The casing has been used as a protective conduit during all phases of drilling operations and productions for the oil and gas industries. The casing is manufactured in various diameters, wall thicknesses, lengths, strengths, and connections. When the casing is designed, it has to be considered to wi...
The casing has been used as a protective conduit during all phases of drilling operations and productions for the oil and gas industries. The casing is manufactured in various diameters, wall thicknesses, lengths, strengths, and connections. When the casing is designed, it has to be considered to withstand a variety of forces, such as collapse, burst, and tensile failure, as well as chemically aggressive brines. Once the casing is damaged, serious problems in geothermal well have been detected continuously. Therefore, this paper describes the casing design for stability of geothermal well to determine influence of casing parameters on the strength and load. In addition, the casing design program was developed. The estimated collapse, burst, tension and depth pressure can provide benefit in the casing design and completion method. This program provides a safety factor and predicts the casing stress more easily.
The casing has been used as a protective conduit during all phases of drilling operations and productions for the oil and gas industries. The casing is manufactured in various diameters, wall thicknesses, lengths, strengths, and connections. When the casing is designed, it has to be considered to withstand a variety of forces, such as collapse, burst, and tensile failure, as well as chemically aggressive brines. Once the casing is damaged, serious problems in geothermal well have been detected continuously. Therefore, this paper describes the casing design for stability of geothermal well to determine influence of casing parameters on the strength and load. In addition, the casing design program was developed. The estimated collapse, burst, tension and depth pressure can provide benefit in the casing design and completion method. This program provides a safety factor and predicts the casing stress more easily.
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문제 정의
설계하고자 하는 지열정의 조건에서 발생하는 하중을 계산하고 이 값에 만족하는 강도를 가진 케이싱을 선택한다. 그리고 케이싱을 지열정에 적용하였을 때 안전계수와 설계계수를 비교하여 설계한 케이싱이 타당한지, 실제 적용이 가능한지를 판단할 수 있도록 한다. 이러한 과정을 통해 조건에 맞는 적절한 케이싱을 설계함으로써 파괴위험성을 최소화할 수 있을 것으로 보인다.
특히 육상석유시추 경험이 없는 국내에서는 케이싱에 관련된 연구가 매우 부족하여 대부분 케이싱 설계를 국외에 맡기는 실정이기 때문에 정확한 설계와 분석에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 케이싱 설계에 영향을 주는 인자들을 찾아보고 그 인자들이 케이싱 강도에 미치는 영향을 분석하여 정리하고자 한다. 또한 케이싱의 고유강도 및 하중을 고려한 안전계수를 설계하고, 이를 통해 보다 쉽고 효율적인 케이싱 설계가 가능한 프로그램을 개발하고자 한다.
그리고 케이싱 재질에 따라 본체항복강도 및 인장강도가 많은 영향을 받는데 단순히 재질이 가지는 강도뿐 만 아니라 환경적인 요인, 화학적 부식 등을 고려하여 재질을 선택해야한다. 또한 본 연구에서는 다양한 응력 및 하중을 고려하여 케이싱을 설계할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발된 케이싱 설계프로그램은 지열정의 조건들을 미리 파악하고 하중을 예측하여 케이싱 설계를 보다 효율적으로 수행하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 케이싱 설계에 영향을 주는 인자들을 찾아보고 그 인자들이 케이싱 강도에 미치는 영향을 분석하여 정리하고자 한다. 또한 케이싱의 고유강도 및 하중을 고려한 안전계수를 설계하고, 이를 통해 보다 쉽고 효율적인 케이싱 설계가 가능한 프로그램을 개발하고자 한다. 일반적으로 지열정의 케이싱 설계는 석유공학을 기반으로 하기 때문에 영국단위가 주로 사용되지만 본 논문에서는 이를 SI 단위로 환산하여 나타내었다.
따라서 결합강도는 ST&C보다 buttress에서 크게 나타났고, 같은 조건에서 더 강한 결합강도를 가지는 buttress 결합방식이 현재 surface 케이싱에 많이 적용되는 이유로 볼 수 있다. 본 연구에서는 surface 케이싱에 국한하여 결합방식에 따른 결합 강도를 비교하였다. 하지만 케이싱의 설치되는 깊이, 즉 케이싱의 종류에 따라 케이싱 외경이 달라지고 그에 맞는 결합방식이 달라지기 때문에 조건에 맞는 방식을 채택하는 것이 설계시 중요하다.
본 연구에서는 안전계수를 이용하여 효율적인 케이싱 설계가 가능한 프로그램을 개발하였다. 프로그램은 Fig.
본 연구에서는 지열정 공벽안정화 기술 중 하나인 케이싱의 설계에 대해 알아보았다. 케이싱의 파괴원인은 매우 다양하기 때문에 지열정 및 모든 요구조건을 만족하는 케이싱 설계가 필요하다.
제안 방법
또한 케이싱의 고유강도 및 하중을 고려한 안전계수를 설계하고, 이를 통해 보다 쉽고 효율적인 케이싱 설계가 가능한 프로그램을 개발하고자 한다. 일반적으로 지열정의 케이싱 설계는 석유공학을 기반으로 하기 때문에 영국단위가 주로 사용되지만 본 논문에서는 이를 SI 단위로 환산하여 나타내었다.
대상 데이터
케이싱의 효율적인 설계를 위해서는 위의 주요인자들이 케이싱의 고유강도에 미치는 영향을 살펴볼 필요가 있다. 본 연구에서 사용된 케이싱 데이터는 미국의 Drilling Software사에서 제공한 자료를 참고하였다.
성능/효과
결합강도는 buttress가 ST&C보다 약 1.5배 크게 나타났으며, 두께가 증가함에 따라 두 결합강도는 모두 증가하여 나타났다.
D/t 값이 커진다는 것은 외경이 커지고 두께가 얇아짐을 의미하므로 앞서 살펴본 인자들이 강도에 미치는 영향과 같은 결과를 보여준다. 또한 강재등급이 높을수록 최소붕괴강도는 크게 나타났고 강도가 클수록 탄성곡선과 만나는 점의 D/t 값은 작게 나타나는 것을 확인하였다.
붕괴 및 파열강도는 외경이 작을수록 증가하였고, 두께 및 무게가 커질수록 증가하였다. 또한 결합강도는 결합방식에 따라 많은 영향을 받으며 surface 케이싱의 경우, buttress 결합방식이 가지는 결합강도가 타 결합방식에 비해 큰 것을 확인하였다. 그리고 케이싱 재질에 따라 본체항복강도 및 인장강도가 많은 영향을 받는데 단순히 재질이 가지는 강도뿐 만 아니라 환경적인 요인, 화학적 부식 등을 고려하여 재질을 선택해야한다.
또한 두께에 대한 영향이 ST&C보다 buttress에서 더 크게 나타남을 확인하였다.
케이싱의 강도에 영향을 미치는 인자들은 크게 외경, 두께, 결합방식, 재질등급 등이 있으며, 인자들에 따라 케이싱의 고유강도가 증감하는 것을 확인하였다. 붕괴 및 파열강도는 외경이 작을수록 증가하였고, 두께 및 무게가 커질수록 증가하였다. 또한 결합강도는 결합방식에 따라 많은 영향을 받으며 surface 케이싱의 경우, buttress 결합방식이 가지는 결합강도가 타 결합방식에 비해 큰 것을 확인하였다.
그래프를 살펴보면 두께가 증가함에 따라 붕괴 및 파열강도가 증가함을 알 수 있다. 앞서 t/D 값에 비례하여 붕괴 및 파열강도가 증가함을 확인하였다. 이 조건에서 외경은 47 cm로 고정되어 있으므로 t값의 증가에 따라 붕괴 및 파열강도는 증가하게 된다.
D/t의 값에 따라 elastic, transition, plastic range 구간으로 나뉘고 근사식 또한 달라지는데 외경이 35 cm 미만인 구간은 천이구간에 가깝다. 이 구간에서는 다른 식과 비교하여 강재의 강도뿐만 아니라 탄성계수 등을 복합적으로 고려하여야 하기 때문에 근사식에 의한 오차가 발생된 것으로 보이며, D/t 값이 커짐에 따라 데이터와 계산값이 거의 정확함을 확인하였다.
7은 강재등급과 외경 및 두께의 비(D/t)에 따른 최소붕괴강도를 보여준다. 재질등급의 숫자가 클수록 높은 붕괴강도를 가지며, D/t 값이 커질수록 최소붕괴강도는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 주목되는 점은 외경이 작을수록 재질에 의한 최소붕괴강도가 크게 차이날 수 있다는 점이다.
케이싱은 기본적으로 탄성변형 범위 내에서의 설계가 요구되며, 위험요소를 최소화하는 것이 핵심이다. 케이싱의 강도에 영향을 미치는 인자들은 크게 외경, 두께, 결합방식, 재질등급 등이 있으며, 인자들에 따라 케이싱의 고유강도가 증감하는 것을 확인하였다. 붕괴 및 파열강도는 외경이 작을수록 증가하였고, 두께 및 무게가 커질수록 증가하였다.
후속연구
또한 본 연구에서는 다양한 응력 및 하중을 고려하여 케이싱을 설계할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발된 케이싱 설계프로그램은 지열정의 조건들을 미리 파악하고 하중을 예측하여 케이싱 설계를 보다 효율적으로 수행하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
그리고 케이싱을 지열정에 적용하였을 때 안전계수와 설계계수를 비교하여 설계한 케이싱이 타당한지, 실제 적용이 가능한지를 판단할 수 있도록 한다. 이러한 과정을 통해 조건에 맞는 적절한 케이싱을 설계함으로써 파괴위험성을 최소화할 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지열에너지를 활용하기 위해 필요한 3대 요소는 무엇인가?
지열에너지를 활용하기 위해 필요한 3대 요소는 지열, 열을 운반할 물, 그리고 물의 운반경로이다. 현재까지 지열발전은 높은 지온경사가 존재하는 화산지대에서 높은 투수율과 충분한 물이 존재할 경우에만 가능하였다.
인공 지열저류층 생성기술은 어떠한 기술인가?
하지만 최근 들어 지열만 존재하는 지역에 인공적인 저류층을 생성하여 지열발전이 가능하도록 하는 인공 지열저류층 생성기술(Enhanced Geothermal System, EGS)이 현재 미국, 유럽 등의 여러 나라에서 활발히 연구가 진행되고 있다.(1) EGS는 지열발전에 필요한 열이 충분하게 존재할 경우, 인공적으로 물을 주입하고 수압에 의해 생성된 인공파쇄대가 투수율을 높여 지열발전이 가능하도록 하는 기술이다. 이에 화산성 고온지열 지역이 아닌 우리나라에서도 지열발전의 확대를 위한 일환으로 EGS기술에 집중하고 있다.
현재까지 지열발전은 어떠한 경우에만 가능하였는가?
지열에너지를 활용하기 위해 필요한 3대 요소는 지열, 열을 운반할 물, 그리고 물의 운반경로이다. 현재까지 지열발전은 높은 지온경사가 존재하는 화산지대에서 높은 투수율과 충분한 물이 존재할 경우에만 가능하였다. 하지만 최근 들어 지열만 존재하는 지역에 인공적인 저류층을 생성하여 지열발전이 가능하도록 하는 인공 지열저류층 생성기술(Enhanced Geothermal System, EGS)이 현재 미국, 유럽 등의 여러 나라에서 활발히 연구가 진행되고 있다.
참고문헌 (6)
Min, G. B., 2011, Status and Prospects of EGS technology for the development non-volcanic zone, Journal of the Sarek, Vol 40, No. 10, pp. 43-48.
Jeon, J. U., 2011, The casing and cementing of geothermal well for geothermal system, Journal of the Geothermal Energy Vol. 7, No. 2, pp. 4-10.
Huang, X. and Mihsein, M., 2000, Collapse strength analysis of casing design using finite element method, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 77, pp. 359-367.
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