시추 설비

시추 설비{Drilling facilities}

본 발명은 시추 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 머드 리사이클(mud recycle) 공정에서 머드가 굳는 것을 방지할 수 있는 시추 설비에 관한 것이다.

국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 지구 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 원유의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다. 이러한 이유로 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전이나 심해유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 부유식 시추설비가 개발되어 있다.

해저에 위치한 가스정 또는 유정으로부터 가스 또는 원유를 얻기 위해서는 가스정 또는 유정까지 연장되는 구멍을 뚫는 시추 작업이 필요하다.

부유식 원유생산저장하역 설비(floating production storage & offloading unit, or FPSO)나 드릴 쉽(drill ship)과 같은 시추선은, 사용한 드릴링 머드를 리사이클할 수 있는 장치를 포함한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 머드 리사이클(mud recycle) 공정에서 머드가 굳는 것을 방지할 수 있는 시추 설비를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 시추 설비의 일 면(aspect)은, 드릴링 머드를 저장하는 탱크; 상기 탱크 내에 설치되고, 회전하여 상기 드릴링 머드를 믹싱하는 임펠러(impeller); 및 상기 임펠러에 설치되고, 유체를 상기 탱크 내에 분사하는 분사장치를 포함한다.

상기 분사장치는 상기 임펠러의 날개의 끝단에 설치된다.

상기 임펠러는 모터와 연결되어 회전하는 축과, 상기 축에 연결된 상기 날개를 포함하고, 상기 축과 상기 날개를 따라서 설치되어, 상기 분사장치에 상기 유체를 공급하는 유체공급라인을 더 포함한다.

상기 유체는 드릴링 머드이고, 상기 탱크의 일측에서 분기되어, 상기 분사장치로 드릴링 머드를 전달하는 순환 라인을 더 포함한다.

또는, 상기 유체는 드릴링 머드이고, 상기 드릴링 머드를 저장하는 보조 탱크와, 상기 보조 탱크에 저장된 드릴링 머드를 상기 분사장치로 전달하는 전달 라인을 더 포함한다.

상기 탱크의 바닥면은 곡면을 포함한다.

상기 탱크에 설치된 히팅 코일 또는 히팅 자켓을 더 포함할 수 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 시추 설비의 다른 면(aspect)은, 드릴링 머드를 저장하는 탱크; 상기 탱크 내에 설치되고, 회전하여 상기 드릴링 머드를 믹싱하는 임펠러(impeller); 및 상기 탱크에 설치된 히팅 코일 또는 히팅 자켓을 더 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비가 적용된 해양 구조물의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 도 2의 머드 컨디셔닝 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 2의 머드 탱크의 일 실시예를 설명한다.
도 5는 도 2의 머드 탱크의 다른 실시예를 설명한다.
도 6은 도 2의 머드 탱크의 또 다른 실시예를 설명한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비가 적용된 해양 구조물의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 해양 구조물(1)은 시추 설치가 장착되는 데릭(drilling derrick)(2)을 포함한다. 구체적으로, 해양 구조물에 적재된 파이프는 크레인 등의 리프팅 수단을 통해 데릭(2)으로 운반되고, 데릭(2) 상에 설치된 시추 장치는 상기 운반된 파이프를 이용하여 시추 작업을 진행한다. 이 때, 데릭(2)은 직선 부재와 경사 부재의 조립에 의해 트러스 구조를 이룰 수 있고, 해양 구조물의 문풀 상에 수직되게 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 해양 구조물은 잭업 드릴링 리그, 잭업 리그, 시추선, 바지선, 해양작업선, 해양플랜트 및 액화천연가스-부유식 생산저장설비(LNG-FPSO; Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading) 등을 통칭하는 것으로서, 자항능력을 가지는 선박뿐만 아니라 해양에 설치되는 모든 구조물을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비에서의 드릴링 머드 사이클(drilling mud cycle) 과정을 설명한다. 도 2에서는 켈리(kelly)(72)를 이용한 구성을 개시하였으나, 후술할 드릴링 머드 사이클 과정은 탑 드라이브 시스템(top drive system)에서도 실질적으로 동일하게 적용된다.

고압의 머드 펌프(30)가 드릴링 머드를 펌핑하여, 드릴링 머드를 스탠드 파이프(42), 플렉서블 로터리 호스(flexible rotary hose)(44) 및 스위블(swivel)(5)에 부착된 구스넥(goose neck)(46)을 통해서, 회전하고 있는 드릴링 파이프(drilling pipe)(90)로 운반시킨다.

드릴링 머드는 켈리(72)의 중심을 거쳐 드릴링 파이프(90) 속으로 들어가 드릴 비트(drill bit)의 투스(tooth)를 통하여 빠져나간다.

한편, 드릴링 머드는 절삭유, 드릴 비트의 냉각수, 드릴링 작업 중에 깍여 나오는 바위 부스러기 등을 드릴링 파이프(90)와 라이저(riser) 사이를 통해 시추선 위로 끌고 올라오는 역할을 한다.

회수되는 드릴링 머드는 전환기(diverter) 또는 분출방지장치 스택(BOP stack)(78)의 상부에 위치한 벨 하우징(bell housing)(76)안에 모여진다. 드릴링 머드는 머드 컨디셔닝 장치(mud conditioning equipment)(10)를 거쳐서, 머드 탱크(mud tank)(20)로 전달된다.

여기서, 머드 컨디셔닝 장치(10)는 홀(또는 시추공)을 거쳐서 되돌아 온 머드를 재사용하기 위해서, 회수되는 드릴링 머드 내의 여러 가지 암석조각 및 불순물을 제거하기 위한 장치이다. 머드 컨디셔닝 장치(10)의 예시적인 구성은 도 3을 이용하여 후술한다.

머드 탱크(20)는 홀에서 되돌아온 드릴링 머드를 축적한다. 또한, 머드 탱크(20)는 드릴링 머드를 냉각시키고, 드릴링 머드 내에 포함된 이물질을 침전시키는 등의 역할을 한다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비에 쓰이는 머드 탱크(20)의 예시적인 구성은 도 4 내지 도 6을 이용하여 후술한다.

설명하지 않은 도면부호 3은 트래블링 블록(travelling block)이다.

도 3은 도 2의 머드 컨디셔닝 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 머드 컨디셔닝 장치(10)는 셰일 쉐이커(shale shaker)(11), 모래 제거기(desander)(12), 미세 모래 제거기(desilter)(14), 머드 클리너(mud cleaner)(16), 머드 원심분리기(mud centrifuge)(18) 등을 포함할 수 있다. 도 3의 머드 컨디셔닝 장치(10)는 예시적인 것에 불과하고, 다른 구성품을 포함할 수도 있다.

셰일 쉐이커(11)는 예를 들어, 전기 모터(또는 유압 모터) 등과 캠 장치를 이용하여 스크린(screen)을 진동시켜, 머드가 이 스크린을 통과할 때 비교적 큰 암석 조각을 걸러내는 장비이다.

홀(또는 시추공) 내부의 압력 상태에서는 지층에 가스가 침투되어 있는 상태이다. 하지만, 머드 탱크는 예를 들어, 대기압 상태이기 때문에, 드릴 비트에 의해서 깍여 머드 탱크에 모여진 지층은 가스를 분출할 수 있다. 이러한 가스는 머드 탱크의 부피를 증가시키는 블로우 아웃(blow out)을 발생시킬 수 있다. 이러한 블로우 아웃을 방지하기 위해서 머드 컨디셔닝 장치(10)는 가스 제거기(degasser)(미도시)를 더 사용할 수 있다.

모래 제거기(12)는 셰일 쉐이커(11)를 통과하여 모래 트랩(sand trap)에 저장된 머드의 모래(예를 들어, 74 micron 보다 큰 고형체) 또는 입자가 굵은 가루(coarse)를 제거한다.

미세 모래 제거기(14)는 모래 제거기(12)를 통과한 머드에 포함된 토사(silt)(예를 들어, 2~74 micron)를 제거하는 장비이다.

머드 클리너(16)는 중정석(barite)의 손실 없이 사용된 머드(weighted mud)로부터 찌꺼기(solid)를 효과적으로 제거하기 위해 설치한다. 또한, 모래 제거기(12), 미세 모래 제거기(14)로도 제거하지 못한 찌꺼기(solid)를 제거한다.

셰일 쉐이커(11), 모래 제거기(12), 미세 모래 제거기(14) 등을 사용하여, 드릴링 머드 내에 포함된 돌이나, 모래, 토사를 제거하고 드릴링 머드의 성형점도를 낮게 한다. 머드 원심분리기(18)는 사용 액체 머드(weighted liquid mud)로부터 적절한 머드를 만들 수 있도록 한다.

도 4는 도 2의 머드 탱크의 일 실시예를 설명한다.

도 4를 참조하면, 머드 탱크(20)는 탱크(122), 임펠러(123), 분사장치(126), 순환 라인(128) 등을 포함할 수 있다.

탱크(122)는 머드 컨디셔닝 장치(10)를 거쳐 온 드릴링 머드를 저장한다.

임펠러(impeller)(123)는 탱크(122) 내에 설치되고, 회전하여 드릴링 머드를 믹싱한다. 임펠러(123)는 모터(121)와 연결되어 회전하는 축(123a)과, 축(123a)에 연결된 날개(123b)를 포함한다. 도시된 것과 같이, 축(123a)에는 다수의 날개(123b)가 설치될 수 있고, 다수의 날개(123b)는 축(123a)의 서로 다른 높이에 설치될 수 있다. 따라서, 탱크(122) 내의 드릴링 머드를 전체적으로 믹싱할 수 있다.

또한, 분사장치(126)는 임펠러(123)에 설치되고, 유체를 탱크(122) 내에 분사한다. 여기서, 유체는 드릴링 머드일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 분사장치(126)는 임펠러(123)의 날개(123b)의 끝단에 설치될 수 있다. 이러한 경우, 유체공급라인(129)은 축(123a)과 날개(123b)를 따라서 설치되어, 분사장치(126)에 유체를 공급할 수 있다. 도시된 것과 같이, 유체공급라인(129)은 축(123a)과 날개(123b)의 내부에 설치될 수 있다. 순환 라인(128)이 탱크(122)의 일측에서 분기되어 있을 수 있다. 순환 라인(128)은 유체공급라인(129)을 통해서 분사장치(126)로 드릴링 머드를 전달할 수 있다.

날개(123b)가 회전하는 동안, 분사장치(126)가 유체를 분사할 수 있다. 또한, 분사장치(126)는 날개(123b)의 끝단에서, 좌우로 움직이거나, 상하로도 움직일 수 있다(도면부호 A 참조). 이러한 구조로 인해서, 탱크(122) 내의 구석구석에 드릴링 머드를 분사할 수 있다.

한편, 드릴링 머드(125)는 탱크(122) 내의 구석에서 굳어질 수 있다. 따라서, 드릴링 머드(125)가 굳어지지 않도록 하는 것이 반드시 필요하다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 시추 설비에서, 머드 탱크(20)의 바닥면(122a)는 곡면 형태를 하고 있다. 머드 탱크(20)의 모서리 또는 구석 부분에서 드릴링 머드(125)가 굳어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 머드 탱크(20) 내에서 분사장치(126)가 날개(123b)와 같이 움직이면서 유체를 분사할 수 있기 때문에, 보다 구석진 영역까지 유체를 분사할 수 있다. 따라서, 드릴링 머드(125)가 머드 탱크(20)의 벽 및 구석에서 굳어지는 것을 방지할 수 있다.

도 5는 도 2의 머드 탱크의 다른 실시예를 설명한다. 설명의 편의상, 도 4를 이용하여 설명한 것과 다른 점을 위주로 설명한다.

도 4에서는 순환 라인을 이용하여, 탱크(122)에 저장된 드릴링 머드(125)를 순환시켜 분사장치(126)에서 재사용한다. 도 5를 참조하면, 머드 탱크(20)는 드릴링 머드(125a)를 저장하는 보조 탱크(132)와, 탱크(132)에 저장된 드릴링 머드(125a)를 분사장치(126)로 전달하는 전달 라인(138)을 더 포함한다.

예를 들어, 보조 탱크(132)에 있는 드릴링 머드(125a)는, 탱크(122)에 있는 드릴링 머드(125)보다 농도가 다소 낮을 수 있다. 예를 들어, 순수(fresh water)를 드릴링 머드(125a)에 섞어서 농도를 낮출 수 있다. 드릴링 머드(125a)는 농도가 낮기 때문에, 전달 라인(138)을 통한 이동이 용이하고, 분사장치(126)에서의 분사가 더 용이할 수 있다.

도 6은 도 2의 머드 탱크의 또 다른 실시예를 설명한다. 설명의 편의상, 도 4를 이용하여 설명한 것과 다른 점을 위주로 설명한다.

도 6을 참조하면, 머드 탱크(20)는 탱크(122)에 설치된 발열부(140)을 더 포함할 수 있다. 발열부(140)는 예를 들어, 탱크(122) 내에 설치된 히팅 코일일 수도 있고, 탱크(122) 외부에 설치된 히팅 자켓일 수도 있다. 발열부(140)는 머드 탱크(20)의 구석구석에 열을 공급함으로써, 드릴링 머드(125)가 머드 탱크(20)의 벽 및 구석에서 굳어지는 것을 방지할 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 머드 컨디셔닝 장치 20: 머드 탱크
30: 머드 펌프 122: 탱크
123: 임펠러 126: 분사장치
128: 순환 라인