시추용 머드 공급장치{Mud supplying apparatus for drilling}
본 발명은, 시추용 머드 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 밸브 조작의 간편성과 진동방지를 도모할 수 있는 시추용 머드 공급장치에 관한 것이다.
시추선은 해저의 지하에 존재하는 석유나 가스 등을 시추하는 선박으로 각종 시추장비를 갖추고 있으며 조류, 풍향, 풍속 및 파고에 의하여 흔들림이나 위치변화가 적을수록 안정적으로 유정을 개발할 수 있다. 시추선을 통해서 해저에 구멍을 뚫으려면, 우선 암석을 파괴할 수 있어야 하고, 굴착된 암석 부스러기를 효과적으로 제거해야 하며, 뚫어낸 구멍이 무너져 내리지 않아야 하고, 원유 또는 가스의 분출도 막아야 하는데, 이를 위해 주로 사용하는 방식이 머드순환 방식이다. 머드순환 방식은 해저에 시추관을 내리면서 그 안으로 머드(Mud)를 고압으로 공급한다. 시추관 끝에 도착한 머드는 노즐에서 강한 압력으로 분사되고, 분사 후에는 유정의 벽과 시추관 사이 틈을 통해서 밀려 올라오게 된다. 이때 밀려 올라오는 머드와 함께 파낸 흙, 암석 부스러기가 함께 운반되며, 머드에 의해 공급되는 유동성과 드릴의 회전력으로 구멍 뚫기 작업이 진행된다. 이와 같은 머드순환 방식에서는 머드를 공급하기 위한 복수의 머드펌프를 필요로 하며, 각 머드펌프에는 다수의 토출배관과 게이트 밸브가 설치된다. 각각의 머드펌프에는 고압을 토출하기 위해 통상 3개 정도의 게이트 밸브가 설치되는데, 4대의 머드펌프가 운용되는 시추선이라면 총 12개의 밸브가 머드펌프의 토출측에 설치된다. 이러한 배관 구조에서는 밸브가 분산되어 있어 밸브의 개폐조작이 어렵고, 배관 구성이 복잡하여 머드펌프 가동 시 발생하는 진동을 방지하기 위한 배관 지지물을 설계하기 어려운 문제가 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복수의 머드펌프의 토출측에 분산되어 설치된 여러 밸브와 배관을 효율적인 매니폴드화를 통하여 밸브 조작의 간편성을 도모할 수 있고, 머드펌프 가동 시 발생하는 진동을 방지할 수 있는 시추용 머드 공급장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해저 유정에 삽입되는 시추 파이프에 머드(Mud)를 공급하기 위하여 마련되는 복수의 머드펌프; 상기 복수의 머드펌프에 각각 연결되는 복수의 토출배관을 합류시키고 재 분기시켜 상기 머드를 배출하는 매니폴드 배관; 및 상기 매니폴드 배관이 결합되는 매니폴드 프레임을 포함하는 시추용 머드 공급장치가 제공될 수 있다. 상기 매니폴드 배관은, 상기 복수의 머드펌프로부터 공급되는 상기 머드의 이송을 분기시키기 위하여 상기 각 토출배관에 연결되되, 상호간 병렬로 배치되는 복수의 단위 매니폴드 배관을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드 배관은, 상기 복수의 단위 매니폴드 배관의 토출측을 상호 연결시키며, 각각의 상기 단위 매니폴드 배관을 통해 이송되는 상기 머드를 합류시키는 합류배관을 더 포함할 수 있다. 상기 단위 매니폴드 배관은, 상기 토출배관의 토출측에 결합되어 상기 토출배관으로 이송되는 상기 머드를 분기시키는 연결구; 및 상기 연결구 양측에 설치되어 상기 머드의 공급량과 흐름 방향을 조절하는 한 쌍의 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 상기 합류배관은, 상기 게이트 밸브의 토출측에 연결되는 T형 배관; 및 상기 T형 배관을 상호 연결시키는 연결배관을 포함할 수 있다. 상기 매니폴드 배관은, 상기 합류배관으로부터 이송되는 상기 머드를 분기시켜 시추용 파이프에 공급하는 배출배관을 더 포함할 수 있다. 상기 합류배관은, 상기 단위 매니폴드 배관의 일측에 마련되는 일측 합류배관과, 상기 단위 매니폴드 배관의 타측에 마련되는 타측 합류배관을 포함할 수 있다. 상기 배출배관은, 상기 일측 합류배관으로부터 분기되는 일측 분기밸브와 상기 타측 합류배관으로부터 분기되는 타측 분기밸브로부터 합류하여 연장되는 메인 배출배관; 상기 타측 합류배관에 연결되어 상기 메인 배출배관을 보조하여 머드를 공급하는 보조 배출배관; 및 상기 일측 합류배관에 연결되어 부스터 튜브에 머드를 공급하는 부스터 배출배관을 포함하며, 상기 보조 배출배관과 부스터 배출배관은 각각 보조밸브와 부스터밸브를 이용하여 배출되는 머드양을 조절할 수 있다. 상기 매니폴드 프레임은, 상기 매니폴드 배관이 수용될 수 있는 간격을 두고 이격되어 배치되는 한 쌍의 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임을 상호 연결하는 연결 프레임을 포함할 수 있다. 상기 연결 프레임은, 상기 한 쌍의 메인 프레임을 연결하여 지지하는 메인프레임 연결용 프레임; 상기 합류배관이 결합되는 합류배관 고정 프레임; 및 상기 연결구가 결합되는 연결구 고정 프레임을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 각 머드펌프 토출배관에 설치된 여러 밸브를 한군데로 모으는 매니폴드화를 통하여 밸브 조작의 간편성, 진동 방지를 위한 지지물 설계의 용이성, 배관 물량의 감소에 따른 비용절감 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치가 적용되는 시추 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치의 배관 계통도이다.
도 3은 도 2의 매니폴드 배관의 사시도이다.
도 4는 도 2의 매니폴드 배관의 정면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치가 적용되는 시추 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치의 배관 계통도이고, 도 3은 도 2의 매니폴드 배관의 사시도이며, 도 4는 도 2의 매니폴드 배관의 정면도이다. 도 1을 참조하여 머드순환 방식에 의해 시추 작업이 진행되는 과정을 간략히 설명하면, 해저 유정에 시추 파이프(1)가 삽입되고, 드릴 파이프(2)를 통해 머드(Mud)가 공급된다. 드릴 파이프(2)에 머드가 공급되면, 머드의 유동압력과 드릴 파이프(2)의 단부에 설치된 드릴 비트(3)의 회전력을 통해 시추가 진행된다. 시추 과정에서 발생한 암석은 공급된 머드와 함께 드릴 파이프(2) 외부에 마련된 라이저 (4)을 통해 배출된다. 머드의 배출이 원활하지 않은 경우에는 부스터 튜브(5)에 머드가 공급될 수 있다. 부스터 튜브(5)는 시추 과정에서 발생한 암석의 무게에 의해 라이저 (4)으로 머드가 원활히 배출되지 않는 경우, 라이저(4) 일측에 연결되어 배출되는 머드의 상승을 돕기 위한 머드 공급 튜브이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치는 이러한 머드순환 방식에 의해 시추 작업이 진행되는 동안 드릴 파이프(2) 또는 부스터 파이프(5)에 머드를 원활히 공급하기 위한 장치이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 시추용 머드 공급장치는, 토출배관(101)이 구비된 복수의 머드펌프(Mud pump, 100)와, 토출배관(101)으로부터 공급되는 머드가 합류하고 다시 분기되어 배출되는 매니폴드 배관(200)과, 매니폴드 배관(200)이 고박되는 매니폴드 프레임(300)을 포함한다. 머드펌프(100)는 시추공내부의 조건에 따라 공급하고자 하는 머드의 압력과 머드량에 대응하기 위해서 복수로 마련된다. 보통 시추공의 깊이에 따라 시추공을 붕괴시키려는 외부압력이 크게 작용하므로, 이러한 압력을 상쇄시킬 수 있도록 공급되는 머드의 압력과 머드량도 시추공의 깊이에 따라 높아져야 한다. 이를 위해서 복수의 머드펌프(100)를 구비하고, 시추공의 깊이가 깊어짐에 따라 머드펌프(100)의 가동 개수를 늘려가게 된다. 본 실시예에서는 4개의 머드펌프(100)가 설치되는 것을 예로 들었으나, 머드펌프(100)의 개수는 공급하고자 하는 머드의 압력과 머드량에 따라 달라질 수 있다. 각각의 머드펌프(100)에는 종래와 달리 하나의 토출배관(101)이 연결되고, 토출배관(101)은 매니폴드 배관(200)에 연결된다. 매니폴드 배관(200)은, 복수의 단위 매니폴드 배관(210)과, 단위 매니폴드 배관(210)을 연결하는 합류배관(220a, 220b)과, 합류배관(220a, 220b)에 연결되어 머드를 배출시키는 배출배관(230)을 포함한다. 단위 매니폴드 배관(210)은 복수개가 병렬로 연결되며, 단위 매니폴드 배관(210)의 개수는 머드펌프(100)의 개수에 대응된다. 즉, 하나의 머드펌프(100)에 하나의 단위 매니폴드 배관(210)이 연결된다. 이러한 단위 매니폴드 배관(210)은, 토출배관(101)의 토출측이 결합하는 연결구(211)와, 연결구(211) 양측에 배치되는 한 쌍의 게이트 밸브(212a, 212b)를 포함한다. 연결구(211)는 토출배관(101)으로부터 공급되는 머드를 일시적으로 수용하고, 게이트 밸브(212a, 212b)가 설치된 방향으로 분기시킨다. 한편, 연결구(211)에서는 고압으로 공급되는 머드의 이송 방향이 바뀌어 배출되므로 공급되는 머드의 압력에 의한 강한 진동이 발생할 수 있다. 이러한 진동에 대비하여 토출배관(101)과 결합하는 연결구(211)는 후술하는 매니폴드 프레임(300)에 고정된다. 연결구(211)와 매니폴드 프레임(300)의 고정 방법에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다. 연결구(211)의 상부와 하부에는 게이트 밸브(212a, 212b)의 입력측이 연결된다. 상기 게이트 밸브(212a,212b)는 연결구의 좌/우측에 입력측이 연결될 수도 있다. 게이트 밸브(212a, 212b)는 연결구(211)로부터 배출되는 머드의 공급량과 흐름 방향을 조절하기 위한 것이다. 머드펌프(100) 하나에 두 개의 게이트 밸브(212a, 212b)가 결합하게 되므로, 본 실시예와 같이 4개의 머드펌프(100)를 운용하는 경우라면 8개의 게이트 밸브(212a, 212b)가 연결구(211)에 연결된다. 합류배관(220a, 220b)은 단위 매니폴드 배관(210)의 토출측에 연결되어 이송되는 머드를 합류시키는 배관으로서, 게이트 밸브(212a, 212b)의 토출측에 연결되는 복수의 T형 배관(213a, 213b)과, 복수의 T형 배관(213a, 213b)을 서로 연결하는 연결배관(221a, 221b)을 포함한다. T형 배관(213a, 213b)의 입력측이 게이트 밸브(212a, 212b)의 토출측에 연결되고, T형 배관(213a, 213b)의 토출측이 연결배관(221a, 221b)에 의해 인접한 T형 배관(213a, 213b)의 토출측과 상호 연결됨으로써 합류배관(220a, 220b)이 마련된다. 이러한 합류배관(220a, 220b)은 일측 합류배관(220a)과 타측 합류배관(220b)을 통해서 머드를 배출배관(230) 쪽으로 이송시킨다. 배출배관(230)의 반대쪽 합류배관(220a, 220b)의 말단은 터미널 플랜지(222a, 222b)로 마감된다. 배출배관(230)은, 메인 배출배관(231)과, 타측 합류배관(220b)에 연결되는 보조 배출배관(232)과, 일측 합류배관(220a)에 연결되는 부스터 배출배관(233)을 포함한다. 메인 배출배관(231)과 보조 배출배관(232)은 드릴링 파이프(2)에 머드를 공급하기 위한 배관이다. 메인 배출배관(231)에 의한 머드 공급이 고장 등으로 인해 곤란할 때, 보조 배출배관(232)에 의해 머드가 공급될 있도록 두 개의 배출배관(231, 232)이 마련된다. 다만, 메인 배출배관(231)과 보조 배출배관(232)은 머드의 토출량이나 토출압에 있어서 크게 차이가 있는 것은 아니므로, 실제로 그 역할을 바꾸어 사용하여도 무방하다. 메인 배출배관(231)은, 일측 합류배관(220a)으로부터 분기되는 일측 분기밸브(231a)와 타측 합류배관(220b)으로부터 분기되는 타측 분기밸브(231b)가 합류하는 연결구(231c)에 결합된다. 메인 배출배관(231)을 통한 머드의 공급량은 일측 분기밸브(231a)와 타측 분기밸브(231b)에 의해 조절된다. 보조 배출배관(232)은 타측 합류배관(220b)에 연결되며, 보조 배출배관(232)을 통한 머드의 공급량은 보조 밸브(232a)에 의해 조절된다. 부스터 배출배관(233)은 부스터 튜브(5, 도 1 참조)에 머드를 공급하기 위한 배관이다. 부스터 배출배관(233)의 배출 측에는 부스터 밸브(233a)가 설치되어 배출되는 머드의 공급량을 조절할 수 있다. 이하에서는, 상술한 바와 같이 구성되는 매니폴드 배관(200)의 밸브 개폐조절에 대하여 설명한다. 머드펌프(100)에 의해 펌핑(Pumping)되는 머드는 토출배관(101)을 통해서 매니폴드 배관(200)으로 유입된다. 본 실시예와 같이 4개의 머드펌프(100)가 배치되는 경우 3개의 머드펌프(100)는 필요한 머드의 공급압력에 맞추어 차례로 가동되고, 나머지 하나의 머드펌프(100)는 부스터 튜브(5)에 머드의 공급이 필요할 때 가동될 수 있도록 대기상태를 유지될 수 있다. 가동되는 머드펌프(100)측의 게이트 밸브(212a, 212b)는 배출배관(230)의 종류에 따라 개방 여부를 달리할 수 있다. 즉, 메인 배출배관(231)으로 머드를 공급하는 경우 가동되는 머드펌프(100)측의 게이트 밸브(212a, 212b)와 일측 분기밸브(231a) 및 타측 분기밸브(231b)는 개방되고, 보조 밸브(232a) 및 부스터 밸브(233a)는 닫힌 상태가 되도록 조절된다. 이 상태에서 토출배관(101)으로부터 이송되는 머드는 게이트 밸브(212a, 212b)를 지나 일측 합류배관(220a)과 타측 합류배관(220b)으로 이송되고, 일측 분기밸브(231a)와 타측 분기밸브(231b)를 거쳐 메인 배출배관(231)으로 배출된다. 메인 배출배관(231)으로의 머드 공급과 함께 부스터 배출배관(233)으로 머드를 공급할 필요가 있는 경우에는 부스터 밸브(233a)를 추가로 개방하면 된다. 한편, 보조 배출배관(232)으로 머드를 공급할 필요가 있는 경우에는, 하부 게이트 밸브(212b)와 보조 밸브(232a)만을 개방한 상태에서 머드펌프(100)를 가동하면 된다. 보조 배출배관(232)과 함께 부스터 배출배관(233)으로 머드를 공급할 필요가 있는 경우에는, 상부 게이트 밸브(212a)를 추가로 개방한 상태에서 부스터 밸브(233a)를 개방하면 된다. 이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 매니폴드 배관(200)은 종래의 복잡한 배관 및 밸브 구조를 한군데로 모으고 매니폴드화함으로써 한 곳에서 유량 및 개폐조절을 하도록 하여 밸브 조작의 간편성을 도모할 수 있으며, 종래에 비하여 배관 물량을 줄일 수 있어 비용을 절감할 수 있다. 한편, 매니폴드 프레임(300)은 머드펌프(100) 가동 시 발생하는 진동으로부터 매니폴드 배관(200)을 고박하기 위한 것으로, 메인 프레임(310)과, 메인 프레임(310)을 상호 연결하는 연결 프레임(320)을 포함한다. 메인 프레임(310)은 연결구(211)와 게이트 밸브(212a, 212b)들이 내부에 수용될 수 있도록 전방의 메인 프레임(310a)과 후방의 메인 프레임(310b)이 일정간격으로 이격되어 배치되어, 전체적으로 직육면체 형태의 프레임을 형성한다. 이러한 메인 프레임(310)에는 메인 프레임(310)의 지지력을 보강하기 위한 다수의 수직 보강부재(310c)가 메인 프레임(310)의 상부와 하부를 연결하는 형태로 배치될 수 있다. 만일, 제한된 개수의 수직 보강부재(310c)를 배치하는 경우 전방의 메인 프레임(310a)의 수직 보강부재(310c)와 후방의 메인 프레임(310b)의 수직 보강부재(310c)를 서로 엇갈리게 배치하면 메인 프레임(310) 전체의 지지력을 상승시킬 수 있다. 연결 프레임(320)은, 메인 프레임(310)을 연결하여 지지하는 메인프레임 연결용 프레임(321)과, 합류배관(220a, 220b)이 고정되는 합류배관 고정 프레임(322)과, 연결구(211)가 고정되는 연결구 고정 프레임(323)을 포함한다. 메인프레임 연결용 프레임(321)은 메인 프레임(310)의 네 모서리 부분에서 두 개의 메인 프레임(310)을 연결하여 지지한다. 한편, 합류배관(220a, 220b)은 연결구(211)와 같이 게이트 밸브(212a, 212b)로부터 이송되는 머드의 이송 방향이 바뀌는 곳이므로 진동이 크게 발생할 수 있다. 진동 발생을 방지하기 위한 합류배관 고정 프레임(322)은, 일측 합류배관(220a)과 타측 합류배관(220b)이 결합될 수 있도록 메인 프레임(310)의 상부와 하부에 일정간격으로 배치된다. 이러한 합류배관 고정 프레임(322)은 메인프레임 연결용 프레임(321)과 같이 두 개의 메인 프레임(310)을 연결하는 형태이므로, 메인프레임 연결용 프레임(321)을 보조하여 메인 프레임(310)을 지지력을 보강하는 역할도 하게 된다. 연결구(211)가 결합되는 연결구 고정 프레임(323)은 연결구(211)의 높이에 맞추어 수직 보강부재(310c)에 교차하여 결합된다. 합류배관(220a, 220b)과 합류배관 고정 프레임(322)의 결합이나, 연결구(211)와 연결구 고정 프레임(323)의 결합은 클램프(330)가 이용될 수 있다. 클램프(330)는 탈착이 가능하므로, 합류배관(220a, 220b) 또는 연결구(211)의 유지보수가 필요한 경우 클램프(330)를 분리하고 이들을 용이하게 해체할 수 있게 된다. 이와 같이 본 실시예의 매니폴드 프레임(300)은 필요 공간을 최소화하는 형태로 매니폴드 배관(200)을 타이트하게 고정하고, 특히, 진동이 많이 발생하는 부분을 클램프(330)를 이용하여 고박함으로써 머드펌프(100) 가동 시 매니폴드 배관(200)에 발생하는 진동을 감소시킬 수 있다. 또한, 매니폴드 프레임(300)은 전체적으로 직육면체 구조로 되어 있어 수용되는 연결구(211) 또는 게이트 밸브(212a, 212b)의 개수에 맞추어 길이를 확장되거나 축소하기 용이하고, 매니폴드 프레임(300) 자체를 모듈화하여 두 개의 매니폴드 프레임(300)을 직렬로 연결하는 것도 가능하다. 이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 머드 공급장치(100)는, 종래에 각 머드펌프의 토출배관에 분산되어 설치되었던 여러 밸브를 한군데로 모으고, 배관의 매니폴드화를 통하여 유량 제어 및 밸브의 개폐를 한 곳에서 할 수 있도록 함으로써 밸브 조작의 간편성을 도모할 수 있다. 또한, 매니폴드 프레임(300) 내에 매니폴드 배관(200)을 타이트하게 고박함으로써 머드펌프(100) 가동 시의 진동을 현저히 감소시킬 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명은 기재된 실시예에 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.
100 : 머드펌프 101 : 토출배관
200 : 매니폴드 배관 210 : 단위 매니폴드 배관
211 : 연결구 212a, 212b : 게이트 밸브
213a, 213b : T형 배관 220a, 220b : 합류배관
230 : 배출배관 231 : 메인 배출배관
232 : 보조 배출배관 233 : 부스터 배출배관
300 : 매니폴드 프레임 310 : 메인 프레임
320 : 연결 프레임 321 : 메인프레임 연결용 프레임
322 : 합류배관 고정 프레임 323 : 연결구 고정 프레임
223 : 클램프 |
