육상시추용 방향제어 추진체의 구조건전성평가 및 실증적용에 관한 연구 = Study on Structural Integrity Assessment and Field Demonstration Test of Directional Control Propulsion System for On-Shore Drilling

국문 초록 (Abstract)

방향성 드릴링(Directional drilling)은 지하의 목표 지점까지 수직 또는 수평 궤적(경로)을 3차원적으로 변경 가능하다. 하나의 플랫폼으로부터 다수의 유정을 시추하여 경제성 확보가 가능하며, 수직 시추로는 접근이 용이하지 않은 부분도 해결 할 수 있다. 방향제어 시스템 중 머드모터는 지하 목표 지점까지 드릴링 방향을 의도하는 방향으로 3차원적으로 변경하여 천공할 수 있도록 드릴의 경로를 변경하고 이를 제어하는 핵심적인 부품이다. 본 연구는 머드모터의 최적설계를 통해 시추가능 장비를 구축하는 것이 연구목적이다. 또한 개발장치인 머드모터를 통해 캐나다 현지 광구를 통해 시추를 실증하여 기술적 우위를 점하고, 머드모터의 국산화를 성공하는 것이다. 따라서 머드모터의 국산화 개발하기 위해서는 설계에 기반한 해석이 필요하다. 선진국의 모델에 대한 역설계를 통해 기본설계치수를 도출한 뒤, 드릴스트링 무게에 따른 머드모터 응력 경향, 머드모터 설계 하중에 대한 구조해석, 머드모터 이수 순환 유동해석, 머드모터 커넥팅로드 피로해석, 머드모터 부품의 국부 손상 해석, 머드모터 베어링섹션 하우징 및 회전체요소의 과도응답해석 및 실증시험 계측값 기반의 머드모터 동특성 및 구조건전성 해석으로 머드모터의 구조건전성을 확보하고 캐나다 광구에 실증 적용하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경과 목적 1
• 가. 연구의 배경 1
• 1) 방향성 시추 개요 3
• 2) 머드모터 개요 4
• 나. 연구의 목적 6
• 다. 머드모터 문제점 및 개선방안 사전검토 6
• 라. 연구대상 및 최적 설계 방향 9
• 참고문헌 12
• Ⅱ. 머드모터 설계 및 분석 13
• 1. 연구대상 13
• 가. 머드모터 구성요소 13
• 2. 머드모터 설계분석 20
• 가. 머드모터 설계 20
• 참고문헌 23
• Ⅲ. 머드모터 수치해석 24
• 1. 드릴스트링 무게에 따른 머드모터 응력 경향 24
• 가. 경계조건 및 물성데이터 26
• 나. 해석 결과 30
• 2. 머드모터 설계 하중에 대한 구조해석 34
• 가. 내구성 확보 위한 변경 검토 재질 분석 35
• 나. 해석 결과 37
• 3. 머드모터 이수 순환 유동해석 40
• 가. 이수 종류 및 주요 이론 40
• 나. 해석 결과 48
• 4. 머드모터 장비 간 결합에 따른 구조해석 50
• 가. 머드모터 시간이력 구조해석 해석모델 및 재료물성데이터 51
• 나. 유한요소 모델 53
• 다. 하중 및 경계조건 55
• 라. 해석 결과 56
• 5. 머드모터 커넥팅로드(connecting rod) 피로해석 67
• 가. 피로해석 산정 방법 및 해석 결과 69
• 나. AISI 4340 Q-T 피로 물성 측정 73
• 6. 머드모터 부품의 국부 손상 해석 75
• 가. 선진사 연구사례분석 76
• 나. 이론적 배경 77
• 다. 강도평가기준 79
• 라. 커넥팅로드 부품시험 87
• 7. 머드모터 베어링섹션 하우징 및 회전체요소의 과도응답해석 88
• 가. Time Step에 따른 회전속도 및 하중 88
• 나. 외부하우징 해석 결과 90
• 다. 내부회전체 해석 결과(Rotary Mode) 100
• 라. 내부회전체 해석 결과(Sliding Mode) 108
• 8. 실증시험 계측데이터 기반의 머드모터 동특성 및 구조건전성 해석 117
• 가. 실증시험 데이터 분석 117
• 나. Coupled fluid-Structure 운동방정식 126
• 다. 동특성 실증 및 해석결과 비교 128
• 9. 개발모델을 적용한 현지실증 132
• 가. 설비장착 및 시운전 테스트 132
• 나. 1차 및 2차 실증 결과 132
• 참고문헌 136
• Ⅳ. 결 론 140
• Abstract 141