During drilling, the precipitation velocity of cuttings within an annulus depends on the density and configuration of the cuttings, and on the density, viscosity, and rheological characteristics of the drilling fluid. In directional drilling in particular, it is difficult to adjust and control the c...
During drilling, the precipitation velocity of cuttings within an annulus depends on the density and configuration of the cuttings, and on the density, viscosity, and rheological characteristics of the drilling fluid. In directional drilling in particular, it is difficult to adjust and control the cuttings. In contrast to vertical drilling, it is very important to evaluate the flow characteristics of a drilling flow field. However, research on the transfer features of cuttings is inadequate. In this study, in order to identify transfer features of cuttings, an experiment was performed under wide-ranging conditions by constructing a slim hole annulus ($44mm{\times}30mm$) device. In this experiment, the particle volume fraction were influenced by particle size, particle concentration within the flow, pipe rotation, flow volume, and inclination of the annulus. In addition, a mathematical formula for volumetric concentration was deduced and compared to the test results and behavior of cuttings under the other drilling condition was made to be predicted. Therefore, this study can provide meaningful data for vertical and horizontal drilling, and for directional drilling.
During drilling, the precipitation velocity of cuttings within an annulus depends on the density and configuration of the cuttings, and on the density, viscosity, and rheological characteristics of the drilling fluid. In directional drilling in particular, it is difficult to adjust and control the cuttings. In contrast to vertical drilling, it is very important to evaluate the flow characteristics of a drilling flow field. However, research on the transfer features of cuttings is inadequate. In this study, in order to identify transfer features of cuttings, an experiment was performed under wide-ranging conditions by constructing a slim hole annulus ($44mm{\times}30mm$) device. In this experiment, the particle volume fraction were influenced by particle size, particle concentration within the flow, pipe rotation, flow volume, and inclination of the annulus. In addition, a mathematical formula for volumetric concentration was deduced and compared to the test results and behavior of cuttings under the other drilling condition was made to be predicted. Therefore, this study can provide meaningful data for vertical and horizontal drilling, and for directional drilling.
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문제 정의
이러한 이유에서 본 연구는 방향성 시추기술의 메카니즘을 이해하고 시추 작업에서 효율적인 암편 이송을 위한 기반 연구를 수행하고자 한다. 또한, 시추 작업시 벽면에서의 파괴적인 진동을 피하고 벽면 안정성을 높일 수 있는 시추기술인 Slim hole 시추기법을 같이 적용하여 유체공학적 관점에서 시추 유동장의 유동 특성을 파악하고자 하였다.
이러한 이유에서 본 연구는 방향성 시추기술의 메카니즘을 이해하고 시추 작업에서 효율적인 암편 이송을 위한 기반 연구를 수행하고자 한다. 또한, 시추 작업시 벽면에서의 파괴적인 진동을 피하고 벽면 안정성을 높일 수 있는 시추기술인 Slim hole 시추기법을 같이 적용하여 유체공학적 관점에서 시추 유동장의 유동 특성을 파악하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 시추기술 중에서 효율성과 경제성을 높일 수 있는 새로운 기술인 방향성 소구경굴착(Directional slim-hole drilling)의 효과적인 운전을 위한 기반연구로서 시추작업시 암편의 침전량 및 이송특성을 예측하고자 상관식을 도출하였다. 이를 위하여 본 연구의 변수로서 적용되는 환형관의 반경비(η), 기울기(θ), 회전수(Ω), 유속(Vz), 입자농도(Φ) 등에 대한 입자체적율(CVT)을 측정하여 환형관내 유동특성을 파악하였으며 암편의 이송성능을 정립하기 위해 입자체적율에 대한 실험결과를 분석하여 정립하고자 하였다.
그러나 이러한 특성은 고-액 혼합물이나 다상유동의 경우에는 적용되지 않는다. 본 연구에서는 고-액 혼합유동의 유동 특성을 다양한 조건에서 실험을 수행하였다.
이러한 현상은 실제 시추작업에 있어서 매우 위험한 상황을 초래할 수 있다. 이와 같이 경사 환형관내 침전층 형성은 입자이송율을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다는 것이 많은 연구로 알려져 있으며, 본 연구에서는 다양한 조건의 실험을 통해 이송율 파악 및 침전층의 크기와 직접적으로 연관하여 입자체적율을 예측할 수 있는 경험식을 만들게 되었다.
이 제시한 실험식의 특징은 경사각이 70° 이상의 수평굴착에만 적용가능하며 입자 투입율의 변화에도 적용할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 가능한 굴착유동의 물리적 변수를 최대한 반영하여 입자이송 특성을 예측할 수 있는 실험식을 만들고자 하였다. 이러한 입자체적율에 대한 일반화된 수식을 도출하기 위하여 관련 변수들로서 환형관에 대한 유속, 환형관 기울기, 회전수, 입자투입율, 유체의 물성치 등으로 선정하여 수차례 반복실험으로 오차를 최소화하고 실험식 도출에 필요한 충분한 데이터를 확보하였다.
본 연구에서는 고-액 2상 환형관 유동에 대한 실험적 연구를 통해 경사굴착에서 입자체적율의 특성을 파악하였다. 본 실험은 수성이수(Water based mud)에 대표적인 물을 작동유체로 사용하였으며, 유동의 주요 변수인 안쪽축 회전수와 환형관의 경사각 그리고 고체입자의 투입율을 변화시키면서 수행하였다.
제안 방법
이를 위하여 본 연구의 변수로서 적용되는 환형관의 반경비(η), 기울기(θ), 회전수(Ω), 유속(Vz), 입자농도(Φ) 등에 대한 입자체적율(CVT)을 측정하여 환형관내 유동특성을 파악하였으며 암편의 이송성능을 정립하기 위해 입자체적율에 대한 실험결과를 분석하여 정립하고자 하였다.
7)로 제작되었다. 환형관 상부에 0.5m 간격으로 탭을 뚫어 압력을 측정할 수 있게 제작되었으며, 환형관의 하부에 입자 투입장치를 설치하여 입자가 일정하게 투입될 수 있도록 하였다.
실험 장치내 계측부로서 샘플링을 할 수 있도록 볼 밸브를 설치하였으며, 환형관의 안쪽 축은 회전속도를 측정할 수 있는 장치, 평균 이송속도 및 고체 입자의 평균 질량 이송 속도를 측정할 수 있는 장치를 설치하였다. 이 외에 순환 유량을 일정하게 조절할 수 있도록 제작된 유체 투입부를 설치하였다.
실험은 유체 투입부를 통하여 작동 유체를 투입한 후 입자 투입 장치를 통하여 모래입자를 투입 하는 순으로 이루어지며, 입자 투입 후 어느 정도의 시간이 흘러 이송상태가 안정화 되었을 때 진행되었다. 각 실험은 실험데이터의 정확성을 위하여, 수차례에 걸쳐 실행되어진 동일한 실험의 평균값을 사용하였다.
본 연구에서는 시험부의 출구 부근에서 유량을 샘플링 할 수 있는 장치를 설치하여 실시간 또는 평균 입자의 체적율을 직접 계측하였으며 뉴튼 유체인 물에 대해 고-액 2상 혼합유체의 유속과 입자농도, 경사각 및 안쪽축 회전수에 대한 환형관 내 고체입자의 입자체적율의 변화를 Fig. 2에 도시하였다.
따라서 본 연구에서는 가능한 굴착유동의 물리적 변수를 최대한 반영하여 입자이송 특성을 예측할 수 있는 실험식을 만들고자 하였다. 이러한 입자체적율에 대한 일반화된 수식을 도출하기 위하여 관련 변수들로서 환형관에 대한 유속, 환형관 기울기, 회전수, 입자투입율, 유체의 물성치 등으로 선정하여 수차례 반복실험으로 오차를 최소화하고 실험식 도출에 필요한 충분한 데이터를 확보하였다.
3~5에 나타내었다. 실험변수들의 조합으로 만들어진 무차원수의 특성을 파악하기 위하여 입자체적율에 대한 각각의 결과를 도시하였다. 그 결과 Taylor 수(Ta)와 입자투입율(Φ)에 대한 입자체적율의 특성은 단순한 선형적인 증감을 나타내고 있기에 정확한 수식 표현이 가능하였으나 Froude 수(Fr)에 대해서는 상대적으로 수식표현에 어려운 결과를 보여주고 있다.
3의 결과에서 확인할 수 있다. 따라서 Froude 수(Fr)에 대한 분석은 다른 무차원수의 경우처럼 도시된 결과를 수식 표현이 가능한 방정식을 선정함에 있어서 실험결과와의 오차를 최소화하기 위하여 방정식의 결정계수(R2)의 값을 비교하여 수식을 선정하였다.
본 연구에서는 고-액 2상 환형관 유동에 대한 실험적 연구를 통해 경사굴착에서 입자체적율의 특성을 파악하였다. 본 실험은 수성이수(Water based mud)에 대표적인 물을 작동유체로 사용하였으며, 유동의 주요 변수인 안쪽축 회전수와 환형관의 경사각 그리고 고체입자의 투입율을 변화시키면서 수행하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 실험장치는 크게 입자 투입부와 실험을 위한 환형관 그리고 계측부로 나누어지며 Fig. 1과 같다. 환형관은 투명아크릴 파이프로 제작되었으며, 바깥쪽 실린더 내경 44mm, 안쪽축의 외경 30mm로 반경비(η = 0.
이 외에 순환 유량을 일정하게 조절할 수 있도록 제작된 유체 투입부를 설치하였다. 이번 연구에 사용된 작동유체는 수성이수로 사용되는 물로서 실험장치의 제원 및 변수값은 Table 1에 나타내었으며 사용된 모래입자 투입율에 대한 혼합유체의 물성치 변화는 Table 2와 같다.
데이터처리
실험은 유체 투입부를 통하여 작동 유체를 투입한 후 입자 투입 장치를 통하여 모래입자를 투입 하는 순으로 이루어지며, 입자 투입 후 어느 정도의 시간이 흘러 이송상태가 안정화 되었을 때 진행되었다. 각 실험은 실험데이터의 정확성을 위하여, 수차례에 걸쳐 실행되어진 동일한 실험의 평균값을 사용하였다.
이론/모형
이러한 다양한 변수들을 하나의 상관식으로 표현하기 위하여 우선 아래의 식 (2)와 (3)과 같이 무차원수인 입자투입율(Φ)을 제외한 변수들의 조합을 위해 입자의 중력특성과 관성력의 비로서 Froude 수(Fr)를 정의하였으며, 유체의 물성치와 환형관의 회전의 관계로서 Taylor 수(Ta)를 정의하였다.
성능/효과
또한, 경사각에 대한 특성으로 경사각이 30° 이상에서 급격하게 CVT가 증가하는 모습을 보였으며 60° 이상이 되면 침전물이 바닥에 거의 정체되는 현상으로 인해 CVT의 증가폭이 줄어드는 결과를 나타내고 있다.
그 결과 Taylor 수(Ta)와 입자투입율(Φ)에 대한 입자체적율의 특성은 단순한 선형적인 증감을 나타내고 있기에 정확한 수식 표현이 가능하였으나 Froude 수(Fr)에 대해서는 상대적으로 수식표현에 어려운 결과를 보여주고 있다.
)를 정의하였다. 또한 두 수식에는 환형관의 조건이 공통적으로 포함되어 있어 연구에 적용되는 모든 조건변수들의 상관관계를 무차원수로 나타낼 수 있었다.
6과 같이 식 (7)의 계산값과 실험결과 값의 상관관계를 비교하였을 때, 최대 오차범위는 7%이내에서 일치하고 있으며 입자체적율이 25%를 넘어가면서 실험식과의 오차가 다소 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이러한 오차가 증가하는 시점은 각각의 실험조건에서 환형관의 기울기가 급격하게 증가하는 시점과 일치하는 것으로 나타났다. 이는 실험조건에서 환형관의 경사각이 큰 경우 중심축의 회전에 의한 진동이나 편심이 증가하여 발생되는 실험적 오차를 고려할 때 전반적으로 일반화된 입자체적율의 실험식이 실험결과와 유사하게 나타난다고 할 수 있다.
(2) 경사각이 수직에서 30° 이상 기울어질 때 환형관내부에 중력방향으로 중력의 영향을 받아 관내에 이송되는 고체입자가 침전되어 침전층을 형성하였으며, 경사각이 더욱 증가할수록 입자침전층의 두께가 크게 형성되었다.
7(b)에서는 경사각과 회전수의 변화에 따른 결과를 비교하고 있으며 그림에서와 같이 수직에 가까운 기울기 영역에서 다소 오차가 크지만 기울기가 증가할수록 실험식의 결과가 실험값의 경향을 잘 따라가고 있음을 알 수 있다. 이는 굴착작업에서 입자침전물에 의한 위험요소(Stuck pipe) 등은 수직환형관보다는 경사환형관에서 나타나기 때문에 본 연구의 실험식은 환형관의 경사각변화를 중요하게 적용하였으며 실험식을 통한 환형관 기울기의 증가에 따른 입자체적율의 예측이 가능하다고 할 수 있다.
(1) 경사 환형관 내부에서 시추유체의 이송능력에 영향을 미치는 요소들 중에서 굴착 작업의 안정성과 관련있는 입자체적율은 유속과 안쪽축 회전수가 증가에 따라 낮아지며, 입자투입율과 경사각이 증가될 때 커지게 되므로 동시에 굴착시 암편의 이송이 어려워짐을 나타낸다.
(2) 경사각이 수직에서 30° 이상 기울어질 때 환형관내부에 중력방향으로 중력의 영향을 받아 관내에 이송되는 고체입자가 침전되어 침전층을 형성하였으며, 경사각이 더욱 증가할수록 입자침전층의 두께가 크게 형성되었다. 고체입자의 침전층이 형성되는 시점은 유속이나 입자투입율의 조건 등에 따라 조금씩 다르게 나타남을 확인하였다.
(3) 굴착유체중 수성이수에 해당하는 물에서 입자이송 특성과 시스템의 효율을 예측할 수 있는 입자체적율에 대한 실험식을 정립하여 본 연구의 실험결과와 비교해 보았을 때 최대오차가 7%로서 유사하게 적용되는 결과를 확인하였다. 따라서 실제 머드시스템의 최적설계나 운전 및 효율을 예측하기 위한 기초자료로 이용될 수 있을 것이라 생각된다
후속연구
7(a)와 같이 본 연구에서 제시한 입자체적율 실험식의 적용 결과 10% 이내로 비슷한 결과를 나타내었다. 따라서 일부 제한적인 조건에 대한 결과 비교이지만, 환형관내 입자체적율에 대한 상관식의 적용 가능성을 확인할 수 있었으며 향후 좀 더 다양한 결과들과의 추가 검증을 통해 타당성을 확인할 수 있을 것이다.
(3) 굴착유체중 수성이수에 해당하는 물에서 입자이송 특성과 시스템의 효율을 예측할 수 있는 입자체적율에 대한 실험식을 정립하여 본 연구의 실험결과와 비교해 보았을 때 최대오차가 7%로서 유사하게 적용되는 결과를 확인하였다. 따라서 실제 머드시스템의 최적설계나 운전 및 효율을 예측하기 위한 기초자료로 이용될 수 있을 것이라 생각된다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시추작업시 환형관내 암편의 침전속도는 무엇에 의존하는가?
시추작업시 환형관내 암편의 침전속도는 암편의 밀도 및 형상, 암편 크기, 시추유체의 밀도, 점도 및 유변학적 특성에 의존한다. 하지만 이러한 변수들은 시추된 지층과 사용된 비트의 종류에 따라 암편에 미치는 특성이 달라지며, 환형관의 축회전 속도는 암편의 이송 궤도를 변화시키게 된다.
실제 Slim hole 방향성시추에서는 어떠한 시추가 이루어지는가?
6)인 Slim hole 시추에서는 드릴파이프의 회전수가 200~800rpm증가 할 수 있다. 하지만 실제 Slim hole 방향성시추에서는 굴착시 안정성을 고려하여 300~400rpm회전속도로 시추가 이루어진다(Chakrabandhu et al., 2005).
암편의 밀도 및 형상, 암편 크기, 시추유체의 밀도, 점도 및 유변학적 특성과 같은 변수들의 한계는 무엇인가?
시추작업시 환형관내 암편의 침전속도는 암편의 밀도 및 형상, 암편 크기, 시추유체의 밀도, 점도 및 유변학적 특성에 의존한다. 하지만 이러한 변수들은 시추된 지층과 사용된 비트의 종류에 따라 암편에 미치는 특성이 달라지며, 환형관의 축회전 속도는 암편의 이송 궤도를 변화시키게 된다. 이와 같이 시추 작업 시 발생되는 여러 가지 문제점을 해결하기 위해서는 시추 유동장의 유동 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다.
참고문헌 (11)
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