초심해용 시추 라이저 시스템 분석

Abstract

해양 시추기술의 발달과 더불어 시추가능 수심 또한 깊어져 왔다. 1897년 캘리포니아 서머랜드에서 시작된 35 ft 수심의 시추기술은 현재 초심해인 12,000 ft까지 시추가 가능하도록 발전됐다. 최근 15,000 ft 수심, 20k psi 유정압력 사양의 시추선 개발이 새로이 각광을 받고 있으며, 실제로 오일 메이저 사(社)와 조선소, 그리고 장비 제작업체간의 협력을 통해 차세대 시추설비의 개발 초기단계에 있다. 시추 라이저는 시추설비와 해저면에 위치한 유정을 연결하는 통로 역할을 하며, 이 통로를 통해 시추 파이프 및 시추 머드가 이동하게 된다. 라이저 설계의 가장 중요한 점은 장력이 적절하게 유지되도록 하는 것이며, 이를 위해 라이저 외부에는 부력을 담당하는 부력체가 설치된다. 복잡한 시추장비 중 특히 BOP(Blowout Preventer)를 포함한 라이저 시스템은 시추작업에 있어 가장 큰 하중을 시추선에 전달하기 때문에 주요 시추장비의 사양은 이에 큰 영향을 받게 된다. 본 논문에서는 초심해에 해당하는 10,000 ft, 12,000 ft 및 15,000 ft의 수심에 대한 라이저 시스템을 54", 58", 62" 각각의 부력체를 달리해 동적 해석하여, 수심 및 내부 유체 별 케이스에 따른 경향성을 알아보고, 특히 미개발된 15,000 ft 수심에 대한 부력체 방안을 제시한다. 본 논문의 해석 결과에 따르면, 10,000 ft ~ 12,000 ft 수심에 대해 현재 사용되고 있는 54" 부력체의 경우는 15,000 ft 수심을 포함한 대부분의 케이스에서 사용 가능하며, 58" 부력체의 경우는 내부 유체가 머드인 경우 54" 부력체보다 더 좋은 효율을 보인다. 또한 62" 부력체의 경우는 15,000 ft 수심 및 18 ppg의 가장 무거운 머드를 내부 유체로 할 때만 사용 가능하다는 결과를 보여, 15,000 ft 초과의 수심에서 사용 가능하다고 판단된다. 또한 기존의 부력체 재질 대신 본 논문에서 제시한 방안을 통해, 최고 장력의 효율이 5 ~ 10% 정도 증가함을 알 수 있다.

Drilling capability in deepwater has been increased with the development of offshore drilling technology. First offshore drilling in 1897 at Summerland, California was in a water depth of 35 ft, while the recent offshore drillings were done in water depth up to 12,000 ft. Attempt for drilling in water depth of 15,000 ft and 20,000 psi wellbore pressure has been attracted a new limelight. The development of next generation drilling facility has been considered through the cooperation among the major oil companies, shipyards, and drilling equipment suppliers. Drilling riser is connected between the surface drilling facilities and the seabed as the passage, and drilling pipes and drilling mud move through this passage. The most important aspect of the riser design is appropriately to maintain of such tension. Therefore, buoyancy modules are attached on the outside of the riser. Among the complex drilling equipments, in particular the riser system comprising a BOP greatly affects the specification of the main drilling equipments because this riser system transmits the most significant load on drilling facility during drilling operation. In this thesis, riser analysis with existing buoyancy modules of 54" OD for different water depth; 10,000 ft, 12,000 ft and 15,000 ft, and different internal drilling fluids; water, 14 ppg mud, 16 ppg mud and 18 ppg mud, is performed. Riser analysis with increased buoyancy modules of 58" and 62" OD buoyancy modules with same material are also performed for each water depth and internal drilling fluids to find tendency of buoyancy module effectiveness. Alternative solutions of the buoyancy modules for ultra-deepwater 15,000 ft water depth which is undeveloped are also proposed. According to analysis results, 54" buoyancy modules that is currently in use can be used in most cases including 15,000 ft water depth. 58" buoyancy modules show better efficiency than 54" buoyancy modules, if the internal fluid is a mud. 62" buoyancy modules are determined to be available at depths of more than 15,000 ft, because it can be used only for 15,000 ft water depth with 18 ppg mud which is most heavy mud in consideration. Furthermore, through a proposal that has been presented in this thesis instead of the conventional buoyancy material, efficiency of tension along the riser system is increased by 5 ~ 10%.