시추용 라이저 내부 압력조절장치 및 이를 갖는 시추선{Apparatus for controlling internal pressure of drilling riser and Drilling ship having the apparatus}
본 발명은 시추용 라이저 내부 압력조절장치 및 이를 갖는 시추선에 관한 것이다.
가스나 석유 등의 지하자원이 매장되어 있는 해저면에 시추공을 뚫고 지하자원을 끌어올리기 위해 사용되는 시추선에는 고정식시추선, 반잠수식시추선, 드릴쉽 등이 있다. 이러한 시추선은 바다에 떠 있는 상태로 해저면으로 드릴스트링과 라이저를 내려보내 해저면에 시추공을 형성한다. 상기 드릴스트링과 라이저를 이용하여 시추공을 형성할 때에는 시추액이 필수적으로 사용된다. 상기 시추액은 진흙과 물과 화학약품의 혼합물로서, 시추시 드릴비트에서의 윤활과 냉각작용을 하며 더 나아가 시추공내부에 압력을 가하여 시추공이 무너지지 않게 한다. 근래에는, 상기 시추액이 시추공의 내벽면에 가하는 압력을 필요에 따라 신속히 조절하기 위한 기술도 개발되어 있다. 소위 라이저 내부 압력조절장치라고 불리우는 이 장치를 도 1에 도시하였다. 도 1은 종래의 시추용 라이저 내부 압력조절장치가 구비된 시추선을 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 시추선(11)의 하부에 드릴스트링(19)과 라이저(17)가 설치되어 있음을 알 수 있다. 상기 드릴스트링(19)과 라이저(17)는 시추선(11)으로부터 하부로 내려진 원통 파이프형 시추장비로서, 상기 드릴스트링(19)은 그 하단부에 드릴비트(25)를 갖는다. 상기 드릴비트(25)는 해저면(Z)을 뚫고 내려가며 해저면에 시추공(29)을 형성한다. 상기 드릴비트(25)가 계속적으로 내려감에 따라 시추선(11) 위에서는 새로운 드릴스트링을 기존 드릴스트링의 상단부에 연결하여 길이를 늘린다. 또한 상기 드릴비트(25)가 시추공을 형성하는 동안, 드릴스트링(19)의 내부로 시추액(21)을 내려 보낸다. 상기 시추액(21)은 드릴스트링(19)의 하단부를 통해 시추공(29) 내부로 분출되며 시추공(29)을 채운 후, 라이저(17)를 타고 상부로 회수된다. 도면부호 23은 시추공(29)의 내벽면이 무너져 내리지 않게 하는 공벽보호관이고, 도면부호 27은 시추공(29) 내부의 압력을 감지하여 제어부(15)로 전달하는 압력센서이다. 상기 라이저(17)는 그 내부에 상기 드릴스트링(19)을 수용한 상태로, 해저면(Z)과 시추선(11)의 사이에 설치되는 파이프로서, 상기 드릴스트링(19)을 보호하고 드릴스트링(19)의 하단부로 분출된 시추액(21)을 상부로 유도하는 통로를 제공한다. 한편, 상기 라이저(17)의 측부에는 펌프유닛(31)이 위치하고, 상기 펌프유닛(31)은 우회파이프(33)를 통해 시추선(11)의 플랫폼(13)에 연결된다. 상기 플랫폼(13)의 내부에는 시추액(21)을 수용하는 시추액탱크(미도시)가 마련되어 있다. 상기 펌프유닛(31)은 내부에 펌프(31a)를 가지며, 상기 펌프(31a)를 구동하여 라이저(17) 내부의 시추액(21)을 우회파이프(33)를 통해 플랫폼(13)으로 전달한다. 상기 시추액(21)은 플랫폼을 통과해 드릴스트링(19)의 상단부로 이동하여 상기 시추공(29)을 향하여 유동 순환한다. 상기 펌프유닛(31)의 작동은 압력센서(27)의 신호를 받은 제어부(15)에 의해 결정된다. 이는 상기 제어부(15)를 통해 펌프유닛(31)의 작동을 제어함에 의해, 라이저(17) 내부에 채워져 있는 시추액(21)의 액면의 높이를 조절할 수 있다는 의미이다. 특히 상기 시추액(21)의 액면이 올라가면, 일반적인 유체정역학의 이론에 따라 시추공(29)의 내부압력이 증가하고, 액면이 내려가면 시추공(29)의 내부압력이 상대적으로 떨어진다. 이러한 원리를 이용하여, 가령 시추공(29) 주변의 지반이 연약하여 무너지기 쉬울 때에는,시추공(29) 주변의 지반 압력이 상승할 때에는, 상기 시추액(21)의 액면을 보다 상승시켜 시추액(21)이 시추공(29)의 내벽면을 보다 강하게 가압하도록 한다. 그런데 상기한 종래의 압력조절장치는, 시추공(29) 내부의 압력조절에 시간이 많이 소요된다는 단점이 있었다. 가령 시추공(29) 내부의 압력을 올리기 위해서는 상기 펌프(31a)를 동작시켜, 우회파이프(33) 내부의 시추액과, (필요하다면) 플랫폼 내부로 들어간 시추액(21)을, 라이저(17)측으로 역순환시켜야 하는데, 상기 펌프(31a)의 작동만으로는 시추액(21)의 이동유량이 작기 때문에, 단시간 내에 만족할 만한 압력상승 효과를 얻지 못하는 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 시추액이 수용되어 있는 라이저의 상부공간에 압축공기를 순간 주입하여, 압축공기가 시추액의 액면을 시추공측으로 가압하게 함으로써, 시추공의 압력을 매우 신속히 상승시킬 수 있는 시추용 라이저 내부 압력조절장치 및 이를 갖는 시추선을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시추용 라이저 내부 압력조절장치는, 하단부에 드릴비트가 구비되며 시추선으로부터 해저면으로 연장되어해저면에 시추공을 형성하고 시추시 시추액을 하향 분출하는 드릴스트링을 그 내부에 포함하며 상기 드릴스트링으로부터 시추공으로 분출된 시추액을 회수하는 회수통로를 제공하는 라이저의 내부압력을 조절함으로써, 시추액이 시추공에 가하는 압력을 조절하게 하는 시추용 라이저 내부 압력조절장치에 있어서, 상기 라이저로 회수되는 시추액은 우회파이프를 통해 시추선을 거쳐 드릴스트링으로 순환하며, 상기 라이저 내의 회수액은 라이저의 상단부보다 낮은 고도로 유지되고, 상기 압력조절장치에는; 상기 라이저 내부의 시추액의 액면 상부공간에 압축공기를 주입하여 공기의 압력이 시추액의 액면을 하부로 가압하도록 하여, 상기 시추공에 가해지는 압력을 조절하는 것으로서, 상기 상부공간에 압축공기를 압입하는 콤프레셔와, 상기 상부공간의 감압을 위하여, 필요시 상기 상부공간을 외부로 개방시키는 감압수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 라이저의 상단부에는, 상기 상부공간을 밀폐하는 차단판이 구비된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감압수단은; 상기 라이저의 상부공간에 그 일단부가 인입 설치되며, 타단부는 라이저의 외부로 연장되고, 밸브에 의해 개폐되는 배기관을 포함하는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 콤프레셔와 라이저의 상부공간은, 밸브에 의해 개폐되는 공기주입관으로 연결된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 상부공간의 내부에는, 상기 콤프레셔로부터 공급된 공기압력에 의해 팽창하여 상부공간을 채우고 시추액의 액면을 하부로 누르는 팽창체가 더 구비된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 콤프레셔와 팽창체의 내부공간은, 밸브에 의해 개폐되는 공기주입관으로 연결된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감압수단은, 그 일단부가 상기 팽창체의 내부로 인입되고 타단부는 라이저의 외부로 연장되며, 밸브에 의해 개폐되는 배기관을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시추용 라이저 내부 압력 조절장치를 갖는 시추선은, 하단부에 드릴비트가 구비되며 시추선으로부터 해저면으로 연장되어해저면에 시추공을 형성하고 시추시 시추액을 하향 분출하는 드릴스트링을 그 내부에 포함하며, 상기 드릴스트링으로부터 시추공으로 분출된 시추액을 회수하는 회수통로를 제공하는 라이저의 내부압력을 조절함으로써, 시추액이 시추공에 가하는 압력을 조절하게 하는 것으로서, 상기 라이저 내부의 시추액의 액면 상부공간에 압축공기를 주입하여 공기의 압력이 시추액의 액면을 하부로 가압하도록 하여, 상기 시추공에 가해지는 압력을 조절하는 것으로, 상기 상부공간에 압축공기를 압입하는 콤프레셔와, 상기 상부공간의 감압을 위하여, 필요시 상기 상부공간을 외부로 개방시키 는 감압수단을 포함하는 시추용 라이저 내부 압력조절장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 시추용 라이저 내부 압력조절장치는, 시추액이 수용되어 있는 라이저의 상부공간에 압축공기를 순간 주입하여, 압축공기가 시추액의 액면을 시추공측으로 가압하게 함으로써, 시추공의 압력을 매우 신속히 상승시킬 수 있다.
도 1은 종래의 시추용 라이저 내부 압력조절장치가 구비된 시추선을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 라이저 내부 압력조절장치 및 이를 갖는 시추선을 도시한 도면이다.
도 3은 상기 도 2에 도시한 라이저 내부 압력조절장치를 보다 자세하게 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절장치의 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시추용 라이저 내부 압력조절장치 및 이를 갖는 시추선을 도시한 도면이다. 상기한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리킨다. 도면을 참조하면, 시추선(41)의 하부에 드릴스트링(19)과 라이저(17)가 수직으로 설치되어 있고, 상기 드릴스트링(19)의 하단부에 구비되어 있는 드릴비트(25)가 해저면(Z)을 뚫고 내려가 시추공(29)을 형성하고 있음을 알 수 있다. 또한 상기 드릴비트(25)에 의해 발생하는 진흙과 자갈과 오일성분 들은, 시추선(41)으로부터 드릴스트링(19)을 타고 내려와 시추공(29)내로 분출되는 시추액(21)과 혼합된 상태로, 라이저(17)를 통해 상부로 이동한다. 상기 라이저(17)를 통해 상부로 이동하는 시추액(21)은, 라이저(17)의 측부에 구비되어 있는 펌프유닛(31)의 작용에 의해 우회파이프(33)를 거쳐 플랫폼(13)에 내장되어 있는 탱크(미도시)로 귀환한다. 상기 펌프유닛(31)은 라이저(17)의 내부에 차오르는 시추액(21)을 라이저의 외부로 빼내어 우회파이프(33)를 통해 탱크로 돌리는 것으로서, 라이저(17) 내부의 시추액(21)의 액면의 조절을 담당한다. 상기한 바와같이 시추액(21)의 액면을 조절하는 이유는, 시추공(29) 내벽면에 가해지는 압력의 조절을 위한 것이다. 상기 펌프유닛(31)의 내부에 구비되어 있는 펌프(31a)는 제어부(15)에 의해 작동한다. 상기 제어부(15)는 드릴비트(25)에 장착되어 있는 압력센서(27)와 접속되며 압력센서(27)로부터 시추공(29) 내부의 압력정보를 받아, 이를테면 현재 시추공(29) 내부의 압력이 낮아 위험할 경우, 펌프유닛(31)을 구동하여 라이저(17) 내부의 시추액(21)의 액면을 높인다. 시추공(29) 내부의 압력이 정상범위에 유지된다면 상기 펌프유닛(31)은 현재의 유동속도를 유지한다. 여하튼, 시추액(21)이 상기한 경로를 통한 유동패턴을 가지고, 특히 펌프유닛(31)의 작용에 의해 라이저(17) 내부의 시추액의 액면이 라이저(17)의 상단부보다 낮게 유지되므로, 라이저(17) 내부에 수용되어 있는 상태의 시추액(21)의 액면 상부에는 상부공간(51)이 형성된다. 한편, 상기 라이저(17)의 상단부에는 차단판(49)이 고정되어 있다. 상기 차단판(49)은 상부공간(51)을 최대한 밀폐하기 위한 것으로서, 후술하는 바와같이 상부공간(51)에 압축공기가 주입될 때 압축공기의 압력이 상부로 거의 새어나가지 않고 시추액(21)의 액면에 작용하도록 한다. 경우에 따라 상기 차단판(49)은 라이저(17)에 대해 착탈 가능하도록 설치할 수 있다. 상기와 같이, 시추액(21) 액면 상부의 상부공간(51)에 압축공기가 공급되어 상부공간(51)의 내부 압력이 증가하면, 공기의 압력이 상부공간(51)의 내벽면과 차단판(49)과 시추액(21)의 액면을 가압하므로, 결국 시추액(21)에 하향 압력이 가해지게 된다. 상기 상부공간(51)에 압축공기를 공급하기 위하여, 시추선(41)의 내부에는 콤프레셔(43)가 구비된다. 상기 콤프레셔(43)는 제어부(15)에 의해 작동하며, 공기주입관(53)과 배기관(55)을 통해 상부공간(51)에 연결된다. 상기 콤프레셔(43)의 설치갯수나 마력수는 경우에 따라 얼마든지 달라질 수 있으나, 상부공간(51)의 압력을 거의 순간적으로 상승시키기 위하여 가급적 대형급 콤프레셔를 사용할수록 좋다. 도 3은 상기 도 2에 도시한 라이저 내부 압력조절장치를 보다 자세하게 도시한 도면이다. 도시한 바와같이, 상기 라이저(17)의 상단부에 차단판(49)이 고정되어 있다. 상기 차단판(49)은 상부공간(51)을 거의 밀폐하는 역할을 한다. 사실 라이저(17)의 내부에 드릴스트링(19)이 구비되어 있으므로, 차단판(49)이 라이저(17)의 상부를 완벽하게 밀폐하지는 못한다. 상기 차단판(49)은, 상부공간(51)을, 상부공간(51) 내부로 주입되는 공기의 주입량보다 유출량이 적도록 밀폐하면 충분하다. 상기 차단판(49)을 착탈 가능식으로 적용할 경우에는, 드릴스트링(19)이 움직일 때 차단판(49)을 임시로 분리한다. 또한 상기 콤프레셔(43)는, 공기주입관(53)을 통해 상기 상부공간(51)에 연통한다. 상기 공기주입관(53)은 콤프레셔(43)의 압축공기를 상부공간(51)에 전달하는 통로로서 제 1밸브(45)에 의해 개폐된다. 상기 제 1밸브(45)도 제어부(15)에 의해 콘트롤됨은 물론이다. 상기 제 1밸브(45)로서 제어부(15)에 콘트롤되는 솔레노이드밸브 대신에 체크밸브를 사용할 수 도 있다. 상기 공기주입관(53)의 측부에는 배기관(55)이 구비된다. 상기 배기관(55)은 상부공간(51) 내부의 압력을 낮추기 위한 배기파이프로서 제 2밸브(47)에 의해 개폐된다. 상기 제 2밸브(47)도 제어부(15)에 의해 개폐된다. 상기 구성을 갖는 압력조절장치에 있어서, 상기 콤프레셔(43)를 동작시킨 상태로 제 1밸브(45)를 개방하면, 콤프레셔(43)의 압축공기가 공기주입관(53)을 통해 상부공간(51)으로 주입된다. 상기 상부공간(51)에 주입된 압축공기는 시추액(21)의 액면을 화살표 F 방향으로 가압한다. 시추액의 액면을 이와같이 하부로 가압함에 의해 시추액(21)이 하부로 밀려 내려가며 시추공(29) 내부에서의 시추액(21)의 무게가 증가함으로써 시추공(29) 내부의 압력이 상승하게 된다. 시추공(29)의 압력이 필요이상 높다고 판단되면, 상기 제어부(15)를 통해 상기 제 1밸브(45)를 차단하고 제 2밸브(47)를 개방한다. 제 2밸브(47)가 개방되면 상부공간(51)의 내부 압력이 순간적으로 떨어지며 시추액(21)을 내리 누르던 압력이 해제된다. 시추액(21)의 액면을 하부로 가압하는 가압력이 없어지면, 시추공내부에 가해지는 시추액의 무게가 감소하여, 시추공(29)의 내부 압력이 떨어진다. 상기 상부공간(51) 내부의 압력 강하 속도를 더욱 신속히 구현하기 위해서 배기관(55)의 설치 개수는 달라질 수 있다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력조절장치의 다른 예를 나타내 보인 도면이다. 도면을 참조하면, 상기 상부공간(51)에 팽창체(57)가 내장되어 있음을 알 수 있다. 상기 팽창체(57)는 플렉시블한 재질의 부재로서 마치 풍선과 같이 외부로부터 주입된 압축공기에 의해 팽창하여 상부공간(51)을 채우며 시추액(21)의 액면을 화살표 F방향으로 내리 누른다. 이와 같이 팽창체(57)를 적용할 경우, 차단판(49)의 기밀능력은 요구되지 않는다. 즉 팽창체(57)를 사용하는 경우, 차단판(49)은 그 자체가 공기의 기밀을 담당하는 것이 아니라, 다만 팽창체(57)를 하부로 지지하는 지지판의 역할만 하면 되므로, 라이저의 상단부를 밀폐할 필요가 없는 것이다. 상기 제 1밸브(45)를 개방하여 콤프레셔(43)의 압축공기를 팽창체(57) 내부로 주입하면, 팽창체(57)가 도 5에 도시한 바와같이 팽창하며 시추액(21)을 하향 가압하는 것이다. 상기 제 1밸브(45)를 차단하고 제 2밸브(47)를 개방하면 팽창체(57) 내부의 압축공기가 외부로 빠져나가 하향 가압력은 제거된다. 상기한 바와같은 상부공간(51) 내부로의 압축공기의 주입이나 배기는, 상기 압력센서(27)의 압력정보를 받은 제어부(15)에 의해 진행되는 것임은 물론이다. 이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
11:시추선 13:플랫폼
15:제어부 17:라이저
19:드릴스트링 21:시추액
23:공벽보호관 25:드릴비트
27:압력센서 29:시추공
31:펌프유닛 31a:펌프
33:우회파이프 41:시추선
43:콤프레셔 45:제 1밸브
47:제 2밸브 49:차단판
51:상부공간 53:공기주입관
55:배기관 57:팽창체
Z:해저면 |
