고압, 저 고체 함유량의 유체로 드릴링하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARTATUS FOR DRILLING WITH HIGH-PRESSURE, REDUCED SOLID CONTENT LIQUID}
유정과 같은 구멍을 파기 위한 회전 드릴링 작업에서 드릴링 유체(drilling fluid)를 이용하는 것은 오랜 관행이다. 대부분의 경우, 드릴링 유체는 시추공(bore hole)의 벽면을 보호하고 유지하기 위한 고밀도(dense) 필터 케이크 빌딩 머드(filter-cake-building mud)이다. 이 머드는 튜브형 드릴 스트링(drill string)을 통해 압송되고, 드릴 비트(bit) 내의 노즐을 빠져나가며, 드릴 스트링과 시추공의 측벽 사이의 환형공간(annulus) 내의 표면으로 복귀된다. 이 유체는 드릴비트를 냉각시키고 윤활시킬 뿐만 아니라 유체 정역학적인 유체 기둥을 제공하여 가스 킥(kick) 또는 폭발을 방지하고, 시추공의 측벽을 이루는 지층 상에 필터 케이크를 형성시킨다. 드릴링 유체는 비트의 치(teeth)들에 의해 생성된 절삭물들을 신속하게 씻어 버리기에 충분한 속도로 우물의 바닥을 때리도록 노즐을 통해 이탈한다. 특히, 고속의 유체로 제거될 수 있는 더욱 부드러운 지층에서는 유체의 속도가 높으면 높을수록 드릴링 작업 속도가 빨라지게 되는 것으로 알려져 있다. 높은 노즐 속도를 이용하는 머드 수압이 비트의 침투의 속도에 유리하게 작용하는 것으로 잘 알려져 있으나, 일반적으로 드릴링 유체는 지층 재질의 분해를 위한 일차적인 기구로서 이용되지는 않는다. 이에 대한 하나의 이유는 종래의 드릴링 머드는, 연마재의 양을 줄이려는 노력이 있음에도 불구하고, 상당히 거칠다는 것이다. 지층 재질을 활발히 분해하기에 충분한 수압 마력을 생성하는 데에 요구되는 압력은, 연마 입자들이 드릴링 유체 내에 존재하는 경우 드릴 비트를, 특히 노즐과, 관련 드릴 스트링 요소들을 극도로 연마 마모시키게 된다. 깨끗한 물 또는 무연마재 유체의 사용이 연마 문제를 해결할 수 있으나, 그와 같은 유체의 밀도와 물성들은 다공성이고 진창으로 되려는(slough-off) 경향이 있는 지층에서는 고밀도, 필터 케이크 빌딩 드릴링 머드를 대체할 수는 없다. 또한, 고압의 가스가 발생되게 되고 폭발을 방지하기 위하여 고밀도의 유체가 요구되는 경우에는 깨끗한 물이 사용될 수 없다. 두 가지 장점을 이룩하기 위하여 고밀도, 필터 케이크 빌딩 드릴링 머드와 함께 고압, 저 고체 함유량의 드릴링유체를 사용하는 방법이 시도되었다. 1960.9.6일자에 캠프(Camp)에게 부여된 미국 특허 제2,951,680호에는 팽창 가능한 팩커(packer)가 드릴 비트 바로 위에서 드릴 스트링에 회전 가능하게 연결되어 있는 두가지 유체 드릴링 시스템이 기재되어 있다. 드릴링 작업시, 팩커는 팽창되게 되고 드릴링 스트링과 상기 팩커 상부의 시추공 벽면 사이의 환형공간은 종래의 드릴링머드로 충전된다. 기체의 또는 저 밀도의 드릴링유체가 드릴 스트링을 통해 하측으로 압송되고 비트 내의 노즐을 이탈한다. 팩커는 드릴링유체와 환형공간 유체의 혼합을 방지한다. 절삭물이 포함된 드릴링 유체는 팩커와, 드릴 스트링 내에 형성된 도관 하측의 드릴 스트링의 측벽 내의 포트를 통해 표면으로 복귀된다. 드릴 스트링 내의 드릴 비트 근처에 팩커가 있게되면 설계상의 문제점과 신뢰성의 문제점을 일으키게 된다. 또한, 절삭물이 포함된 유체는 드릴 스트링 내의 비꼬인 통로를 통해 복귀되게 되며, 이에 따라, 절삭물에 의해 막히게 된다. 1966.8.23자에 야브로우(Yarbrough)에게 부여된 미국 특허 제3,268,017호에는 두 개의 튜브와, 동심 드릴 스트링이 이용된 두 가지 유체를 이용하는 드릴링 장치 및 방법이 기재되어 있다. 드릴링 유체로서 깨끗한 물이 이용되고 드릴 스트링의 내측 튜브를 통해 하측으로 압송되고 비트를 빠져나간다. 벽면-코팅 드릴링 머드 또는 유체가 드릴 스트링과 시추공 사이의 환형공간 내에 보유되어 있다. 절삭물이 포함된 프릴링 유체는 드릴 스트링의 내측 동심 튜브와 외측 동심 튜브 사이에 형성된 환형공간을 통해 표면으로 복귀된다. 벽면 코팅 드릴링 머드의 기둥 높이는 모니터되고 드릴링 유체 내의 압력은 드릴 스트링과 시추공 벽면 사이의 벽면 코팅 유체 기둥과 관련된 유체 정역학적 압력의 변화로 인한 압력 상승에 응답하여 상승한다. 드릴 스트링 내의 내측 도관과 외측 도관 사이의 환형공간 내에서의 절삭물이 포함된 유체의 복귀는 상기 환형공간이 막히게 되고 청소하기가 매우 어렵게 되므로 문제가 된다. 또한, 환형공간 유체 또는 드릴링 머드가 환형공간 내로 계속적으로 압송되는 경우, 이것은 드릴링 작업이 진행함에 따라 환형공간 유체또는 드릴링 머드를 시추공의 전체 길이에 걸쳐 유지시키기 위해 필요함, 우물의 시추공 내에서 자체의 높이를 측정함으로써 환형공간 유체에 의해 발생되는 압력을 모니터하는 것은 매우 어렵다. 1988.1 12자에 스튜워트(Stewart)에게 부여된 미국 특허 제4,718,503호에는 드릴 비트가 1조의 동심 드릴 파이프의 하단에 연결되어 있는, 시추공 드릴링 방법이 기재되어 있다. 오일과 물과 같은 제1 저 점도 유체가 내측 드릴 파이프를 통해 하측으로 압송되고 내측 드릴 파이프와 외측 드릴 파이프 사이의 환형공간을 통해 표면으로 복귀된다. 환형공간 유체 또는 드릴링 머드는 시추공 벽면과 드릴 파이프의 외측 사이에 형성된 환형공간 내에 정지 상태로 유지된다. 새로운 부분 (section)의 드릴 파이프를 형성할 필요가 있는 경우, 필터 케이크 빌딩 드릴링 머드가 내측 드릴 파이프 하측으로 압송되어 깨끗한 드릴링유체로 교체되며, 여기서 단지 고밀도, 필터 케이크 빌딩 환형공간 유체 또는 드릴링 머드가 시추공을 점유하게 된다. 새로운 부분의 드릴 파이프를 형성하기 위한 이와 같은 공정은 매우 힘들며, 실질적으로 비경제적이다. 따라서, 상업적으로 실질적이며 환형공간 내에서 고밀도, 필터 케이크 빌딩 환형공간 유체를 유지하면서 저 밀도 드릴링 유체를 이용하는 드릴링 장치 및 방법의 필요성이 존재하게 되는 것이다.
본 발명은 일반적으로 지층(earthen formations)을 드릴링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다 특히, 본 발명은 고압, 저 고체 함유량의 유체를 이용하여 석유를 재생(recovery)하기 위하여 지층을 드릴링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 적합한 실시예에 따른 장치 및 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 2 는 본 발명의 적합한 실시예에 따른 장치 및 방법을 제어하는 공정의단계를 도시하는 논리 흐름선도이다. 도 3 은 본 발명의 적합한 실시예에 따른 다중 도관 드릴 파이프의 횡단면도이다. 도 4 는 도 3 에 도시된 드릴 파이프의 일부를 도시하는, 도 3 의 선4-4에 따른 종단면도이다. 도 5 는 도 4 에 도시된 드릴 파이프의 일부를 도시하는, 도 3 의 선5-5에 따른 종단면도이다. 도 6A 내지 도 6H는 함께 보아야 하며, 본 발명의 적합한 실시예에 따른 다중 도관 드릴 파이프와 함께 사용하기 위한 횡단 스테빌라이저(stabilizer)의 종단면도 및 수 개의 횡단면도이다. 도 7A 내지 도 7D는 함께 보아야 하며, 본 발명의 적합한 실시예에 따른 다중 도관 드릴 파이프 및 횡단 스테빌라이저와 함께 사용하기 위한 바닥 홀(hole) 조립체의 종단면도 및 수 개의 횡단면도이다.
본 발명의 목적은 드릴링 작업중에 시추공과 드릴 스트링 사이의 환형공간 내에서 드릴링 유체의 밀도보다 큰 밀도를 갖는 환형공간 유체 상태를 유지하면서,고압, 저 고체 함유량의 드릴링 유체를 사용하여 시추공을 드릴링하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하기 위함이다. 본 발명의 상기 목적과 다른 목적은 드릴 비트에서 종결되는 드릴 스트링을 시추공 내로 전진(running)시킴으로써 이루어진다. 저 고체 함유량 드릴링 유체는 드릴 스트링을 통해 압송되고 비트를 빠져나오게 되며, 드릴링 유체는 비트와 함께 지층 재질을 때리고 분리시킨다. 드릴링 유체의 밀도보다 큰 밀도를 갖는 환형공간 유체는 시추공과 드릴 스트링 사이의 환형공간 내로 계속적으로 압송되며, 환형공간 유체는 대체로 표면으로부터 드릴 스트링의 바닥까지 연장된다. 지층 재질의 분리로 인하여 발생되는 드릴링 유체와 절삭물들은 드릴 스트링 내의 대체로 장애를 받지 않는 관형 통로를 통해 표면으로 복귀된다. 환형공간 유체는 설정되고 제어된 압력 이하로 유지되며, 환형공간 유체가 드릴링 유체와 혼합되게 되고 드릴링 유체 및 절삭물을 따라 복귀되게 되는 경계면(interface)이 형성되고, 드릴링 유체가 환형공간으로 들어가는 것이 대체로 방지된다. 본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 환형공간 유체를 설정되고 제어된 압력 이하로 유지시키는 단계는 초크(choke)에 걸치는 압력 손실을 제어하도록 표면에서의 드릴링 유체, 절삭물, 환형공간 유체의 복귀 유동을 초킹(choking)시키는 단계를 또한 포함한다. 드릴링 유체는 또한 드릴링 작업이 진행됨에 따라 드릴링 유체와 환형공간 유체 사이에 경계면을 형성하기에 충분한 유속으로 드릴 스트링내로 압송된다. 환형공간 유체의 설정되고 제어된 압력 및 드릴링 유체를 초킹시키는 속도는 비트에서 이들 사이에 경계면을 유지시키는 것을 보장하도록 모니터된다. 본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 본 방법은 또한 표면, 비트 및 드릴 스트링 내에서, 관형 통로 내의 드릴링 유체 및 절삭물을 포함하여, 드릴링 유체를 차단(shutting in)하는 단계를 포함한다. 특정 길이의 드릴 파이프는, 차단되어 있으나, 드릴 스트링 내로 연결되어 있고 다음에 상기 드릴 스트링은 드릴링 작업을 계속하도록 개방되어 있다. 본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 드릴링 유체는 깨끗한 물 또는 정화된 드릴링 머드이며 환형공간 유체는 고밀도, 필터 케이크 빌딩 드릴링 머드이다. 본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 드릴 스트링은 전단 부하 및 비틀림 부하를 전달하기 위한 외측 관형 도관을 갖는 다중 도관 드릴 파이프를 포함한다. 드릴 파이프를 드릴 파이프의 다른 부분에 연결하기 위한 장치가 외측 관형 도관의 각각의 단부에 구비되어 있다. 고압의 유체를 안내하기 위한 적어도 하나의 축소-직경 관형 도관이 관형 외측 도관 내에 편심으로 위치되어 있다. 적어도 하나의 확대-직경 관형 도관이 외측 도관 내에 편심으로 위치되어 있고 확대-직경 관형 도관을 선택적으로 차단하기 위하여 상기 외측 도관 내에 폐쇄 부재가 위치되어 있다. 상기 폐쇄 부재는 개방 위치에서 상기 확대-직경 관형 도관의 직경을 대체로 수축시키는 않는다.
이제 도면, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명의 적합한 실시예에 따른 시추공을 드릴링하기 위한 장치 및 방법을 개략적으로 도시되어 있다. 드릴 비트(3)에서 종결되는 드릴 스트링(1)은 시추공(5) 내로 전진(run)되어 있다. 저 밀도 또는 고체 함유량의 드릴링 유체는 스위블(swivel)에서 드릴링 유체 입구(7)를 통해 드릴 스트링(1) 내로 압송된다. 드릴링 유체는 깨끗한 물 또는 정화된 드릴링 머드일 수 있으나, 종래의 드릴링 머드의 밀도보다 낮은 밀도를 가져야 하며 연마재 마모를피하기 위하여 저 고체 함유량을 가져야 한다. 드릴링 유체는 치수가 7미크론 이상이 되지 않는 고체 물질을 갖는 물이 적합하다. 드릴링 유체는 비트(3)에서 3,200 유압 마력에 이르는 유압 마력을 제공하기 위하여 드릴 스트링(1)으로 20,000psig의 압송 압력으로 공급된다. 압축된 물은 드릴 스트링(1)을 통해, 상기 드릴 스트링(1)을 통해 연장되고 비트(3)와 유체 연통되는 적어도 하나의 축소-직경 고압 도관(9)을 통해 운반된다. 후술하는 바와 같이 드릴링 유체가 역순환하는 것을 방지하도록 체크 밸브(11)가 비트(3)에 또는 그 부근에 구비되어 있다. 고압 드릴링 유체를 입구(7)를 통해 이송하는 동시에, 고밀도, 필터 케이크 빌딩 환형공간 유체가 회전 폭발 방지기(15) 하측의 환형공간 유체 입구(13)를 통해 드릴 스트링(1)과 시추공(5) 사이의 환형공간 내로 압송된다. 회전 폭발 방지기(15)는 드릴 스트링(1)이 환형공간 유체를 설정되고 제어된 압력 이하로 유지시키면서 회전되게 한다. 환형공간 유체는 드릴 작업되는 지층 재질의 특성 및 다른 통상적인 요인에 대해 선택된 종래의 드릴링 머드이다. 환형공간 유체는 표면으로부터 비트(3)로 연장되는 환형공간 유체의 기둥을 유지하도록 계속적으로 환형공간내로 압송된다. 환형공간 유체는 드릴링 작업이 진행함에 따라 상기 기둥을 유지하도록 계속적으로 압송되어야 한다. 이하 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 고압 드릴링 유체 및 환형공간 유체의 압력 및 분사 또는 압송 속도는 드릴링 유체가 환형 공간 내로 들어가 고밀도, 필터 케이크 빌딩 유체를 묽게하는 것을 방지하도록 비트(3)에서 드릴링 유체와 환형공간 유체 사이에 경계면을 유지하기 위하여 제어되고 모니터된다. 그러나, 약간의 환형공간 유체는 드릴링 유체와 혼합되어 복귀도관(17)을 통해 표면으로 복귀되는 것이 허용된다. 본 발명의 적합한 실시예에 따른 방법은 특히 종래의 제어 및 데이타 처리 장비를 이용하여 자동화되고 컴퓨터 제어 되도록 되어 있다. 비트(3)에서의 고압 드릴링 유체 이송으로 인한 유압 마력은 지층 재질을 더욱 효과적으로 분리시키도록 비트(3)의 통상적인 작용과 함께 결합하여 작용된다. 드릴링 유체 및 지층 재질의 분리로 인하여 발생되는 절삭물은 드릴 스트링(1) 내의 대체로 장애를 받지 않는 관형 복귀 도관(17)를 통해 표면으로 복귀된다. "대체로 장애를 받지 않는"이란 용어는 막힘 또는 정지 현상이 발생되면 쉽게 청소되고 절삭물이 포함된 유체의 상당량을 유동시킬 수 있는, 대체로 유동이 제한됨이 없는 대체로 곧은 관형 통로를 가리키는 데에 사용된다. 대체로 장애를 받지 않는 복귀 도관(17)은 막히기가 쉽고 막히는 경우 쉽게 청소되지 않게 되는, 동심 파이프 배열로 인한 환형공간으로부터 구분되어야 한다. 드릴링 유체 및 절삭물의 복귀 유동은 비트(3)에서 드릴링 유체와 환형공간 유체 사이의 경계면 유지를 보장하도록 스위블 내의 초크 밸브 부재(21)에 의해 표면에서 선택적으로 초크 된다. 드릴 스트링(1) 내로 파이프의 새로운 부분을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해 드릴 스트링(1)의 대체로 상단의 복귀 도관(17) 내에 볼 밸브(19)가 구비되어 있다. 고압 도관(9) 및 복귀 도관(17) 내의에 존재하는 저밀도 드릴링 유체는 특히 펌프 압력이 적용되지 않을 때 및 복귀 유동이 복궤 도관(17) 내에서 완전히 초크 되지 않을 때, 환형공간 유체로부터의 또는 지층 압력으로부터의 유체 정역학적 압력에 의해, 드릴 스트링(1)으로부터 배출되는 것(blown out)이 특별히 쉽게 된다.드릴링 작업이 중지되면, 볼 밸브(19)는 표면에서 폐쇄되고, 이에 따라 복귀 도관(17) 내의 드릴링 유체가 차단된다. 체크 밸브(11)는, 자체의 상부의 드릴링 유체의 유체 정역학적 압력과 합하여, 고압 도관(9)을 차단한다. 다음에 드릴 파이프의 새로운 부분이 드릴 스트링(1)에 더해질 수 있고 볼 밸브(19)는 드릴링 작업을 재개하도록 개방된다. 드릴 파이프의 새로운 부분이 드릴 스트링(1) 내로 연결되기 전에, 볼 밸브(19)가 개방될 때 큰 압력 파동(serge)을 방지하기 위하여 적어도 복귀 도관(17)은 유체로 충전되어야 한다. 마찬가지로, 비트(3)를 교체하기 위하여 드릴 스트링(1)을 이동시키거나 또는 임의의 유사한 목적과 같은 임의의 이유를 위하여, 드릴링 작업은 안전하게 중지될 수 있다. 도 2는 본 발명의 방법에 따른 드릴링 작업 중에 드릴 스트링(1) 내의 유체의 제어를 나타내는 흐름 선도이다. 블록(51)에서, 드릴 스트링(1)의 축방향 속도가 모니터된다. 이것은 드릴링 작업 중에 드릴 스트링(1)을 회전시키게 되는 상부 구동 유니트(도시되지 않음)의 축방향 위치, 상기 상부 구동 유니트 상에 발생되는 후크(hook) 부하를 측정하므로써 이루어진다. 본 발명의 적합한 실시예에 따르면, 환형공간 및 드릴링 유체는 드릴링 작업과 관련된 조건으로, 드릴 스트링(1)이 하측으로 이동할 때마다 압송된다. 명확하게, 환형공간 유체 및 드릴링 유체는 드릴링 작업과 관련된 드릴 스트링의 하방향 이동 중에 압송되어야 한다. 대부분의 작업에서, 환형공간 유체 및 드릴링 유체 중 하나 또는 모두를 압송하는 것이 유리하지 않게 되는 단 하나의 경우는 드릴 스트링(1)이 이동하지 않고 자체의 속도가 제로인 경우이다. 드릴 스트링 속도가 제로와 같지 않을 경우에는, 적어도 환형공간유체는 시추공 내로 압송되게 된다. 적합하게는, 환형공간 유체는 드릴 스트링(1)의 속도가 제로가 아니고 드릴링 관련 작업이 진행될 때는 항상 다중의 드릴 스트링(1)의 속도로 자동적으로 압송된다. 적합하게는, 아래에 기재된 바와 같은 것을 제외하고는, 드릴링 유체의 압송은 운전자에 의해 수동으로 제어된다. 드릴 스트링(1)이 이동할 때, 환형공간 유체는 드릴 스트링(1)에 의해 더 이상 점유되지 않도록 시추공의 용적을 교체하기에 충분한 속도로 시추공 내로 압송된다. 따라서, 시추공은 항상 보호된 상태로 유지되게 된다. 따라서, 블록(53)에서, 드릴 스트링(1)이 이동하게 되면, 적어도 환형공간 유체는 시추공 내로 압송된다. 드릴 스트링(1)의 속도가, 드릴링 작업을 지시하는, 양(positive)인 경우, 환형공간 유체 및 드릴링 유체는 모두 시추공 내로 압송된다. 드릴링 유체는 약 2,134m과 4,572m 사이(7,000 피트와 15,000 피트 사이)의 깊이에서 바닥 홀 면적의 제곱 인치당 20 내지 40 유압 마력을 생성하기에 충분한 압력으로 드릴 스트링(1) 내로 압송된다. 도3 내지 도7D에 도시된 바와 같은 드릴 스트링(1)의 치수, 및 다른 작동 변수에 따라, 드릴링 유체는 20,000psig의 일정한 압력과 200 gal/min의 유속으로 표면에서 드릴 스트링(1) 내로 공급된다. 환형공간 유체는 드릴 스트링(1)이 축방향으로 이동할 때마다 비트(3)를 지나 환형공간 유체를 계속적으로 쓸어내는(sweep) 속도로 환형공간 내로 압송된다. 이것은, 정상적인 드릴링 작업 중에, 비트(3)의 둘레를 지나 계속적인 환형공간 유체의 유동을 유지시키게 되고 시추공의 바닥에 경계면을 유지시키지 않게 되나, 절삭물 또는 부스러기의 환형공간을 씻어내게(purge) 된다. 환형공간 유체에 대한 분사 속도는 드릴 스트링(1)의 축방향 하측 방향의 속도의 함수로 설정된다. 적합하고 전형적인 분사 속도는 드릴 스트링(1) 속도의 두 배의 속도로 이동하는 환형공간 유체를 유지시키게 되는 속도이다. 이 압송 또는 분사 속도는 드릴 스트링(1)이 이동하는 동안 항상 유지된다. 압송 또는 분사 속도에 부가해서, 설정된 정압이 표면에서 환형공간 유체상에 유지되고, 이 압력은 회전 폭발 방지기(15) 바로 밑에서 모니터된다. 이 설정된 압력은 단일한 별도의 압력이 아니라, 적합하게는 약 60 내지 70psig 사이의 범위의 압력이다. 이 압력은 폭발 방지기(15) 상의 통상적인 압력 검출 장치에 의해 모니터된다. 설정된 정압의 유지를 보장하기 위하여, 블록(55)에서, 환형공간 압력이 측정되고 설정된 압력과 비교된다. 환형공간 압력이 설정된 압력을 초과하게 되면, 환형공간 압력은 감소된다. 환형공간 압력을 감소시키기 위한 세 가지 방법이 있다. 즉, 1) 초크(21)에 걸치는 압력 손실을 감소시키도록 복귀 도관(17) 내의 초크 (21)을 개방한다. 2) 드릴링 유체의 분사 또는 압송 속도를 감소시킨다. 그리고, 3) 환형공간 유체의 분사 또는 압송 속도를 감소시킨다. 초크(21)를 개방하는 것은 환형공간 압력을 설정된 범위로 감소시키기 위해 적합한 방법이다. 이 방법이 성공적이지 못하면, 운전자가 설정한 분사 또는 압송 속도에도 불구하고, 드릴링 유체의 분사 또는 압송 속도는 자동으로 감소 또는 제한된다. 최후의 수단으로, 환형공간 유체의 분사 또는 압송 속도는 드릴 스트링의 속도를 기본으로 설정된 속도 미만으로 감소된다. 환형공간의 분사 또는 압송 속도의 감소 또는 제한은 표면으로부터 비트(3)로 연장되는 묽게 되지 않은 환형공간 유체 기둥을 유지시킬 필요가 있으므로 환형공간 압력의 감소를 위한 최후의 수단이다. 환형공간 압력의 감소를 위한 마지막 수단으로서의 환형공간 유체의 분사 또는 압송 속도의 감소는 드릴링 유체가 환형공간 유체와 섞여 환형공간 유체를 묽게 하게 될 위험성을 최소화시킨다. 블록 57에서, 환형공간 압력이 설정된 압력 미만으로 되면, 블록(61)에서 증가되게 된다. 환형공간 압력을 증가시키기 위한 세 가지 방법이 있다. 즉, 1) 환형공간 유체의 분사 또는 압송 속도를 설정된 속도로 다시 증가시킨다. 2) 드릴링 유체의 분사 또는 압송 속도를 운전자가 설정한 속도까지 증가시킨다. 3) 초크(21)에 걸치는 압력 손실을 증가시키도록 복귀 도관(17) 내의 초크 (21)를 폐쇄 또는 제한한다. 분사 또는 압송 속도가, 어떤 이유로 인하여, 환형공간 유체의 속도를 드릴 스트링(1)의 속도보다 크게 적합하게는 두 배의 속도로 유지시키기에 불충분한 경우, 첫번째 방법이 추구된다. 환형공간 유체의 분사 또는 압송 속도가 적당하면, 두 번째 방법이 추구될 수 있다. 그러나, 드릴링 유체 펌프들은 최고 용량으로 또는 그 근처에서 작동하며 드릴링 유체의 분사 또는 압송 속도의 심각한 증가는 잘 발생하지 않게 됨을 알 수 있다. 이 경우, 복귀 도관(17) 내의 초크 또는 밸브 부재(21)를 폐쇄시키는 세 번째 방법이 추구된다. 환형공간 압력이 설정된 범위 내에 있게 되면, 아무런 조치가 취해지지 않고 드릴 스트링(1)의 속도 및 환형공간 압력은 계속적으로 모니터된다. 드릴링 작업이 중지되고, 또는 운전자가 드릴링 유체의 분사 또는 압송 속도를 감소시키게 되면, 환형공간 압력은 떨어지게 되고 초크(21)는 자동으로 차단되어, 다음의 조치가 취해질 때까지 드릴 스트링(1)과 시추공을 효과적으로 차단한다. 도 3은 본 발명에 따른 방법의 실시를 위한 적합한 장치에 따른 다중 도관 드릴 파이프(101)의 횡단면도이다. 드릴 파이프(101)는 작동시 드릴 파이프(101)로 가해지는 전단 부하와 비틀림 부하를 지지하게 되는 외측 튜브(103)를 포함한다. 적합하게, 외측 튜브(103)는 약 194 mm(7-5/8 in)의 외경을 가지며 에스135(S135)의 강도를 갖도록 열처리된 에피아이(API) 재질로 제작되어 있다. 다수의 내측 튜브가 외측 튜브(103) 내에 편심으로 그리고 비대칭으로 수용되어 있고 유체 수송 도관, 전기 도관, 등과 같은 역할을 한다. 이러한 내측 도관은 도1의 복귀 도관(17)과 대체로 일치하는, 약 89mm(3-1/2in) 외경의 복귀 튜브(105)를 포함한다. 복귀 튜브(105)는 극도의 고압 유체를 이송하도록 그리고 내부식성이 강화되도록 설계되어 있지 않으므로, 엘80(L8O)의 강도로 열처리된 에이피아이 재질로 성형되어 있다. 1조의 약 60mm(2-3/8 in) 외경의 고압 튜브(107)가 외측 튜브(103) 내에 위치되어 있고 도1의 고압 도관(9)과 대체로 일치한다. 고압 튜브(107)는 극도의 고압 유체를 이송해야 하므로, 이들은 에이피아이 에스135(S135)의 강도로 열처리된 에이피아이 재질로 성형되어 있다. 전기 도관 등을 제공하도록 다른 튜브(109)가 외측 튜브(102) 내에 구비될 수 있다. 튜브(111)는 실제로 튜브는 아니지만, 이하 도5를 참조고 하여 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 체크 밸브 조립체의 일부분이다. 도 4는 도 3의 선 4-4에 따른 종단면도이며, 함께 고정된 본 발명에 따른 1조의 드릴 파이프(101)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 외측 튜브(103), 복귀 튜브(105), 및 고압 튜브(107)는 나사에 의해 상단 부재(113)에 고정되어 있다. 상단부재(113)는 통상적인 툴 조인트(tool joint)와 마찬가지로 형성되어 있고 복귀 튜브(105)와 대체로 정렬되어 있는 약 89mm(3-1/2in) 외경, 10,000 psig-정격, 바닥-밀봉 볼 밸브(115)를 포함한다. 볼 밸브(115)는 약 89mm(3-1/2in)의 내경을 가지며 복귀 튜브(105) 내에 대체적인 장애 또는 유동 제한을 나타내지 않는다. 볼 밸브(115)는 도1의 밸브 또는 폐쇄 부재(19)와 일치한다. 외측 튜브(103)의 하단은 통상적인 툴 조인트로 역시 형성된 하단 부재(117)에 나사에 의해 고정되어 있다. 밀봉 링(119)은 하단 부재(117) 내에 수용되어 있고 복귀 튜브(105) 및 고압 튜브(107)에 대해 드랄 파이프(101)의 내부를 밀봉하는 역할을 한다. 다수의 분할 링(121)이 복귀 튜브(105) 및 고압 튜브(107) 내의 주변 홈과 짝을 이루고, 잠금 링(123,125) 및 외측 튜브(103)에 의해 하단 부재(117) 내에 규정된다. 분할 링(121) 및 잠금 링(123,125)은 내측 튜브가 드릴 파이프(101)의 나머지와 관련하여 축방향 이동하는 것을 제한하는 역할을 한다. 드릴 파이프(101)의 내측 튜브가 드릴 파이프의 각각의 단부에서 축방향 이동에 대해 고정되지 않는 한, 튜브들은 작동중의 고압 유체 및 진동으로 인한 과도한 변형을 받게 된다. 드릴 파이프(101)의 부분 형성시, 내측 튜브(단지 복귀 튜브(105) 및 고압 튜브(107)만이 도시됨)의 하단은 상단 부재(113) 내에 수용되고 통상적인 탄성 씨일에 의해 밀봉되어 있다. 잠금 링(123)은 상단 부재(113)와 하단 부재(117)의 나사식 조인트를 함께 기계적으로 연결시킨다. 하단 부재(117)에는 잠금 링(127)이 상단 부재(113) 상의 나사에 의해 이송되면서, 하단 부재(117)로부터 완전히 분리될 수 있도록 상단 부재(113)의 피치 직경보다 더 큰 피치 직경을 갖는 나사가 구비되어 있다. 잠금 링(127) 상의 나사는 상단 부재(113)와 하단 부재(117) 사이에 약 백만 파운드의 축방향 접촉력을 생성하도록 형성되어 있다. 적합하게는, 드릴 파이프(101)의 각각의 부분은 길이가 약 13.7m(45 ft)이다. 도 5는 도3의 선 5-5에 따른 종단면도이고, 체크 밸브 장치를 도시하며 이 체크 밸브 장치에 의해 드릴 파이프(101)의 내측 튜브(105,107)와 외측 튜브(103)사이에 형성된 환형공간 사이에 하측 방향의 유체 연통이 이루어질 수 있다. 체크 밸브 조립체는 상단 부재(113) 내의 구멍 내에 위치되어 있다. 체크 밸브는 드릴 파이프(101)를 통해 하측으로의 유체 유동은 허용하나 상측으로의 유동은 허용하지 않도록 코일 스프링(131)에 의해 상부로 편향된 통상적인 밸브 부재(129)를 포함한다. 약간 유사한 체크 밸브 장치가 하단 부재(117) 내에 구비되어 있다. 체크 밸브 조립체는 복귀 튜브(105)와 마찬가지로 하단 부재에 고정된, 슬리이브(111) 내에 보유된 포핏 부재(133) 및 코일 스프링(135)을 포함한다. 상단 부재(113) 내의체크 밸브 조립체와는 달리, 하단 부재 내의 체크 밸브 조림체의 목적은 두 부분이 분리될 때 드릴 파이프(101)의 내부로부터의 유체의 손실을 방지하기 위한 것이다. 두 부분을 만들 때, 포핏 밸브(133)의 연장부는 상단 부재(113) 상의 돌기(lug) 또는 보스(137)와 접촉되어, 포핏(133)을 개방시키고 드릴 파이프(101)의 연속적인 부분의 외측 튜브(103)의 내부 사이를 유체 연통시키는 것을 허용한다. 이러한 체크 밸브 장치로, 외측 튜브(103)의 내부 또는 환형 구역은 환형 공간 유체 또는 그와 같은 것으로 채워질 수 있고, 외측 튜브(103)를 통해 일방향, 하방향 유체 연통이 이루어질 수 있다. 이 유체 연통은 드릴 파이프(101)의 내부와 외부 사이의 압력차를 깊이에 따라 동일하게 하는 데에 필요하다. 압력을 동일하게 하도록 체크 밸브를 통해 하측으로 연통된 드릴 스트링(101)의 내부 환형공간 내로 소량의 유체를 압송함으로써 동일화가 이루어진다. 도 6A 내지 6H는 함께 보아야 하며 본 발명의 적합한 실시예에 따른 드릴 파이프 또는 드릴 스트링(101)과 함께 사용하기 위한 횡단 스테빌라이저(201)의 단면도이다. 도 6A는 종단면도이나, 도 6B 내지 6H는 횡단 스테빌라이저(201)의 대응 단면선에서 도 6A의 길이를 따라 취해진 횡단면도이다. 횡단 스테빌라이저(201)는 드릴링 중 측정(measurement-while-drilling("MWD")) 장비와의 간섭을 피하도록 비자성 재질의 단일괸으로 성형되어 있다. 횡단 스테빌자이저(201)는 도 4 및 도 5를 참조로 대체로 도시된 바와 같이 드릴 파이프(101)의 하단 부분에 연결되어 있다. 다수의 구멍(205,207)이 횡단 스테빌라이저(201)를 통해 형성되어 있고 도 6B에 도시된 바와 같이, 드릴 파이프(101)의 복귀 튜브(105) 및 고압 튜브(107)와일치한다. 도 6C에 도시된 바와 같이, 하나의 구멍(207)으로부터 다른 구멍으로 고압 드릴링 유체를 연통시키도록 횡단 포트(211)가 고압 구멍(207) 중 하나의 구멍의 벽면 내에 형성되어 있다. 도 6D예 도시된 바와 같이, 구멍(207)을 차단하도록 후퇴가능(retrievable) 플러그(213)가 포트(211) 하측의 구멍(207)들 중 하나의 구멍 내에 구비되어 있다. 플러그(213) 하측의 구멍(207)의 나머지는 통상적인 후퇴가능 방향 엠더블유디(MWD) 장치를 수용한다. 플러그(213)는 고압의 드릴링 유체가 엠더블유디에 충돌하는 것을 방지하는 역할을 한다. 플러그(213) 하측에서, 구멍(205,207)들은 도6E에 도시된 바와 같이 구멍(207)과 대체로 반대로 배열된 또 다른 고압 드릴링 유체 구멍(213)을 위한 공간을 제공하도록 직경이 감소되어 있다. 도6F에 도시된 바와 같이, 하나의 구멍(207)에 의해서 및 서로 대체로 반대로 배열된 또 다른 구멍(213)에 의해서 고압 드릴링 유체가 운송되도록, 횡단 구멍(215)은 구멍 (207)을 다른 구멍(213)과 연결시킨다. 구멍(207,213)의 서로 반대 방향으로의 배열은 구멍 내에 운송되는 고압 유체에 의해 발생되는 임의의 밴딩 모멘트를 중화시키는 경향이 있다. 상술한 바와 같이, 다른 구멍(207)은 도6G에 도시된 바와 같이, 엠더블유디 장치를 수용한다. 횡단 스테빌라이저(201)는 바닥 홀 조림체(301)의 상단부에 연결되어 있으며, 상기 바닥홀 조립체는 도4 및 도5를 참조로 설명한 바와 대체로 유사한 드릴 파이프 부분을 포함하나, 도6H에 도시된 바와 같이, 횡단 스테빌라이저(201)의 구멍 (205,207,213)과 일치하도록 배열된 내측 튜브를 갖는다. 도 7A 내지 7D는 본 발명의 적합한 실시예에 따른 바닥 홀 조립체(301) 및 비트(401)의 단면도이다. 도 7A는 바닥 홀 조립체(301) 및 비트(401)의 종단면도이다. 도 7B 내지 7D는, 조립체(301) 및 비트(401)의, 대응 단면선에서 도 7A의 길이를 따라 취한 횡단면도이다. 도 7A 및 7B에 도시된 바와 같이, 바닥 홀 조립체(301)는 도 4 및 도5를 참조로 설명한 바와 같이, 횡단 스테빌라이저(201)에 연결된 상부 외측 튜브(303A)를 포함한다. 확대-직경 하부 튜브(303B)는 바닥 홀 조립체(301) 내에 더욱 큰 공간을 제공하도록 상부 외측 튜브(303A)에 연결되어 있다. 하부 외측 튜브(303B)는, 횡단 스테빌라이저(201)에 의해 이루어진 반대 배열을 유지시키는 내측 튜브(307 및 313)를 수용하도록 자체의 하측 연장부에 나사가 형성되어 있다. 복귀 튜브(305)는 회전을 허용하고 조립을 용이하게 하기 위하여 하부 외측 튜브(303B)와 밀봉식으로 접촉되어 있다. 포트(315)가 복귀 튜브(305)의 측벽에 구비되어 있고, 도5를 참조로 설명한 바와 마찬가지로, 하부 외측 튜브(303B)와 자체 내에 보유된 튜브들 사이에 규정된 내분 환형공간과, 체크 밸브 조립체(317)를 통해 유체 연통되어 있다. 따라서, 이 내부 환형공간으로부터의 유체는 복귀 튜브(305) 내의 유체가 내부 환형공간으로 들어가는 것을 방지하면서, 내부 환형공간으로부터 복귀 튜브(305) 내로 압송될 수 있다. 솔레노이드 작동식 플래퍼(flapper) 밸브(319)가 복귀 튜브(305) 내에 위치되어 있고 압력이 10,000psig로 설정되어 있어 밸브(319) 압력을 그 미만으로 유지한다. 플래퍼 밸브(319)는 드릴 스트링(1)이 이동할 때 복귀 튜브(305) 내에 유체를 보유하도록 폐쇄된다. 1조의 체크 밸브(321)가 고압 튜브(307,313)와 연통하여하부 외측 튜브(303B)의 하측 부분 내의 통로 내에 위치되어 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 체크 밸브(321)는 드릴링 유체가 고압 튜브(307,313)로 역순환하는 것을 방지한다. 복귀 튜브 연장부(323)는 복귀 튜브(305)와 유체 연통하여 하부 외측 튜브(303B)의 하측 부분에 나사 연결되어 있다. 고정 커터의 지층-보링 비트(401)는 통상적인 나사식 핀-박스 연결에 의해 하부 외측 튜브(303B)의 하단에 연결되어 있다. 비트(401)는 통상적인 칼날식 배열로 자체 상에 배열된 다수의 단단한, 적합하게는 다이아몬드, 커터를 갖는 비트면 (403)을 포함한다. 복귀 도관(405)은 드릴링 유체, 절삭물, 및 이들과 함께 섞인 환형공간 유체를 위한 복귀 도관을 형성하도록 비트면(403)의 편심 부분으로부터 비트(401)를 통해 연장하여 복귀 튜브 연장부(323) 및 복귀 튜브(305)와 유체 연통한다. 네 개의 직경 방향으로 거리를 두고 위치된 고압 통로(407)는 비트(401)를 통해 연장되고 나사식, 땜납식 또는 용접식 플러그(411)에 의해 장애를 받는 횡단통로(409)와 교차된다. 다수의 노즐(413)은 고압 드릴링 유체를 시추공 바닥으로 공급하도록 횡단 통로(409)로부터 연장된다. 적합하게는, 비트는 외경 약 200mm(7-7/8in)의 드릴 파이프(101)와 관련하여 사용되는 에피아이 약 251mm(9-7/8in) 구경(gage) 비트이다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 많은 장점을 나타낸다. 주로, 본 발명은 드릴링 작업이 진행함에 따라 환형공간 내에 고밀도, 필터 케이크 빌딩 유체를 유지하면서, 저 고체 함유량 드릴링 유체로 드릴링하기 위한 잔치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 장치 및 방법은 종래의 기술들 보다 더욱 상업적으로 실용적이다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 특히 자동화되고 컴퓨터 제어되도록 되어 있다. 이상에서 적합한 실시예를 참조로 하여 본 발명을 설명하였으나, 이에 제한되지 않으며 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 변경과 변화가 가능하다. |
