이중 구배 드릴링 시스템

이중 구배 드릴링 시스템{DUAL GRADIENT DRILLING SYSTEM}

본 발명은, 이중 구배 드릴링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 웰(well)에서 해저(seabed)까지는 밀도가 높은 머드를 사용하고, 해저에서는 머드의 압력을 해수의 정수압과 동일하게 맞추어 이중 압력 구배를 갖는 이중 구배 드릴링 시스템에 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.

이와 같은 이유로, 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었으며, 따라서 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이런 유전의 개발에 적합한 시추 설비를 구비한 시추선이 개발되어 있다.

종래의 해저 시추에는 다른 예인선에 의해서만 항해가 가능하고 계류 장치를 이용하여 해상의 일 점에 정박한 상태에서 해저 시추 작업을 하는 해저 시추 전용의 리그선(rig ship)이나 고정식 플랫폼이 주로 사용되었다.

그러나, 최근에는 첨단의 시추 장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 시추선(Drill ship)과 해상공장인 FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading) 등이 개발되어 해저 시추 및 생산에 사용되고 있다.

군소 유전 개발을 위해서는 그 위치를 자주 옮겨야 하는 작업 조건에 따라, 시추선은 예인선 없이 동력으로 항해를 할 수 있도록 제작된다.

도 1은 전통적인 드릴링 방식과 이중 구배 시추 방식을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 따른 압력 구배를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 전통적인 시추 작업의 경우 순환되는 머드(mud)는 웰(well)에서 시추선의 드릴 플로어(drill floor)까지 올라와 회수가 된다. 이때 머드는 단위 깊이당 압력이 선형적으로 변한다.

반면, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 이중 구배 압력을 적용한 시추 작업의 경우 해저(seabed)에 펌프를 두고 머드가 회수되는 별도의 회수라인을 두어, 웰에서 해저까지는 머드가 일정한 밀도로 올라오고, 해저에서 해수면까지는 해수의 밀도로 대체되어 단위 깊이당 밀도가 해저를 기준으로 2중 선형적으로 변하게 된다.

따라서, 이중 구배 시추 방식의 경우 전통적인 시추 방식과 달리, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 압력이 2개의 기울기(구배)를 갖고 선형적으로 변화되어, 전통적인 시추 방식에 비해 압력이 낮아 드릴링 시 시추홀의 붕괴를 방지하는 케이싱(casing)의 개수를 줄일 수 있는 이점이 있다.

구체적으로, 전통적인(conventional) 시추 방식의 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 머드의 압력이 해수의 정수압보다 높고, 선형 기울기를 가져 시추 과정이 진행될수록 많은 케이싱이 필요하다. 이는 압력이 증가되어 시추홀이 붕괴되는 것을 방지하기 위해서다.

이중 구배 시추 방식의 경우, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 해저까지는 해수의 정수압과 동일한 압력이 형성되고, 해저로부터 웰까지는 다른 압력 기울기를 가져 전통적인 방식에 비해 케이싱의 개수를 줄일 수 있다. 즉, 해저의 하부 영역에서는 기울기가 더 커 케이싱의 개수가 줄어듦을 알 수 있다.

전술한 이중 구배 시추 방식의 경우 케이싱의 개수를 줄일 수 있지만, 드릴 파이프가 해저에 그대로 노출되어 외부 환경에 취약할 수 있다. 즉, 드릴 파이프가 해수에 직접 노출되어 선체의 히브(heave) 운동과 해류로 인한 횡방향 운동에 매우 취약하다.

따라서, 이중 구배 시추 방식을 개선한 새로운 개선책이 요구된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이중 구배 시추 방식을 채택하여 케이싱의 개수를 줄일 수 있으면서 외부 환경에 취약한 구조를 개선할 수 있는 이중 구배 드릴링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이중 구배 압력을 이용한 이중 구배 드릴링 시스템에 있어서, 시추 구조물에 상측부가 결합되고 하측부는 BOP(Blow Out Preventer)에 결합되며, 내부에 드릴 파이프가 배치되고 머드의 리턴 경로가 되는 내부 관 부재; 상기 시추 구조물에 상측부가 결합되고 하측부는 상기 BOP에 결합되며, 상기 내부 관 부재의 외부에 배치되는 외부 관 부재; 및 상기 내부 관 부재와 상기 외부 관 부재의 하측 영역에 마련되어 상기 내부 관 부재로 이동되는 머드(mud)의 흐름을 차단하며, 단절된 상기 내부 관 부재의 하부 영역을 실링하는 실링부를 포함하는 이중 구배 드릴링 시스템이 제공될 수 있다.

상기 내부 관 부재는, 상기 실링부에 의해 단절된 상부 영역인 제1 내부 관 부재; 및 상기 실링부에 의해 단절된 하부 영역인 제2 내부 관 부재를 포함할 수 있다.

상기 실링부는, 상기 제1 내부 관 부재의 하단부에 마련되는 제1 실링부; 및 상기 제2 내부 관 부재의 상단부에 마련되는 제2 실링부를 포함할 수 있다.

상기 제1 실링부와 상기 제2 실링부의 사이에도 상기 외부 관 부재가 마련될 수 있다.

상기 외부 관 부재는 상기 머드의 리턴 배관용으로 기 사용되는 라이저(riser) 일 수 있다.

상기 내부 관 부재의 하부 영역에 마련되어 상기 실링부에 의해 차단된 머드를 상기 실링부를 우회하여 상기 시추 구조물로 리턴시키는 머드 리턴부를 더 포함할 수 있다.

상기 머드 리턴부는, 일측부는 상기 제1 내부 관 부재에 연결되고 타측부는 상기 제2 내부 관 부재에 연결되어 단절된 상기 제1 내부 관 부재와 상기 제2 내부 관 부재를 연결시키는 머드 리턴 라인; 상기 머드 리턴 라인에 마련되는 머드 리턴 펌프; 및 상기 머드 리턴 라인에 마련되는 적어도 하나의 개폐 밸브를 포함할 수 있다.

상기 시추 구조물은 드릴쉽과 반 잠수식 리그 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 실링부의 파손 시 상기 실링부를 제거하고, 상기 제1 내부 관 부재와 상기 제2 내부 관 부재를 라이저로 연결할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 드릴 파이프를 외부 관 부재의 내부에 배치하여 드릴 파이프의 운용면에서 안정성을 향상시킬 수 있고, 내부 관 부재와 실링부에 의해 이중 구배 시추를 실현할 수 있어 케이싱의 개수를 줄일 수 있다.

도 1은 전통적인 드릴링 방식과 이중 구배 시추 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 압력 구배를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 구배 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 실링부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5은 도 3에 도시된 이중 구배 드릴링 시스템의 작동 상태도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 구배 드릴링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 제1 실링부를 개략적으로 도시한 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이중 구배 드릴링 시스템(1)은, 시추 구조물(DU)에 상측부가 결합되고 하측부는 BOP(Blow Out Preventer)에 결합되며 내부에 드릴 파이프(DP)가 배치되고 머드의 리턴 경로가 되는 내부 관 부재(100)와, 시추 구조물(DU)에 상측부가 결합되고 하측부는 BOP에 결합되며 내부 관 부재(100)를 일정 거리를 두고 둘러싸는 외부 관 부재(200)와, 내부 관 부재(100)와 외부 관 부재(200)의 하측 영역에 마련되어 내부 관 부재(100)로 이동되는 머드(mud)를 흐름을 차단하며 단절된 내부 관 부재(100)의 하부 영역을 실링하는 실링부(300)와, 내부 관 부재(100)의 하부 영역에 마련되어 실링부(300)에 의해 차단된 머드를 실링부(300)를 우회하여 시추 구조물(DU)로 리턴시키는 머드 리턴부(400)를 구비한다.

내부 관 부재(100)는, 드릴링 작업 중에 드릴 파이프(DP)를 통해 시추홀(drilling hole)로 공급된 머드가 리턴되는 통로로 제공되는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상측부가 시추 구조물(DU)의 디버터(D, diverter)에 결합 되고 하측부가 BOP(Blowout Preventer)에 결합 되어 머드의 압력이 해저에서 해수의 정수압과 동일한 압력을 이루도록 한다. 따라서, 본 실시 예에서 내부 관 부재(100)의 직경은 이중 시추 구배를 고려하되 드릴 파이프(DP)의 승강(상승 또는 하강)이 자유롭도록 드릴 파이프(DP)의 외경보다 크게 제작될 수 있다.

본 실시 예에서 내부 관 부재(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내부 관 부재(110)와 제2 내부 관 부재(120)가 일정 거리를 두고 이격 되어 단절될 수 있고, 단절된 상태는 후술하는 머드 리턴부(400)의 머드 리턴 라인(410)에 의해 연결될 수 있다.

또한, 제1 내부 관 부재(110)의 하단부는 제1 실링부(310)에, 제2 내부 관 부재(120)의 상단부는 제2 실링부(320)에 볼트 또는 용접 결합 될 수 있다.

본 실시 예에서 내부 관 부재(100)와 실링부(300)의 결합 작업은 ROV(Remotely operated vehicle)에 의해 이루어질 수 있고, BOP는 BOP 스택과 LMRP(Lower Marine Riser Package)를 모두 포함할 수 있다.

외부 관 부재(200)는, 드릴 파이프(DP)가 해저의 외부 환경과 선체의 히브(heave) 운동 등에 의해 영향을 받지 않도록 하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상단부는 시추 구조물(DU)의 디버터(D)에 결합 되고, 하측부는 실링부(300)에 결합 될 수 있다.

또한 본 실시 예에서 외부 관 부재(200)는 실링부(300)를 작동시키는 데 필요한 전기 케이블(electric cable)이나 유압 파워(hydraulic power)를 전달하기 위한 통로로 제공될 수 있다.

본 실시 예에서 외부 관 부재(200)의 하부 영역은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 실링부(310)와 제2 실링부(320)에 의해 구획될 수 있고, 구획된 하부 영역에는 내부 관 부재(100)가 마련되어 있지 않고 외부 관 부재(200)만 마련될 수 있다. 따라서, 이 영역에서 외부 관 부재(200)는 드릴 파이프(DP)가 해수에 의해 영향을 받는 것을 방지하는 역할을 한다.

또한, 본 실시 예에서 외부 관 부재(200)의 하단부는 제2 내부 관 부재(120)의 상단부에 결합되는 제2 실링부(320)에 결합되므로, 도 3에 도시된 바와 같이, BOP의 상단부로부터 일정 거리 이격 될 수 있다.

나아가, 본 실시 예에서 외부 관 부재(200)는 기 사용되는 라이저(riser)를 그대로 사용할 수 있다. 이 경우 라이저에 마련되는 유압 라인과 전기 라인을 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 또한 기존의 라이저에 마련되는 부력재에 의해 외부의 영향으로부터 내부 관 부재(100) 등을 보호할 수 있다.

실링부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내부 관 부재(110)와 제2 내부 관 부재(120)를 일정 거리로 단절시키며, 단절된 제1 내부 관 부재(110)의 하단부와 제2 내부 관 부재(120)의 상단부를 실링(sealing)하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 실링부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내부 관 부재(110)의 하단부에 마련되는 제1 실링부(310)와, 제2 내부 관 부재(120)의 상단부에 마련되는 제2 실링부(320)를 포함한다.

제1 실링부(310)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 내부 관 부재(110)와 외부 관 부재(200)가 외주면에 결합 되며 내부로 드릴 파이프(DP)가 관통되는 바디(311)와, 바디(311)에 일정 각도로 회전 가능하게 마련되는 램 바디(312)와, 램 바디(312)의 내부에 마련된 복수의 공간에 마련되어 공압 또는 유압에 의해 작동되는 복수의 실린더(313)와, 복수의 공간 중 상측부에 평행하게 마련되는 공간에 배치된 실린더(313)에 연결되어 머드의 하강 흐름을 차단하는 차단램(314)과, 복수의 공간 중 하측부에 평행하게 마련되는 공간에 배치된 실린더(313)에 연결되어 드릴링 작업 중에 머드의 흐름을 차단하는 파이프램(315)과, 바디(311)에 마련되어 램 바디(312)의 회전을 허용하는 베어링(316)을 포함한다.

제1 실링부(310)의 바디(311)에 마련되는 홀(311a)은 드릴 비트(DB)가 마련된 드릴 파이프(DP)의 이동 통로로 제공되므로, 그 직경은 드릴 비트(DB)의 크기보다 크게 마련된다.

제1 실링부(310)의 복수의 실린더(313)로 공급되는 작동 유체인 유압이나 공압은 BOP로부터 공급받을 수도 있고, 외부 관 부재(200)의 내부를 통해 시추 구조물(DU)로부터 공급받을 수도 있다.

제1 실링부(310)의 차단램(314)은, 드릴 작업의 종료 등으로 드릴 비트(DB)가 없을 시 바디(311)에 마련된 홀(311a)을 완전히 차단하는 것으로, 도 4의 상측부 확대도(정면 확대도)에 도시된 바와 같이, 차단램(314)의 마주보는 면은 평편하게 마련된다.

반면에 파이프램(315)은, 드릴링 작업 중에 리턴되는 머드가 제1 실링부(310)의 하부 방향으로 누설되지 않도록 하는 것으로, 드릴 파이프(DP)를 감싸면서 누설을 방지해야 하므로, 도 4의 하측부 확대도(평면 확대도)에 도시된 바와 같이, 파이프램(315)의 마주보는 면에는 드릴 파이프(DP)의 반경에 대응되는 홈이 각각 마련된다.

본 실시 예에서 전술한 차단램(314)과 파이프램(315)은 서로 반대 방향으로 배치될 수 있다.

제2 실링부(320)는, 전술한 제1 실링부(310)와 동일한 구성을 가질 수 있다.

한편 본 실시 예에서 제1 실링부(310)와 제2 실링부(320)는 본 실시 예인 이중 구배 드릴링에 장애가 생긴 경우 설치된 위치에서 철거될 수 있고, 철거 된 위치의 제2 내부 관 부재(120)에 라이저를 연결하여 일반적인 드릴링 작업을 할 수도 있다.

머드 리턴부(400)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 관 부재(100)와 외부 관 부재(200)에 마련된 실링부(300)에 의해 머드의 상승이 차단된 머드를 실링부(300)를 우회하여 시추 구조물(DU)로 리턴시키는 역할을 한다.

본 실시 예에서 머드 리턴부(400)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상측부는 제1 내부 관 부재(110)에 연결되고 하측부는 제2 내부 관 부재(120)에 연결되어 단절된 제1 내부 관 부재(110)와 제2 내부 관 부재(120)를 연결시키는 머드 리턴 라인(410)과, 머드 리턴 라인(410)에 마련되는 머드 리턴 펌프(420)와, 머드 리턴 라인(410)에 마련되는 적어도 하나의 개폐 밸브(430)를 포함한다.

본 실시 예에서 개폐 밸브(430)는 머드 리턴 펌프(420)의 전방 머드 리턴 라인(410)과 후방 머드 리턴 라인(410)에 각각 마련될 수 있다.

도 5은 도 3에 도시된 이중 구배 드릴링 시스템의 작동 상태도이다. 이하에서 도 5와 도 3을 참조하여 본 실시 예의 작동 상태를 간략히 설명한다.

시추 작업 중에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실링부(320)가 제2 내부 관 부재(120)의 상단부를 막아 시추홀로부터 리턴되는 머드는 머드 리턴 라인(410)과 머드 리턴 펌프(420)를 통하여 시추 구조물(DU)로 공급된다. 머드의 흐름은 화살표로 표시되었다.

시추홀의 천공 작업이 마무리되면 단부에 드릴 비트(DB)가 마련된 드릴 파이프(DP)를 시추 구조물(DU)로 회수한다.

드릴 파이프(DP)를 회수할 때는 머드 리턴 펌프(420)의 가동을 중지시키고, 머드 리턴 라인(410)에 마련된 개폐 밸브(430)를 잠근다. 이후 드릴 비트(DB)를 제2 실링부(320)와 제1 실링부(310)를 통해 순차적으로 상승시킨다. 제2 실링부(320)와 제1 실링부(310)는 드릴 비트(DB)가 상승 되면 차단램(314, 도 4 참조)으로 바디(31, 도 4 참조)에 마련된 홀(311a, 도 4 참조)을 완전히 밀폐한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 드릴 파이프를 외부 관 부재의 내부에 배치하여 드릴 파이프의 운용면에서 안정성을 향상시킬 수 있고, 내부 관 부재와 실링부에 의해 이중 구배 시추를 실현할 수 있어 케이싱의 개수를 줄일 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 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.

1 : 이중 구배 드릴링 시스템 100 : 내부 관 부재
110 : 제1 내부 관 부재 120 : 제2 내부 관 부재
200 : 외부 관 부재 300 : 실링부
310 : 제1 실링부 320 : 제2 실링부
400 : 머드 리턴부 410 : 머드 리턴 라인
420 : 머드 리턴 펌프 430 : 개폐 밸브
D : 디버터 DB : 드릴 비트
DP : 드릴 파이프 DU : 시추 구조물