Development of a Pressure Core Sampler with Built-in Data Logging System

데이터 기록 장치가 내장된 PCS (Pressure Core Sampler)의 개발

Abstract

Development of a reservoir pressure core sampler (PCS) with a built-in data logging system (DLS) for recording real-time temperature and pressure observations is critical in domestic hydrocarbon production to accurately measure and monitor reserves of shale gas, coalbed methane, and gas-hydrate. Another purpose of this new technology is to minimize the loss of gas from the core as the drill core is collected. This is accomplished by maintaining the pressure of the sample from the moment the drill core is obtained at depth, thus allowing an accurate analysis of shale gas, coalbed methane gas, and gashydrate within the core. Currently, the United States and European countries have monopolized the development and marketability of PCS technologies. We are thus developing a reservoir PCS by analyzing the operating principle and mechanisms of the existing PCS, and by conducting tests on the existing PCS. We further aim to develop a PCS with a maximum operating pressure of 100 bar, a maximum operating temperature of $-20^{\circ}C$ to $40^{\circ}C$, and a pressure loss rate of 10%.

본 연구에서는 국내 비전통에너지자원인 셰일가스, 석탄층메탄가스(CBM) 및 가스하이드레이트 개발사업의 정확한 매장량을 위해 온도와 압력을 실시간으로 기록하는 DLS (Data Logging System)가 내장된 저류층 PCS (Pressure Core Sampler)를 개발하여 국산화시키고, 지하심부의 시료가 채취된 순간부터 시료의 압력을 유지함으로써 시료 내 가스의 손실 없이 시추코어를 회수하는데 있다. 저류층 PCS는 일반적인 코어 샘플러와는 달리 입구 부분에 볼밸브와 같은 개폐 장치가 있어 일정 길이의 코어 샘플이 채취되면 입구를 밀폐하여 원위치 상태의 압력이 그대로 유지되게 하는 기능을 갖고 있다. 이것은 특히 셰일가스나 석탄층메탄가스 및 가스하이드레이트와 같은 기체를 포함한 시료의 정확한 분석을 위해 아주 중요한 역할을 하게 된다. 현재 PCS 장비 및 이를 활용한 기술은 미국과 유럽 등에서 독점하고 있는 상황이다. 이에 따라 기존 PCS의 동작원리 및 메커니즘 분석과 상세설계를 수행하여 저류층PCS를 개발중이며, 성능은 PCS 최대 사용압력 100 bar, PCS 최대 사용온도 $-20{\sim}40^{\circ}C$, PCS 압력 손실율 10%를 목표로 하고 있다.

서 론

최근 유가 상승과 변동성 심화에 따라 기존 화석연료의 대안으로 비전통 에너지자원인 셰일가스와 석탄층메탄가스(CBM) 및 가스하이드레이트가 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 셰일가스는 전 세계적으로 가채매장량이 187.5조 m3로서 전통가스의 확인매장량인 187.1조 m3 (2011년 말 기준)과 비슷한 수준으로 향후 인류가 59년간 사용가능한 매장량(2010년 소비기준)이며, 전세계적으로 고르게 분포(Fig. 1)되어 있다(Lee, 2012). 식물이 석탄으로 서서히 변화되는 과정에서 형성된 석탄층메탄가스(CBM)의 매장량은 약 250조m3로서 주로 러시아, 북미 지역에 분포되며, CBM사업은 현재까지 미국, 호주, 캐나다, 등이 대규모로 상업적 개발에 성공하여 풍부한 석탄자원을 가진 국가를 중심으로 사업성이 부각되고 있다(Hwang, 2010). 가스하이드레이트는 천연가스가 저온 또는 고압하에서 물분자와 결합하여 형성된 얼음과 같은 고체물질로 낮은 온도 환경을 가진 영구동토층이나 고압저온 환경의 심부 해저 퇴적층에 주로 분포한다(Sloan, 1998; Max et al., 2006). 가스하이드레이트는 전 세계 약 10조톤에 이르는 매장량과 환경친화적인 장점으로 인하여 차세대 에너지원으로 각광을 받고 있다(Yoo et al., 2006). 비전통에너지 자원개발에 있어 원위치 물성취득 샘플러는 정확한 매장량을 확인하는데 필수적이며, 해외의 경우 다국적 기업인 FUGRO와 HYACE 등 일부 업체에서 독자적으로 개발하여 사용하고 있다.

Fig. 1.Distribution of shale gas and conventional gas reserves (International Energy Agency, 2009).

이 연구의 목적은 국내 비전통 에너지 자원인 셰일가스, 석탄층메탄가스(CBM) 및 가스하이드레이트 개발 사업의 정확한 매장량을 위해 데이터 기록 장치(Data Logging System)가 내장된 저류층 PCS를 개발하여 국산화 시키는데 있다.

 

저류층 PCS의 개요

연구개발 필요성

비전통 자원은 최근 유가 상승, 채굴기술 개발에 따른 비용 감소로 개발이 확대되고 있으며, 생산비중이 계속 증가할 전망이다(Fig. 2).

Fig. 2.Predicted future global oil supply (Cambridge Energy Research Associates, 2009).

이와 같은 비전통 에너지 자원을 개발하기 위해서는 정밀 탐사를 통해 부존 유망지역 및 매장량 예측, 지층상태를 알아야하며, 이러한 조사의 일환으로 해당 지층의 샘플을 채취하게 된다. 이 때 가장 일반적으로 사용되는 것이 코어 샘플러를 이용하는 것이지만 기체를 포함하고 있는 셰일가스, 석탄층메탄가스(CBM) 및 가스하이드레이트의 정확한 매장량을 확인하기 위해서는 일반적인 코어 샘플러가 아닌 PCS (Pressure Core Sampler)가 사용되는데 이는 지하 심부(1 km 이하)의 고압상태의 시료가 지상으로 인양 될 경우 대기압상태가 되면서 시료 안에 있는 가스가 새어 나가기 때문이다.

PCS (Pressure Core Sampler)는 일반적인 코어 샘플러와는 달리 입구 부분에 볼밸브와 같은 개폐 장치가 있어 일정 길이의 코어 샘플이 채워지면 입구를 밀폐하여 원위치 상태의 압력을 그대로 유지하게 하는 기능을 갖고 있다.

본 연구는 비전통 석유가스 저류층에 부존하고 있는 자원의 매장량을 정확히 산정하는데 필요한 원위치 물성자료를 취득하기 위해서 데이터기록장치가 내장된 저류층 PCS를 개발하는 것이며, 이를 통해 지하심부의 시료가 채취된 순간부터 시료의 압력을 유지함으로써 시료 내 가스의 손실 없이 회수하여 정확한 원위치 물성 정보를 제공할 수 있다.

저류층 PCS의 구성

기존의 PCS는 Fig. 3과 같이 크게 ① 시추기의 회전동력을 PCS에 전달해 주는 역할을 수행하는 Latch Assembly, ② Pressure Barrel Assembly의 볼밸브를 개폐해 주는 역할을 수행하는 Actuator Assembly, ③ 채취된 시료가 원 상태의 압력과 온도가 최대한 보존되도록 용기 역할을 하는 Pressure Barrel Assembly 의 세부분으로 구성되어 있다. 또한, 온도와 압력 데이터를 기록하는 장치를 탑재하고 있지만 배터리의 용량으로 인해 실시간으로 데이터를 기록하지 못하고 있어 채취 시의 시료 상태를 정확하게 알 수 없으며, 단지 PCS를 인양 후의 시료 상태만 측정이 가능하다.

Fig. 3.Main components of the existing PCS.

본 연구를 통해 개발한 저류층 PCS (Fig. 4)는 PCS의 내부에 탑재가 가능한 모듈형 실시간 데이터기록장치를 내장함으로써, 시추코어의 채취하는 순간부터 인양하는 모든 과정에서 온도와 압력을 실시간으로 기록하여 정확하고 신뢰성 있는 시추코어를 확보하는데 있다.

Fig. 4.Basic concept of the reservoir PCS.

 

연구내용

개념설계

국외에서 PCS 관련 연구 및 기술개발은 FUGRO (다국적기업)사와 HYACE 등 일부업체에서 PCS 운영 시스템을 독점하고 있다. 국내의 경우 PCS와 관련된 연구 및 기술개발은 전무한 상태이며, 동해안의 천연가스 및 가스하이드레이트 개발 사업을 위해 고비용의 기술료를 지불하고 있는 실정이다. 따라서 향후 비전통 자원개발의 국산화을 위해 국외 제품의 기술동향 및 시스템을 분석하여 DL-PCS의 개념설계(Fig. 5)를 수행하였다. 개념 설계를 위한 추가적인 기능적 요구조건은 다음과 같다.

Fig. 5.PCS abroad technique analysis of product. FUGRO (left); HYACE (right).

개발하고자 하는 DL-PCS (Data Logging Pressure Core Sampler)의 성능목표는 Table 1과 같다.

Table 1.Goals of the reservoir PCS.

실시간데이터기록시스템(DL-PCS) 상세설계

DL-PCS는 총 4개의 큰 파트로 구분되며, 코어 샘플과 온도 및 압력유지를 하는 Pressure Barrel Part, 코어를 샘플링하기 위해 볼밸브 개폐 역할을 수행하는 Actuator Assembly Part, 시추기의 회전동력을 PCS에 전달하고 유체의 흐름을 변경시켜 실린더의 작동을 돕는 Latch Assembly Part, 실시간으로 온도와 압력을 기록하는 데이터기록장치로 구성된다.

Pressure Barrel Part

Pressure Barrel Part는 볼 밸브가 포함되어 있어 채취한 시료를 보존하는 역할이며, 코어를 채취 한 후 압력 및 온도 유지를 위한 장치들이 포함 된 부분이다(Fig. 6). 그러므로 상세설계 시 정밀한 가공 및 공차를 확인하여 진행해야 한다. 또한, 방수 및 압력 유지를 위한 볼 밸브쪽의 O-링과 back-up 링 및 기타 특수링들의 사이즈와 재질을 결정해야 하며, 코어를 채취 후 실린더에 의해 코어 튜브가 들어올려지면 operator sleeve 및 head가 작동되면서 볼 밸브를 90도로 회전시켜 압력 및 온도를 유지해야 한다.

Fig. 6.Pressure Barrel Assembly.

Actuator Assembly Part

Actuator Assembly Part는 볼 밸브의 개폐역할 및 실린더 축을 작동시키는 역할이며 실시간 데이터 기록 장치가 포함되는 센서하우징(Sensor housing)이 포함되어 있으며, 매니폴드 맨들러(Manifold mandrel)에는 온도센서와 압력센서가 부착되어 있다. Latch에 의해 외부 케이싱과 결합되어 회전하는 파트는 볼 베이링에 의해 코어 튜브는 회전하지 않고 샘플을 채취 할 수 있다(Fig. 7).

Fig. 7.Actuator Assembly.

Latch Assembly Part

시추기 전단부에 연결되며 시추기의 회전동력을 전달받아 하단부의 시추 작업을 하며, 외부 충격과 유체흐름에 대응할 수 있는 구조적 형태 및 재질 선정에 중점을 두었다. 상단부의 볼 콜렛(ball collet)은 실린더를 작동하기 위한 볼을 떨어뜨리는 역할로 일정 힘 이상 가해지면 벌어지게끔 설계하였다(Fig. 8). 또한 Actuator의 실린더와 Latch의 실린더 간 간섭유무 확인 및 유량이 잘 빠져나갈 수 있도록 설계하였다(Fig. 9).

Fig. 8.Ball collet structure and ball size determination.

Fig. 9.Review of the ball bearing structure and fluid flow.

마지막으로 코어를 샘플링 한 후 압력유지를 위해 실린더를 작동하기 위한 볼이 떨어져 유체의 흐름을 변경해서 볼 실린더를 작동시킬 때 O-링에 의해 발생할 수 있는 마찰력 및 상부에서 가해지는 압력에 따라 실린더가 작동하는지에 대한 테스트를 진행해야한다.

데이터기록장치(Data Logging System)

데이터기록장치는 PCS-보드(Fig. 10)에 해당하는 부분으로 온도 및 압력센서(Fig. 11)가 감지한 측정자료를 수신 및 저장하는 기능을 담당한다.

Fig. 10.Real-time data logging prototype.

Fig. 11.Pressure-temperature sensor of the DLS.

주요 구성부 조립 및 작동범위 확인

PCS의 주요 구성부인 Pressure barrel, Actuator, Latch Assembly를 3D 모델링(Fig. 12)을 통하여 구성품 간 간섭 및 작동범위를 분석하였으며, DL-PCS의 작동원리는 Fig. 13과 같다.

Fig. 12.Basic design of the DL-PCS.

Fig. 13.Operation process of the DL-PCS.

 

결 론

이 논문의 목적은 PCS의 국산화를 위해 PCS 제작 및 시험시추에 앞서 저류층의 압력과 온도를 심부환경에서 바로 측정함과 동시에 인양되는 과정에서 변화되는 압력과 온도를 기록하는 DL-PCS 설계를 수행하여 시제품을 제작하는 것이다. 데이터기록장치를 장착하게 될 PCS의 기본적인 메커니즘을 설정하기 위해 기존 PCS의 메커니즘 분석과 설계요구 조건 분석, 기능적 요구사항을 분석하였고, 이를 바탕으로 DL-PCS의 기본사양을 결정하였으며, 3D 모델링을 통해 구성품 간 간섭 및 작동원리를 예측할 수 있었다. 또한 DLS 프로토타입 실험결과 DLS 최대사용 온도 30.3℃와 최고 압력 100.05 bar, 메모리는 1024MB를 사용하여 1440시간 동안 데이터 손실 없이 저장되었으며, 통신 성능시험은 UART (RS-232C)방식 채용하였다. 향후 시제품 테스트 위한 시추공을 확보하여 성능평가를 진행할 예정이다.