서 발생하는 흙이나 자갈 등 슬러지를 시추공 밖으로 배출하는 슬러지 배출홈(30)이 형성되어 있다. 그리고 피스톤부(110)와 상축부(120) 및 하축부(130)를 관통하는 중심축 상에는 도 1과 같이 길이방향으로 외부로부터 고압공기를 공급하는 에어홀(20)이 형성되어 있다.

상축부(120)에는 굴착장치의 상부구조인 타격장치(도시하지 않음)에 결합되는 축 결합홈(121)이 형성되어 있다. 그리고 하축부(130)의 저면에는 그 중심에서 반경이 점차 넓어지는 곡면을 갖는 나선돌부(131)가 형성되어 있으며, 하축부(130)의 측면에는 길이방향으로 걸림돌부(132)가 형성되어 있다. 그리고, 하축부(130)의 윗쪽, 즉 피스톤부(110)의 바로 밑에는 외주연을 따라 상기 링형 핀(400)이 체결되는 핀 홈(133)이 형성되어 있다.

확장 윙(200)은 도 3 및 도 4와 같은 형상으로서, 내측에는 상기 가이드 디바이스(100)의 나선돌부(131)와 요철 결합하는 가이드 홈(210)이 형성되어 있다. 그리고 확장 윙(200)의 외측으로 윗면에는 단턱면(220)이 형성되어 있고, 하부 모서리에는 경사면(230)이 형성되어 있다. 경사면(230)에는 굴착작업이 보다 용이하도록 특수강으로 제작된 다수개의 버튼팁(40)이 박혀 있다.

한편, 파일럿 비트(300)는 도 5 및 도 6과 같은 원통형 용기 형상으로서, 그 내부로 상기 가이드 디바이스(100)의 하축부(130)와 상기 확장 윙(200)이 수납된다. 파일럿 비트(300)의 측면에는 상기 확장 윙(200)이 출몰하는 사각형 형상의 윙 출입창(310)이 형성되어 있으며, 내면에는 상기 가이드 디바이스(100)의 걸림돌부(132)에 대응하는 걸림턱(320)이 형성되어 있고, 내주연에는 상기 하축부(130)의 핀 홈(133)에 대응하는 위치에 핀 홈(330)이 형성되어 있다. 핀 홈(300)은 핀 삽입공(331)에 의해서 외부와 관통되어 있다. 그리고 파일럿 비트(300)의 저면에는 에어홀(20)이 형성되어 있고, 측면에는 슬러지 배출홈(30)이 형성되어 있으며, 바닥에는 버튼 팁(40)이 박혀 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 링형 핀(400)의 구조를 나타낸 것으로서, 다수개의 원호형 핀(410)이 모여서 하나의 원을 형성한다. 상기 링형 핀(400)은 가이드 디바이스(100)의 하축부(130) 외주연에 형성된 핀 홈(133)과, 파일럿 비트(300)의 내주연에 형성된 핀 홈(330)이 형성하는 핀 홀에 삽입되어 가이드 디바이스(100)와 파일럿 비트(300)를 고정시켜 준다. 이때, 상기 원호형 핀(410)들은 파일럿 비트(300)의 핀 홈(330)에 형성된 핀 삽입공(331)을 통해서 하나씩 핀 홀에 삽입된다. 핀 삽입공(331)에는 원호형 핀(410)이 다시 빠져 나오지 않도록 핀 지지구(332)를 삽입하고, 볼트공(333)에 볼트(도시하지 않음)를 체결하여 마감된다.

한편, 도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 가이드 디바이스(100)와 파일럿 비트(300)를 고정시켜 주는 핀 체결수단이 링형 핀(400) 대신에 고정핀(450)과 핀 지지봉(460)으로 이루어진다. 도 8은 확장 윙(200)과 파일럿 비트(300)의 종단면도를 나타낸 것이고, 도 9는 도 8의 SS 선단면도를 나타낸 것이다. 상기 도면에서 보는 바와 같이 파일럿 비트(300)의 측면에는 핀 삽입공(350)이 비스듬히 형성되어 있고, 그 내면에는 핀 걸림홈(360)이 형성되어 있다. 또한, 가이드 디바이스(100)의 하축부(130) 상단에는 상기 핀 삽입공(350)에서 연장되는 핀 삽입공(135)이 비스듬히 형성되어 있고, 그 삽입공(135) 내부에는 상기 핀 걸림홈(360)에 대응하는 핀 수납홈(136)이 형성되어 있다.

상기 실시예에 따른 시추공 굴착장치를 조립하기 위해서는 먼저 가이드 디바이스(100)의 핀 수납홈(136)에 고정핀(450)을 삽입하고, 이 상태에서 가이드 디바이스(100)를 파일럿 비트(300) 속으로 결합한 다음, 상기 핀 삽입공(350)을 통해서 핀 지지봉(460)을 삽입공(135) 속으로 강하게 밀어 넣는다. 이렇게 되면, 핀 지지봉(460)이 고정핀(450)을 밖으로 밀어내어 파일럿 비트(300)의 핀 걸림홈(360)에 체결되므로서 결국 가이드 디바이스(100)와 파일럿 비트(300)가 서로 고정되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 시추공 굴착장치의 인-라인 구동방법에 대하여 설명한다. 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 두개의 확장 윙(200)이 일직선상에 나란히 배열된 굴착장치의 구동원리를 설명하는 도면이다.

먼저, 도 10과 같이 확장 윙(200; 굵은 점선)이 파일럿 비트(300; 가는 실선) 속으로 수납된 상태에서 가이드 디바이스(100; 굵은 실선)가 파일럿 비트(300)와 함께 시계방향으로 회전하면서 하강한다. 파일럿 비트(300) 저면이 시추공의 바닥면을 타격하기 시작하면 마찰력에 의하여 파일럿 비트(300)의 회전이 억제되고, 이 상태에서 가이드 디바이스(100)가 계속 회전하면, 나선돌부(131; 도팅한 부분)가 확장 윙(200)의 가이드 홈(210; 역 빗금친 부분)을 따라 반경이 확대되는 방향으로 회전하면서 확장 윙(200)을 윙 출입창(310) 밖으로 활개 시킨다. 이때, 확장 윙(200)은 윙 출입창(310)을 통해서 파일럿 비트(300)의 중심에서 서로 멀어지는 직선방향으로 활개된다.

이어 도 11과 같이 가이드 디바이스(100)의 걸림돌부(132)가 파일럿 비트(300)의 걸림턱(320; 바른 빗금친 부분)에 닿으면 확장 윙(200)의 활개는 중단되고, 가이드 디바이스(100)의 회전력이 파일럿 비트(300)에 그대로 전달되어 가이드 디바이스(100)와 확장 윙(200) 및 파일럿 비트(300)가 일체로 회전하면서 굴착작업을 수행한다. 굴착작업 중에 발생하는 자갈, 모래 등 슬러지는 에어홀(20)을 통해 서 공급되는 압축공기에 의해서 슬러지 배출홈(30)을 통해 밖으로 배출된다.

한편, 시추공 확장 윙(200)이 복귀되는 과정은 가이드 디바이스(100)가 역회전 및 상승하면서 시작된다. 즉, 도 11과 같이 확장 윙(200)이 활개된 상태에서 가이드 디바이스(100)가 시계 반대방향으로 회전하면서 상승하면 확장 윙(200)의 단턱면(220)이 시추공 케이싱(10)의 슈우(20) 하단에 닿게 되고, 그 마찰력에 의해 시추공 확장 윙(200)의 회전이 억제된다. 이 상태에서 가이드 디바이스(100)가 계속 역회전하면, 그 회전력에 의해서 나선돌부(131; 도팅한 부분)가 확장 윙(200)의 가이드홈(210; 역 빗금친 부분)을 따라 반경이 축소하는 방향으로 이동하면서 확장 윙(200)을 파일럿 비트(300)의 윙 출입창(310) 속으로 복귀시킨다. 이때, 확장 윙(200)은 윙 출입창(310)을 통해서 파일럿 비트(300)의 중심을 향하여 서로 가까워지는 직선방향으로 복귀된다.

가이드 디바이스(100)가 역회전하다가 도 10과 같이 걸림돌부(132)가 파일럿 비트(300)의 걸림턱(320; 바른 빗금친 부분)에 닿으면 확장 윙(200)의 복귀가 완료되고, 가이드 디바이스(100)와 확장 윙(200) 및 파일럿 비트(300)가 함께 회전하면서 케이싱(10) 밖으로 빠져나온다.

본 발명에서는 상기 실시예와 같이 양쪽에 2개의 확장 윙(200)을 설치하는 것이 바람직 하지만, 필요에 따라 세개의 확장 윙(200)을 설치할 수도 있다. 확장 윙(200)이 세개인 경우에도 구동원리는 기본적으로 2개인 경우와 동일하다. 다만, 세개의 확장 윙(200)에 대응하도록 가이드 디바이스(100)의 나선돌부(131)과 파일 럿 비트(300)의 윙 출입창(310)을 각각 세개씩 형성해야 한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명이 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용되는 범위 내에서 당업자가 여러 가지 설계변경을 시도할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 설계변경은 모두 본 발명의 권리범위 내에 속하는 것으로 본다.

본 발명의 시추공 굴착장치는 확장 윙이 인-라인 방식으로 출몰하기 때문에 고부하 및 고속 굴착작업이 가능하고, 특히 확장 윙의 출몰 위치로 슬러지가 누적되지 않는 효과가 있다. 종래의 굴착장치들이 슬러지의 체적으로 인해 자주 작업을 중단하거나 고장을 일으키기도 했던 점을 고려해 보면, 본 발명은 시추공 굴착에 소요되는 작업기간을 크게 단축할 수 있는 효과가 있다. 특히, 확장 윙 사이에 슬러지가 누적되어 확장 윙이 원활하게 복귀되지 않으면, 결국 굴착장치 전체를 시추공에서 빼내지 못하고 포기해야 하는 경우도 발생하므로 본 발명은 장비손실에 따른 비용 절감효과도 기대할 수 있다.