해안가 시추정을 위한 안전판

By Dewei Wang, Engineer, China National Petroleum Corporation, Daqing Petroleum Equipment Group, Pumping Unit R&D, Daqing, China

ANSYS의 솔루션을 활용하여 침수된 지역에서 원유 시추 작업자들의 장비를 물에 젖지 않도록 올려주는 박스의 성능을 시뮬레이션 함으로써 기능을 개선할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 새로운 박스들을 개발함으로써 시간이 90% 감소하였고, 수명은 기존 디자인에 비하여 7배까지 증가하였습니다.

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Sure Footing for Onshore Drilling Sites

"물은 작업에 불편함을주며, 장비의 수명을 단축시키고 또한 주변환경에 안 좋은 영향을 끼치기도 합니다."

muddy drilling site

많은 해안가 시추 및 생산 프로젝트 진행시 주로 시추정 기반 토목작업에서 많은 애로사항이 발생합니다. 늪지대나 강가 주변의 시추정에서는 주변을 둘러싼 정체된 물(수 센티미터에 이르는)이 있는 공간 때문에 작업에 여러 가지 복잡한 문제들이 발생합니다. 물은 작업에 불편함을 주며, 장비의 수명을 단축시키고 또한 주변 환경에 안 좋은 영향을 끼치기도 합니다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나는 환경에 큰 영향을 주지 않도록 기반을 건설하는 것입니다.

물로 인해 발생하는 이러한 문제를 해결하기 위하여 전 세계에서 세 번째로 큰 석유 회사인 China National Petroleum Corporation(CNPC)는 가동 기간을 여름에서 겨울로 옮기려고 시도하였으나, 이는 지속 불가능할 정도의 난방비의 증가를 초래했습니다. 또 다른 해결책은 수 톤의 흙을 실어오는 것인데, 이는 프로젝트 비용이 상당히 증가하게 됩니다. 또한, 2015년에 환경규제가 발효된 이후로 시추가 완료되면 시추 장소의 모든 흙을 제거해야 합니다.

따라서, 현재 가능한 해결책은 흙으로 채워진 단단한 강철 메시의 기반 박스를 사용하는 것입니다. 여러 박스들이 조립되면, 작업자들과 기계들이 물 밖에 있는 채로 작업장을 가로지를 수 있는 플랫폼을 형성하게 됩니다. 이러한 기반 박스들은 수송되어야 할 흙의 양을 상당히 줄여주어 기존의 다른 해결책보다 우수한 것으로 평가됩니다.

muddy drill site

진흙탕인 시추정 장소

일반적인 시추정 작업장에서 플랫폼은 약 200개의 서로 연결된 기반 박스들로 만들어지며, 이 하나의 플랫폼으로 모든 필요한 작업 공간을 커버합니다. 이 박스들은 약 60톤에 달하는 트럭들과 작업자들을 수용할 수 있습니다. 일반적인 경우 이러한 기반 박스들을 설계할 때 직접 계산을 수행하는 몇몇의 전문 엔지니어는 물론 프로토타입을 이용한 여러 번의 실험이 필요했습니다. 박스를 만드는 전체 프로세스에는 수십 명의 숙련된 작업자들이 필요하였으며, 약 4개월에 이르는 시간이 소요되었습니다. 기존 기반 박스들의 기대 설계수명은 5년이었으나, 예상보다 구조 강도의 감소가 빨라 고작 2년 정도를 버틸 수 있었습니다. 따라서 새로운 기반 박스 설계시 더욱 긴 수명이 요구되었습니다. CNPC는 더욱 향상된 기반 박스의 제작을 위해 ANSYS Workbench의 ANSYS Mechanical 구조해석과 최적화 해석을 활용하여 설계와 반복 테스트를 수행하였습니다.

CNPC의 설계팀은 ANSYS Workbench에 포함된 ANSYS DesignModeler를 활용하여 초기 기반 박스 설계부터 가능한 생산 과정들의 제한조건들을 만족하기위한 형상 최적화를 수행, 설계를 수정하였습니다. 또한, ANSYS Mechanical의 고유 모드 해석 모듈(Static and modal analysis module)을 활용하여 선형 좌굴 해석(Linear buckling analysis)을 수행, 각각의 박스 구조의 한계하중을 결정하였습니다. 엔지니어들은 강도, 재료와 생산비용의 최적의 밸런스를 찾기 위한 설계 최적화를 수행했습니다. 기반 박스의 표면에 있는 강철 판재의 두께는 박스의 강도와 생산비용에 가장 큰 영향을 미치는 요소입니다. 강철 판재의 두께가 매 mm 늘어날 때마다, 생산비용은 2.5% 증가하고 무게는 평방미터 당 125kg 정도 증가합니다. ANSYS 프로그램의 매개 변수 기능은 가장 위에 있는 철판의 최종 두께를 최적화하는데 활용되었습니다. CNPC의 엔지니어들은 ANSYS 솔루션을 활용하여 많은 시간과 비용이 소요되는 수작업들을 설계와 구조 매개변수들을 자동화하는 단 20개의 시뮬레이션으로 대체할 수 있었습니다. 구조 설계는 2주 안에 완료되었으며, 개발 주기는 90% 단축되어 과거에 비해 3개월이나 일찍 박스를 시장에 출시할 수 있게 되었습니다. 기반 박스 하나의 무게가 40%까지 감소하였습니다.

linear buckling simulation
Shape optimization
shape optimization
Linear buckling simulation

base boxes

장비 아래 위치한 네 개의 기반 박스들

"CNPC의 엔지니어들은 ANSYS솔루션을 활용하여 많은 시간과 비용이 소요되는 수작업들을 설계와 구조 매개변수들을 자동화하는 단 20개의 시뮬레이션으로 대체할 수 있었습니다."

hanging strength load

구조물이 설계된 하중을 지지할 수 있을지에 대한 검토 해석

U최근 개발된 박스들은 15년 정도의 기대 설계수명을 가지며, CNPC는 토양 조달 및 환경 관리 비용에서 매년 2백만 달러 이상의 비용을 절약하고 있습니다. 각각의 기반 박스들의 무게는 400 kg 감소하였으며, 이는 각각의 시추정에서 사용되는 강철의 무게 중 70톤 이상을 감소시켰습니다. 이는 관련 수송비용을 6.8%까지 절약해주었습니다.

통합된 ANSYS의 시뮬레이션 솔루션은 적용 가능한 각각의 시추정들을 위해 기반 박스들을 전체적으로 분석하고, 최적화할 수 있는 역량을 제공하였으며, 이를 통해 CNPC 는 수백만 달러를 절약할 수 있었습니다. 시추정에 수천 파운드의 흙을 수송하여 들여오고 다시 제거해야 할 필요가 없어지면서 환경에 미치는 영향도 상당량 감소하게 되었으며, 설계 주기는 과거의 수작업 과정의 십분의 일밖에 소요되지 않습니다.

DOE

Design of experiments

ANSYS Workbench

ANSYS Workbench project schematic and optimization

total load

전체 하중이 고려된 시뮬레이션 결과
Base boxes
Base boxes
base boxes
base boxes
기반 박스들
 

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