시추용 센트럴라이저{DRILLING CENTRALIZER}
본 발명은 시추용 센트럴라이저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암반의 초기응력의 측정을 위하여 대구경에 소구경을 천공할 때 소구경을 대구경의 중심에 천공할 수 있도록 한 시추용 센트럴라이저에 관한 것이다. 일반적으로 암반 내 터널이나 유류비축기지 등의 시설물을 구축할 때 시설물의 설계이전에 암반의 특성 예컨대 강도 등을 측정하고, 이 측정값에 따라 시설물의 설계를 변경하여 시설물의 안전을 도모하고 있다. 암반의 초기응력 측정법 중 하나인 수압파쇄시험은, 터널의 실시설계를 위해 암반내 초기응력 측정을 실시하고 이를 바탕으로 터널의 최적단면/지보재 설계 및 주변 암반의 역학적 거동을 포함한 터널 구조물의 안정성 해석에 필수적인 초기응력장의 상태에 대한 제반 정보 획득을 목적으로 한다. 수압파쇄시험의 원리는, 높은 수압을 이용하여 시추공 내 암반에 인위적으로 인장 균열을 형성시키고 이 과정에서 얻어지는 압력, 유량 등의 현장 측정값을 이용하여 현지 암반에 작용하는 응력상태에 대한 각종 정보를 얻는 초기응력(initial stress) 측정법의 하나이다. 이 방법에서 얻어지는 응력상태에 대한 정보에는 주응력(principal stress) 특히 수평 방향 최대(최소) 주응력의 크기와 방향, 수직응력에 대한 수평응력의 비인 측압계수(K, ratio of horizontal stress to vertical stress) 그리고 심도에 따른 응력장(stress field)의 변화들이 포함된다. 이외에도 측정구간 주변 암반의 투수계수(hydraulic conductivity)에 대한 정량적인 평가에도 응용이 가능하다. 수압파쇄시험의 기본 메카니즘과 관련된 용어를 간략히 소개하면, 수압파쇄는 암반이 압축강도에 비해 인장강도가 크게 낮은 취성재료(brittle material, 일반적으로 인장강도는 압축강도의 1/10 ～ 1/20)라는 특성을 이용한 것으로, 외부 압력에 의해 시추공 내 암반에 가해지는 수압이 일정한 임계 수준(critical level)인 Pb(Pc)(균열 발생압력 : break down pressure)에 이르면 시추공 내 암반에 인장 균열(fracture in tension)이 발생되고, 이때 시추 공내 유체의 손실에 의한 압력 감소 현상이 일어난다. 균열이 발생된 후 유체의 주입에 의해 균열이 공벽에서 내부로 진전되는데 이때의 압력을 Pp(균열 확장 압력 : fracture propagation pressure)라고 한다. 이후, 가압을 중지하면 측정 구간에 일정시간 동안 압력의 감소구간이 형성된다. 일반적으로 초기에는 압력이 급격히 감소하다가 후기에는 완만히 감소하는 양상이 나타난다. 초기의 급격한 압력 감소는 암반에 형성된 균열 끝단(fracture tip)까지 유체가 유입됨으로써 발생되며 후기의 완만한 압력감소는 시추공 벽 주변의 암반으로 유체가 침투됨으로써 발생된다. 이 과정에서 압력이 급격히 감소하다가 완만하게 감소하는 감소율의 전이 지점 (transition level)이 나타나는데 이를 Ps (균열 폐쇄압력 : shut in pressure)이라고 하고 발생된 암반 내 인장 균열의 폐쇄를 나타낸다. 이 압력은 균열을 유지하는데 필요한 압력 과 같거나 약간 크기 때문에 균열면에 수직으로 작용하는 최소 수평주응력(minimum horizontal principal stress)을 나타내게 된다. 이로써 첫 번째 가압 사이클(pressurization cycle)이 완성되며 이러한 가압 사아클은 여러 차례 반복되어 측정된다. 사이클이 반복되는 과정에서 가압에 의해 패쇄된 균열이 다시 열리는 현상이 나타나는데 이때의 압력을 Pr(균열 개구압력 : fracture re-opening pressure)라고 한다. 수압파쇄시험을 위하여 필요시 암반 내에 대구경 시추공과 소구경 시추공을 연속하여 천공하게 되는데, 시추공을 수직으로 천공하는 경우 소구경 시추공을 대구경 시추공의 중심에 천공하는 것이 그다지 어렵지 않지만, 수평 또는 약간의 상향공의 시추공을 천공하거나 대구경의 시추경이 깊을 경우에는 소구경 시추공을 대구경 시추공의 중심에 천공하는 것이 어려운 단점이 있다. 이때 대구경 시추공에 대한 소구경 시추공의 위치에 따라, 즉 소구경 시추공이 대구경 시추공의 중심에 위치하는가에 따라 암반의 시험결과에 막대한 영향을 미치기 때문에 소구경 시추공을 대구경 시추공의 중앙에 시추하지 못할 경우 암반의 특성에 맞는 설계를 시행하지 못하여 결과적으로 시설물의 안전도가 떨어지므로 단기간 내에 시설물에 하자가 발생되어 막대한 비용의 보수비용이 소요되고, 안전사고 발생될 위험이 내포되어 있으며, 암반시험장치로서의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 현지 암반의 초기응력을 테스트하기 위하여 대구경 시추공에 소구경 시추공을 천공할 때 암반의 특성, 시추공의 방향 등에 상관없이 소구경 시추공을 대구경 시추공의 중심에 천공할 수 있도록 한 시추용 센트럴라이저를 제공하려는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저는, 중심부에 축방향을 따라 양측이 개구된 슬라이딩부(11)가 구비되어 암반 내 대구경 시추공에 삽입되며 상기 대구경 시추공 벽면에 지지되는 관형의 하우징과; 상기 하우징의 슬라이딩부에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이더와; 그리고, 상기 슬라이더에 연결되어 시추기로부터 가해지는 힘에 의해 상기 슬라이더와 함께 슬라이딩되면서 상기 대구경 시추공에 연속하여 상기 대구경 시추공의 중심부와 중심이 일치하는 소구경 시추공을 시추하는 소구경 시추 로드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 도 1 내지 도 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저(100)는, 암반 내 대구경 시추공(T)(도 3참조)에 지지되는 하우징(10)과 하우징의 내부에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이더(20)와, 그리고, 슬라이더(20)에 삽입되어 대구경 시추공(T)의 중심부와 일치하는 소구경 시추공(S)(도 3참조)을 시추하는 시추 로드(30)로 구성된다. 도 1과 도 3에서 보이는 바와 같이, 하우징(10)은, 길이방향의 구조로서, 축방향을 따라 정중앙부에 도면 기준 좌우 양단이 개구된 중공의 슬라이딩부(11)(도 3참조)가 구비되며 슬라이딩부(11)의 중심을 기준으로 하여 도면 기준 상하 대칭으로 이루어지면서 대구경 시추공(T)에 지지되는 몸체(12)로 이루어질 수 있다. 하우징 몸체(12)는 소구경 시추공(S)의 시추를 위하여 대구경 시추공(T)에 삽입되면 대구경 시추공(T)의 내부에서 상하, 좌우 유동이 발생되지 않도록 대구경 시추공(T)의 벽면에 지지되는 것으로, 유동방지 및 슬라이더(20)의 탈착을 위하여 몸체(12)의 양단부에는 지지 구조물이 각각 채용된다. 지지 구조물로 예컨대, 몸체(12)의 일측에는 하우징 몸체(12)의 둘레부에 방사상으로 배치되는 다수의 지지각(13)을 통해 제1지지링(14)이 연결되며, 몸체(12)의 타측에는 블라인드 캡(15)이 분리 가능하게 결합된다. 블라인드 캡(15)은 하우징 몸체(12)의 단부 외주면에 볼트(16) 등으로 체결되는 몸체(15a) 및 이 몸체(15a)의 둘레부에 방사상으로 배치되는 다수의 지지각(15b)을 통해 연결되며 대구경 시추공(T)의 벽면에 지지되는 제2지지링(15c)으로 이루어질 수 있다. 하우징(10)의 양측 단부는 슬라이더(20)가 그 내부에서 빠지지 않도록 타구간에 비해 직경이 작게 형성된다. 슬라이더(20)는, 시추 로드(30)가 연결되는 몸체(21) 및 이 몸체(21)의 둘레부에 확장 형성되며 하우징(10)의 슬라이딩부(11) 내벽면에 지지되는 환형의 지지부(22)로 구성될 수 있다. 시추 로드(30)는, 슬라이더(20)의 도면 기준 우측에 볼트(16) 등으로 연결 고정되어 슬라이더(20)를 매개로 하여 하우징(10)의 슬라이딩부(11)에 슬라이딩 가능하게 삽입되며, 시추기의 작동에 의해 대구경 시추공(T)에 연속하여 대구경 시추공(T)의 중심과 동일한 중심의 소구경 시추공(S)을 시추한다. 슬라이더(20)의 도면 기준 좌측 단부에는 시추기로부터의 동력을 시추 로드(30)에 전달하는 동력전달로드(40)가 나사 체결될 수 있다. 여기서, 시추 로드(30)와 동력전달로드(40)가 단품으로 이루어져 슬라이더(20)의 양측에 각각 결합되는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 시추 로드(30)와 동력전달로드(40)가 슬라이더(20)의 양측에 결합된 구조와 동일한 구조로 이루어지도록 하나의 시추 로드가 슬라이더(20)의 내부에 삽입될 수도 있다. 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저(100)를 대구경 시추공(T)에 투입할 때 대구경 시추공(T)과의 마찰로 인하여 하우징(10)이 후방으로 밀리는 것을 막으면서 소구경 시추공(S)의 시추시 시추 로드(30)가 정상적으로 동작하도록 동력전달로드(40)의 단부에는 밀링방지부(41)가 형성된다. 밀림방지부(41)는 동력전달로드(40)의 둘레부에 감기는 테이프, 케이블 타이일 수 있다. 본 발명에 따른 시추 센트럴라이저(100)의 조립 작업은, 슬라이더(20)의 양측에 동력전달로드(40)와 시추 로드(30)를 각각 체결하고, 블라인드 캡(15)을 하우징 몸체(12)에서 분리한 후, 슬라이더와 로드 조립체를 하우징(10)의 슬라이딩부(11)에 삽입하고, 블라인드 캡(150)을 하우징 몸체(12)에 나사, 볼트(16) 등으로 체결한다. 이하, 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저의 작용을 설명한다. 먼저 암반 내에 대구경 시추공(T)을 천공한 후, 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저(100)를 대구경 시추공(T)에 삽입한다. 이때, 하우징(10)의 양측 제1 및 제2지지링(14,15c)이 대구경 시추공(T)의 벽면에 지지되지만 밀림방지부(41)에 의해 하우징(10)이 후방으로 밀리지 않게 된다. 시추 로드(30)의 시추비트(31)가 대구경 시추공(T)의 단부에 배치되면 소구경 시추공(S)을 시추한다. 시추기를 통해 동력전달로드(40)에 힘을 가하면 슬라이더(20)와 함께 시추 로드(30)가 전방으로 슬라이딩되어 시추비트(31)를 통해 소구경 시추공(S)이 천공된다. 이때, 소구경 시추 로드(30)가 하우징(10)을 통해 대구경 시추공(T) 내부에서 견고하게 지지되면서 대구경 시추공(T)의 중심에 배치되어 소구경 시추공(S)은 그 중심이 대구경 시추공(T)과 동일하다. 이러한 방법에 의해 소구경 시추공(S)을 시추한 후, 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저(100)를 회수한다. 센트럴라이저(100)의 회수는 슬라이더(20)의 지지부(22)가 하우징(10) 내부를 슬라이딩하여 소구경 시추가 완료되어 소구경 시추 로드(30)를 회수할 때 하우징(10)의 좌측 부분 지지링(14)에 걸리게 되어 회수된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저에 의하면, 시추 로드가 대구경 시추공에 지지된 하우징의 정중앙부에 배치되어 대구경 시추공에 연속하여 소구경 시추공을 시추할 수 있으므로 테스트결과의 신뢰성과 정밀도를향상할 수 있으며, 시추 실패에 따른 추가 비용의 지출을 방지할 수 있는 등의 효과가 있다. 이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저의 분해 사시도. 도 2는 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저의 사시도. 도 3은 본 발명에 따른 시추용 센트럴라이저의 측단면도. <도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> 10 : 하우징, 11 : 슬라이딩부 12 : 하우징 몸체, 14,15c : 지지링 20 : 슬라이더, 21 : 슬라이더 몸체 22 : 지지부, 30 : 시추 로드 31 : 시추비트, 40 : 동력전달로드 41 : 밀림방지부, |
