철재 케이싱이 설치된 시추공에서도 적용가능한 공곡검층기 K-DEV

K-DEV: A Borehole Deviation Logging Probe Applicable to Steel-cased Holes

심지층 특성화 기술 확보에 필요한 자체 기기 개발의 일환으로 철재 케이싱이 설치된 시추공에도 적용가능한 공곡검층기 K-DEV를 설계하고 500 m 깊이 용 시작품을 개발하였다. K-DEV는 디지털 출력을 제공하고 이미 성능이 입증된 센서들을 장착하며, 기존에 국내에서 사용하는 윈치시스템과 호환성을 갖추도록 설계되었다. K-DEV 시작품은 외경 48.3 mm 비자성 스테인레스강 하우징을 채용했으며 실험실 내에서 20 MPa까지의 방수 시험, 그리고 1 km 깊이 시추공에 삽입하여 내구성 시험을 거쳤다. 시작품을 이용해 600 m 깊이까지의 하향 및 상향 연속 검층을 수행하여 작동의 안정성 및 자료의 반복성을 확인하였다. 철재 케이싱이 설치되어 있는 시추공내에서 방위각 결정에 필수적인 자이로 센서로 K-DEV 시작품에서는 고정밀도 MEMS 자이로스코프를 채택하였다. 여기에 가속도계 자료와 각속도 자료를 융합하고 무향 칼만 필터링(Unscented Kalman Filtering)을 통해 최적화 함으로써 정확한 궤적 추적을 수행하는 알고리듬을 고안하였다. 시험 시추공에서 K-DEV 시작품과 상업적 기기와의 비교 검층을 통해 서로 매우 근접한 결과를 얻었다. 특히, MEMS 자이로 센서의 시간에 따른 drift에 의한 오차 누적 문제는 검층 전 후에 정두에서 동일한 방향으로 위치한 정지 상태에서 측정한 자료로부터 각속도를 보정함으로써 해소될 수 있으며, 철재 케이싱이 설치된 시추공에서의 공곡검층이 나공 상태에서의 결과와 거의 동일한 궤적 추정 결과를 제공함을 확인할 수 있었다. 이러한 시작품 적용 결과로서 K-DEV 개발의 방법론, 시작품의 안정성 및 자료의 신뢰성을 확보하였다고 판단된다.

We designed a borehole deviation survey tool applicable for steel-cased holes, K-DEV, and developed a prototype for a depth of 500 m aiming to development of own equipment required to secure deep subsurface characterization technologies. K-DEV is equipped with sensors that provide digital output with verified high performance; moreover, it is also compatible with logging winch systems used in Korea. The K-DEV prototype has a nonmagnetic stainless steel housing with an outer diameter of 48.3 mm, which has been tested in the laboratory for water resistance up to 20 MPa and for durability by running into a 1-km deep borehole. We confirmed the operational stability and data repeatability of the prototype by constantly logging up and down to the depth of 600 m. A high-precision micro-electro-mechanical system (MEMS) gyroscope was used for the K-DEV prototype as the gyro sensor, which is crucial for azimuth determination in cased holes. Additionally, we devised an accurate trajectory survey algorithm by employing Unscented Kalman filtering and data fusion for optimization. The borehole test with K-DEV and a commercial logging tool produced sufficiently similar results. Furthermore, the issue of error accumulation due to drift over time of the MEMS gyro was successfully overcome by compensating with stationary measurements for the same attitude at the wellhead before and after logging, as demonstrated by the nearly identical result to the open hole. We believe that the methodology of K-DEV development and operational stability, as well as the data reliability of the prototype, were confirmed through these test applications.