[논문]시추용 육상 드릴링 시스템의 셰일 쉐이커 구조 및 진동해석

반임준; 임채옥; 신성철

doi:10.21289/ksic.2020.23.6.1033

시추용 육상 드릴링 시스템의 셰일 쉐이커 구조 및 진동해석
Structural and Vibration Analysis of On-shore Drilling System Consisting of Shale Shaker 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.6/2, 2020년, pp.1033 - 1042

반임준 (부산대학교 조선해양공학과) , 임채옥 (부산대학교 조선해양공학과) , 신성철 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Shale shaker which is one of the mud circulation systems is composed of a basket, a vibrator and a screen. Its purpose of a shale shaker is to induce drilling fluid to flow through a screen, transport solids across a screen surface, and discharge solids off the end of the screen. The new shale shaker for the on-shore drilling system is designed to be smaller than the original shale shaker which has the same capacity with the new on to enable to transport and to operate on the trailer. In this study, structural and vibrational analysis of shale shaker was carried out to evaluate the appropriateness of the design in terms of the structural stability.

주제어

표/그림 (28)

표 Table 1. Transportation method of Shale shaker
표 Table 2. Principal dimension of shale shaker
표 Table 3. Properties of SS400 alloy
그림 Fig. 1 Shale shaker model
그림 Fig. 2 Screen of shale shaker
그림 Fig. 3 Mud inflow process of basket in shale shaker
그림 Fig. 4 Mud inflow process of screen in shale shaker
그림 Fig. 5 Finite element model of shale shaker
표 Table 4. Consist of shale shaker mesh
그림 Fig. 6 Fixed support condition for analysis
그림 Fig. 7 Volume of load applied to basket
그림 Fig. 8 Basket load condition for analysis
그림 Fig. 9 Volume of load applied to screen
그림 Fig. 10 Screen mud load condition for analysis
그림 Fig. 11 Vibrational analysis process
표 Table 5. Specification of vibrator
그림 Fig. 13 Deformation result of basket
그림 Fig. 12 Deformation result of shale shaker
그림 Fig. 14 Deformation result of basket frame
그림 Fig. 15 Deformation result of screen
그림 Fig. 16 Deformation result of screen frame
그림 Fig. 17 Equivalent stress result of shale shaker
표 Table 6. Results of static structural analysis
그림 Fig. 18 21^st Mode shape result of shale shaker
그림 Fig. 19 Vibratory force of shale shaker
표 Table 7. Results of modal analysis
그림 Fig. 20 Frequency response of shale shaker
그림 Fig. 21 Harmonic response result of shale shaker

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 개발 중인 시추용 육상 드릴링 시스템의 셰일 쉐이커의 구조적 안정성 및 공진 회피 설계의 적절성을 평가하기 위하여 수행되었다. 또한, 설치되는 진동기가 작동할 때 발생하는 진동에 의한 구조물의 주파수 응답을 확인하였다.

가설 설정

이는 머드의 높이의 경우 입자의 크기를 고려하여 20mm로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Table. 1과 같이 셰일 쉐이커가제한된 크기의 컨테이너에 탑재되어 차량으로 운송 및 운용이 가능하도록 기존보다 축소 설계되었다.
구조해석 결과를 이용하여 안전율과 SLS (Service limit state – ‘사용한계상태’)를 이용하여 구조적 안정성을 확인하였다[12]. 사용한계상태는 구조물의 한계 상태 설계법에 의거하여 설계하는 경우 검토하는 한계 상태의한 구분이며, 구조물 또는 부재가 과도한 변형을 일으켜 정상적인 사용을 할 수 없어지는 상태의 기준이다.
또한, 설치되는 진동기가 작동할 때 발생하는 진동에 의한 구조물의 주파수 응답을 확인하였다.
0698 mm로 바스켓에서 나타났다. 변위가 일어난 부품들에 대해서 구조적인 안정성 검증을 위해 사용한계 상태를 사용하였다. Fig.
모드해석을 통해 모드 형상을 확인할 수 있는데 자연계에서 구조물이 변형할 수 있는 확률이 가장 높은 쪽부터 1차, 2차 … N차 순으로 나오며 각 차수에 따른 구조물의 고유 진동수가 표시된다[8]. 본 연구에서는 주파수 영역을 가진 주파수 0 Hz에서 35 Hz까지 설정하였다. 모드해석을 수행한 결과 구조물의 1차부터 26차까지 총 26가지 모드형상을 도출 할 수 있었으며 모드 차수에 대한 고유진동수는 Table 7과 같다.
본 연구의 셰일 쉐이커 모델은 트레일러에 탑재하여 운송 및 운용가능하게 축소 설계되었으며 주요치수는 Table 2에 표기하였다.
셰일 쉐이커 제작 및 시험에 앞서 범용 유한요소해석 도구인 ANSYS[15]를 이용하여 작동 시 발생하는 이수와 암편 하중들에 대한 구조적인 안정성 측면과 진동기 가진력에 의한 공진 발생 가능 평가를 위해 진동해석을 수행하였으며, 해석 결과를 바탕으로 컴팩트화된 셰일 쉐이커 설계안의 적절성을 평가하였다.
셰일 쉐이커의 가진에 대한 공진 발생 가능성을 살펴보기 위해 Fig. 19와 같이 진동기에 1 N 의 가진력을 진동방향에 대해 부여한 후, 조화해석을 수행하였다[10].
방법이다. 요소의 수가 많을수록 실제 해와 유사해진다는 특징을 가지고 있으므로 ANSYS의 격자 수렴 기능을 활용함과 동시에 해석 시스템이 수행할 수 있는 능력을 검토하여 셰일 쉐이커 해석에 적절한 격자 수를 결정하였다. Table 4는 해석 모델의 Node와 Element들의 수를 나타내고 있으며 Fig.
진동해석에서는 모드해석과 조화해석을 수행하였다. 모드해석을 통해 모드 형상을 확인할 수 있는데 자연계에서 구조물이 변형할 수 있는 확률이 가장 높은 쪽부터 1차, 2차 … N차 순으로 나오며 각 차수에 따른 구조물의 고유 진동수가 표시된다[8].

대상 데이터

하였다. 사용된 소재는 Table 3과 같이 SS400이며, Fig. 1과 같이 바스켓(Basket), 스크린(Screen), 진동기 (Vibrator)로 구성되어 있다. 바스켓은 머드를 스크린으로 전달해주는 역할을 하며 스크린은 진동기로부터 가진을 받아 진동하며 이로 인해 머드에 포함된 70 µm 이상의 입자들이 제거된다.

데이터처리

셰일 쉐이커에 대한 진동해석은 Fig. 11과 같이 구조해석의 경계조건 결과와 진동기의 가 진력을 이용하여 모드 형상을 추출하는 모드해석 (Modal analysis)을 수행한 후, 구조해석의 경계조건과 모드해석의 결과를 바탕으로 진동기에서의 고유벡터를 이용하여 모드 중첩법의 조화해석 (Mode superposition-Harmonic analysis)을 수행하였다[5].

이론/모형

육상 시추용 드릴링 시스템의 셰일 쉐이커 모델은 Solidworks[14]를 활용하여 모델링 하였다. 사용된 소재는 Table 3과 같이 SS400이며, Fig.

성능/효과

919 MPa로 나타났다. SS400의 항복 응력과 대응하여 자체 기준 안전율인 1.5보다 높은 14.75를 나타냄으로, 구조적으로 안정하다고 판단하였다.
나타내었다. 또한, 조화해석의 결과로 36 Hz에서 가장 큰 주파수 응답의 결과가 나왔으며, 가장 큰 변위를 나타내었다. 진동기의 주파수와 20 % 의 차이를 보여 진동에 의한 공진 회피를 확인하였다.
사용한계 상태 검증에서의 기준이 되는 폭은 가장 짧은 길이를 선택하였다. 바스켓(Basket)에서 최대 변위가 일어났으며, 변위가 발생한 모든 부품들은 허용 변위량에 크게 못 미치는 수준이므로 안정하다고 판단하였다.
부대비용과 시간이 소요된다. 본 연구의 셰일 쉐이커는 트레일러에 탑재되어 운송 및 운용이 가능하여 이로 인해, 비용과 시간을 절감할 수 있다. 시추작업을 진행할 때, 윤활유 작용과 과열된 장비의 냉각을 위해 머드가 사용된다[13].
조화해석 결과 36 Hz에서 가장 큰 진폭을 보였으며, 진동기의 주파수인 30 Hz와 20 %의 차이를 확인하였다. 이를 통해, 진동에 의한 공진을 회피할 수 있는 설계가 되었다고 판단하였다[11].
진동기에서 발생되는 30 Hz의 진동에 대해 모드 형상 해석 결과는 21차로 발생 가능성이 작은 고차 모드에서 형성되었을 뿐만 아니라 작은 변위를 나타내었다. 또한, 조화해석의 결과로 36 Hz에서 가장 큰 주파수 응답의 결과가 나왔으며, 가장 큰 변위를 나타내었다.
또한, 조화해석의 결과로 36 Hz에서 가장 큰 주파수 응답의 결과가 나왔으며, 가장 큰 변위를 나타내었다. 진동기의 주파수와 20 % 의 차이를 보여 진동에 의한 공진 회피를 확인하였다.

후속연구

향후 연구에서는 육상 시추용 드릴링 시스템에서의 디센더(Desander), 디실터(Desilter), 디개서(De gasser), 머드클리너(Mud cleaner)의 통합시스템에 대한 구조 및 진동해석을 수행할 계획이다.

참고문헌 (15)

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L. L. Hoberock, "A study of vibratory screening of drilling fluids," Journal of Petroleum Technology, 32, pp. 1889-1902 (1980).

상세보기
J. M. Lee, H. T. Yu,, G. J. Park, H. C. Choi, B. K. Choi, "Design for Resonance Avoidance of Mount Through the Modal Analysis," Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 25(7), pp. 481-486 (2015).

원문보기 상세보기
K. D. Kim, "한계상태를 고려한 구조물의 최적화에 관한 연구," 한국산업융합학회 논문집 7.2, pp. 181-186 (2004).
J. D. Hwang, H. K. Ku, "육상 시추용 머드탱크의 교반성능에 대한 수치해석적 연구." 한국산업융합학회 논문집 23.4, pp. 617-626 (2020).

원문보기 상세보기
S. M. Lee, "솔리드웍스 구조 및 유동 공학해석 기반." 메카피아 (2017).
TSNE FEA사업부, "ANSYS 18.0 Mechanical." 시그마프레스 (2017).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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