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효춘 류(유)
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1 한국해양공학회지제 27 권제 3 호, pp 85-90, 2013 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Journal of Ocean Engineering and Technology 27(3), 85-90, June, 해저유정제어시스템에서의누수경로 FTA 분석 유원우 * 박민선 * 양영순 ** 류원선 *** 장범선 * * 서울대학교조선해양공학과 ** 서울대학교조선해양공학과및해양시스템공학연구소 *** 제주대학교해양시스템공학과 FTA of Leakage Path in Subsea X-mas Tree System Won-Woo Yoo*, Min-Sun Park*, Young-Soon Yang**, Won-Sun Ruy*** and Beom-Seon Jang* *Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea **Department of Naval Architecture and Ocean Engineering And Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea ***Department of Ocean System Engineering, Jeju National University, Jeju, Korea KEY WORDS: Subsea production system 해저생산시스템, Subsea X-mas tree system 해저유정제어시스템, Well 유정, Leakage 누수, FTA(Fault tree analysis) ABSTRACT: The growing need for energy (oil and gas) has led to offshore resource development. As a reflection of this trend, there have been many advances in the technologies used for the subsea production systems that make offshore resource development possible. As the technologies for subsea production systems continue to grow, a subsea X-mas tree, the core equipment in a subsea production system, is required to have more functions than before. Generally, these complex functions lead to a change in its configuration. Therefore, this paper investigates a change in a subsea X-mas tree system to enhance system understanding, and conducts a leakage path analysis of a subsea X-mas tree system. Utilizing the recent configuration of the subsea X-mas tree, an identification of the leakage path and a quantitative risk analysis for the leakage using an FTA (fault tree analysis) are conducted. 1. 서론해저생산시스템기술의광역적인진보가점점더깊은수심에서의유정개발을가능하게함에따라, 해저유정제어시스템 (Subsea X-mas tree system) 의기능이변화하였다. 해저라는특별한환경속에서유정에대한압력제어를주요목표로삼았던과거 20-30년전과는달리현재의 Subsea X-mas tree system은전체광구를아우르는해저생산시스템의역할을위한하나의집합체로발전하고있으며, 전체시스템의핵심장비로자리잡고있다. 해저산업 (Subsea industry) 은 2010년 4월에있었던멕시코만대규모사고에서도알수있듯이 (Choi et al., 2011), 한번의사고가단순히막대한자원손실에대한영향뿐만아니라그밖의환경오염등에서사회적으로미치는영향이타산업에비해매우큰편이다. 이미육상이나천해에주로사용되는수직타입 (vertical type) 의 X-mas tree system 에대한안전성평가 (Corneliussen, 2006; Eivind and Sigbjorn, 2007) 는연구가많이성숙되어있지 만, 심해에주로사용되는수평타입 (Horizontal type) 에대한연구는상대적으로부족한상황이다. 따라서본논문에서는심해의 X-mas tree system에적합한형상에대하여조사하고, 이와같은변화에대응하는유정형상까지고려하여누수경로 (Leakage path) 를분석하였다. 이를통해이미 Vertical X-mas tree system의위험도평가에는적용된바가있는 FTA(Fault tree analysis) (Corneliussen, 2006) 를이용하여 Horizontal X-mas tree system 에서의누수경로에관한정량적위험도평가를함으로써시스템의문제점을찾아보고자한다. 2. Subsea X-mas Tree System 유가상승에따른석유자원의희소가치상승및유정개발비용의증가는보다제한적인해저환경에서의작업이가능한해저생산시스템기술의발전을이끌었고, 이에따라기존형상과다른적합한유정제어시스템형상설계가필요해졌다. Received 29 November 2012, revised 13 June 2013, accepted 14 June 2013 Corresponding author Young-Soon Yang: , ysyang@snu.ac.kr c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of SNAK 2011 in Mokpo. 85

2 86 유원우 박민선 양영순 류원선 장범선 즉, 근본적인기능 ( 유정제어 ) 측면에서는기존의시스템과유사하지만, 시추, 유정완결, 해저설치, 제어, 흐름견실성, 유지및보수와같은측면의다른작업들을연결시키는통합적인연결고리로서의한층더발전된개념의설계가요구되고있다 (Bai and Bai, 2010). 이러한기술발전에는기존유정의시추구멍직경을줄여시추기간및전체예산감소에기여하는 Light well construction, 하나의중심시추구멍에측면구멍을추가하여주변의저류층까지생산을가능하게하는 Multi-lateral & Smart wells, 장거리에서현상을모니터링하고오류를진단하여상황에맞는의사결정을컴퓨터를이용하여내리는 RM&D(Remote monitoring and diagnostic maintenance), 생산을가속화시키고파이프라인과같은주요생산장비의스펙을낮추어비용을줄일수있는 Subsea boosting & Processing 등이존재한다 (Fenton, 2009). 육상이나천해에주로쓰이는수직타입의시스템보다수평타입의시스템이열거한기술들의관점에서유리한점 ( 타장비와의상호관계 ) 을지니며 (Bai and Bai, 2010), 이에따라상대적으로높은수준의기술을요하는심해저생산시스템은주로수평타입을이용하고있어, 본연구에서도수평타입을고려하였다. 3. 분석대상선정 Fig. 1 (a) 는분석대상이되는유정의형상이다. 일반적인유정형상과비교했을때, 3개의 GLV (Gas lift valve, 노란색 ) 와 BSV ( 일반적으로 SCSSV (Surface controlled subsurface safety valve)) 옆에위치한 ASV (Annulus safety valve) 를추가로가지고있다. 분석하고자하는 Subsea horizontal X-mas tree 에맞는적절한형상으로선정하였다. 다양한기술변화에따라여러가지기능이추가된것을반영하기위해 Gas lift system 등이적용된유정형상으로채택한것이다. Fig. 1 (b) 는분석대상이되는 Subsea horizontal X-mas tree (Caspar, 2009) 이다. 앞서도언급하였듯이최근심해저유정개발에주로쓰이는 Subsea horizontal X-mas tree를분석대상으로삼았다. 4. Leakage Path Analysis 4.1 mode 정의누수 (Leakage) 와관련된고장유형 ( mode) 은시스템을구성하는구성요소들의특성에따라나누었다 (Vesterkaer, 2002). 우선밸브의고장유형은크게두가지로나눌수있다. 첫번째로밸브가제기능을못하고내부로의유출을야기하는경우를 ITL(Internal leakage) 로정의하였다. ITL은다시밸브가열린상태에서닫힌상태로바뀌어야하는상황에서그작업자체를수행하지못하는 FTC(Fail to close on demand) 와통로를열린상태에서닫힌상태로변화시키는것에는성공하였으나닫힌상태에서내부로유출이일어나는 LCP(Leakage in closed position) 등으로나뉠수있으나, 내부유출의유형에따라사고결과가달라지는것이아니므로본연구에서는내부유출을 ITL 하나로통합하여다룬다. 또한두번째로밸브의고장으로인해내부로의유출이아니라외부로바로유출되는경우가있는데, 이또한세부항목으로나누지않고모든외부유출의경우를 EXL (External leakage) 이라정의하고통합하였다. ITL과 EXL로나뉘는밸브의고장유형을제외한그밖의장비들의유출은모두일반적인외부유출경우의누수로정의한다. 4.2 Leakage Path Assumption 먼저다루고자하는누수발생상황을설명하고자한다. 본논문은해저생산시스템이원유및가스에대한생산작업을 (a) The target of the analysis (Well) Fig. 1 The target of the analysis BSV ASV GLV PBR PMV PWV XOV AMV AWV ACV Lower latch Lower crown plug Tubing safety valve First barrier Annulus safety valve First (annulus) barrier Gas lift valve Polish-bore receptacle Production master valve Second barrier Production wing valve Crossover valve communication between annulus line and production line Annulus master valve Second (annulus) barrier Annulus wing valve Annulus control valve Latch on the tubing hanger Bypass system (b) The target of the analysis (Subsea horizontal X-mas tree)

해저유정제어시스템에서의누수경로 FTA 분석 87 진행하고있을때, 어떠한문제가발생하여유정제어시스템선에서유동의흐름을멈추게하려는작업상황을다룬다. 또한유동의흐름은압력차에의하여지하에서지상으로올라가는경우만생각하고누수경로 (Leakage path) 를분석한다 (Vesterkaer, 2002). 따라서유동이역류하여누수가발생하는경우는본논문의고려사항에서제외된다.

3 해저유정제어시스템에서의누수경로 FTA 분석 87 진행하고있을때, 어떠한문제가발생하여유정제어시스템선에서유동의흐름을멈추게하려는작업상황을다룬다. 또한유동의흐름은압력차에의하여지하에서지상으로올라가는경우만생각하고누수경로 (Leakage path) 를분석한다 (Vesterkaer, 2002). 따라서유동이역류하여누수가발생하는경우는본논문의고려사항에서제외된다. 마지막으로보조라인 (Annulus line) 내부보다생산물이흐르고있는생산라인 (Production line) 내부가항상압력이높다고가정하여보조라인 (Annulus line) 에서생산라인 (Production line) 쪽으로의누수또한고려대상에서제외된다. 4.3 Leakage Path 분석한누수경로는 Fig. 2와같다. 이해의편의성을위해유정에서의상황 (Fig. 2 (a)) 과 Subsea horizontal X-mas tree 에서의상황 (Fig. 2 (b)) 을나누어표현하였다. Fig. 2 (a) 의상부 A, B, C, P 박스는차례로 Annulus line A, B, C, Production line을의미하며 Fig. 2 (b) 의하부의 A, B, C, Production line과각각연결이되며 Surroundings 박스는누수사건 (Leakage event) 을나타내는박스이다. 5. FTA of Leakage Path in the Well and the Subsea Horizontal X-mas Tree 5.1 Assumption 누수를최상위사건 (Top event) 으로두는 Fault tree를그리는데바탕이된자료는 4.3절의 Fig. 2와같다. 하지만 Fault tree를작성하고해석하는데있어서는한가지가정을더추가하였다. 유정내의케이싱 (Casing) 에서누수발생시, 시멘팅의정도에따라외부로유출될수있는가능성을 Fig. 2에는포함시켰는데, 이를 Fault tree를작성하는데있어서는누수가일어나지않게시멘 팅을충분히잘구성하였다고가정을하여, 시멘팅의정도에따라외부로유출될수있는경우를제외하였다. 즉, 케이싱을통한누수는일어나지않는다고가정하였다. 시멘팅을유정제어시스템의구성요소로보기에는어렵기때문에시스템분석에영향을주지않기위해외부조건의제약을둔것이다. 따라서이를 Fault tree 작성과해석에반영하였다. 5.2 Fault Tree of Leakage in the Well and the Subsea Horizontal X-mas Tree Fig. 2 다이어그램을참조하여작성한 Fault tree 는 Fig. 3과같다. 5.3 FTA Tool Fault tree를작성하여외부로의누수확률을계산하고, 이를해석하기위한툴로 OpenFTA 프로그램 (FSC, 2005) 을사용하였다. OpenFTA 는 Fault tree를그리고해석하고출력하는것이가능한공학용툴이다. Fault tree를그리는데있어서편리한사용자인터페이스를가지고있으며 Fault tree handbook(vesely et al., 1981) 을참조하여 Fault tree 전체부호를지원한다. 5.4 참고 Database Fault tree를구성하고있는구성요소의확률을구하기위한참고자료로 SINTEF(Stiftelsen for industriell og teknisk forskning; 노르웨이연구소 ) 의 OREADA - Offshore reliability data 5th edition. Volume 2 - Subsea equipment 를참조하였다 (OREDA Participants, 2009). 이자료는노르웨이에서지난수십년간사용되고있는해저생산시스템의실제운영통계자료를포함하고있기때문에본논문에서설정한작업조건및환경조건에일치한다고보았다. 이자료에서제공되는구성요소의신뢰성자료중평균고장률 (Mean failure rate) 을이용하여본연구의데이터베이스를구축하였다. (a) Leakage path diagram (Well) (b) Leakage path diagram (Subsea horizontal X-mas tree) Fig. 2 Leakage path diagram in the well and the subsea horizontal X-mas tree

88 유원우 박민선 양영순 류원선 장범선 Fig. 3 Fault tree of leakage to surroundings 5.5 Probability 5.4절에서각구성요소의고장률을얻었는데, 본논문에서이용하는 OpenFTA 가 Fault tree를해석하기위해요구하는구성요소의신뢰성자료는고장확률이다. 따라서주어진고장률로고장확률을계산해야한다.

4 88 유원우 박민선 양영순 류원선 장범선 Fig. 3 Fault tree of leakage to surroundings 5.5 Probability 5.4절에서각구성요소의고장률을얻었는데, 본논문에서이용하는 OpenFTA 가 Fault tree를해석하기위해요구하는구성요소의신뢰성자료는고장확률이다. 따라서주어진고장률로고장확률을계산해야한다. 이를위해서확률분포를제품수명등에주로사용되는분포인지수분포로가정하여확률밀도함수 (PDF, Probability density function) 를구한다 (OREDA Participants, 2009). 로나타나는 PDF에서 는고장률을의미하고 는대상의운영시간을의미한다. 이를적분하게되면구하고자하는확률분포함수 (CDF, Cumulative distribution function) 를구할수있다 (Banks et al., 2001). 를 5.4절에서얻었으므로남은변수는 이다. 를정하기위해서는해저생산시스템의일반적인운영시간을고려해주는것이바람직하다. 해저생산시스템의경우, 일반적으로한번설치가되면최소 10년이상운영이되므로 (Bai and Bai, 2010) 비교목적상 10년을운영시간 로설정하여그에따른고장확률을구하였다. 이를통해얻어진각구성요소의고장확률값은아래의 Table 1과같다. 5.6 FTA of Leakage in the Well and the Subsea Horizontal X- mas Tree 5.5절 Table 1의고장확률값을 fault tree에대입하여결과를해석한다. 그결과, 외부누수에대한고장확률값은 이나왔다. 전체시스템고장에큰영향을미치는구성요소를찾기위하여 Fault tree의최소컷세트 (Minimal cut set; Second order(bsv&lower latch, BSV&PMV-EXL)) 를구하고각각의컷세트의확률값을계산한다. 또한같은목적으로각 Table 2 (a) 와같이각구성요소의고장공헌도와중요도를구하였다. 일차사건 (Primary event) 은구성요소자체의고장을의미한다. 즉, 구성요소의고장이일차사건이되는것이며고장공헌도와중요도는각각의일차사건이시스템고장에미치는영향을나타내는상대적인지표로써의의미를가진다. 이를

5 해저유정제어시스템에서의누수경로 FTA 분석 89 Table 1 probability (for 10 years) of components Components probability Components probability Components probability Components probability liner top packer production casing AWV - EXL Valves PBR prod. csg. above ASV PMV - ITL upper latch production packer intermediate casing PMV - EXL lower latch tie back packer surface casing PWV - ITL upper crown plug lower crown tie back system tubing above BSV PWV - EXL plug wellhead housing debris cap ACV - ITL ASV intermediate csg. hgr AMV - ITL ACV - EXL BSV production csg. hgr AMV - EXL XOV - ITL reservoir liner AWV - ITL XOV - EXL Table 2 Component importance analysis (a) Original important analysis Component contribution Importance ACV-ITL E % ACV-EXL E % AMV-ITL E % AMV-EXL E % ASV E % AWV E % BSV E % Lower crown plug E % Lower latch E % PBR E % PMV-ITL E % PMV-EXL E % PWV E % Upper crown plug E % Upper latch E % Valves (Downhole) E % XOV-ITL E % XOV-EXL E % Debris cap E % Intermediate Csg Hgr E % Production packer E % Tie-back system E % Wellhead housing E % (b) Modified(BSV&Lower latch; half failure rate) importance analysis Component contribution Importance ACV-ITL E % ACV-EXL E % AMV-ITL E % AMV-EXL E % ASV E % AWV E % BSV E % Lower crown plug E % Lower latch E % PBR E % PMV-ITL E % PMV-EXL E % PWV E % Upper crown plug E % Upper latch E % Valves (Downhole) E % XOV-ITL E % XOV-EXL E % Debris cap E % Intermediate Csg Hgr E % Production packer E % Tie-back system E % Wellhead housing E % 통하여전체시스템고장에큰영향을미치는구성요소가 BSV, Lower latch, PMV(EXL) 순이라는것을알수있었다. Table 2에포함되지않는구성요소가발생하는이유로는본연구의가정에의해누수가발생하지않는요소가있을수있다는점과각단계의방호벽 (Barrier) 의상호작용으로누수에영향을미치지않는요소가있을수있다는점등을들수있다. 앞서구 한 10년의운영기간기준으로의 % 라는확률값은안전하다고볼수도있지만, 해저산업의특성상, 단한번의사고발생이비용손실및환경오염등여러부분에있어큰파장을일으키기때문에초기비용이증가하더라도고장확률을가능한낮추는방향으로가는것이좋다. 고장확률을낮추는방법으로는장비의스펙변경이나중복시스템 (Redundancy system) 구성등

6 90 유원우 박민선 양영순 류원선 장범선 이있는데, 본논문에서는해석결과가장영향이컸던두구성요소인 BSV, Lower latch가개선을통해고장률이 0.5배가되었다고가정하고고장확률을구해보았다. 그결과누수확률이 로낮아졌다. 이때의각구성요소의고장공헌도와중요도는 Table 2 (b) 와같다. BSV와 Lower latch 의고장률을기존의 0.5배로줄이면전체고장확률은기존의약 34% 수준으로떨어지게되며, 절대적인확률값또한한단계의오더가낮아짐을알수있었다. 6. 결론근래에들어서관심이급증하고있는해저생산시스템중에서도그역할의범위가점차커지면서중요성또한커지고있는 subsea X-mas tree에대하여, 최근 ( ) 에소개된 subsea horizontal X-mas tree와이에맞는적절한유정형상을선정하여누수경로를분석하고이를통해 FTA를수행하였다. 그결과, 운영기간이 10년일경우, % 의고장확률을가지며이에 BSV 와 Lower latch 두구성요소가가장큰영향을미친다는것을확인하였다. 고장확률을효과적으로줄이기위해서는위의두구성요소의고장률을줄일수있어야된다고제안하였는데, 이를다른구성요소의고장률은고정시킨채, 두구성요소의고장률을 0.5배로수정하여다시한번 FTA를수행함으로써얻어진결과 ( 고장확률 : %) 를통해검증하였다. 향후연구과제로써본논문에서는제안으로만그친 BSV나 Lower latch의고장률을줄일수있는방법에대하여구체적이고현실적으로제시하여, 그방법을사용하였을때얻을수있는구성요소의실제고장률을가지고계산한고장확률에대한정확한정량적비교연구가필요할것이다. 후기본논문은해양시스템공학연구소 (RIMSE) 와지식경제부의재원으로지식경제 R&D 전략기획단미래산업선도기술개발사업의지원을받아수행한연구과제 ( ) 결과의일부입니다. REFERENCES Banks, J., Carson, Ⅱ, J.S., Nelson, B.L., Nicol, D.M., Discrete- Event System Simulation - 3rd edition. Prentice-Hall, USA. Bai Y., Bai Q., Subsea Engineering Handbook, Elsevier, USA. Caspar G. L., Patent Application Publication - Christmas Treee and Wellhead Design. Pub. No US 2009/ A1 Choi, H.S., Lee, S.K., Do, C.H., Subsea Responses to the BP Oil Spill in the Gulf of Mexico. Journal of KSOE, 25(3), Corneliussen, J Well Safety - Risk Control in the Operational Phase of Offshore Wells. The Norwegian University of Science and Technology, Norway. Eivind H.O., Sigbjorn S., Integrity Assessment of Well Barrier Threatened by Increasing Casing Hanger Loads. Proceedings of SPE E&P Environmental and Safety Conference, Galveston, Texas, USA, 5-7 March Fenton, S.P., Emerging Roles for Subsea Trees: Portals for Subsea System Functionality. Proceedings of Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 4-7 May FSC Participants, OpenFTA Version 1.0 User Manual. Formal Software Construction Ltd., UK. OREDA Participants, OREDA Handbook, Volume 2 - Subsea Equipment 5th Edition. DNV(Det Norske Veritas), Norway. Vesely, W.E., Goldberg, F.F., Roberts, N.H., Haasl, D.F., NUREG-0492 Fault Tree Handbook. U.S. Nuclear Regulatory Commission, USA. Vesterkaer, R., Is it Necessary to Install a Downhole Safety Valve in a Subsea Oil / Gas Well? A Comparison of the Risk Level of a Well with, and without a Safety Valve. The Norwegian University of Science and Technology, Norway.

인문사회과학기술융합학회

인문사회과학기술융합학회 Vol.5, No.5, October (2015), pp.471-479 http://dx.doi.org/10.14257/ajmahs.2015.10.50 스마트온실을 위한 가상 외부기상측정시스템 개발 한새론 1), 이재수 2), 홍영기 3), 김국환 4), 김성기 5), 김상철 6) Development of Virtual Ambient Weather Measurement