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상훈 도
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 49, No. 4, pp , August Subsea System 최적설계요소에관한연구 최한석 1, 도창호 2 이승건 2 포항공과대학교엔지니어링대학원 1 부산대학교조선해양공학과 2 Study on Parameters for Optimum Design of Integrated Subsea System Han-Suk Choi 1, Chang-Ho Do 2 Seung-Keon Lee 2 Graduate School of Engineering Mastership, Pohang University of Science & Technology 1 Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University 2 Abstract The mitigation of gap between technology and it's applicability in the oil and gas industry has led to a rapid development of deepwater resources. Historically, subsea wells have good track records. However, an ever increasing water depths and harsher environments being encountered are currently posing challenges to subsea production. Complex subsea systems are now being deployed in ways rarely encountered in previous development schemes. These increasingly complex systems present a number of technical challenges. This study presents the challenges in subsea production systems, considering the technical and safety issues in design and installation associated with current development modality. Keywords : Subsea control system(scs, 해저생산제어시스템 ), Subsea production system(sps, 해저생산시스템 ), X-Tree( 생산정 ), Well( 유정 ), Umbilical( 생산제어용유체공급라인 ), Subsea control module(scm, 해저생산제어모쥴 ), Fishing friendly structure(ffs, 해저설비보호구조 ) 1. 서론 국제에너지기구 (IEA, International Enery Agency) 에따르면 2010 년현재일일석유생산량은약 8천9백만배럴이며중국, 인도등신흥개발도상국의빠른경제성장으로인해지속적인에너지수요증가가예상되고있으나 2030 년일일석유생산량이약 1억배럴수준으로예측되고있어향후전세계적인에너지공급부족현상이발생할가능성이높아지고있다. 현재대체에너지원으로주목받고있는수소, 풍력, 태양열, 지열, 조력등신재생에너지는 2035 년까지약 3배의수요증가가예상 (IEA World Energy Outlook, 2010) 되기도하나, 연료효율및막대한초기투자비용과유가안정에따른정책적지원감소등에따른영향으로석유수요에영향을미치기에는상당한시간을필요로할것으로예측되며, 원자력또한지난해일본의원전사고이후위험관리측면에서부정적인평가를받고있어과거경제성등을이유로보류되었던심해유전에대한개발요구가오히려더욱증가되고있는상황이다 (Choi, 2008). 현재심해유전개발은이미 2003 년 ChevronTexaco 사에서 Gulf of Mexico(GOM) Toledo 지역최대수심 3052m 까지 Drilling 에성공 (Offshore, 2005) 함으로써수심 3000m 시대를열었으며, 현재도높은기술수준과 Know-how 를보유한선진소수업체들이독점적위치에서오일메이저업체들과장기간관계를유지하고있어초기기술이전및시장진입에상당한애로가예상된다 (Devegowa, 2003; Leffler, et al., 2003). 심해저생산설비시장은향후 5~6 년간전세계적으로약 40조원의규모로예측되고있으며중국이나인도의경제성장에따라오일소비량은더욱확대될것으로예측되고있다. 현재일일생산량중약 1천만배럴정도가심해저에서생산되고있으며육상이나연안의경우이미개발이성숙단계에진입하여획기적인생산량증가가불가능하기때문에심해저에대한개발요구는앞으로더욱확대될전망이나, 국내의기술력은거의전무한상태이며최근에서야정부주도의신성장동력사업및국책과제로해당분야에대한기술개발이추진중인상황이나국내기업의시장조기진입을위해서는관련기술의체계적인정리와소개가필수적이며지속적으로요구되는시점이다. 이에본연구에서는 2010 년 BP사의오일유출사건조사 (Choi, et al., 2011) 와그동안의 Subsea System에대한광범위한조사와설계및설치경험을바탕으로해저생산및제어시스템의특징및주요구성장비소개와설계시고려되어야할요소에대해기술하고, 최적설계수행결과를예시하였다. 접수일 : 2011 년 9 월 5 일 1 차수정일 : 2012 년 3 월 20 일 게재확정일 : 2012 년 8 월 9 일 교신저자 : hchoi@postech.ac.kr,

2 최한석 도창호 이승건 2. 생산제어시스템 2.1 Type and Function of Control System 해저생산설비에적용되는제어시스템은시스템의복잡성, 반응속도, 개별제어, 데이터피드백, 해저생산설비와의거리및이로인한 Umbilical 의 Size 등의요구에따라크게 5가지정도로분류되며주요장단점은아래와같다. 1) Direct Hydraulic Control System 2) Piloted Hydraulic Control System 3) Sequential Piloted Hydraulic Control System 4) Multiplexed Electro-Hydraulic Control System 5) All Electric Control System Injection Unit) 등으로구성되며, 시스템의장기적안정성확보를위해신뢰성분석 (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) 및국제산업규격과표준에의한각종표준시험등엄격한품질관리시스템에의해규제된다 Subsea Control Unit 해저생산정은 SCS 와 ICSS(Integrated Control Safety System) 사이의인터페이스역할을하는 SCU 에의해모니터링및제어된다. SCU 는 Platform 상부의기계장비실 (IER, Instrument Equipment Room) 에위치하며해저생산정내부및 SCM 에위치한밸브와센서들을원격조종하고데이터교환동작등의명령을내릴수있으며각종센서에대한제어정보들을 HMI(Human Machine Interface) 를통해확인할수있다. (HHI & FMC, 2010) 최근심해저개발이가속화됨에따라 Platform 상부의제어장비와해저에위치한생산장비와의거리가점점멀어지게되어과거 3~4km 이내에서사용되었던 Direct Hydraulic Control 또는 Piloted Hydraulic System 방식보다더욱복합적이나반응속도및신뢰도가향상된제어방식인 Multiplexed Electro-Hydraulic System 이주를이루고있으며최근에는 Hydraulic Pressure 를이용한반응속도제한문제를해소할수있는 All Electric 제어시스템이도입되고있는추세이다. 생산제어시스템에소요되는장비들은크게상부생산제어장비와해저생산제어장비로구분되며해저생산정 (Subsea X-Tree), 생산집합장비 (Manifold 및 Template) 등에위치한해저생산설비용밸브및초크작동을정상적으로제어함으로써생산을통제하고, 생산장비의제어에이상이발생할경우시스템을안전하게차단 (Emergency Shutdown) 하는기능을가지고있으며아래를고려하여설계되어야한다 (API 17A, 2010). 1) 안전하고효율적인운전이가능한안전장치 (Fail Safe) 시 스템설계 2) 유지보수용이, 신뢰성구축 3) 제3자검증을통한안전성및신뢰성확보 4) SCS 전용 UPS(Uninterruptible Power Supply) 사용으로 시스템의안정적운용 5) 생산정을추가로연계개발할수있는여분설비확보 Fig. 1 Interface diagram of SCU (HHI & FMC, 2010) SCU는 SPCU 내부의 TEM(Topside Electric Module) 과인터페이스되며, SCU 의명령메시지를받은 SPCU 가실제로 Umbilical 을통해 SCM 과신호를주고받도록구성되어있으며 UPS 로부터상시전원을공급받아동작된다. SCU 의주요기능은하기와같다. 2.2 Topside Control Equipment 상부생산제어장비는해저생산정제어장비 (Subsea Control Unit), 해저생산용전력및신호제어장비 (Subsea Power and Communication Unit), 생산장비용유압공급장비 (Hydraulic Power Unit), Umbilical 상부연결장비 (Topside Umbilical Termination Unit), 전력공급장비 (Uninterruptible Power Supply) 및녹부식방지용케미컬공급장비 (Chemical 1) SPCU 로부터데이터접수및모니터링 - Subsea X-Tree 센서및 SCSSV(Surface Controlled Subsurface Safety Valve) 상태 - Downhole 게이지데이터 ( 압력및온도 ) - SCM 내부의 HP/LP Line 압력및흐름상태 - 생산유체내 Sand 감지데이터및비율계산 - Flowmeter 데이터 - 시스템상태및알람 JSNAK, Vol. 49, No. 4, August

3 Subsea System 최적설계요소에관한연구 2) 초크등밸브작동상태 3) 케미컬주입모니터링 4) SCM 내부 COV(Change Over Valve) 동작상태 6) HPU 상태감지및 Pump 동작 / 정지명령 7) 알람상태지속체크 8) DCS(Distributed Control System) 와 Modbus TCP/IP 이중여분 (Dual Redundant) 교신을통한데이터교환 9) SEM 의자체점검데이터 (Housekeeping Signals) 모니터링 Subsea Power and Communication Unit SPCU 는 SCU 로부터명령을받아 Power/Communication Signal 을 SCM 으로전달하거나, 해저생산설비로부터전해지는각종센서정보등을 SCU 로보내는 Interface 역할을수행한다. SPCU 와인터페이스를이루는장치로는 SCU, UPS, Umbilical 등이있으며 Umbilical 을통해 SCM으로 Power 와 Signal 을전달하기위한 Modem 및 Power Unit 이그내부에설치되어있다. SPCU 는 Contingency 를대비한 Redundancy 개념이도입되어야하며각각의 SPCU A와 B는 Topside UPS 시스템에서개별적으로 Redundant UPS Power 를공급받도록설계되며 Platform 의기계장비실 (IER, Instrument Equipment Room) 에위치하므로 Hazardous Zone 에대한고려는필요치않다 Hydraulic Power Unit Uninterruptible Power Supply UPS 는 SCS 작동에필수장비인 SPCU, Modem Unit, SCU 에 Electric Power 를공급하는기능을수행한다. Electric Power 의예측하지못한공급차단으로인해발생할수있는시스템의 Shutdown 을방지하기위해 UPS 는 Dual Redundancy 개념이적용되며, 각각의 UPS 는시스템전체 Electrical Load 를공급할수있는용량과함께시스템의확장성을고려하여설계된다. UPS 의 Battery 백업은 Host-facility Power 가차단되어도최소 30 분간시스템을운영할수있는용량이어야하며, Input Voltage 와 Current, Output Frequency, Bypass Mode, On-line Mode 및 Failure 정보는 SCU 에의해 Monitoring 되어야한다 Chemical Injection Unit CIU 는해저시스템운용및수화물 (Hydrate) 생성방지에필요한캐미컬 (MEG, MeOH, CI 및 SI) 을여과하여해저설비로공급하는역할을수행하는장비이다. CIU 의공급압력은 Well Bore, Subsea X-Tree 등으로캐미컬을공급하는데충분해야하며, 지정된유체의청결도를만족해야한다. 일반적으로직접컨트롤되지만 Regulated Supply Pressure, Non-regulated Supply Pressure, Fluid Level, Pump 및 Filter 상태, Return Flow 등은 SCU 에의해모니터링및제어된다. 2.3 Subsea Control Equipment X-Tree 내부및 SCM 에위치한밸브및초크작동을위한 LP/HP 유압공급장치 (HPU) 는 Platform 에위치하며, 공급탱크 (Supply Reservoir), 회수탱크 (Return Reservoir), LP/HP 펌프회로, 긴급차단밸브 (ESD Valve), 압력유지장치 (Regulators), 축전지등으로구성되어있으며주요기능은하기와같다. 1) Subsea X-Tree내의 Valves 작동을위해충분한 Pressure 와 Flow Capacity 로 Hydraulic Fluid 를공급 2) Fluid Quality(Cleanliness) 를유지 3) 자동또는수동시스템으로작동가능 4) SCU 와의모니터링컨트롤인터페이스 5) HP/LP 의여분시스템구축 6) 각각의 HP 와 LP 공급라인에분리된 ESD 시스템을포함하며 Umbilical 라인을격리하거나감압 Topside Umbilical Termination Unit TUTU 는 Platform 상부에설치되는 Umbilical 의끝단부연결장치로, HPU 로부터공급되는유압, UPS 로부터공급되는전기, CIU 로부터공급되는캐미컬 (MEG, MeOH 및 SI/CI) 라인들을 Umbilical 과연결시켜해저생산설비로전달한다. 해저생산제어장비는해저생산정 (Subsea X-Tree), 생산제어용유체공급라인 (Umbilical), 해저생산제어모쥴 (Subsea Control Module), 제어용유체배분모쥴 (Umbilical Distribution Module) 및각라인별연결을위한 EFL(Electric Flying Lead) & HFL(Hydraulic Flying Lead) 로구성 (ISO , 2006) 되며, 해저특성상장기적안전성확보를위한신뢰성확보를위해상부생산제어설비와함께신뢰성분석 (FMECA) 을실시한다 Umbilical Umbilical 은 Subsea System 에있는 Valves 의제어를위한 Hydraulic Fluid의이송, Subsea System 의 Operation 에필요한 Chemicals 의이송및 Electric Power 공급등을할수있도록 HP 및 LP Hydraulic Fluid Lines, Chemical Lines 및 Electric Lines 이하나의 Bundle 로구성되어있으며 Surface Control System 과 Subsea Production System 사이를연결하게된다 (ISO , 2005: ISO , 2009). Umbilical 의자세한구성및기능은다음과같다. 1) HP Hydraulic Fluid Line 고압 (High Pressure) Hydraulic Fluid 를이송하는데사용되는라인이다. 주로 10,000psi 이상의압력범위에쓰이며, 342 대한조선학회논문집제 49 권제 4 호 2012 년 8 월

3) Chemical Injection Fluid Line Subsea System Operation 및 Hydrate 생성방지를위해요구되는 Chemicals(e.g. MEG, MeOH, CI 및 SI) 가이송되는 Line 이다. SPS 의 Chemical 주입요구압력에따라, CIU 의주입압력이결정된다. 2.3.2 Umbilical Distribution Module Umbilical 을통해전달된 Hydraulic(LP, HP), Chemical (MEG, MeOH, CI/SI), Electric Line 등은 UDM 을통해서각 X-Tree 로분배된다.

4 최한석 도창호 이승건 Well 의 Down Hole 에설치된 SCSSV 의제어에사용된다. 2) LP Hydraulic Fluid Line 저압 (Low pressure) 의 Hydraulic Fluid 를이송하는데사용되는라인이며, 주로 5,000psi 까지의압력범위에쓰이며, Subsea X-Tree 내의 Master Valve, Wing Valve, Chemical Injection Valve 및 Annulus Valve 의제어에사용된다. 3) Chemical Injection Fluid Line Subsea System Operation 및 Hydrate 생성방지를위해요구되는 Chemicals(e.g. MEG, MeOH, CI 및 SI) 가이송되는 Line 이다. SPS 의 Chemical 주입요구압력에따라, CIU 의주입압력이결정된다 Umbilical Distribution Module Umbilical 을통해전달된 Hydraulic(LP, HP), Chemical (MEG, MeOH, CI/SI), Electric Line 등은 UDM 을통해서각 X-Tree 로분배된다. Umbilical 을통해서해저생산설비로전달된 Hydraulic Fluid, Chemical 및 Electric Power는 Umbilical 끝에부착된 UTA(Umbilical Termination Assembly) 를거쳐 SDU(Subsea Distribution Module) 와 EDU(Electric Distribution Module) 로연결되며다시각각의 Subsea X-Tree 로의분개가이루어지며주요구성요소는아래와같다. UDM Foundation Mudmat Umbilical Termination Assembly (UTA) Subsea (Hydraulic) Distribution Unit (SDU) Electrical Distribution Unit(EDU) Fig. 2 Typical cross-section of an umbilical Umbilical 각각의 Line 들은 Dual Redundancy 개념이적용되며, 각각의 Line 설계압력은해저생산설비까지의길이및압력강하 (ΔP) 를고려하여결정하여야한다. Hydraulic Line 및 Chemical Line 의재질은주로 Thermo-plastic 또는 Stainless Steel 이사용되며, Valve 의작동반응속도 (Response Time) 및 Hydraulic Fluid 및 Chemical과의호환성검사 (Compatibility Test) 결과에따라최종선정된다. 또한 Umbilical 은단위기계장비가아니라 Platform 으로부터해저생산설비까지부설이되어져야하는조건을만족하여야하므로반드시아래설치시의제약요소를초기계획부터고려하여시공성을확보하여야한다. 1) MBR(Minimum Bending Radius) - Drumming/Service 2) Minimum and Maximum Breaking Load 3) Maximum Working Load (Straight) 4) Stability against Environmental Loads 5) Pull-in Operation through I/J-Tube 6) Pullling Head Design 7) Maximum Tensoiner Load 8) Repair Method, in case damage Fig. 3 3D Model of UDM (HHI & FMC, 2010) UDM 과 X-Tree 의연결을위한 Hydraulic Flying Lead(HFL) 및 Electric Flying Lead(EFL) 는 Cow Horn 에 Pre-rigging하여해저에서 ROV 를이용하여설치하기도한다. UDM Mudmat 은그상부에설치되는모든장비들을지지하고 Umbilical 과 HFL, EFL 등의설치시발생되는잔여장력 (Residual Tension), ROV 에의한하중및환경하중등을견딜수있도록설계되어야한다 (ISO , 2002). 특히 UTA 의경우, Trawling 에의해 Snagging Load 가작용할경우를대비하여 UTA Receptacle Funnel과 Mudmat 이 Hinge 형태로연결되는 Weak Link Design 이적용되어 UDM 구조의영구적인손상이방지되도록설계되어야한다 EFL 및 HFL EFL 은 Electrical Power 및 Signal 을 UDM의 EDU 에서 X-Tree 에위치한 SCM 까지연결시켜주는역할을하며, HFL 은 Hydraulic (LP, HP) 및 Chemical(MEG, MeOH, CI/SI) 을 X-Tree 로전달하는기능을수행한다. JSNAK, Vol. 49, No. 4, August

5 Subsea System 최적설계요소에관한연구 De-latch 되어 Actuator 로유압공급을차단하여 Valve 가자동으로닫히도록하는 Fail-safe 기능이탑재된다 기타주요장비 Fig. 4 Electric flying lead (EFL) Fig. 5 Hydraulic flying lead (HFL) Fig. 6 Interface schematic of SCM Subsea Control Module SCM은 UDM의 SDU로부터 LP 및 HP Hydraulic Fluid와 Chemical을, EDU 로부터 Electrical Power 및 Communication Signal 을공급받으며시스템을모니터링하여자가진단된데이터들은 SCU 로전송하게된다. SCM 은 X-Tree 의 Subsea Control Module Mounting Base (SCMMB) 에 ROV 를이용하며설치및회수가가능하도록설계 (ISO , 2002) 되며내부에는 LP/HP 유압이공급되는 Port 를선택하는 Change-over Valve 가설치되며또한각 Valve 의제어를위한 Directional Control Valve (DCV) 가있어특정밸브의개폐명령이있을경우해당밸브 Actuator 로유압을공급하며라인손상등긴급상황하에서는 상기장비들외에도안전운용을위한압력및온도측정용 Transmitter(PT 및TT), Production Fluid 내의 Sand 의양을측정할수있는 Sand Detector(SD), Chemical 의주입량을조절하는 Chemical Injection Throttle Valve(CITV) 그리고 Well Fluid 의유량을측정하는 Flowmeter 등이있다. Pressure Transmitter 및 Temperature Transmitter(PT/TT) 는 Subsea X-Tree 내의압력및온도를측정하는장치이다. 하나의압력용기속에압력및온도의측정이가능하도록구성되어있으며, CanBus 통신프로토콜을사용한다. 주요 Production Piping 내부또는부품에 Sand에의한 Erosion 이발새시운용중위험을초래할수있으므로 Production Fluid 내의 Sand 함량에대한모니터링은필수적이며 Operation 시이에대한적절한조치는필수적이다. Production Fluid 내의 Sand 함량은통상 Acoustic Sand Detector(ASD) 를이용하며측정하며함량및 Erosion 효과등을모니터링하는신호는 SCM 을통해 TCS 로전송되도록설계되어야한다. 또한 SCM 에는연결된장비에는 Production Line 에주입되는 Chemical Injection 의유량을조절하는 Chemical Injection Throttle Valve(CITV) 또는 Chemical Injection Dosing Valve(CIDV) 가있으며 Chemical 주입량은두압력센서사이의 Orifice 를통과할때압력강하를측정함으로써계산된다. 특히, 최근개발된 Dual Core CITV 의경우, 각기다른 2 Chemical Line 의주입량조절이가능한장점이있다. Production Fluid 의유량측정을위해 Single Phase Flowmeter(SPFM) 또는 Condensate 및수분의함량을각각측정할수있는 Wet Gas Flowmeter(WGFM) 가적용된다. Flow 의양은다른센서들과마찬가지로 SCM 을통해 TCS 로전송되어 Rate 계산에사용된다. Flow Rate 계산에는 ΔP 이외에도압력과온도측정치가사용되며계산된 Flow Rate 의정확도는 95% 신뢰도에서 +/-5% 정도의오차를가지도록계획된다. 3. 해저생산시스템 3.1 X-Tree System X-Tree 란, 각종 Valves 류및 Valve 가부착된 Block 과 Piping 및피팅류 (Fittings) 의조립체로 Well Tubing 의상부에설치되어고압의원유혹은가스의생산을제어하기위해 10,000psi 또는 15,000psi 압력을견딜수있도록설계되며, 크게생산용 (Production X-Tree) 과주입용 (Injection X-Tree) 으로구분한다. X-Tree는또한 Dry Tree, Wet Tree(Subsea X-Tree) 로구분되는데이는 X-Tree 가설치되는위치에의해서구별이이루어지며, 344 대한조선학회논문집제 49 권제 4 호 2012 년 8 월

최한석 도창호 이승건 Dry Tree 는주로고정식플랫폼이나 TLP, Spar 등의 Platform 에설치된다. 3.1.

6 최한석 도창호 이승건 Dry Tree 는주로고정식플랫폼이나 TLP, Spar 등의 Platform 에설치된다 X-Tree 시스템의주요구성 X-Tree의 Main Block은 Composite Valve Block(CVB), Production Wing Block(PWB), Annulus Wing Block(AWB) 과 Wellhead와연결되는 Tree Connector, 그리고 CVB 의전면에위치하여 Downhole 과의 Hydraulic / Electric Line 의연결통로가되는 EH-5 Penetrator 등으로구성된다. CVB 은 Production Master Valve(PMV), Annulus Master Valve(AMV), 그리고 Annulus Access Valve(AAV) 등의 Valve 가장착되며, Tubing Hanger Orientation Sleeve (Isolation Stab), Wellhead 와의연결을위한 Torus-IV Connector 등도 CVB 에포함된다. Annulus Wing Block(AWB) 의경우, Pressure / Temperature 센서가연결되며내부에는 AMV 와 AAV 가설치된다. PWB에는 Production Wing Valve (PWV), Cross Over Valve (XOV) 가설치되며, Chemical Injection 및 PT 센서가연결된다. Production Flowloop 의 Downstream 에위치하며 CVB 와결합된다. EH-5 Penetrator 는 X-Tree와 Tubing Hanger 사이의 Hydraulic 및 Electric Connection(Downhole Sensor 와연결 ) 의연결또는해제기능을갖추고있다. 또한 Upper Crown Plug 와 Lower Crown Plug 사이공간의테스트시사용되는 Wireline Plug Test Line 을연결하는역할도수행한다 (ISO , 2010). 2) Production Master Valve X-Tree 에있는차단용밸브 (Isolation Valve) 로 SCSSV 에이은 2차차단밸브의기능을한다. 사용되는밸브종류로는주로게이트밸브 (Gate Valve) 가쓰인다. 3) Production Wing Valve 주로 PMV 와동일한유형의밸브이지만, 기능상 PMV 의보조밸브의역할로 Production Line 의이중차단용 (Double Isolation) 기능을 PMV와함께수행한다. Production Choke Valve(PCV) 에의해 Well Fluid 가막혔을경우 Well 의 Shutdown 시사용되는주차단밸브이다. 4) Annulus Master Valve Annulus Bore 의차단역할을하는밸브로일반적으로 Open 상태에있으며, 이를통해 AMV 뒤쪽의압력센서로 Annulus Bore 의압력을지속적으로모니터링할수있도록한다. AWV(Annulus Wing Valve) 는 AMV 와함께 Annulus Bore 를차단하는역할을수행한다. 5) Chemical Injection Valve Subsea X-Tree 에는 Well 및 Production Fluid 의특성에따라 CI(Corrosion Inhibitor), SI(Scale Inhibitor), MEG, MeOH 등의 Chemicals 이주입되며이의주입량을통제하는밸브이다. 6) Production Choke Valve 생산되는원유나가스의유량제어및제한의기능을수행하며유량제어의목적이므로안전차단밸브의기능으로는고려하지않는다. 급격한압력강하로인하여밸브전후단의급격한온도강하를수반하므로해당부분의재질선정에주의하여야하며, 적절한화학물질 (MEG, MeOH) 를주입하여하이드레이트생성에의한 Valve 오작동을방지하여야한다 X-Tree 기타주요 Assembly X-Tree 는 Main Block 및주요밸브외에도다음과같은기타주요 Assembly 로구성된다 (API 17D, 2003). Fig. 7 Main block of x-tree(hhi & FMC, 2010) X-Tree 주요밸브및기능 1) Surface Controlled Subsurface Safety Valve Well Drilling 후설치되는 1차안전밸브로서, 유정의주차단밸브의기능을한다. 유정의 Production Tubing 에설치되기때문에 Check Valve 의형태를지니게되며 TCS 에서제어한다. 1) Lower Tree Frame X-Tree 의하중을지탱하며운송이나설치시에 Protection 을제공하는역할을한다. Frame 에는 Anode 가부착되어 X-Tree Assembly 및 Wellhead에 Cathodic Protection을제공한다. 2) Subsea Control Module Mounting Base SCMMB 는 SCM 이연결되는 Port 로기본적으로 SCM 하단부와 Interface 가완전히동일하여, SCM 하부의 Hydraulic 및 Electric Connector 를 SCMMB 하부의커넥터로연결해주는역할을수행한다. 실제해저에서운용중 SCM 에고장이발생하는경우, SCM Running Tool 을활용하여 SCM 의회수및설치를수행할수있다. JSNAK, Vol. 49, No. 4, August

Subsea System 최적설계요소에관한연구 계한다. 3.1.5 Tubing Hanger System Fig.

Well Fluid 가 Production Bore 로이송될수있도록설치시 Tubing Hanger 에부착된 Orientation Sleeve와 X-Tree의 CVB Block 내부 Bore 에위치한나선형캠이맞물리면서하강시위치와자체조정 (Self Alignment) 이되도록설계된다.

Downhole Access 외에도 Tubing Hanger 상단의 Poppet Gate Valve 가수직방향의 Access 를제공하므로 Tubing Hanger 를설치하는동안에도 THRT 를통해 Downhole 의모니터링이가능하도록설계된다. Fig. 9 SCM Funnel and SCMMB Fig.

주로 Telescopic Type 또는 Leg 를접어올릴수있는 Hinge Type 으로설계하여 X-Tree 의운송이나설치시에타구조물특히 Drilling Unit 의 Moon Pool 과의간섭을최소화하도록설계되어야한다.

7 Subsea System 최적설계요소에관한연구 계한다 Tubing Hanger System Fig. 8 Typical horizontal tree assembly(hhi & FMC, 2010) Tubing Hanger 는고압의 Well Fluid 와외부환경사이에이중안전차단벽 (Double Pressure Barrier) 의역할을하도록 X-Tree 내부에설치되는구조물로, 측면의 Production Outlet 을통해 Well Fluid 가 Production Bore 로이송될수있도록설치시 Tubing Hanger 에부착된 Orientation Sleeve와 X-Tree의 CVB Block 내부 Bore 에위치한나선형캠이맞물리면서하강시위치와자체조정 (Self Alignment) 이되도록설계된다. EH-5 Penetrator 를통해연결되는 Downhole Line은 SCSSV 제어를위한 Hydraulic Line과 DHPTT(Downhole Pressure and Temperature Transmitter) 에사용되는 Electric Line 으로구성되며, Horizontal Penetrator 를통한 Downhole Access 외에도 Tubing Hanger 상단의 Poppet Gate Valve 가수직방향의 Access 를제공하므로 Tubing Hanger 를설치하는동안에도 THRT 를통해 Downhole 의모니터링이가능하도록설계된다. Fig. 9 SCM Funnel and SCMMB Fig. 10 X-Tree FFS deployed configuration Fishing Friendly Structure FFS는 Trawl Board 등의 Fishing Equipment 는물론 Dropped Object 들로부터 X-Tree 를보호하는역할을수행한다. 주로 Telescopic Type 또는 Leg 를접어올릴수있는 Hinge Type 으로설계하여 X-Tree 의운송이나설치시에타구조물특히 Drilling Unit 의 Moon Pool 과의간섭을최소화하도록설계되어야한다. Subsea 에설치될경우 FFS 의끝단이해저에일부분묻히면서 Trawl 의 Hooking 에의한 Snagging 위험이최소화되도록설 Fig. 11 Configuration of tubing hanger 3.2 Manifold and Tie-in System Manifold 는각각의단일유정 (Satellites Wells) 에서생산되는 Production Fluid 를모아 Pipeline 으로 Process 설비가있는 Platform 으로이송하기위한역할을하는구조물로크게 Piping Module 과 Support 구조로이루어진다. Manifold 하부구조는자중에의해안정성이확보되어지는 Gravity Type 또는 Pile 을이용하여지지력을확보하는 Piled 346 대한조선학회논문집제 49 권제 4 호 2012 년 8 월

8 최한석 도창호 이승건 Type 이있으며심해저의경우는 Pile Driving 이용이하지않아 Pile 내외부의압력차를이용하여자체관입이가능한 Suction Pile Foundation 을이용하기도한다. Manifold 구조는기본적인권양, 운송, 설치, 운용시의하중조건외에도어선및어로장비와설치선박등에서의낙하물로부터밸브및 Piping Module 을보호될수있도록상부에보호구조가설치되는것이일반적이며, 밸브의설치및교체를위해보호구조가개폐기능을가질수있도록힌지 (Hinge) 구조로설계되어야한다. Manifold 와해저유정의연결은연결배관 (Flowline Jumper) 로이루어지며, Rigid 배관또는 Flexible 배관이가능하나생산유체내의 Sand 에의한침식의영향을최소화할수있는 Super Duplex 재질의배관이일반적으로적용된다. Rigid 타입의일반적인연결배관형태로는고온고압에의한팽창을흡수할수있는 M' 또는 'U' 형태의배관구조가적용되며해저에서의환경및외력조건에의한안정성, 진동 (VIV) 및해저지반과의인터페이스와설치시의연결성등을복합적으로고려하여설계된다. Fig. 12 3D model of manifold and tie-in system (Scourced from HHI & FMC subsea design package) 4. Study on Subsea System Design 해저생산시스템은해저유정으로부터생산되는오일및가스의생산통제및제어를위한해저생산정 (Subsea X-Tree) 과생산된오일및가스의집합을위한 Manifold 및생산유체의이송을위한 Pipeline System, 생산통제를위한제어장비및 Umbilical 등이통합된시스템으로, Field 의특성, Reservoir 의용량및 Production 계획을고려한 X-Tree 사양결정및 X-Tree 또는 Manifold 등에위치한 Valve 와 Choke 의작동을제어하는 Hydraulic, Electric Power & Signal 공급과제어를위한 Topside Control 장비에대한사양결정, 생산유체의이송을위한 Manifold 및 Pipeline 설계등의과정을거쳐이루어진다. 설계과정에대한사례연구를위해 Sample Field 및 Reservoir 데이터를기준으로해저생산시스템최적설계를수행하고결과를제시하였다. 4.1 Field Description and Reservoir Data 1) Field Basic Information Water Depth (m) 187 Distance to Wells (km) 13 (approx.) Reservoir Datum Depth (m) Reservoir Pressure 365 Reservoir Temperature ( o C@datum) 74.2 Viscosity (cp) Compressive Factor (z-factor) 1.04 Gas Expansion Factor at Datum 285 Density (kg/m 3 ) 194 2) Wellstream 주요 Composition (Mol %) 3) Well Performance Methane Ethane Propane i/n Butane i/n Pentane n-hexane M-Cyclopentane n-heptane M-Cyclohexane n-octane E-Benzene n-nonane n-decane n-c n-c n-c n-c n-c n-c CO N H 2S(ppm) 1.8 (max.) Gas Rate per Well (MMscfd) 52.8 ( o C@30MMscfd) 33.9 Design SIP (psi) Gas Gravity 0.56 H 2S (ppm,max) 1.8 CO 2 (mol%,max) Sand Particle Size (micron) (OHGP, D10/D50/D90) 200/53/4 JSNAK, Vol. 49, No. 4, August

9 Subsea System 최적설계요소에관한연구 4) No. of Wells Spare 5) Design Life (year) 30 6) Environmental Loading (m/s) Extreme Current (1/10/100-Y) 0.53/0.61/0.69 Current (Installation/Operation) 0.0~0.49 Wave Condition 1-Y 10-Y 100-Y H S (m) T Z (sec) T p (sec) T p/t Z H C (m) H max (m) TH max,lower (sec) TH max,mid (sec) TH max,upper (sec) Result of System Sample Design 1) System Pressure Rating (psi) LP Line 5,000 HP Line 10,000 SCSSV 10,000 SI/CI Lines 10,000 MEG Lines 10,000 MeOH 10,000 X-Tree Production/Annulus Bore 10,000 Tubing Hanger Bore 10,000 Choke 10,000 Manifold Production Piping 5,000 Well Jumper 5,000 * Sample 로제시된 Reservoir Pressure 를고려, Critical Parts 는 10,000psi 로선정. 2) Material Selection X-Tree Production Wetted Parts X-Tree Annulus X-Tree Production Flowloop X-Tree Cross-over Flowloop Manifold Header and Branch Production Jumper and Connection SDU Tubing TUTU Tubing Gas Transportation Pipeline API HH API EE API FF API EE Super Duplex Super Duplex Super Duplex AISI 316L API 5L-X65 * X-Tree Production 및 Annulus Part와 Flowloop 는생산유체의특성을고려하여 Sour Service 자재인 API 6A EE, FF 및 HH 로선정하고, Manifold Header 및 Branch 와 Jumper 는생산유체내의 Sand 로인한 Erosion 영향을최소화하기위해 Super Duplex 선정 (NACE MR0175, 2009; API 6A, 2010). 3) System Design - Topside Control Equipment SCU 1 SPCU 1 (SPCU A & B PKG) HPU HP690 x LP345 bar CIU 1 (MEG, CI/SI, MeOH) UPS 1 (145kV 230V 50Hz) 4) System Design - Subsea Control Equipment Umbilical (Multiflexed Electro-Hydraulic Type) Size (ID) WP (bar) Rating (bar) Service 1 1/2" LP1 2 1/2" LP2 3 1/2" HP1 4 1/2" HP2 5 3/4" MEG 6 1/2" CI/SI 7 3/4" MeOH E1 10mm 2 E1 0.6/1.0kV Signal/Power E2 10mm 2 E2 0.6/1.0kV Signal/Power UDM (with SDU, EDU, UTA) 1 SCM (Multiplexed Elctro-Hydraulic) Spare HFL (with MQC) 4 EFL 8 (2 for X-Tree) 5) Subsea Production System Wellhead UWD-15 Subsea X-Tree (5" x 2", 10K) Spare Manifold (slot) 5 (incl. 1 Spare) Production Piping (OD, inch) 14 Branch Piping (OD, inch) Foundation (Suction Pile, m) 9.4 x H14.6 Jumper (OD, inch) (4EA) 6) Gas Transportation (from Well to Process Platform) Pipeline System (OD, inch) 결론 본연구에서는최근국가신성장동력사업의일환으로추진중인해저생산시스템 (Subsea Production System) 분야전반및주요구성장비들에대한특징과설계시고려요소들을제시하고, System 최적설계사례로향후의관련기술개발과시장진출에기여코져하였다. Subsea System 최적설계요소에관한연구를통 348 대한조선학회논문집제 49 권제 4 호 2012 년 8 월

설계요소분석을통하여시스템의장기적사용안정성을확보하는것이필수적이다. 2) System 설계결과예시에서는주어진 Field Data 및 Reservoir Data 를기준으로설계압력 (5,000~10,000psi) 을결정하였고, 해저환경에서의설계수명과 Downhole 접근성을고려하여야한다.

최적자재선정은설계코드와설계기준을바탕으로안전성, 운영성, 경제성에의해제시하였다. 4) 제어방식은해저생산정과 Platform 통제장비와의거리및통달성과반응성을고려, Multiplexed Electro-Hydraulic 제어방식을선정하였으며, 해저생산정의각종 Valve 통제를목적으로하는 HP 및 LP 라인및 Electric Line 은이중으로계획하였다.

10 최한석 도창호 이승건 하여그결과를다음과같이요약한다. 1) 해저생산시스템설계는심해저에서의특수성을고려한설계조건선정과그에따른최적자재선정, 설치및유지보수의용이성과사용상의안전성 (ESD 및 Fail Safe), 그리고잉여운용성 (Redundancy) 을초기계획부터종합적으로반영하고신뢰성해석 (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) 을통한검증을거쳐야한다. 설계요소분석을통하여시스템의장기적사용안정성을확보하는것이필수적이다. 2) System 설계결과예시에서는주어진 Field Data 및 Reservoir Data 를기준으로설계압력 (5,000~10,000psi) 을결정하였고, 해저환경에서의설계수명과 Downhole 접근성을고려하여야한다. 설계코드, Data, 설계해석등을통하여해저생산정은 5"x2" 10k 급 Horizontal X-Tree 를선정하였다. 3) 자재는설계압력과사용조건을고려하여해저생산정의경우 API 6A, Manifold Header 및 Branch 와 Jumper 는 Super Duplex, 그리고생산유체운송을위한해저배관시스템은 API 5L-X65 자재를적용하였다. 최적자재선정은설계코드와설계기준을바탕으로안전성, 운영성, 경제성에의해제시하였다. 4) 제어방식은해저생산정과 Platform 통제장비와의거리및통달성과반응성을고려, Multiplexed Electro-Hydraulic 제어방식을선정하였으며, 해저생산정의각종 Valve 통제를목적으로하는 HP 및 LP 라인및 Electric Line 은이중으로계획하였다. 본연구에서는시스템의신뢰도 (Reliability) 및잉여운용성 (Redundancy) 을향상시키는통제장비를선택하였다. 6) 마지막으로생산계획변경에따른추가생산량확보가요구될경우를대비, 추가해저생산정을연결할수있는 Spare Slot 을 Manifold 설계에고려하고제어시스템설계에운용여분용량을추가로반영하였다. 잉여운용성 (Redundancy) 과시스템확장성을고려한설계를하였다. 참고문헌 Devegowda, D., An Assessment of Subsea Production Systems. MSc. Houston, Texas A&M University. Hyundai Heavy Industries Co., Ltd (HHI) & FMC Technologies Subsea Design Package for SHWE Project, HHI. International Energy Agency (IEA), 2010 World Energy Outlook 2010, IEA. ISO , Design and Operation of Subsea Production Systems - Part 1: General Requirements and Recommendations. ISO , Design and Operation of Subsea Production Systems - Part 4: Subsea Wellhead and Tree Equipment. ISO , Design and Operation of Subsea Production Systems - Part 5: Subsea Umbilicals General Information. ISO , Design and Operation of Subsea Production Systems - Part 6: Subsea Production Control systems. ISO , Design and Operation of Subsea Production Systems - Part 8: Remotely Operated Vehicle (ROV) Interfaces on Subsea Production Systems. Leffler, W.L. Pattarozzi, R. & Sterling, G., Deepwater Petroleum Exploration & Production. PennWell, Houston. NACE. MR0175, Materials for Use in H2S - Containing Environments in Oil and Gas Production. Offshore, World Trends and Technology for Offshore Oil and Gas Operation, May, PennWell, Houston. API. 6A, Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment. API. 17D, Specification for Subsea Wellhead and Christmas Tree Equipment. API. 17A, Recommended Practice for Design and Operation of Subsea Production System. Choi, H.S., Review of Deepwater Petroleum Exploration & Production. Journal of Ocean Engineering and Technology, 22(4), pp Choi, H.S. Lee, S.K. & Do, C.H., Subsea Responses to the BP Oil Spill in the Gulf of Mexico. Journal of Ocean Engineering and Technology, 25(3), pp 최한석도창호이승건 JSNAK, Vol. 49, No. 4, August

(Table of Contents) 2 (Specifications) 3 ~ 10 (Introduction) 11 (Storage Bins) 11 (Legs) 11 (Important Operating Requirements) 11 (Location Selection)

SERVICE MANUAL (Table of Contents) 2 (Specifications) 3 ~ 10 (Introduction) 11 (Storage Bins) 11 (Legs) 11 (Important Operating Requirements) 11 (Location Selection) 12 (Storage Bins) 12 (Ice Machine)