Subsea 생산 시스템 시뮬레이션에 관한 연구

Study on Simulation of Subsea Production System

Article information

J. Ocean Eng. Technol. 2013;27(3):1-7
박주용*, 조효제*, 이승재*
Corresponding author Ju Yong Park: +82-51-410-4307, jypark@hhu.ac.kr
Received 2013 February 06; Accepted 2013 June 10; Revised 2013 April 12.

Trans Abstract

The purpose of this study was the implementation of a simulation for a subsea production system. This subsea production system is installed under environments with high pressure and low temperature. Most of the processes for oil and gas production occur in the subsea equipment. Therefore, an understanding and study of subsea production systems is very difficult because people cannot directly observe the processes occurring in the subsea production system. A simulation system can be a useful solution for this difficult problem. In this research, information models and a 3-D graphic model of the subsea equipment were built using the object-oriented technology and 3-D CAD. The entire system was implemented with the help of simulation software, 3-DVIA Virtools. The simulation system for the subsea production system was tested using several production process scenarios. The results of the tests showed that the simulation system is very useful for understanding a subsea production system and could be a good educational tool.

1. 서 론

Subsea 생산 시스템은 해저 석유 자원을 생산하기 위해 해저면에 설치되는 석유/가스 생산 시설을 의미한다. 해저 석유/가스 생산 시설은 해상 생산설비에 비해 충분한 공간 확보가 가능하고 해상의 처리설비를 해저로 옮길수록 생산성 및 경제성이 높아져 그 필요성과 관련 산업이 꾸준한 증가 추세에 있다. Subsea 생산 시스템 시장은 2009년 연간 180억 달러에서 2013년에는 약 300억 달러에 이를 것으로 추정되며 이 규모는 해상 생산설비의 2~3배에 이르는 규모이다. 그리고 2007년 심해 석유 생산량은 전체의 6%수준이지만 2012년에는 10%에 이르고, 그 이후에도 지속적으로 성장할 것으로 추정하고 있다(Choi, 2008).

Subsea 생산 시스템은 수백m에서 수천m에 이르는 심해저의 극한 환경에서 운용되는 만큼 시스템 및 각 구성품의 설계 및 제작, 엔지니어링 기술, 설치와 유지관리 등에서 고도의 첨단기술이 요구된다. 현재 이러한 기술을 보유하고 있는 업체는 미국 및 유럽의 극소수 업체뿐이며 이들이 시장을 독점하고 있고 기술의 공개를 철저히 차단하고 있어 상세한 기술 내용이 알려지지 않은 부분이 많은 실정이다(Damsleth et al., 2012).

최근 국내에서도 Subsea 생산시스템의 고부가가치성과 높은 시장성장성을 인식하여 정부 및 산업계에서 Subsea 생산 시스템 관련 기술개발에 많은 관심을 기울이고 투자를 시작하고 있다. 그러나 아직은 극한 환경에서 작동되는 Subsea 시스템에 대한 기술력 부재와 전문인력의 부족 및 높은 시장진입 장벽으로 인해 많은 어려움을 겪고 있으며 아직 Subsea 시스템의 핵심 구성품을 설계 또는 제작한 실적이 전무한 실정이다.

Subsea 석유/가스 생산 장비는 엄청난 고압 하에서 수십년의 내구성을 확보해야 하기 때문에 특수한 소재로 제작되며 손상에 대비한 이중 또는 삼중의 안전장치를 포함하고 있어 유사한 기능을 하는 육상 또는 해상 장비에 비해 훨씬 크고 구조도 매우 복잡하다. 또한 각 장비는 서로 연동되어 하나의 Subsea 시스템을 구성하여 연동 시스템의 규모가 매우 크고 해저에서 운용되므로 각 장비의 작동원리, 작동방법 및 장비간의 연동성을 파악하기가 쉽지 않다(Li et al., 2012).

본 연구는 Subsea 시스템의 핵심 구성품인 Wellhead, X-mas tree, Manifold, Flowline, Umbilical cable, Umbilical termination assembly(UTA), Pipeline end termination(PLET), Jumper 등의 구조와 작동원리 및 방법을 분석하여 객체지향 정보처리 기법을 이용하여 정보 모델을 정립하고 이를 바탕으로 3차원 형상 모델을 구축하였다. 또한 각 구성품 간의 상호 연동 관계를 분석하여 PC의 가상환경에 Subsea 생산 시스템 시뮬레이터를 구축하였다. 이 시뮬레이터에 실제의 석유/가스 생산 과정을 토대로 작성된 시나리오를 적용하여 Subsea 원유 생산 과정을 가시적인 방법으로 구현하였다. 또한 특정 구성품이 손상되거나 문제가 발생하여 사용할 수 없을 경우에도 그 상황에 적절하게 원유생산을 계속할 수 있는 방법을 찾아냄으로써 본 시뮬레이터의 유용성을 검증하였다

2. Subsea 생산 시스템

2.1 Subsea 생산 시스템의 구성

Subsea 석유/가스 생산 시스템을 위한 장비들은 크게 Fig. 1과 같이 생산과정 장비, 수송과정 장비, 제어 장비로 나누어 생각해 볼 수 있으며 경우에 따라 IOR(Increase oil recovery, 원유증진회수) 장비도 추가할 수 있다. 하지만 IOR 장비는 아직 설치된 곳이 많지 않아 고려하지 않기로 하였다. 각 장비들의 기능과 특징들을 다음 절에서 간단히 살펴본다.

Fig. 1

Categorized subsea production system

2.2 X-mas tree의 구조 및 기능

X-mas tree는 Wellhead 상부에 설치되어 있는 장비로, 주요 기능으로는 석유/가스의 생산을 제어하고, 바다와 유정의 안전 경계역활을 한다. 또한 유정이나 Flowline에 화합물을 주입하고, Downhole 밸브들을 제어하기도 한다. Annulus의 초과 압력을 빼내고 Choke를 통해 흐름을 일정하게 유지하는 등 안전과 관련된 많은 역할들을 담당하고 있다. X-mas tree의 가장 우선적인 기능은 유정의 변동압력 등으로 인한, 큰 재앙으로 연결될 수 있는, 사고를 예방하는 것이다. 이를 위해 Fig. 2와 같이 다양한 밸브로 구성되어 있다(Winther-Larssen, 2007).

Fig. 2

Horizontal X-mas tree

2.3 Manifold와 jumper

Manifold는 통상 4~10개의 유정으로부터 뽑아 올린 원유를 모아서 Flowline으로 전달하는 역할을 수행한다. 주요 구성은 대형 배관과 차단 밸브로 구성된다. 그리고 해저면에서 Manifold를 지지하고 수평을 맞추기 위하여 다양한 하부지지구조물이 사용되며, 심해에서는 보통 Suction pile foundation을 이용한다. 또한 통상적으로 X-mas tree를 공급하는 업체에서 일괄적으로 Manifold까지 공급한다.

Jumper는 해저 장비를 서로 연결하는 관이며, 유연식과 강체관 중에 선택적으로 사용이 가능하다. 다만, 부식이 적은 재질과 고온 고압에 대응할 수 있는 모양으로 제작되는 것이 일반적이다. 그리고 보통 수면에서 해저까지 수직으로 하강시켜 서로 연결시켜 설치한다. 따라서 X-mas tree와 Manifold간의 거리와 설치방법에 따라 길이와 형상을 결정한다.

Fig. 3

Manifold

Fig. 4

Jumper

2.4 Flowline과 Pipeline End Termination(PLET)

처리설비까지 저류층 생산물을 수송하는 관로인 Pipeline의 끝단부에는 PLET가 설치되어 있다. 이 장비는 특별한 기능은 없으며 Pipeline과 다른 장비가 Jumper를 통해 효과적으로 연결할 수 있도록 Pipeline을 마무리하는 형상을 가지고 있다.

Fig. 5

Pipeline end termination

Fig. 6

Flowline

2.5 Umbilical Termination Assembly(UTA)

Umbilical의 끝단부에는 UTA라는 장비가 설치되어 있다. 이는 Umbilical 내부의 다양한 신호와 화합물을 알맞게 분산시키는 역할을 한다.

해양 엔지니어링에 사용되는 복합케이블인 Umbilical은 Subsea production system의 다양한 구성품들을 작동 및 통신하기 위한 여러 종류의 케이블들을 포함하고 있는데 해저면에 닿게 되는 Umbilical의 끝단에 UTA가 설치된다. UTA는 Umbilical 내부의 다양한 부속케이블을 필요로 하는 각 장비들에게 분산시키는 역할을 한다.

Fig. 7

Umbilical and umbilical termination assembly

3. Subsea 생산 시스템의 객체지향 모델링

3.1 객체지향 모델링 기법

객체지향 모델링 기법은 구조화된 모델을 사용하여 실세계에서 일어나는 여러 문제들에 대해 생각하는 새로운 방법으로 객체(Object)를 기본 구조로 한다. 객체지향 모델은 문제의 이해, 작업자간의 의사소통, 문서화 그리고 프로그램과 데이터베이스의 설계에 유용하다. 공통적인 속성(Attribute)을 지니는 객체를 하나의 클래스(Class)로 정의하고, 링크(Link), 연관화(Association), 일반화(Generalization), 상속(Inheritance), 집단화(Aggregation) 등을 이용하여 클래스와 클래스 또는 객체와 객체간의 관계를 정의한다(Rumbaugh et al., 1991).

Subsea 생산 시스템의 객체지향 정보 모델링은 객체지향 모델링 언어인 UML(Unified modeling language)을 사용하여 수행되었다. UML은 시스템의 구성과 기능, 작동과정을 다이아그램을 통해 기술할 수 있는 기능을 가지고 있어 시스템의 요구분석과 설계 및 시스템 구현을 용이하게 할 수 있다(Choi, 2008).

3.2 Subsea 생산 시스템의 객체지향 모델링

2장에 기술된 Subsea 생산 시스템의 구성 체계, 각 구성품의 구조 및 기능은 UML의 다이아그램을 활용하여 기술하였다. Fig. 8은 2.1절에 언급된 Subsea 생산 시스템의 구성 체계를 UML의 클래스 다이아그램으로 나타낸 그림이다. 2.1절에 언급된 바와 같이 Subsea 생산 시스템의 클래스 다이아그램은 생산, 운송 및 제어의 3부분의 조합으로 되어 있으며 각 장비는 해당 장비의 부품의 조합으로 모델링되어 있다.

Fig. 8

Class diagram of subsea system

Fig. 9는 Subsea production system을 통해 이루어지는 해저 원유생산 과정을, 각 장비가 어떻게 상호작용하며 작동하는지를 기술하는 Sequence diagram으로 나타낸 것이다.

Fig. 9

Sequence diagram of subsea production system

4. Subsea 생산 시스템의 시뮬레이션

4.1 Subsea 생산 시스템의 layout

본 논문에서 구현한 Subsea 생산 시스템은 4개의 유정(Wellhead)이 있는 광구를 대상으로 하여 Fig. 10과 같이 각 유정에 설치된 총 4개의 X-mas tree, 이를 통해서 수송된 기름/가스가 모이는 1개의 Manifold, 해상 플랫폼으로 채굴한 기름/가스를 올려주는 2개의 PLET, 각 X-mas tree와 Manifold, Manifold와 2개의 PLET를 연결하는 총 6개의 Jumper로 구성되어 있다.

Fig. 10

The layout and particle flow of subsea production system

4.2 시뮬레이션 구현 방법

본 연구에서는 원유 생산 과정의 시뮬레이션을 위해 DELMIA사의 시뮬레이션 툴인 3DVIA Virtools을 사용하였다. 이는 각 장비와 그 부속품들을 객체로 인식하여 그에 따른 시뮬레이션의 구현이 가능하다(Park et al., 2011; Park and Kim, 2012).

Manifold의 구조는 Fig. 11과 같이 4개의 X-mas tree로부터 흘러들어오는 Inlet과 두개의 PLET으로 흘러나가는 Outlet이 있고, 총 8개의 밸브를 통해 흐름을 제어하도록 되어 있다. 이 때 각 X-mas tree를 통해 흘러들어온 흐름은 각각 두 개의 밸브를 통해 PLET1과 PLET2로 통하는 흐름을 제어하도록 되어 있다. Fig. 12는 Virtools를 이용해 구현한 Manifold의 구조도이다.

Fig. 11

Schematic diagram of valves in the manifold

Fig. 12

Manifold’s structure modeled by 3DVIA Virtools

석유/가스의 움직임을 예상한 경로만으로 표현한다면 시뮬레이터로써 의미가 없다고 판단하여 3DVIA Virtools의 Particle이라는 기능을 사용하여 불규칙적인 석유/가스의 유동을 반영할 수 있도록 하였다. Particle을 구성하는 요소는 Emitters, Particles, Deflectors, Interactors로 나뉜다. Emitters는 Particle이 만들어지는 소스이며 방향, 생성범위, 온오프 및 일시정지 등을 조절할 수 있다. Particle은 지속시간, 개수, 속도, 무게 그리고 색깔 등을 조절할 수 있다. Deflector는 생성된 Particle을 바운싱 시켜 경로를 수정할 수 있는 요소이다. 그 종류로는 Box, Cylinder, Infinite plane, Plane, Sphere, Object가 있다. Interactors 는 Particle의 행동, 진로, 외형 등을 수정할 수 있는 요소이다. 그 종류로는 Disruption, Global wind, Local wind, Magnet, Mutation, Tunnel, Vortex가 있다.

이 논문에서는 Wellhead 안쪽에 Emitters를 설치하고 관과 심해 석유/가스 생산 시스템의 장비를 Deflector로 설정하였다. 따라서 Wellhead 안쪽에서 생성된 Particle이 X-mas tree, Manifold, Jumper등의 장비 내부를 따라 이동하며 석유/가스의 이동 경로를 표현할 수 있도록 하였다.

4.3 심해 석유/가스 생산 시뮬레이션

개발된 시뮬레이터는 Subsea production 메뉴를 통해 심해 석유/가스 생산 과정의 시나리오를 생성하고 그에 필요한 Sequence diagram을 구현하도록 하였다. 이 때, 각 장비 및 장비간의 상호 작용에 해당하는 작동과정은 직관적으로 파악될 수 있는 GUI(Graphical user interface)를 사용하여 구현하였다.

각 PLET 앞에는 하나의 판을 설치하여 이 판에 부딪치는 Particle의 개수를 셀 수 있도록 프로그래밍 하였으며 이 개수를 통해 개략적인 생산량과 두 PLET간의 생산량의 비율을 추정할 수 있다. 이 기능을 통해 본 논문에서 개발한 시뮬레이터를 활용하여 3가지의 시나리오를 구현하여 실행하였다.

4.3.1 정상상태

제일 먼저, 정상상태 일 때 석유/가스의 흐름을 관찰할 수 있는 시나리오를 설정하였다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 Manifold내의 모든 밸브는 열린 상태이며 Mmanifold와 PLET들간의 Jumper는 정상적으로 흐름이 유지되고 있다. 이러한 상황을 약 5분 9초 700ms 동안 시뮬레이션 한 결과 PLET1과 PLET2에 도착한 Particle의 개수가 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 따라서 이 경우는 생산이 정상적으로 실행되고 있음을 나타낸다.

Fig. 13

The normal condition and the results

4.3.2 문제 상황 1

이 시나리오는 PLET1 혹은 Manifold에서 PLET1으로 연결되는 Jumper에서 균열이 생기는 문제 상황을 가정해 보았다. 이 경우, 대안으로 PLET2로 생산을 지속한다고 가정하고 Manifold의 밸브들을 Fig. 14에서 보는 바와 같이 절반이 닫히도록 하여 시뮬레이션을 수행하여 보았다. 정상상태와의 비교를 위해 시뮬레이션을 약 5분 9초 700ms 동안 실행하였고 PLET1에 도착하는 Particle이 없음을 확인하였다. 이로써 PLET1을 사용하지 않게 된 경우, PLET2만을 사용하여 석유/가스를 생산할 수 있는 시나리오를 구현하여 시뮬레이션 할 수 있었다.

Fig. 14

The 1st problematic situation and the results

Fig. 15

The 2nd problematic situation and the results (Before valve adjustment)

Fig. 16

The 2nd problematic situation and the results (After valve adjustment)

4.3.3 문제 상황 2

이번에는 X-mas tree 중 하나가 이상이 생기거나 Manifold에서 X-mas tree와 연결되는 Jumper에 문제가 발생한 상황을 가정해 보았다. 밸브 조절을 하지 않고 모두 열어둔 채 약 5분 9초 700ms 동안 실행한 결과 두 개의 PLET에 도착한 Particle의 수 차이가 38로 나타났다. 반면에 두 개의 밸브를 닫음으로써 흐름을 제어한 결과 두 개의 PLET에 도착한 Particle차이는 6으로 줄어들어 두 PLET에 작용하는 부하의 격차가 줄었음을 알 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 심해 석유/가스 생산 시스템의 시뮬레이터 개발에 대해 논의하였다. 이를 위해 심해 석유/가스 생산시스템의 구성 요소들에 관해 논의하였으며, 시뮬레이터를 개발하기 위해 시스템을 해석하기 위한 방법론으로 객체 지향 정보모델링 방법을 사용하였다.

심해 석유/가스 생산 시스템은 저온, 고압인 환경에 설치되며, 대부분의 생산과정이 구성품의 내부에서 일어난다. 따라서 심해 석유/가스의 생산과정은 직접 관찰 할 수 없으며 실제 장비 또한 매우 고가이므로 경제적 및 기술적 측면에서 설계에 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 컴퓨터를 통해 심해 석유/가스 생산 시스템을 가상으로 경험할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 심해 석유/가스 생산 시스템의 구성품을 3D 모델링 툴인 CATIA를 통해 모델링하여 시뮬레이션을 구현하는 3DVIA Virtools 라는 툴에서 사용하도록 하였다. 3DVIA Virtools를 이용하여 각 구성품의 작동을 시각화하는 과정을 거쳐 시뮬레이터를 개발할 수 있었다. 본 연구에서는 4개의 X-mas tree와 2개의 PLET만을 제어하기 위한 Manifold에 대한 제어과정을 시뮬레이션 하였으나, 실제 보다 복잡한 subsea구성 요소들을 가지는 시스템의 경우 보다 효과적인 제어 알고리즘을 개발하기 위해서는 본 연구에서 개발된 시스템이 적극 활용되어야 할 것이다. 또한 이는 Subsea 시스템을 최적화(Optimization)하는데도 활용될 수 있다.

개발된 시뮬레이터를 교육에 활용할 경우 컴퓨터를 통해 가상으로 심해 석유/가스 생산 시스템을 이루는 구성품의 작동원리와 작동과정을 직관적으로 이해할 수 있어 교육/훈련에 필요한 장비구입에 따르는 비용을 절감할 수 있다. 본 시뮬레이터는 관련학과 학생들을 위한 효율적인 교육에 활용될 수 있을 뿐 아니라, 관련 산업에서도 심해 석유/가스 생산에 종사하는 엔지니어들의 장비에 대한 이해도를 높이는 데 활용될 수 있다.

본 연구를 통해 개발된 생산 시스템의 시뮬레이터는 실제 석유/가스의 거동을 고려하지 않고 장비의 작동과정에 중점을 두었다. 실제 산업계에서도 사용할 수 있는 수준의 시뮬레이터를 제작하기 위해서는 원유에 대한 유체의 거동과 신기술에 해당하는 IOR 시스템을 시뮬레이터에 추가적으로 적용해야 할 것이다.

References

Winther-Larssen E.H.. Design of an Electric X-mas Tree Gate Valve Actuator, Master of Science in Engineering Cybernetics Norwegian University of Science and Technology; 2007.
Choi H.S.. Review of Deepwater Petroleum Exploration & Production. Journal of Ocean Engineering and Technology 2008;22(4):72–77.
Rumbaugh J., Blaha M., Premerlani M., Eddy F., Lorensen W.. Object-Oriented Modeling and Design Prentice Hall; 1991.
Park J.Y., Jo H.J., Lee J.H., Lim Y.J.. The implementation of Drilling Simulation for Offshore Rig Education. Journal of the Korea Society for Simulation 2011;20(2):11–17. 10.9709/JKSS.2011.20.2.011.
Park J.Y., Kim Y.U.. A Study on Development of 3-D Simulator for H-Beam Robot Cutting and Optimization of Cutting Using the Simulator. Journal of KWJS 2012;30(4):334–338.
Damsleth P., Abdalla B., Tang KC. Challenges and Concept Solutions for 46-inch Diameter Deepwater PLEM -Connector Qualification In : Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference. ISOPE; 2012. p. 213–221.
Li Z., Duan M., Wang Y., Dong Y., He N.. An Analytic Method for the Development Mode of Deepwater Oil and Gas Fields In : Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference. ISOPE; 2012. p. 1041–1047.

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Fig. 1

Categorized subsea production system

Fig. 2

Horizontal X-mas tree

Fig. 3

Manifold

Fig. 4

Jumper

Fig. 5

Pipeline end termination

Fig. 6

Flowline

Fig. 7

Umbilical and umbilical termination assembly

Fig. 8

Class diagram of subsea system

Fig. 9

Sequence diagram of subsea production system

Fig. 10

The layout and particle flow of subsea production system

Fig. 11

Schematic diagram of valves in the manifold

Fig. 12

Manifold’s structure modeled by 3DVIA Virtools

Fig. 13

The normal condition and the results

Fig. 14

The 1st problematic situation and the results

Fig. 15

The 2nd problematic situation and the results (Before valve adjustment)

Fig. 16

The 2nd problematic situation and the results (After valve adjustment)