연속 공구회전과 연속 천공액 공급을 수반하는 굴착장치 및 방법

申请号 KR1020127022104 申请日 2011-01-25 公开(公告)号 KR1020130007556A 公开(公告)日 2013-01-18
申请人 웨스트 드릴링 프로덕츠 에이에스; 发明人 크로흔,헬게; 그린로드,매드; 스샤세스,오드,비.;
摘要 본 발명은 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치에 관한 것으로, 상부에서 구동되고 가이드 트랙(21)을 따라 수직으로 이동가능하게 배치된 제1 천공장치(1);와 상기 제1 천공장치(1)와 상기 천공 구멍(6) 사이에서 가이드 트랙(41)을 따라 수직으로 이동가능하게 배치된 제2 천공장치(3);를 포함하고, 상기 제2 천공장치(3)에는, 파이프 스트링(5)의 무게를 수용할 수 있도록 배치된 로터리 테이블(31), 상기 파이프 스트링(5)의 연속회전을 위해 배치된 로터리 구동 유니트(32), 및 파이프 스트링 단부(51)를 천공액 플랜트(7)에 유체연통하게 연결할 수 있도록 배치된 천공액 체임버(34)를 구비하고, 상기 천공액 체임버(34)는, 파이프 스트링 포트(341, 343)를 폐쇄할 수 있도록 밀봉 가능하게 배치된 수단(342, 344, 345)을 구비하는 하부 및 상부 파이프 스트링 포트(341, 343)를 구비하도록 되어 있고, 상기 제2 천공장치(3)는 상기 파이프 스트링(5)으로 또는 이로부터 부재(12, 51)를 연결하거나 해제할 수 있도록 배치된 파워 통(33, power tong)을 추가로 구비하되, 상기 파워 통(33)은 상기 천공액 체임버(34) 안에 배치된 굴착장치가 개시되어 있다. 또한 연속 공구회전과 연속 천공액 공급이 가능한 굴착방법이 개시되어 있다.
权利要求
  • 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치로서, 상부에서 구동되고 가이드 트랙(21)을 따라 수직으로 이동가능하게 배치된 제1 천공장치(1);와 상기 제1 천공장치(1)와 상기 천공 구멍(6) 사이에서 가이드 트랙(41)을 따라 수직으로 이동가능하게 배치된 제2 천공장치(3);를 포함하고, 상기 제2 천공장치(3)는, 파이프 스트링(5)의 무게를 수용할 수 있도록 배치된 로터리 테이블(31), 상기 파이프 스트링(5)의 연속회전을 위해 배치된 로터리 구동 유니트(32), 및 파이프 스트링 단부(51)를 천공액 플랜트(7)에 유체연통하게 연결할 수 있도록 배치된 천공액 체임버(34)를 구비하고, 상기 천공액 체임버(34)는, 파이프 스트링 포트(341, 343)를 폐쇄할 수 있도록 밀봉 가능하게 배치된 수단(342, 344, 345)을 구비하는 하부 및 상부 파이프 스트링 포트(341, 343)를 구비하� �록 되어 있는 굴착장치에 있어서,
    상기 제2 천공장치(3)는 상기 파이프 스트링(5)으로 또는 이로부터 부재(12, 51)를 연결하거나 해제할 수 있도록 배치된 파워 통(33, power tong)을 추가로 구비하되, 상기 파워 통(33)은 상기 천공액 체임버(34) 안에 배치된 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 파이프 스트링 포트(341, 343)에는 상기 파이프 스트링(5), 파이프 스트링 섹션(52) 또는 상기 제1 천공장치(1)에 연결된 구동축(12)을 둘러쌀 수 있도록 밀봉할 수 있게 배치된 압력 밀봉부(342, 344)를 구비되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 상부 파이프 스트링 포트(343)에는 상부 압력 밀봉부(344)와 상기 천공액 체임버(34) 사이에 배치된 정지 밸브(345)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 천공액 플랜트(7)는, 천공액 펌프(71)를, 상기 제1 천공장치(1)에 있는 천공액 입구(13)와 상기 천공액 체임버(34)의 천공액 입구(35)에 연결시킬 수 있게 유체연통하게 배치된 수단(721, 722, 723, 724)를 구비하는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 천공액 체임버(34)에는 천공액 저장소(74)와 유체연통가능하게 된 폐쇄가능한 천공액 체임버 배출포트(351)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 천공액 체임버(34)에는 폐쇄가능한 환기구(352)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 제1 천공장치(1)의 상기 가이드 트랙(21)은 상기 제2 천공장치(3)의 상기 가이드 트랙(41)으로부터 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 제1 천공장치(1)의 상기 가이드 트랙(21)은 상기 제2 천공장치(3)의 상기 가이드 트랙(41)과 일치하게 되는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 제1항에 있어서, 상기 파이프 스트링 섹션(52)은 다각형 단면을 갖는 부분(521a)이 구비된 구동 파이프(521)를 구비하는 것을 특징으로 하는 지층 구조에 천공 구멍(6)을 형성하기 위한 굴착장치.
  • 연속적으로 공구를 회전시킴과 아울러 연속적으로 천공액을 공급하는 굴착방법으로서,
    a) 지층 구조(63)의 천공 구멍(6)에 위치한 천공 비트(53)가 구비된 파이프 스트링(5)을 상부 제1 천공장치(1)의 구동축(11)에 연결하고, 제2 천공장치(3)의 중앙 개구부(36)를 통해 인도하고 회전시키며, 상기 천공 구멍(6)의 축방향으로 변위시키는 한편, 상기 제1 천공장치(1)의 천공액 입구(13)를 통해 상기 천공 비트(53)로 천공액을 공급하는 단계;
    b) 상기 제2 천공장치(3)의 로터리 테이블(31)에 연결된 로터리 구동 유니트(32)를 상기 파이프 스트링(5)의 회전 속도에 상응하는 회전 속도로 적용하는 단계;
    c) 상기 로터리 구동 유니트(32)를 회전하는 상기 파이프 스트링(5)의 상부의 부분(521a)에 결합하도록 인도하는 단계;
    d) 상기 로터리 테이블(31)과 상기 제1 천공장치(1) 사이에 배치된 천공액 체임버(34)의 파이프 스트링 포트(341, 343)에 형성된 폐쇄가능한 압력 밀봉부(342, 344)를 상기 파이프 스트링(5)의 부분 또는 상기 구동축(11)의 부분에 밀착시켜 압력 밀봉되도록 하는 단계;를 포함하는 굴착방법에 있어서,
    e) 상기 천공액 체임버(34)에 배치된 파워 통(33)을 상기 구동축(11)의 회전 속도에 상응하는 회전 속도로 적용하는 단계;
    f) 상기 파워통(33)을 상기 구동축(11)의 부분과 결합하는 단계;
    g) 상기 로터리 테이블(31)에 대한 상기 파워통(33)의 회전 속도를 줄임으로써, 상기 구동축(11)을 상기 파이프 스트링(5)으로부터 연결해제함과 동시에, 천공액 플랜트(7)와 상기 천공 비트(53)의 사이에 상기 천공액 체임버(34)와 상기 파이프 스트링(5)의 단부(51)를 통한 유체연통이 성립하게 하고, 상기 제1 천공장치(1)로 상기 천공액 공급을 정지하는 단계;
    h) 상기 구동축(11)을 상기 천공액 체임버(34)로부터 변위시키고, 상기 제1 천공장치(1)를 상기 제2 천공장치(3)로부터 변위시키고, 정지밸브(345)를 폐쇄시키고, 상부 압력 밀봉부(344)를 상기 구동축(11)으로부터 압력 밀봉을 해제하는 단계;
    i) 파이프 스트링 섹션(52)을 상기 제1 천공장치(1)의 상기 구동축(11)에 연결시키고 상기 천공액 체임버(34)로 이동시키고, 상기 상부 압력 밀봉부(344)를 활성화시켜 상기 파이프 스트링 섹션(52)에 압력 밀봉되도록 하고, 상기 정지밸브(345)를 개방하는 단계;
    j) 상기 파워 통(33)을 상기 파이프 스트링 섹션(52)의 부분에 연결시키고, 상기 파워 통(33)이 상기 파이프 스트링 섹션(52)에 상기 파이프 스트링(5)의 회전 속도보다 큰 회전속도를 제공하는 단계;
    k) 상기 파워 통(33)을 상기 파이프 스트링(5) 쪽으로 변위시키고, 상기 파이프 스트링 섹션(52)을 상기 파이프 스트링(5)과 연결되도록 하고, 상기 제1 천공장치(1)로 상기 천공액을 공급되도록 하고, 상기 천공액 체임버(34)로 상기 천공액 공급을 정지하는 단계;
    l) 상기 제1 천공장치(1)가 상기 파이프 스트링(5)의 회전과 수직 이동을 재개하고, 상기 천공액 체임버(34)에서 배출포트(351)를 통해 천공액 저장소(74)로 천공액을 배출시키고, 상기 압력 밀봉부는 상기 파이프 스트링(5)으로부터 압력밀봉를 해제하는 단계; 및
    m) 상기 단계 b) 내지 단계 l)을 반복하는 단계;를 포함하여 이루어지는 연속 공구회전과 연속 천공액 공급이 가능한 굴착방법.
  • 로터리 테이블(31)을 구비하는 천공장치(3)에 적용되어 있는 파이프 스트링(5)에 천공액을 공급하기 위하여, 파워통(33)을 둘러싸는 개폐가능한 천공액 체임버(34)를 구비하는 굴착장치.
  • 说明书全文

    연속 공구회전과 연속 천공액 공급을 수반하는 굴착장치 및 방법{Device and method for drilling with continuous tool rotation and continuous drilling fluid supply}

    본 발명은 지층에 천공 구멍을 형성하기 위한 굴착장치에 대한 것으로, 상기 굴착장치는 가이드 트랙을 따라 수직으로 변위될 수 있게 배치된 제1 상부 구동 천공장치를 포함하고, 특히 제2 천공장치는 상기 제1 천공장치와 천공 구멍 사이에 가이드 트랙을 따라 수직으로 변위할 수 있게 배치되고, 파이프 스트링(pipe string)의 무게를 수용할 수 있게 배치된 로터리 테이블(rotary table)과, 상기 파이프 스트링의 연속회전을 위해 배치된 로터리 구동유닛, 파이프 스트링 단부를 천공액 플랜트(drilling fluid plant)에 유체연통가능하게 연결하도록 배치된 천공액 체임버(fluid chamber)로서, 상기 파이프 스트링 포트를 밀봉가능하게 폐쇄하도록 배치된 수단을 구비하는 파이프 스트링 포트가 구비된 천공액 체임버, 및 상기 파이프 스트링에 연결된 부재의 연속회전을 � ��해 상기 천공액 체임버에 배치된 파워 통(power tong)을 구비한다. 또한, 연속 공구회전과 연속 천공액(drilling fluid) 공급을 수반하는 천공 방법에 대하여 기술한다.

    석유와 가스의 채굴에 관련하여 시추와 생산채굴에서와 같이 지층을 천공하는 동안, 드릴 파이프의 새로운 섹션은 천공구멍이 연장될 때 계속 결합된다. 모든 그러한 결합작업에서 파이프 스트링의 회전은 정지되고, 사용되는 대부분의 기술에서는, 파이프 스트링이 연장되는 동안 천공액(drilling fluid)의 순환도 정지된다. 회전과 천공액 순환의 그러한 중단이라는 단점은 산업계에 익히 알려져 있다. 유정(well) 절삭물의 이송이 중단되게 되고, 절삭물이 가라앉기 시작할 것이고, 수평의 천공구멍에서는 절삭물이 퇴적될 것이다. 이것은, 구멍을 깨끗이 하기 위하여 천공작업이 시작되기 전에 일정 시간동안 천공액의 순환이 시작되어야 하는 점에서, 시간낭비를 초래한다. 파이프 스트링의 회전이 정지되면, 침강하는 절삭물이 축적되고 구멍 주위 구성체와 구멍 사이의 압력차의 결과로 구멍 벽체에 대한 마찰의 증가로, 파이프 스트링이 천공구멍에 유착될 위험도 증가한다. 천공액 순환의 정지는 천공액에서의 압력변동을 가져오고, 압력이 임계적 한계 밖으로 나오면, 형성액이 구멍 안으로 들어가거나 천공액이 형성체 안으로 흘러나가게 되는데, 이 둘다 바람직하지 못하다.

    상부 구동부를 위한 장치가 노르웨이 특허 NO326427로부터 알려져 있는데, 구동기어에 해제가능하게 연결하기 위하여 배치되고 천공 파이프(drill pipe)의 제1 단부 부분을 구비하는 구동축은 천공액 플랜트와, 천공 파이프에서 천공액 흐름 사이의 유체 연통을 위하여 배치된 중앙 흐름부가 구비된다. 천공 파이프 또는 구동축에 대해 통로를 제공하기 위하여 개방위치에 대해 배치된 압력 밀봉과 밸브를 각각 둘러싸는 제1 및 제2 해제가능한 구동축 또는 파이프 스트링은 제1, 제2 체임버를 형성한다. 천공액 입구는 제2 체임버에 배치되고 천공액 플랜트와 결합 하우징 사이의 유체 연통을 위해 배치된다. 그리하여, 연속적인 천공액 순환이 제공되나, 새로운 천공 파이프 부분에서 파이프 스트링 회전은 정지되어야 한다.

    영국특허 GB2399112에는 천공하는 동안 파이프 스트링 회전이나 파이프 스트링을 통한 천공액 순환이 정지되지 않고 파이프 요소들의 연결을 위한 방법과 장치가 기술되어 있다. 이것은 상부 구동부와 로터리 테이블 사이의 협력에 의하여 얻어진다. 상부 구동부가 파이프 스트링으로부터 연결이 끊어졌을 때, 파이프 요소의 나사부에 결합되는 천공액 순환 구동부가 천공액 순환을 위해 사용된다.

    미국특허 US6412554에는 파이프 스트링을 통한 천공액의 연속적인 순환을 위한 시스템이 기술되어 있는데, 예컨대, 코일화된 튜브나, 서로 나사 결합된 파이프 섹션으로 만들어진 파이프 스트링이 있다. 밀봉 장치가 상부 및 하부 개구부에 배치되어 있고, 파이프 스트링 주위를 꽉 조이기 위하여 배치되어 있으며, 상기 시스템은 파이프 스트링을 수용하기 위한 천공 구멍을 갖는 상부 및 하부 체임버를 구비한다. 상기 시스템은 또한 상기 체임버에 대하여 파이프 스트링이나 파이프 요소의 회전과 축 변위를 위한 장치를 포함한다.

    노르웨이 특허 NO326427

    영국특허 GB2399112

    미국특허 US6412554

    본 발명의 목적은 상기 종래기술의 단점 중의 적어도 하나를 치유하거나 감소시키거나 종래기술에 대한 유용한 대체기술을 제공하기 위한 것이다.

    상기한 목적은 이하의 자세한 설명과 첨부된 특허청구범위에 기술된 특징에 의하여 달성된다.

    유정 부분의 천공이 중단되지 않도록 하기 위한, 파이프 스트링의 연속회전과 천공액의 연속 순환을 가능하게 하는 천공장치가 제공된다. 본 발명은 천공 구멍 작업 동안에 생산성을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 천공 플로어의 중심축과 축상으로 일치하고 천공 플로어 위에 배치된 2 개의 천공장치가 채용되어 있는데, 상부의 제1 천공장치는 종래기술에 따른 상부 구동부이고, 파이프 스트링의 회전, 파이프 스트링에 대한 천공액의 공급, 파이프 스트링의 축 변위, 및 파이프 스트링의 결합 동안 파이프 스트링에 대한 천공 파이프 섹션의 회전을 포함하는 천공작업의 진수를 수행하고, 하부의 제2 천공장치는 상기 파이프 스트링에 천공액을 공급할 수 있는 것 외에, 매달릴 수 있고 동시에 파이프 스트링을 회전할 수 있도록 배치된 수단을 구비한다.

    두 천공장치는 천공 플로어와 같은 곳으로부터 위로 연장되는 데릭(derrick)에서 가이드 트랙을 따라 수직으로 독립적인 이동을 위해 배치된 수단을 구비한다. 상기 천공장치들은 동일한 세트의 가이드 트랙에 연결될 수 있다.

    제1 천공장치는, 실제적인 목적을 위해 정상적으로 구동축 연장부를 구비하는 하방으로 연장된 구동축을 구비한다. 추가로 설명하면, 용어 "구동축"은, 해제가능한 유니트로 물리적으로 연장되어 있거나 구동축이 하나의 부재로 구비되거나 간에, 언제든지 채용되는 구동축을 나타낸다. 구동축 연장부가 명백히 조건적이라면, 용어 "구동축 연장부"가 사용된다.

    상기 제2 천공장치는 중앙 개구부를 구비하고 파이프 스트링의 연속 회전을 위해 배치된 로터리 테이블을 구비하고, 예컨대 이른바 "파워 슬립(power slips)" 형태로 된, 파이프 스트링의 매달림을 위한 수단을 구비한다. 상기 로터리 테이블은 상기 파이프 스트링의 부분에 해제가능하게 연결될 수 있도록 배치된 로터리 구동 유니트로 배치되어 있다. 연속 회전을 위한 파워 통(power tong)이 로터리 구동 유니트 위에 배치되고 천공액 체임버에 배치되어 있다. 천공액 체임버에는 파이프 스트링의 축과 일치하는 상부 및 하부 포트가 구비되어 있고, 천공 파이프를 통해 공급하기 위해 배치되어 있으며, 상기 상부, 하부 포트에는 파이프 스트링 또는 ㅍ파이프 스트링 섹션 주위에 밀봉하기 위해 배치된 압력 밀봉부를 구비한다. 상기 상부 포트는 이 포트를 폐쇄할 수 있도록 배치된 정지 밸브가 구비되고, 열린 위치에서 파이프 스트링을 통하여 공급할 수 있도록 되어 있다. 천공액 체임버에는 가압된 천공액의 공급과, 천공액 체임버로부터 천공액의 배출을 위해 배치된 수단이 구비된다. 상기 천공액 체임버에는 공기나 다른 가스를 천공액 체임버로 또는 이로부터 인도하기 위한 환기수단이 구비된다.

    천공작업은 다음과 같은 방식으로 실행된다:

    a) 파이프 스트링이 새로운 파이프 섹션으로 연장될 때까지, 제1 천공장치가 파이프 스트링을 회전시키고 천공액을 그 자체로서 공지된 방식에 따라 파이프 스트링 내의 중앙 개구로 공급한다. 상기 파이프 섹션은 로터리 테이블에서 매달린다. 상기 제1 천공장치의 구동축, 가능하게는 구동축의 연장부(이하에서는 간단히 "구동축"이라 함)의 일부은 천공액 체임버 안쪽 안으로 연장되고, 상기 파워 통에 의해 둘러싸여진다. 상기 압력 밀봉부는 파이프 스트링과 구동축을 둘러싼다.

    b) 파이프 스트링의 회전 속도에 상응하도록 로터리 구동 유니트의 회전 속도를 적용한 후에, 상기 로터리 구동 유니트와 파이프 스트링은, 파이프 스트링이 회전하는 동안 결합된다. 상기 제1 천공장치는 그 이후에 해제되고, 파이프 스트링의 회전은 상기 하부 천공장치에 의해 이루어진다.

    c) 파이프 스트링의 회전 속도에 상응하도록 파워 통의 회전 속도를 적용한 후에, 파이프 스트링은 상기 구동축과 결합된다. 압력 밀봉부가 활성화된다.

    d) 로터리 구동 유니트와 파워 통의 동시 작동에 의해, 구동축과 파이프 스트링 사이의 나사연결이 천공액 체임버가 가압됨과 동시에 파괴된다. 천공액이 상기 천공액 체임버로부터 상기 파이프 스트링으로 흐를 수 있을 때, 천공액이 상기 제1 천공장치로 공급되는 것이 폐쇄된다.

    e) 구동축이 상기 파워통으로부터 해제되고, 제1 천공장치의 수직 변위 시에 상기 정지 밸브에서 밖으로 당겨지고, 상부 압력 밀봉부가 비활성화되기 전에 상기 정지 밸브는 닫겨지고, 상기 구동축은 천공액 체임버의 상부 포트로부터 당겨진다.

    f) 파이프 스트링의 회전과 수직 변위 및 천공액의 공급은, 새로운 파이프 스트링이 상기 제1 천공장치의 구동축에 연결되는 동안, 하부 천공장치에 의해 유지된다.

    g) 상기 파이프 스트링 섹션이 상부 천공액 체임버로 도입되고, 압력 밀봉부가 활성화된다. 상기 정지 밸브가 개방되고 상기 파이프 스트링 섹션이, 상기 로터리 구동 유니트 회전의 동시 작동하면서 상기 파이프 스트링과의 연결을 위하여 파워 통에 고정하기 위하여 상기 천공액 체임버 안으로 내려지고, 상기 제1 천공장치를 통해 천공액을 공급함과 동시에 상기 파워 통은 작동하기 시작하고 천공액 체임버를 통한 천공액의 공급은 정지된다.

    h) 상기 하부 천공장치 로터리 구동 유니트가 파이프 스트링으로부터 해제될 때, 회전, 수직 변위 및 천공액 공급은 상기 제1 천공장치에 의하여 유지되고, 천공액 체임버는 비워지고 압력 밀봉부는 비활성화된다.

    i) a) 내지 h)까지 작동은 천공작업이 완료될 때까지 반복된다.

    제1 실시예에 있어서, 본 발명은 첨부된 청구범위 제1항에 특징적으로 구체적으로 기재되어 있다. 다른 실시예는 첨부된 청구범위 제2항 내지 제9항에 기술되어 있다.

    제2 실시예에 있어서, 본 발명은 첨부된 청구범위 제10항에 특징적으로 구체적으로 기재되어 있다.

    제3 실시예에 있어서, 본 발명은, 로터리 테이블이 구비된 천공장치를 사용하여 파이프 스트링에 천공액을 공급하기 위하여, 파워 통(power tong)을 둘러싸는 폐쇄가능한 천공액 체임버의 사용에 대하여 기술한다.

    본 발명은 종래기술의 단점 중의 적어도 하나를 치유하거나 감소시키거나 종래기술에 대한 유용한 대체기술을 제공하기 위하여 효과적으로 구성된다.

    도 1은 2 개의 공조하는 천공장치(그 중 하부 천공장치는 단면으로 나타냄)를 구비하는 천공장치의 측면도를 나타낸다.
    도 2는 천공장치에 연결된 천공액 플랜트를 작은 스케일로 개략적으로 나타낸다.
    도 3 내지 도 7은 연속 천공작업의 여러 단계를 나타내는 측면도로서, 화살표와 검은 음영은 유니트가 활성화된 상태를 나타내고, 천공액이 흐르고 있음을 나타낸다.
    도 3은 하부 천공장치에 의해 작동하는 천공 스트링과, 상기 천공장치에 연결을 위해 준비된 파이프 스트링을 나타낸다.
    도 4는 상기 제1 천공장치에 연결되고, 천공액 체임버의 상부 포트에 도입되고 포트 압력 밀봉부에 의해 밀봉되게 둘러싸인 파이프 스트링 섹션을 나타낸다.
    도 5는 천공액 체임버 정지 밸브를 통해 인도되고 회전 중인 파워 통 세트에 연결된 파이프 스트링 섹션을 나타낸다.
    도 6은 로터리 테이블로부터 해제된 파이프 스트링에 연결되고 상기 파워 통으로부터 해제된, 그리고 제1 천공장치에 의해 구동되는 파이프 스트링 섹션을 나타내는데, 천공액 체임버는 천공액이 배출되고 있다.
    도 7은 제1 천공장치에 의해 구동되는 파이프 스트링을 나타내는데, 하부 천공장치에 대해서는 자유회전 상태에 있다.

    이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.

    도면부호 1은 그 자체로 공지된 상부 구동부를 나타내는데, 이하에서는 제1 천공장치라고 한다. 상기 천공장치는 통상적으로 구동축(11)과 구동축 연장부(12)를 구비하고 천공액 입구도 구비하며, 가이드 트랙(21)을 따라 수직방향으로 변위될 수 있는 천공장치 데릭(2, rig derrick)에 부착되어 있다. 상기 천공장치(1)는 천공구멍(6)의 중심축(62)에 대하여 중심에 배치된다.

    상기 제1 천공장치와 상기 천공구멍(6) 사이에는, 제2 천공장치 데릭(4)에 부착되고 가이드 트랙(41)을 따라 수직방향으로 변위할 수 있게 된 제2 천공장치(3)가 배치되어 있다.

    파이프 스트링(5)은 천공구멍(6) 아래로 연장되고(도 2 참고), 상기 파이프 스트링(5)의 단부(51)와 나사결합됨에 의하여 다수의 파이프 스트링 섹션(52)으로 구성된다. 상기 파이프 스트링 섹션(52)은 제2 천공장치(3)와 해제가능하게 결합되도록 배치되고 다각형 단면를 갖는 부분(521a)을 구비하는 구동 파이프(521)를 포함한다. 상기 파이프 스트링(5)에는 천공 비트(53)이 구비된다.

    상기 천공구멍(6)은 유정 헤드(61)로부터 지층구조(63) 아래로 연장된다.

    상기 천공장치(1, 3)는 천공액 플랜트(7)에 유체연통(fluid communication)하게 연결되어 있고, 이 천공액 플랜트(7)는 천공액 펌프(71)와, 천공장치(1, 3)와 파이프 스트링(5)의 중앙 개구를 통해 천공 비트(53)로 가압된 천공액을 인도하도록 배치된 공급라인(72), 천공액 펌프(71)를 천공액 저장소(74)에 유체연통가능하게 연결하는 펌핑라인(73), 및 상기 유정 헤드(61)와 천공액 저장소(74)를 연결하는 복귀라인(75)을 구비한다.

    상기 공급라인(72)은 주 라인(721)과 보조 라인(722)을 구비하는데, 상기 주 라인(721)은 상기 제1 천공장치(1)로 천공액을 인도하도록 제어가능하게 배치된 제1 정지 밸브(723)를 구비하고, 상기 보조 라인(722)은 상기 제2 천공장치(3)로 천공액을 인도하도록 제어가능하게 배치된 제2 정지 밸브(724)를 구비한다. 배출 라인(76)은 제2 천공장치를 천공액 저장소(74)에 연결한다.

    상기 제2 천공장치는, 공지된 방식으로 상기 로터리 테이블931)에 상기 파이프 스트링(5)을 매달 수 있도록 배치된 파워 슬립(311, power slips)을 구비하는 로터리 테이블(31)을 구비한다. 로터리 구동 유니트(32)가 로터리 테이블(31)에 연결되도록 배치되어 있고, 상기 파이프 스트링(5)이 상기 로터리 테이블(31)에 매달려 있을 때, 상기 로터리 구동 유니트(32)는 중심축 주위로 상기 파이프 스트링(5)을 회전시킬 수 있도록 하기 위하여 상기 구동 파이프(521)의 다각형 부분(521a)에 해제가능하게 결합되도록 배치되어 있다. 상기 로터리 테이블(31) 위로 연속 회전을 위해 배치된 파워 통(33)이 배치되어 있다. 상기 파워 통(33)은 천공액 체임버(34) 안에 둘러싸여 있는데, 상기 천공액 체임버(34)는 하부 및 상부 파이프 스트링 포트(341, 343)를 구비한다. 상기 하부 및 상부 파이프 스트링 포트(341, 343)에는 밀봉하면서 파지하는 각각의 압력 밀봉부(342, 344)가 구비되고, 상기 하부 및 상부 파이프 스트링 포트(341, 343)를 폐쇄하기 위해 이 압력 밀봉부(342, 344)는 상기 파이프 스트링(5)의 부분이나, 제1 천공장치의 구동축 연장부(12)를 둘러싸면서 밀착하도록 배치된다. 상기 천공액 체임버(34)와 상부 압력 밀봉부(344) 사이에 정지 밸브(345)가 배치되는데, 이 정지 밸브는 개방위치에서 파이프 스트링 섹션(52)과, 연결된 구동축 연장부(12)의 적어도 아래로 연장되는 단부를 통하여 인도하기 위하여 배치되어 있다.

    상기 천공액 체임버(34)는 상기 보조 라인(722)과 유체연통하게 연결된 천공액 입구(35)를 추가로 구비한다. 개폐가능한 천공액 체임버 배출포트(351)가 배출라인(76)을 통해 천공액 체임버(34)를 천공액 저장소(74)로 배출할 수 있도록 배치되어 있다. 천공액 체임버 환기구(352)가 천공액 체임버(34) 상부에 배치되어 있는데, 천공액 체임버가 천공액으로 충전되거나 비워질 때, 천공액 체임버(34)를 공기나 다른 가스로 환기할 수 있도록 배치된 것이다.

    로터리 테이블(31)과, 로터리 구동 유니트(32), 파워 통(33) 및 천공액 체임버 파이프 스트링 포트(341, 343)은 제2 천공장치(3)를 관통하여 연장하는 개구부를 형성하고, 이 개구부는 천공구멍(6)의 중심축(62)에 대하여 중심에 맞게 배치된다.

    본 발명에 따른 굴착장치로 천공작업이 수행될 때, 상기 파이프 스트링(5)이 상기 제2 천공장치(3)의 중앙 개구부(36)을 통해 연장되고 상기 제2 천공장치(3)에 대하여 자유로이 움직이면서, 상기 파이프 스트링(5)은 회전하게 되고 제1 천공장치(1)에 의하여 제1 위상에서 변위된다 (도 7 참고). 상기 천공액은 상기 제1 천공장치(1)의 천공액 입구(13)를 통해 천공 비트(53)으로 순환되고, 환형공(54, annulus)과, 유정 헤드(61), 복귀라인(75), 및 천공액의 공지된 처리를 위해 필요한 처리장비(도시 안함)를 통해 천공액 저장소(74)로 복귀된다. 상기 제2 천공장치(3)는 상부의 출발 위치로 수직 방향으로 변위된다.

    상기 파이프 스트링(5)에서 최상부에 배치된 구동 파이프(521)가 상기 제2 천공장치(3)의 로터리 구동 유니트(32)에 의해 둘러싸인 다각형 구동 파이프의 부분(521a)과 함께 위치될 때, 이것은 상기 파이프 스트링(5)에 상응하는 회전상태로 배치되고, 상기 파이프 스트링(5)과 결합되도록 인도된다. 상기 파이프 스트링(5)은 공지의 방식으로 상기 파워 슬립(311)에 의하여 상기 로터리 테이블(31)에 매달린다. 상기 파워 통(33)은 상기 파이프 스트링(5)에 상응하는 회전 상태로 배치되고, 상기 파워 통을 통해 연장되는 상기 구동축 연장부(12)와 결합되도록 인도된다. 상기 제1 천공장치(1)의 구동기어가 해제되었을 때, 상기 파이프 스트링의 회전은 상기 제2 천공장치(3)에 의하여 수행된다.

    다음 단계에서, 상기 하부 및 상부 압력 밀봉부(342, 344)와 천공액 체임버 포트(351)가 폐쇄되고, 천공액은 천공액 체임버(34)로 공급되고, 공급라인(72)의 각 정지 밸브(724)는 개방된다. 상기 로터리 구동 유니트(32)에 대하여 상기 파워 통에서의 속도 감소에 의하여, 상기 구동축 연결부와 파이프 스트링 사이의 연결이 끊어지고, 천공액은 천공액 체임버(34)와 개방된 파이프 스트링의 단부(51)을 통하여 공급된다. 공급라인(72)에 있는 각 정지 밸브(723)가 닫힐 때, 상기 제1 천공장치로의 천공액 공급은 정지된다. 상기 파이프 스트링 회전과 파이프 스트링(5)의 변위는 당분간 상기 제2 천공장치(3)에 의하여 수행된다.

    상기 구동축 연장부(12)가 상기 정지 밸브(345)의 중심으로부터 당겨지자마자 상기 제2 천공장치(3)의 상기 정지 밸브(345)가 닫힐 때, 상기 제1 천공장치(1)는 상기 제2 천공장치(3)로부터 멀어지게 변위되는 한편, 상기 상부 압력 밀봉부(344)는 상기 구동축 연장부(12) 둘레를 압력으로 밀봉하면서 폐쇄하게 된다. 그 이후에, 상기 상부 압력 밀봉부(344)는 뒤로 당겨지고, 상기 구동축 연장부(12)는 다음의 파이프 스트링 섹션(52)으로 연결을 위해 상기 제2 천공장치(3)로부터 멀리 당겨진다 (도 3 참고).

    상기 제1 천공장치(1)는, 상기 파이프 스트링 섹션(52)의 하단부가, 상기 파이프 스트링 섹션(52) 둘레를 압력으로 밀봉하여 폐쇄하도록 활성화되는 상기 상부 압력 밀봉부(344)에 의해 둘러싸일 때까지, 상기 제2 천공장치(3)를 향하여 이동된다 (도 4 참고). 그 이후에, 상기 정지 밸브(345)가 개방되고, 상기 제1 천공장치(1)와 상기 파워 통(33)은 상기 파이프 스트링(5)에 상응하는 회전으로 배치된다. 상기 제1 천공장치(1)로의 천공액 공급은 개방된다 (도 5 참고).상기 제1 천공장치(1)의 구동기어가 해제되고 상기 파이프 스트링 섹션(52)이 상기 파이프 스트링(5) 단부(51)를 향해 변위되어 상기 파이프 스트링(5)에 연결될 때, 상기 파워 통(33)의 회전속도는 상기 로터리 구동 유니트(32)에 대하여 증가된다. 각 정지 밸브(724)가 폐쇄되면 상기 천공액 체임버(34)로의 천공액 공급이 정지된다.

    상기 제1 천공장치(5)가 작동하도록 배치될 때, 상기 로터리 구동 유니트(32), 상기 파워 통(33) 및 상기 파워 슬립(311)은 연장된 파이프 스트링(5)으로부터 해제된다. 상기 천공액 체임버(34)는 천공액 체임버 배출 포트(351)와 상기 배출라인(76)을 통해 천공액이 비워지고, 상기 압력 밀봉부(342, 344)는 상기 파이프 스트링(5)에 대하여 압력 밀봉식 접합으로부터 해제된다.

    상기 공정은 천공 비트(53)가 정해진 위치에 도달할 때까지 반복된다.

    위에 설명된 다양한 작업을 동시에 수행하기 위하여 적절한 모니터링 수단이나 작동수단을 구비하고 본 발명에 따른 굴착장치를 제공하는 것은 당업계에 숙련된자에게는 자명한 사항임을 밝혀둔다.

    1: 제1 천공장치 3: 제2 천공장치
    5: 파이프 스트링 6: 천공 구멍
    7: 천공액 플랜트 11: 구동축
    31: 로터리 테이블 32: 로터리 구동 유니트
    34: 천공액 체임버 21, 41: 가이드 트랙
    53: 천공 비트

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