모듈형 웰헤드(Wellhead) 설계

By Wen Chun Lee, Product Design Engineer, Singapore WEFIC Ocean Technologies Pte. Ltd, Singapore

싱가포르의 WEFIC Ocean Technologies는 모듈형 웰헤드 설계를 통해 석유 및 가스 산업계에서 다운 홀장비의 설치 시간을 단축하고 있습니다. 그들은 여러가지 케이싱 프로그램과 작동 압력을 수용하는 단계적인 시스템을 사용하며, 이 시스템은 작동하기 쉽고 안전하며 효율적입니다. WEFIC 엔지니어들은 시스템 내의 중요한 구성 요소들에 대한 설계 개선안들을 평가하기 위해 ANSYS Mechanical을 사용하였습니다. 평가에는 유한요소 해석 결과를 검증하기 위한 물리적 시험이 같이 수반 되었습니다. 이러한 접근 방법은 기존의 안정성을 유지하면서도, 시험에 필요한 프로토타입의 개수와 개발 시간을 약 60% 정도 획기적으로 감소시킬 수 있었습니다.

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Designing Modular Wellheads

"ANSYS 기술을 사용하게 되면서, 과거에 요구되었던 설계 시간의 약 40% 수준에서 설계를 마무리 할 수 있었습니다."

Modular Wellhead

WEFIC installation

WEFIC provides a full line of wellhead and Christmas tree technology.

웰헤드는 유전이나 가스전의 표면에 놓여지며, 유전의 수명주기에서 서로 다른 단계에 시추공으로 삽입되는 드릴 스트링, 케이싱 라인 및 프로덕션 튜빙 등을 위한 압력 완충 및 경계 지점입니다. 표면 압력을 제어하기 위해 웰헤드의 상단에 2가지의 기기들이 부착되어 있습니다. 첫 번째 기기는 굴착작업 중에 사용되는 가스, 오일 등의 분출을 방지하는 장치이며, 두 번째 기기는 굴착작업이 끝나면 설치되는 Christmas tree(시추공에서 나오는 유동을 조정하기 위한 밸브들, 피팅, 스풀 등으로 구성)입니다. 웰헤드의 내경에는 케이싱 스트링과 프로덕션 튜빙을 연결하는데 사용되는 케이싱과 튜빙 고정부에 단차가 적용되어 있습니다. 이러한 단차들이 케이싱과 튜빙 연결부의 아래쪽으로의 움직임을 방지하는 동안, 케이싱과 튜빙 연결부를 위로 움직이려 하는 시추공에서 발생하는 압력에 저항하기 위한 메커니즘 또한 필요하다. 이러한 현상들은 웰헤드에 손상을 주고 보압을 감소시키는 밀봉 누설을 야기할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위한 가장 일반적인 방법은 연결부를 고정 나사로 고정하는 것입니다. 이 방법은 대량의 고정 나사를 설치하고 조여야 하기 때문에 상당한 설치 시간이 필요합니다.

싱가포르 WEFIC Ocean Technologies Pte. Ltd. (WEFIC)는 유전 공학산업 분야에 최첨단 석유 장비 및 기술 서비스를 제공하고 있습니다. WEFIC사의의 Modular Wellhead(MW-I)는 육상 및 해상 모두에 적용이 가능하며, 웰헤드 내부 홈에 장착 될 때까지 반경 방향으로 확장될 수 있는 고정링을 통해 설치 시간을 단축시킬 수 있습니다. 설치작업은 웰헤드, 라이저 및 분출 방지 장치를 통해 작동되는 기기들을 이용하여 진행됩니다. 이러한 방법을 통해, 설치에 소요되는 시간 및 시추 소요 비용 또한 획기적으로 줄일 수 있게 됩니다. 회사의 이전 빌드 & 테스트 방법을 사용하여 새로운 웰헤드의 고정링을 설계하려면 2~3개의 프로토타입을 제작하고 테스트 해야 하는데, 각각의 프로토타입 별로 약 2개월 정도의 시간이 필요합니다. 엔지니어들은 이러한 방법으로 고정링을 설계하는 데 약 6개월이 소요될 것으로 예상했습니다. 새로운 웰헤드의 고정링을 디자인하기 위해 ANSYS Mechanical을 사용하여 프로토 타입 단계에서 최종 수정만으로 단 10주 만에 최종 제품에 매우 근접한 설계를 구현할 수 있었습니다. 새로운 방법을 통해 제품을 훨씬 빨리 출시할 수 있게되었습니다.

modular wellhead diagram
modular wellhead diagram
Modular wellhead
lock ring stress
최대 하중 조건에서 고정링(lock ring)의 응력 결과
lock ring stress
다른 방향에서의 고정링 응력 결과
lock ring reaction force
웰헤드에 작용하는 압력에 대한 반력은 강제 변위를 링의 위쪽으로 적용 함으로서 발생됩니다.

고정링 설계 요구 사양

고정링은 웰헤드의 모델에 따라 3,000~15,000 psi의 압력에 상응하는 상(上) 방향 힘을 견뎌내야 합니다. 이 링은 3,000 psi와 5,000 psi 조건의 웰헤드에서 하나의 단차에 대하여 사용되지만, 10,000 psi 및 15,000 psi 모델에서는 여러 개의 단차에 대하여 사용됩니다.

이전의 WEFIC 엔지니어들은 설계 단계에서 프로토타입을 제작하고 테스트하는 과정을 반복적으로 수행했으며, 이 과정에서 각각의 디자인 별로 약 2개월 정도 소요되었습니다. 지난 몇 년간 유가가 하락하자 회사는 설계 프로세스의 효율성을 높이는 방법을 모색하게 되었습니다. WEFIC사는 CAD-IT 컨설턴트와 협력하여 ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 가상 프로토 타입을 제작함으로써, 실제 제작하고 테스트해야 하는 프로토타입의 개수를 줄였습니다. 이 회사는 ANSYS Mechanical 의 유한 요소 분석 소프트웨어를 통해 5,000 psi 및 10,000psi 웰헤드에 대한 고정링 설계를 수행하였습니다.

엔지니어들은 링의 재질을 100,000 psi 이상의 항복 강도를 갖는 합금으로 정의했습니다. 그들은 웰헤드의 압력 등급과 같은 힘이 링아래에 적용될 때 링을 확장시키는데 필요한 힘과 링 전체의 응력을 계산해야만 했습니다. 그들은 시뮬레이션 시작 시점에서 링이 반경 방향으로 확장되도록 설정함으로써 이러한 목표를 달성했습니다. 링이 완전히 확장하게 되면 반경 방향 변위가 멈추고, 링을 확장하는 데 필요한 최대 힘이 기록됩니다. 다음으로, 다른 변위 경계 조건을 사용하여 링을 위로 이동시킵니다. 반력이 웰헤드의 압력 등급에 도달하면 시뮬레이션이 중단되고, 링의 응력과 변형이 평가됩니다.

ring expansion force
lock ring
링 팽창을 위한 경계 조건을 변경하여 적용함으로써 최대 링 팽창력을 산출 할 수 있었습니다.

더욱 빠른 고객 대응 더 빠른 시장 공급

첫 번째 설계에서는 허용 가능한 팽창력이 나타났으나, 응력 값은 설계 목표치를 초과했습니다. 엔지니어는 고리의 두께, 웰헤드와 접촉하는 링의 외경 단면의 각도 값을 변경하는 과정을 통해 추가적인 설계 변경을 시도해 볼 수 있었습니다. 10번의 시도를 통해, 설계 사양 아래로 응력 값을 줄이는 동시에 고정링의 팽창력과 무게 또한 줄일 수 있었습니다.

엔지니어들은 프로토타입을 제작하고 시험하였습니다. 테스트 결과는 모든 설계 사양을 충족하고 시뮬레이션 결과와 거의 일치하였습니다. 시뮬레이션을 이용함으로써 고정링을 설계하는 데 불과 2주, 프로토타입을 제작하고 테스트하는데 2개월이 걸렸습니다. JANSYS 기술을 사용하여 과거에 요구되는 시간의 약 40%인 10주 만에 설계를 마무리 할 수 있었습니다. 설계 및 케이싱 프로그램과 같은 시추 조건에 따라 WEFIC 모듈 형 웰 헤드는 설치시간을 줄임으로써 시추공 마다 상당량의 시추 비용을 절감 할 수 있게해 줍니다.

이는 ANSYS 툴을 통해 WEFIC 엔지니어가 더 짧은 기간 내에 제품 개발 프로세스를 수행할 수 있게하고 또한 비용이 절감된 최적화된 솔루션을 고객들에게 제공하도록 도움을 준 한 가지 사례 일 뿐입니다.

installed wellheads
installed wellheads
installed wellheads
Installed wellheads

WEFIC은 ANSYS 채널 파트너 CAD-IT 컨설턴트에 의해 지원받고 있습니다.

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