KR20150140745A - 연속적인 굴착 유체 순환 유닛 및 배치구조 - Google Patents

Abstract

파이프(38)의 일부를 수용하도록 된 중앙 구멍(4)을 구비한 하우징(2)을 포함하고, 상기 중앙 구멍(4)은 상부 및 하부 밀봉 부재(30, 32)를 구비하고, 상기 밀봉 부재(30, 32)는 중앙 개구부(33)를 구비하고, 상기 중앙 개구부는, 상기 밀봉부재(30, 32)의 확장에 의해, 상기 파이프(38)에 대하여 내부 밀봉면(34)의 접촉에 의하여, 상기 파이프(38)에 대해 폐쇄하거나 견고히 밀봉할 수 있도록 되어 있고, 상기 밀봉 부재(30, 32)의 각각은 유체 밀봉 방식으로 패킹 파이프(8, packing pipe)에 연결되고, 상기 패킹 파이프(8)는 상기 하우징(2) 내에 있고 상기 중앙 구멍(4)의 중앙축(6) 둘레로 회전할 수 있게 되어 있으며, 상기 패킹 파이프(8)는 이 패킹 파이프(8)의 외주와 상기 하우징(2) 사이에 견고하게 고정되는 패킹 조립체(18, 20)에 의하여 둘러싸여 있는, 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛이 개시되어 있다.

Description

연속적인 굴착 유체 순환 유닛 및 배치구조{A CONTINUOUS DRILLING FLUID CIRCULATION UNIT AND ARRANGEMENT}

본 발명은 연속적인 굴착 동안에 굴착 유체(drilling fluid)의 연속 순환을 위한 순환 유닛 및 배치 구조에 대한 것으로, 순환 유닛은 상부 및 하부 회전 유닛 사이에 배치되고, 상기 순환 유닛과 상기 회전 유닛은 안내 트랙을 따라 수직으로 변위될 수 있도록 되어 있다.

석유 및 가스 굴착 산업에서, 굴착관(drill string; 파이프가 연속적으로 이어진 것)이 길어지는 동안에, 굴착 구멍에 굴착 유체의 순환을 유지할 수 있도록 하기 위한 대책을 강구하는 것이 공지되어 있다. 노르웨이 특허 NO 326427호에는, 중공의 구동축을 갖는 상부구동 굴착 기계가, 관을 둘러싸는 밀봉이 구비된 게이트 체임버와 상호작용하는 시스템이 개시되어 있는데, 연속적인 굴착관이 상기 굴착 기계에 연결되어 있을 때에는 제1 굴착 유체 유입관을 경유하여 상기 구동축을 통하여 상기 굴착 유체가 통과하고, 상기 굴착관의 상부단이 상기 게이트 체임버에 배치되고 새로운 굴착관부에 결합되어야 할 때에는 제2 굴착 유체 유입관을 경유하여 상기 게이트 체임버를 통하여 상기 굴착 유체가 통과하도록 되어 있다.

상기 선행기술인 노르웨이 특허 NO 326427호의 단점은 굴착관이 연장되어야 할 때에는 굴착관의 회전이 중지된다는 것이다. 상기 굴착관의 협착의 위험을 줄이고 생산성을 향상하기 위하여 굴착관의 회전을 유지하는 것이 유리하다는 것이 업계에 알려져 있는데, 예를 들어 굴착관이 연장되고 있는 동안에 실제적인 굴착 작업에 있어 중단이 없음으로 해서 굴착량을 증가할 수 있는 것이다.

노르웨이 특허 NO 333021 및 이에 대응하는 국제 특허공개공보 WO 2011/093716으로부터, 장치의 배치구조가 공지되어 있는데, 제1 상부구동 굴착 장치와 굴착 구멍 사이에, 굴착관과, 이 굴착관을 연속적으로 회전시키도록 배치된 회전구동 유닛, 및 굴착관 단부를 유체연통 방식으로 굴착 유체 시스템에 연결하도록 배치된 유체 체임버가 구비된 제2 굴착 장치가 공지되어 있는데, 상기 유체 체임버는 유체밀봉 방식으로 굴착관 포트를 폐쇄하도록 배치된 수단을 구비하는 굴착관 포트를 구비하고, 상기 제2 굴착 장치는 한쌍의 파워 통(power tongs)을 구비하고, 상기 파워 통은 상기 굴착관으로 또는 이로부터 부재를 연결하거나 해제하도록 배치되어 있고, 상기 파워 통은 유체 체임버에 배치된다. 이러한 종래 구조의 단점은 상기 회전구동 유니트가 직접 유체 체임버(게이트 체임버)에 연결되고 상기 파워 통이 상기 유체 체임버에 둘러싸이는 것이다. 여기서, 취급되는 관련 파이프의 규격에 대한 상기 파워 통의 조정은 상기 유체 체임버에서의 간섭이나 방해가 발생할 수밖에 없다는 점이다.

국제 특허공개공보 WO2001/69034 A2로부터, 상부 굴착관이 굴착관의 상부 단부에 또는 이로부터 연결되거나 해제되는 동안에, 굴착관을 통하여 유체가 연속적으로 순환되도록 하기 위한 시스템이 공지되어 있다. 상기 시스템은 상부 및 하부 체임버를 구비하고, 각각 밀봉 장치와 중간 게이트 장치를 구비하고, 상기 밀봉 장치는 상기 굴착관의 부분에 대하여 밀봉되도록 안착되어 배치된다.

국제 특허공개공보 WO2008/147210 A2에는, 상부구동 굴착 장치를 위한 장치가 개시되어 있는데, 굴착관을 통한 굴착 유체의 연속 순환이, 굴착 장치 구동축의 하부 단부 또는 연결된 굴착관 부분의 하부 단부가 체임버에 대하여 개방되어 있을 때, 상기 굴착관의 상부에 대해 견고히 고정되는 체임버를 통해 교대로 공급되는 굴착 유체에 의하여, 그리고 굴착 장치 구동축에 의하여 유지될 수 있다.

미국 공개특허 US2003/0221519 A1는 굴착 작업 동안에, 굴착관에 대한 관의 연결과 분리를 가능하게 하는 장치를 개시한다. 상기 장치는, 연결 및 분리 작업 및 굴착 유체의 순환 동안에, 관의 회전 및 축방향 변위를 허용한다. 상부구동 굴착 장치는 회전 테이블과 상호작용하고, 굴착 유체의 순환은 순환 유닛을 통하거나 그리고 상부구동 굴착 장치와 연결된 상부관을 통하여 교대로 제공된다.

1. 노르웨이 특허 NO 326427호 2. 노르웨이 특허 NO 333021 3. 국제 특허공개공보 WO 2011/093716 4. 국제 특허공개공보 WO2001/69034 5. 국제 특허공개공보 WO2008/147210 6. 미국 공개특허 US2003/0221519

본 발명은 상기 선행기술의 단점의 적어도 하나를 치유하거나 감소시키기 위한 목적을 갖고, 또는 종래 기술에 대한 유용한 대안을 제공한다.

상기한 본 발명의 목적은 이하에서 구체화된 설명과 청구범위에 적시된 특징에 의하여 달성된다.

이하에서, 용어 "굴착관(drill string)"은, 모든 형태의 굴착관에 대하여 집합적인 용어로 사용되고, 상기 굴착관은 단부의 회전에 의하여, 지하 속을 갈아내는 적절한 드릴 비트와, 지표면으로 되돌아나오는 흐름에 의하여 굴착구멍 밖으로 굴착된 재료를 이송하는 굴착 유체에 의하여 지하에 굴착구멍을 형성하기 위한 것이다.

명시적으로 표시하지 않는 한, 용어 "관 또는 파이프"는 이하에서 집합적인 용어로 사용되는데, 개별적인 관이나 파이프에 대하여, 몇 개의 개별적인 관으로 만들어진 관 부분, 및 서로 나사 결합될 수 있는 몇 개의 개별 관이나 몇 개의 관 부분을 결합하여 형성된 굴착관에 대한 용어로 사용된다. 또한 "관 또는 파이프"는 이른바 세이버 서브(saver sub)도 의미할 수 있는데, 이는 굴착 유체를 굴착관으로 공급하기 위해 배치될 수 있는, 굴착관과 회전 유닛 사이의 연결부로서 사용된다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛이 제공되어 있는데, 굴착관의 일부를 수용하도록 된 중앙 구멍을 구비한 하우징을 포함하고, 상기 중앙 구멍은 상부 및 하부 밀봉 부재를 구비하고, 상기 밀봉 부재는, 굴착관에 대하여 안착되는 내부 밀봉면에 의하여, 상기 밀봉 부재의 확장에 의해 굴착관에 대해 폐쇄하거나 견고히 밀봉할 수 있는 중앙 개구부를 구비하고, 상기 밀봉 부재의 각각은 유체 밀봉 방식으로 패킹 파이프(packing pipe)에 연결되고, 상기 패킹 파이프는 상기 하우징 내에 있고 상기 중앙 구멍의 중앙축 둘레로 회전할 수 있게 되어 있으며, 상기 패킹 파이프는 이 패킹 파이프의 외주와 상기 하우징 사이에 견고하게 고정되는 패킹 조립체에 의하여 둘러싸이는 것을 특징으로 한다.

회전하는 동안에, 상기 순환 유닛을 통하여 연장되는 굴착관은 상기 밀봉 부재와 상기 패킹 파이프를 당기게 될 것이고, 그에 따라 상기 밀봉 부재와 상기 패킹 파이프는 상기 굴착관과 같이 회전하게 된다. 상기 패킹 파이프는 분리된 것일 수 있다.

상기 밀봉 부재의 적어도 하나는 자체 폐쇄형 관통 파이프를 구비할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 자체 폐쇄형 관통 파이프는 탄성의 원뿔 부재로 구성되고, 이 원뿔 부재는 폐쇄 상태에서 인접한 유체 체임버에 있는 유체로부터의 외부 압력에 의해 함께 압축된다. 파이프가 상기 자체 폐쇄형 관통 파이프 안으로 눌려질 때, 상기 자체 폐쇄형 관통 파이프는 탄성적으로 열릴 것이고 상기 파이프에 대하여 밀봉될 것이다.

상기 자체 폐쇄형 관통 파이프는 인접한 밀봉 부재에 대하여 추가의 방벽을 구성한다.

상기 자체 폐쇄형 관통 파이프는 유연성 재료 또는 탄성 재료 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있는데, 예를 들어, 고무와 같은 재료, 스프링 압축 유체로 채워진 포대 또는 이들의 조합과 같다.

2 개의 패킹 조립체 사이에, 상기 밀봉 부재와 유체 연통하는 유체 포트(fluid port)가 배치될 수 있다. 상기 패킹 조립체와 2 개의 밀봉 부재들 사이의 하우징에 있는 공간은 유체 체임버를 형성한다.

상기 패킹 파이프는 이 패킹 파이프로부터 상방으로 돌출하는 배수 기둥(drain column)에 연결될 수 있다. 상기 배수 기둥의 목적은 유체로 채워진 파이프로부터 유체의 방출을 약화시키기 위한 것으로, 상기 유체로 채워진 파이프는 굴착관으로부터 분리된다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 연속 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 구조가 제공되어 있는데, 위에서 기술된 순환 유닛이 상부와 하부 회전 유닛 사이에 배치되고, 상기 순환 유닛과 회전 유닛은 가이드 트랙을 따라 수직으로 변위될 수 있고, 적어도 상부 회전 유닛은 상기 순환 유닛과 독립적으로 변위될 수 있고, 상기 순환 유닛은 굴착관의 일부를 수용하도록 된 중앙 구멍을 구비한 하우징을 구비하고, 상기 중앙 구멍은 상부 및 하부 환형의 밀봉 부재를 구비하고, 상기 밀봉 부재는 상기 하우징 내에서 회전가능하게 지지되고, 상기 밀봉 부재는 굴착관에 대하여 안착되는 내부 밀봉면에 의하여, 상기 밀봉 부재의 확장에 의해 굴착관에 대해 폐쇄하거나 견고히 밀봉할 수 있는 중앙 개구부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

굴착관의 어떠한 회전과, 파이프의 상기 굴착관에 대한 연결 도는 분리 동안에 파이프의 어떠한 회전도 상기 순환 유닛의 하우징 외부에 배치된 회전하는 통(tongs)에 의하여 제공된다.

각각의 상기 회전 유닛은 통상, 파이프 부분 둘레를 파지할 수 있고 견고하게 고정할 수 있는 종류의 회전 통(tongs) 쌍과, 파이프 소켓의 하향하는 어깨 부분에 대하여 안착하도록 배치된, 통상 공지된 미끄럼 구조 형태의 분리장치 및 상기 통 및/또는 분리장치를 지지하도록 배치된 회전 베어링를 구비한다.

상기 회전 유닛은 상기 순환 유닛 내에서 힘과 굴착관 내에서 우세한 힘을 흡수하도록 되어 있다. 상기 순환 유닛 내에서 발생하고 유압에 의하여 초래되는 힘은 연결 및 분리 상태에서 압축력과 인장력을 모두 구성할 수 있다.

하부 회전 유닛과 순환 유닛은 공유된 리니어 드라이브(linear drive)를 구비할 수 있고, 상기 선형 드라이브는 가이드 트랙을 따라 동시적인 수직운동으로 상기 회전 유닛과 순환 유닛을 변위시키도록 되어 있다.

상기 순환 유닛은 유체 체임버와 배출 하우징을 구비할 수 있고, 이들은 밸브 시스템에 연결된 폐쇄가능한 개별 굴착 유체관을 통해 굴착 유체 설비에 각각 연결되어 있다.

폐쇄가능한 배관에 세이버 서브(saver sub)가 회전가능하게 연결될 수 있는데, 상기 배관은 밸브 시스템을 통하여 상기 굴착 유체 설비에 연결된다.

밀봉 부재가 유체 밀봉 방식으로 호전 패킹 파이프에 연결되어 있고, 상기 패킹 파이프는 하우징 내에 있고 상기 패킹 파이프의 원주에 대해 그리고 상기 하우징에 대해 견고하게 고정하는 패킹 조립체에 의하여 둘러싸인다.

본 발명에 따른, 연속 굴착 순환과 연속적인 굴착관 회전을 갖는 굴착 공정은 통상 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다.

1. 굴착 공정의 제1 국면에서는 다음의 작업이 수행된다.

a) 굴착관의 상부단이 순환 유닛을 통하여 위로 돌출한다. 제1 굴착 유체관이 상기 굴착관의 상부단에 세이버 서브(saver sub)를 통하여 연결된다.

b) 굴착 유체가 상기 세이버 서브를 통하여 상기 굴착관의 중앙 구멍으로 공급된다.

c) 상기 굴착관이 상부 회전 유닛에 의하여 회전 상태로 유지된다.

d) 상부 및 하부 밀봉부재가 개방되고, 상기 굴착관은 상기 순환 유닛에 대하여 실질적으로 자유로이 이동된다.

e) 상기 상부 회전 유닛과 굴착관은 굴착 속도가 달성됨에 따라 아래로 이동된다.

2. 굴착 공정의 제2 국면에서는 다음의 작업이 수행된다.

a) 상기 순환 유닛과 하부 회전 유닛이 상기 상부 회전 유닛을 향하여 위로 이동된다.

b) 상기 굴착관의 상부단과 상기 세이버 서브의 하부는 상기 순환 유닛으로 이동되어, 상기 굴착관의 상부단이 유체 체임버에 있게 된다.

c) 상기 굴착관이 상기 하부 회전 유닛에 의하여 파지되고, 상기 하부 회전 유닛이 굴착관을 회전시키게 된다. 상기 세이버 서브는 상기 상부 회전 유닛에서 분리되어 있다. 상기 밀봉부재는 회전하는 상기 굴착관과 상기 세이버 서브 둘레를 각각 폐쇄한다.

d) 굴착 유체는 유체 포트를 통하여 상기 유체 체임버로 공급된다. 상기 세이버 서브는, 이 세이버 서브를 붙잡고 있는 상기 상부 회전 유닛에 의하여 상기 굴착관으로부터 분리되고, 상기 하부 회전 유닛은 상기 굴착관을 회전시킨다. 상기 세이버 서브는, 자체 폐쇄 관통 파이프가 상기 굴착관 뒤를 폐쇄할 때, 상기 유체 체임버로부터 물러나오고, 상기 세이버 서브를 통한 유체의 공급이 중지된다.

e) 굴착 유체는 상기 세이버 서브로부터 배출되고, 상기 세이버 서브는 상기 순환 유닛으로부터 후퇴한다.

f) 상기 굴착 과정은 상기 하부 회전 유닛과 순환 유닛을 회전시키고 이동시킴으로써 유지되고, 굴착 유체의 공급은 상기 유체 체임버를 통하여 유지되고, 상기 유체 체임버는 상기 자체 폐쇄 관통 파이프에 의하여, 가능하게는 상기 상부 밀봉부재와 하부 밀봉부재에 의하여 주변부에 대해 밀폐가 유지되고, 상기 밀봉부재들은 상기 굴착관의 부분 둘레를 견고하게 고정한다.

3. 굴착 공정의 제3 국면에서는 다음의 작업이 수행된다.

a) 상기 굴착관에 연결될 다음 파이프가 매니퓰레이터와 같은 것에 의해 굴착 중심으로 이동되어 와서 상기 순환 유닛의 중심축과 일치하고 거기에 고정되어 있다.

b) 상기 상부 회전 유닛은 상기 세이버 서브를 회전시키고 이 세이버 서브를 상기 굴착관의 상부단에 연결시킨다.

c) 상기 굴착관(파이프)은 그 하부단이 상기 순환 유닛 안으로 이동하고, 상부 밀봉부재는 개방되고 상기 자체 폐쇄 관통 파이프로 들어가고, 상기 자체 폐쇄 관통 파이프는 이동되어 들어올 상기 굴착관에 대하여 충분히 개방된다.

d) 상기 상부 밀봉부재는 상기 굴착관(파이프) 둘레에 폐쇄된다.

e) 굴착 유체는 상기 세이버 서브를 통하여 공급되고, 상기 유체 포트를 통한 굴착 유체의 공급은 중지되고, 상기 세이버 서브로부터 굴착 유체가 굴착관으로 공급된다.

f) 회전 하에서, 상기 상부 회전 유닛은 굴착관의 파이프를 변위시켜 굴착관에 연결시키고, 상기 파이프는 상기 굴착관보다 더 빨리 회전된다.

g) 굴착 유체는 상기 세이버 서브를 통하여 상기 굴착관으로 공급된다. 상기 밀봉부재는 개방되는데, 가능하게는 상기 순환 유닛의 유체 체임버가 배수되고 나서 개방된다.

굴착 작업은 위 단계 1a)에서 3g)가 반복되면서 계속된다.

굴착 작업은 본 발명의 정신이나 권리범위에서 벗어나지 않고 위에서 설명한 것으로부터 어느정도 변형되면서 실행될 수도 있다.

파이프나 굴착관의 회전과 분리를 제공하는 모든 구성요소가 상기 순환 유닛의 외부에 배치되는 점에서, 본 발명은 굴착관의 연속 회전 동안 연속적인 굴착 유체의 순환을 위한 시스템의 작동과 유지보수에 상당한 단순함을 제공한다. 다른 파이프 규격에 대한 유지나 조정에 관한 구성요소의 어떠한 대체도 상기 순환 유닛에 대한 방해없이 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 배치구조는, 상기 상부 회전 유닛이 상기 하부 회전 유닛과 상기 순환 유닛과 관계없이 독립적으로 변위될 수 있다는 점에서, 상기 굴착관의 연속 회전 동안 연속적인 굴착 유체 순환에 있어서 상당한 정도의 유연성을 보여준다. 추가로, 이러한 유연성은 상기 순환 유닛에 대해 독립적으로 변위될 수 있는 하부 회전 유닛에 의해서 달성될 수 있다.

본 발명은 굴착관의 연속 회전 동안 연속적인 굴착 유체의 순환을 위한 시스템의 작동과 유지보수에 상당한 단순함을 제공한다. 다른 파이프 규격에 대한 유지나 조정에 관한 구성요소의 어떠한 대체도 상기 순환 유닛에 대한 방해없이 수행될 수 있다. 또 상기 굴착관의 연속 회전 동안 연속적인 굴착 유체 순환에 있어서 상당한 정도의 유연성을 보여준다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예가 설명될 것이고, 이는 첨부되는 도면으로 가시화된다.
도 1은 본 발명에 따른 순환 유닛을 통과하는 축단면을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 배치구조를 작은 스케일로 나타낸 측면도로서, 여기서 굴착관은 상부 회전 유닛에 의하여 회전되고, 굴착 유체가 상기 굴착관에 연결된 세이버 서브를 통하여 공급되고, 순환 유닛과 하부 회전 유닛은 상기 상부 회전 유닛을 향하여 수직으로 변위된다.
도 3은 본 발명에 따른 배치구조를 상기 순환 유닛을 통과하는 축단면으로 나타낸 기본 도면으로, 여기서 상기 굴착관의 상부단은 상기 순환 유닛에 있는 유체 체임버에 위치되고, 상기 세이버 서브는 상기 굴착관으로부터 분리되고 그 하부단은 상기 유체 체임버에 위치하며, 상기 굴착관은 상기 하부 회전 유닛에 의하여 회전되고, 굴착 유체는 상기 순환 유닛의 유체 체임버를 통하여 공급된다.
도 4는 상기 하부 회전 유닛에 의하여 계속 회전되는 굴착관과, 상기 순환 유닛으로부터 후퇴한 세이버 서브를 나타낸다.

도면에서, 도면부호 1은 하우징(2)을 구비하는 순환 유닛이고, 상기 순환 유닛(1)은 이를 관통하여 연장하는 축 중앙구멍(4)을 구비하여 형성된다. 상기 중앙 구멍(4)의 중앙축은 주로 굴착 구멍(6)과 일치한다. 그래서 상기 도면부호 6은 상기 중앙축과 굴착 구멍을 모두 나타낸다.

패킹 파이프(8)는 상기 하우징(2)에 중앙으로 배치되어 있고 그 단부에는 상부 베어링 링(10)과 하부 베어링 링(12)에 각각 부착된다. 상하부 베어링 링(10, 12)에는 하우징(2)에 대하여 베어링(14)이 배치되어 있다. 상기 패킹 파이프(8)를 상기 하우징(2) 내에서 상기 상하부 베어링 링(10, 12)과 회전가능하게 하는 효과를 갖는 상기 베어링(14)은 발생할 수 있는 어떠한 방사상 및 축방향 힘을 흡수하도록 배치되어 있다.

상기 하우징(2)과 유체적으로 연통하게 되어 있는 유체 포트(16)의 위 및 아래에서, 상부 패킹 조립체(18)와 하부 패킹 조립체(20)는 각각 상기 하우징(2)과 상기 패킹 파이프(8) 사이에 밀봉되어 배치된다. 상기 상하부 패킹 조립체(18, 20)는 통상 이른바 "와시 파이프 패킹"(wash-pipe packing)이 될 수 있으나, 다른 적절한 공지 밀봉도 마찬가지로 사용될 수 있다.

방사방향 개구부(22)는 상기 상하부 패킹 조립체(18, 20) 사이에서 패킹 파이프(8)에 배치된다.

상기 유체 포트(16)와 상기 하부 패킹 조립체(20) 사이의 영역에서 상기 패킹 파이프(8)를 둘러싸는 배기 패킹(24)은 환형상 공간(26)을 형성한다. 상기 패킹 파이프(8)에서 배기 채널(28)이 상기 환형상 공간(26)으로부터 연장하여 상기 패킹 파이프(8)의 하부로 이어진다. 도시되지 않은 배기 펌프가 상기 환형상 공간에 연결되어 상기 환형상 공간(26)과 배기 채널(28)을 통하여 상기 순환 유닛(1)을 배수하도록 배치되어 있다.

상부 베어링 링(10)에는 내부에 상부 밀봉부재(30)가 구비되어 있다. 동일한 방식으로, 상기 하부 베어링 링(12)에는 내부에 하부 밀봉부재(32)가 구비되어 있다.

상기 밀봉부재(30, 32)는 내부 중앙 개구부(33)를 구비하여 형성되고, 이들 개구부는 밀봉표면(34)과 확장 체임버(36)를 구비하고, 상기 확장 체임버는 도시되지 않은 스위블 커플링과 밸브를 통하여 도시되지 않은 압력유체 펌프와 유체적으로 연통되어 있다. 압력유체를 상기 확장 체임버(36)에 공급함으로써, 각각의 밀봉부재(30, 32)는 폐쇄할 수 있도록 되고, 파이프(38)에 대하여 밀봉하도록 내부 밀봉표면(34)을 교대로 가져온다. 상기 파이프(38)는 도 2에 도시되어 있다. 상기 밀봉부재(30, 32)는 각각의 베어링 링(10, 12)에서 축방향으로 변위도지 않도록 되어 있다.

이 바람직한 실시예에서, 상기 상부 밀봉부재(30)에는 자체 폐쇄 관통 파이프(40)가 구비되어 있다. 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)는 상기 상부 밀봉부재(30)로부터 돌출하고 상기 하부 밀봉부재(32)의 방향으로 감소하는 단면적을 갖는 탄성 원뿔의 형태를 갖는다. 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)는 파이프(38)가 없을 때에는 유체 밀봉으로 배치되고, 파이프(38)가 그 사이를 관통하여 연장할 때에는 파이프(38)에 대하여 밀봉하도록 배치된다. 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)의 외부에 대하여 작용하는 유체 압력은 함께 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)를 누르도록 도우고 또는 상기 파이프(38)에 대하여 누르도록 한다.

상기 베어링 링(10)을 구비하는 상기 패킹 파이프(8)와 상기 하우징(2) 사이에 다수의 패킹(42)이, 다른 것들 사이에서, 상기 베어링(14)으로 원치않는 유체의 진입을 방지하도록 배치된다.

상기 패킹 조립체(18, 20)와 상기 밀봉부재(30, 32)에 의하여 형성된 하우징(2)에서의 체적은 유체 체임버(44)를 구성하고, 상기 유체 체임버는 상기 유체 포트(16)와 유체적으로 연통되어 있다.

튜브형 배출 칼럼(46)이 상기 상부 베어링 링(10)에 연결되어 함께 회전하게 된다. 상기 배출 칼럼(46)에는 그 하부에 방사상 배출 개구부(48)가 구비되어 있다. 상기 배출 칼럼(46)의 목적은 분리 동안에 파이프(38)로부터 굴착 유체의 유출을 약화시키기 위한 것이다.

상기 하우징(2)으로부터, 배출 하우징(50)이 위로 돌출하면서 상기 배출 칼럼(46)을 둘러싸고 있다. 그 하부에서는, 상기 배출 하우징(50)이 배출 포트(52)에 연결되어 있고, 상기 배출 하우징(50)에는 그 상부에 공지된 구조의 확장가능한 밀봉/스크레이퍼 밸브(54)가 구비되어 있다.

이제 도 2를 참조한다. 상기 순환 유닛(1)은 하부 회전 유닛(60)과 함께 선형 드라이브(62)에 연결되고, 이 선형 드라이브는 상기 순환 유닛(1)과 상기 회전 유닛(60)을 데릭(66)에서 가이드 트랙(64)을 따라 수직으로 변위하도록 배치된다.

여기서, 상부 회전 유닛(68)이 상기 가이드 트랙(64)을 따라 연장된다. 통상 도시되지 않은 통(tong)과 분리장치를 포함하는 상기 회전 유닛(60, 68)은, 공지된 구조를 갖고, 상기 굴착 중심(6) 둘레로 굴착관(70)을 고정하고 회전시킬 수 있도록 배치된다.

관련된 밸브 시스템(74)을 갖는 굴착 유체 플랜트(72)가 제1 굴착 유체관(76)에 의하여 스위블 커플링(78)을 거쳐 세이버 서브(80)에 연결되고, 상기 세이버 서브는 상기 상부 회전 유닛(68)에 있고 제2 굴착 유체관(82)에 의하여 상기 배출 포트(52)에 연결되고, 제3 굴착 유체관(84)에 의하여 상기 유체 포트(16)에 연결된다.

상기 굴착관(70)은 다수의 파이프(38)를 구비하고, 상기 파이프는 상부 커플링(86)과 하부 커플링(88)에 의하여 공지된 방식으로 서로 나사결합된다. 상기 세이버 서브(80)는 하부 커플링(88)을 구비하여 형성된다.

본 발명에 따른 장치로 연속적인 굴착 작업이 수행될 때, 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다.

굴착 공정의 제1 국면에서는, 굴착관(70)이 상기 순환 유닛(1)을 통하여 위로 돌출한다. 제1 굴착 유체관(76)이 스위블 커플링(78)과 세이버 서브(80, saver sub)를 통하여 상기 굴착관(70)에 연결된다. 굴착 유체가 상기 세이버 서브(80)를 통하여 상기 굴착관(70)으로 공급된다. 상기 굴착관(70)이 상기 상부 회전 유닛(68)에 의하여 회전 상태로 유지된다. 상기 상부 및 하부 밀봉부재(30, 32)가 개방되고, 상기 자체 폐쇄 관통관(40)이 상기 굴착관(70)에 대하여 안착되고, 상기 굴착관(70)은 상기 순환 유닛에 대하여 실질적으로 자유로이 이동된다. 상기 상부 회전 유닛(68)과 굴착관(70)은 굴착 속도가 달성됨에 따라 아래로 이동된다.

굴착 공정의 제2 국면에서는, 상기 순환 유닛(1)과 하부 회전 유닛(60)이 상기 상부 회전 유닛(68)을 향하여 위로 이동된다. 상기 굴착관(70)의 상부의 파이프(38)의 상부 커플링(86)과 상기 세이버 서브(80)의 하부 커플링(88)은 상기 순환 유닛(1)의 유체 체임버(44) 안으로 이동된다. 상기 굴착관(70)이 상기 하부 회전 유닛(60)에 의하여 파지되고, 상기 하부 회전 유닛이 굴착관을 회전시키게 된다. 상기 세이버 서브(80)는 상기 상부 회전 유닛(68)에서 분리되어 있다. 상기 밀봉부재(30, 32)는 회전하는 상기 굴착관(70)과 상기 세이버 서브(80) 둘레를 각각 폐쇄한다. 굴착 유체는 유체 포트(16)를 통하여 상기 유체 체임버(44)로 공급된다. 상기 세이버 서브(80)는, 이 세이버 서브(80)를 붙잡고 있는 상기 상부 회전 유닛(68)에 의하여 상기 굴착관(70)으로부터 분리되고, 도 3과 같이, 상기 하부 회전 유닛(60)은 상기 굴착관(70)을 회전시킨다. 상기 세이버 서브(80)로 굴착 유체의 공급은 정지된다. 상기 세이버 서브(80)는 상기 유체 체임버로부터 당겨져서 물러나오고, 동시에, 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)가 상기 세이버 서브(80) 뒤를 폐쇄한다. 상기 상부 밀봉부재(30)는 개방되고 상기 세이버 서브(80)는 상기 순환 유닛으로부터 후퇴하고, 동시에 상기 배출 포트(52)를 통하여 굴착 유체를 배출한다(도 4 참조). 상기 굴착 과정은 상기 하부 회전 유닛(60)과 순환 유닛(1)을 회전시키고 이동시킴으로써 유지되고, 굴착 유체의 공급은 상기 유체 체임버(44)를 통하여 유지되고, 상기 유체 체임버(44)는 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)에 의하여, 그리고 상기 하부 밀봉부재(32)에 의하여 주변부에 대해 밀폐가 유지되고, 상기 하부밀봉부재는 상기 굴착관의 부분 둘레를 견고하게 고정한다.

굴착 공정의 제3 국면에서는, 상기 굴착관에 연결될 다음 파이프(38)가 매니퓰레이터(도시 안됨)와 같은 것에 의해 굴착 중심(6)으로 이동되어 오고, 거기에 고정되어 있다. 상기 상부 회전 유닛(68)은 상기 세이버 서브(80)를 회전시키고 이 세이버 서브를 상기 파이프(38)의 상부 커플링(86)에 연결시킨다. 상기 파이프(38)는 그 하부 커플링(88)이 상기 순환 유닛(1) 안으로 이동하고, 상기 상부 밀봉부재(30)는 개방된다. 상기 상부 밀봉부재(30)는 상기 파이프(38) 둘레를 폐쇄한다. 추가로 상기 파이프(38)의 변위는 상기 자체 폐쇄 관통 파이프(40)를 개방시킨다. 굴착 유체는 상기 세이버 서브(80)를 통하여 상기 파이프(38)로 공급되고, 그 다음 상기 유체 포트(16)를 통한 굴착 유체의 공급은 중지되고, 상기 세이버 서브(80)로부터 굴착 유체가 상기 굴착관(70)으로 공급된다. 회전 하에서, 상기 상부 회전 유닛(68)은 상기 파이프(38)를 이동시켜 상기 굴착관(70)에 연결시키고, 상기 파이프(38)는 상기 굴착관(70)보다 더 빨리 회전된다. 굴착 유체는 상기 세이버 서브(80)를 통하여 상기 굴착관(70)으로 공급된다. 상기 밀봉부재(30, 32)는 개방되는데, 가능하게는 상기 순환 유닛(1)의 유체 체임버(44)가 상기 배기 채널(28)을 통하여 배수되고 나서 개방된다.

이러한 굴착 작업은 상기 굴착관(70)이 지하로 작업해 내려갈 때, 새로운 파이프(38)를 연속적으로 연결함으로써 상기 굴착 공정 1로부터 반복되면서 계속 진행된다.

본 발명에 따른 배치구조에 의하여, 굴착 작업 동안에 연속적인 굴착 유체의 공급을 위한 간단한 시스템이 제공되고, 굴착 작업은 연속적인 공정으로 진행될 수 있다. 중앙부의 유닛들은 복잡하지 않으며 각각의 유닛에는 단지 하나의 주요 기능만이 부여된다. 즉,

a) 상기 상부 회전 유닛(68)은 굴착관(70)이나 상기 세이버 서브(80)에 연결되는 파이프의 분리와, 회전 및 수직 변위를 수행한다.

b) 상기 하부 회전 유닛(60)은 굴착관(70)의 분리와, 회전 및 수직 변위를 수행한다.

c) 상기 순환 유닛(1)은, 상기 굴착관(70)으로 직접 유체공급과 연결 단계에서 다음 파이프(38)를 통한 유체공급 사이의 굴착 유체 공급을 전환하기 위하여 상기 세이버 서브(80)와 협력하면서 굴착 유체 플랜트(72)와 회전하는 굴착관(70) 사이에 유체 밀봉적으로 변위가능한 커플링을 실행한다.

본 발명에 따른 상기 순환 유닛(1)은 굴착 유체의 친환경적인 취급을 제공하는데, 이는 상기 밀봉 부재(30, 32)가 상기 굴착관(70) 등으로부터 해제되기 전에 굴착 유체의 여분이 상기 순환 유닛(1)으로부터 배출될 수 있기 때문이다. 상기 순환 유닛(1)의 패킹 조립체(18, 20)는 압유에 의하여 베어링(14) 등의 향상된 내구성을 또한 확보할 수 있는데, 상기 압유는 통상 상기 베어링(14)을 위한 윤활유로서 기능하여, 상기 굴착 유체가 상기 패킹(42)에 의하여 상기 베어링(14)으로 관입하는 것을 방지하기 때문에 쉽게 오염되지 않는다.

상기 순환 유닛(1)은 회전 유닛(60, 68)에 의하여 수행되는 상기 굴착관(70)과 파이프(38)의 분리와 수직 변위에 관계없이 상기 굴착관(70)에 굴착 유체의 공급을 유지하도록 하는 임무만을 갖는 상기 순환 유닛(1)을 사용함으로써, 회전하는 통(tongs)에서 부재 등을 파지할 때 그리고 분리 장치(도시 안됨)가 교체되어야 할 때, 폐쇄 순환 유닛(1)으로 어떠한 간섭이 필요도 없기 때문에, 다른 파이프의 규격에 대한 배치의 조정이 더욱 합리적으로 수행될 수 있다.

제2 회전 유닛(60)에 관계없이 상기 순환 유닛(1)을 수직으로 변위하기 위하여 별도의 선형 드라이브(도시 안됨)를 구비하는 순환 유닛(1)에 의해 상기 하부 회전 유닛(60)으로부터 상기 순환 유닛(1)을 분리함으로써, 연속적인 굴착 유체 순환을 구비하여 연속적인 굴착 작업 동안에 더 많은 작업상의 자유도의 결과로 추가의 이점이 달성될 수 있다.

1: 순환 유닛 2: 하우징
18: 상부 패킹 조립체 20: 하부 패킹 조립체
30: 밀봉부재 32: 밀봉부재
44: 유체 체임버 60: 하부 회전 유닛
68: 상부 회전 유닛 70: 굴착관

Claims (10)

1. 파이프(38)의 일부를 수용하도록 된 중앙 구멍(4)을 구비한 하우징(2)을 포함하고,
   상기 중앙 구멍(4)은 상부 및 하부 밀봉 부재(30, 32)를 구비하고,
   상기 밀봉 부재(30, 32)는 중앙 개구부(33)를 구비하고, 상기 중앙 개구부는, 상기 밀봉부재(30, 32)의 확장에 의해, 상기 파이프(38)에 대하여 내부 밀봉면(34)의 접촉에 의하여, 상기 파이프(38)에 대해 폐쇄하거나 견고히 밀봉할 수 있도록 된 순환 유닛(1)에 있어서,
   상기 밀봉 부재(30, 32)의 각각은 유체 밀봉 방식으로 패킹 파이프(8, packing pipe)에 연결되고, 상기 패킹 파이프(8)는 상기 하우징(2) 내에 있고 상기 중앙 구멍(4)의 중앙축(6) 둘레로 회전할 수 있게 되어 있으며, 상기 패킹 파이프(8)는 이 패킹 파이프(8)의 외주와 상기 하우징(2) 사이에 견고하게 고정되는 패킹 조립체(18, 20)에 의하여 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재(30, 32)의 적어도 하나는 자체 밀봉 관통 파이프(40)를 구비하는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 자체 밀봉 관통 파이프(40)는 유연성 재료 또는 탄성 재료 또는 이들의 결합으로 만들어진 원뿔형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛.
   
4. 제1항에 있어서, 두 개의 패킹 조립체(18, 20) 사이에, 유체 포트(16)가 배치되고, 이 유체 포트는 상기 밀봉 부재(30, 32)와 유체 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 패킹 파이프(8)는 이 패킹 파이프(8)로부터 위로 돌출하는 배출 칼럼(46)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위해 배치된 구조를 위한 순환 유닛.
   
6. 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조로서, 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 따른 순환 유닛(1)이 상부 및 하부 회전 유닛(60, 68) 사이에 배치되어 있고, 상기 순환 유닛(1)과 상기 회전 유닛(60, 68)은 가이드 트랙(64)을 따라 수직으로 변위할 수 있게 되어 있는 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조에 있어서,
   상기 순환 유닛(1)에 관계없이 적어도 상부 회전 유닛(68)이 변위가능하게 되어 있고,
   상기 순환 유닛(1)은 파이프(38)의 일부를 수용하도록 배치된 중앙 구멍(4)을 구비한 하우징(2)을 구비하고,
   상기 중앙 구멍(4)은 상기 하우징(2) 내에 회전가능하게 지지된 환형상의 상부 및 하부 밀봉 부재(30, 32)를 구비하고,
   상기 밀봉 부재(30, 32)는 중앙 개구부(33)를 구비하고, 상기 중앙 개구부는, 상기 밀봉부재(30, 32)의 확장에 의해, 상기 파이프(38)에 대하여 내부 밀봉면(34)의 접촉에 의하여, 상기 파이프(38)에 대해 폐쇄하거나 견고히 밀봉할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조.
   
7. 제6항에 있어서, 굴착관(70)으로 연결 또는 분리 동안에 상기 굴착관(70)의 어떠한 회전과 파이프(38)의 어떠한 회전도 회전하는 통(tongs)에 의하여 제공되고, 상기 통은 상기 순환 유닛(1)의 하우징(2) 외부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 하부 회전 유닛(60)과 상기 순환 유닛(1)은 공유된 선형 드라이브(62)를 구비하고, 상기 선형 드라이브는 상기 회전 유닛(60)과 상기 순환 유닛(1)을 상기 가이드 트랙(64)을 따라 동시에 수직이동하는 방식으로 변위하도록 배치된 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 순환 유닛(1)은 유체 체임버(44)와 배출 하우징(50)을 구비하고, 이들은 밸브 시스템(74)에 연결된 개별적으로 폐쇄가능한 굴착 유체관(82, 84)을 통하여 굴착 유체 플랜트(72)에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조.
   
10. 제6항에 있어서, 세이버 서브(80)가 폐쇄가능한 제1 굴착 유체관(76)에 회전가능하게 연결되어 있고, 상기 제1 굴착 유체관은 밸브 시스템(74)을 통하여 굴착 유체 플랜트(72)에 연결된 것을 특징으로 하는 굴착 동안에 굴착 유체의 연속 순환을 위한 배치구조.

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