2011 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 6 월 2 일 ( 목 )~3 일 ( 금 ) 부산 BEXCO Subsea Production System 구성에관한조사 연구 : Multiple well tie-back 을중심으로 유원우 *, 양영순 서울대학교조선해양공학과 * 서울대학교조선해양공학과및해양시스템공학연구소 The study of the configuration of subsea production system: In the case of multiple well tie-back Yoo, Won-woo *, Yang, Young-soon, Dept. Naval Architecture & Ocean Engineering, Seoul National University * Dept. Naval Architecture & Ocean Engineering, Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul National University 요약 현대사회의필수자원으로원유와천연가스가자리를잡으면서해양자원의개발에 관심이커져가고있다. 이와같은흐름에따라조선해양분야에서는해양자원개발을 가능케하는 Subsea system 기술개발에주력하고있다. Subsea 라는특수한환경의특성상, Subsea system 에대한정확한이해를바탕으로안전한 Subsea system 구축에대한연구의필요성이커지고있다. 본논문에서는안전한 Subsea system 구축에대한연구에앞서 Field layout 형태중하나인, Multiple well tie-back 을기준으로 Subsea production system 에대한조사를통해전반적인 Subsea production system 에대한 Concept 과 Process 의이해와향후연구분야의설정을돕고자한다.
1. 서론 현대사회의필수자원으로자리잡은원유와천연가스의확인된매장량은제한적인데반하여, 세계경제의발전과인구성장은지속적으로진행되고있음에따라새로운대체에너지의개발과함께기존자원의추가적인탐사에눈을돌리면서해양자원에관심이모이고있다. 2010년기준으로확인된채굴가능매장량이원유가 1조 Barrel, 천연가스가 113조 m 3 이며, 추정된채굴가능매장량이원유가 2조 Barrel, 천연가스가 204조 m 3 으로조사되었는데이중약 50% 가해양에있다고추정되고있다. 이로인해해양유전개발을위한보다험한해양환경에적응가능한선박및해양설비의제작과생산기술의향상에세계각국이관심을가지고있으며 Offshore 시장의규모또한 2013년까지 3500만달러로확대될것이라전망되고있다. 이와같은흐름에맞추어 Subsea system 에대해이해를하고안전한 Subsea system 구축에대한연구의필요성이제기되었다. 본논문에서는 Field layout 형태중하나인, Multiple well tieback 을기준으로 Subsea production system 에대한조사를통 해그내용을정리하여전반적인 Subsea production system에대한 Concept과 Process의이해와향후연구분야의설정을돕고자하는데목적을두고있다. 2. The whole process of subsea resource development 2.1. Exploration Exploration 은석유화학회사들이주로담당한다. 우선적으로 Oil 이나 Gas 가매장되어있을만한광구에대해탐사권을구입하고탐사를시작하게된다. Exploration 에이용되는방법은 Sonar survey, Seismic survey, Gravitational survey 등이있다. Sonar survey 는해양탐사를위한주된방법이다. 해양의특성과해양에서일어나는현상을관측하는것이목적이다. Seismic survey 는주행시간, 진폭, 주파수, 파형등과같은지진파의특성에대한조사를실시하고이러한자료들을분석하여 Subsea 내부의물리적특성및구조에대해연구하는것이목적이다. 마지막으로 Gravitational survey 는 Subsea 에서관심있는지점에대하여그지점의중력과그분포를측정하여그값에해당하는지하의지질구조및광상을추정하는것을목적으로한다. 이러한조사과정을거쳐최종적으로해당광구를개발했을때이득을어느정도취할수있는지에대해서분석하고분석한 결과를토대로광구개발여부에대하여결정짓게되는것이다. 2.2. Drilling 광구개발이확정되면 Drilling process가진행된다. Drilling이가능한구조물은 Submersible, Jack-up, Drillship, Semisubmersible 등이있는데, Submersible과 Jack-up은 shallowwater 에서주로쓰이고 Drillship과 Semi-submersible은 deepwater 에서주로이용된다. Drill bit이라는장비가 Drilling riser 하단에장착되어 Drilling 작업을수행하게되는데, 이때 Drilling을하면서 mud 도같이분사해준다. Mud 를분사하게되면, 작업으로인한열을흡수하기때 문에열발생을억제할수있고작업에방해를주는암석조각 등의제거도가능하며 Blow-out 방지차원에서또한유용하다. Drilling process 의가장큰특징은단계적으로 Drilling 반경을 줄여가면서 Drilling 하는데에있다. 일정깊이의 Drilling 을시행한 후그 hole 에 Casing 을설치하고 cement 처리로고정을시켜주 고다시이전 hole 보다작은반경의 hole 을뚫으면서위의방법 을반복하는것이다. 이러한반복을통하여최종적으로 reservoir 에접근하게된다. 2.3. Production Well development 가완료되면 Production이진행된다. Subsea라는특수한환경의특성상 Production 상의안전성이강조된다. 이에따라압력과유동에대한제어시스템에대한기 술이주요관심대상으로주목받고있다. 다양한 Production system의구성에대한자세한내용은 3장과 4장에서자세히다루도록한다. 2.4. Processing 생산된 Crude materials 를처리하는과정이다. 기본적인목적은생산해야할자원 (Oil & Gas) 과불필요한자원 (Water & Sediment) 를분리하는것이다. 분리하는방법으로는크게열에의한분리, 압력에의한분리, 촉매전환제를이용한분리를들수있다. 상황에따라서조건에맞는방법을이용해서자원을처리한다. Water와 Sediment는 Oil이나 Gas로부터분리가되면바로제거가된다. Water 의경우, 경우에따라 reservoir 의압력조정을목적으로재주입되기도한다. Oil이나 Gas는 Separation을통해서로분리가되고지상으로의운송을위해저장된다. Oil 이나 Gas 의경우에도어느자원에비중을두고생산하는지의경우에따라서 Reservoir의압력조정을목적으로재주입되기도하며, Subsea system 의원료로즉시소모되기도한다. 2.5. Transmission 생산한자원을필요로하는장소로옮기는작업이다. 해양의
FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 나 TLP(Tension Leg Platform), Spar 등에저장되어있는생산된자원을 Tanker 를통해서이동시키는방법이일반적인방법이나 Subsea system 기술의발전으로인해 Subsea 에서생산된자원을 pipeline 을통해육상으로바로연결해주는방법도가능해졌다. 3. The layout of subsea production system 3.1.3. Multiple well tie-back 분산되어있는 Well 들을하나의 Manifold 로 Jumper 를통해연결시켜서우선 Fluid 를 Manifold 에모은다음에원하는수의 Production line을이용하여 Host facility로이동시킬수있도록배치되는시스템이다. Umbilical line 또한 SDU(Subsea Distribution Unit) 에서분산된여러개의 Flying lead 를통해서각각의 Subsea 구조물들에서비스를제공한다. 이러한방식때문에이와같은배치에따른생산시스템을 Cluster Production System이라고도부른다. Multiple well tie-back 의구성에대해서는 4장에서자세히다루도록한다. 3.1. The field layout of subsea production system 3.1.1. Single well tie-back Single well tie-back 은 Well 에서나온 Fluid 가 Subsea tree 를 거쳐 Line 으로연결될때, Line 의취합이나분산없이 Fluid 를처 리하는시설로직접적으로연결하는시스템이다. 즉, Host facility 에서단일의 Production line 이 Subsea tree 로 직접연결이된다. 제어시스템과연관이있는 Umbilical line 또 한 Production line 과동일하게 Host facility 에서 Subsea tree 로 직접적으로연결된다. 이렇게직접적으로연결이되면시스템 구성자체가단순해지기때문에 Reservoir 에서부터 Host facility 로이동하게되는 Fluid 의유동관리가상대적으로편리해지는 장점이있지만 Well 이많아지는경우각각의 Production line 과 Umbilical line 을가동해야하므로오히려더복잡해질가능성을 지니고있다. 3.1.2. Template system 어떠한구조물을어선이쳐놓은그물망을끌고갈경우나해 양생물과의충돌과같은예상치못한외부환경에대해보호를 하는기능을지닌 Template 을 Christmas tree 와함께그룹화를 시켜 Subsea 에설치하는방법이다. Well 들이일정한간격을가지고분포해있을때만이시스템 의효용성이커진다는단점을지니고있다. Well 의분포에맞게 끔자유롭게 Template system 을설계하는것은힘들기때문이 다. 이같은큰제약을가지고있지만, 조건이만족되는광구에 대해서는다른 Field layout 방법에비해서상대적으로많은장점 을지니고있다. 위에서언급한구조물보호기능이외에도 Line 을 Host facility 로직접연결할수있는 Template system 의특성 상, Production line 을이어주는 Jumper 나 Umbilical line 을이어 주는 Flying lead 없이 Subsea system 을구축할수있다는장점 이있다. 특히나빙하조각등에 Damage 를받을수있는 Arctic zone 과같이 Harsh 한환경에서는 Template system 의장점이더 욱부각된다. 3.1.4. Daisy chain system Multiple well tie-back 의 Field layout 에서확장된형태라고볼 수있다. 즉, 둘이상의 Manifold 가 System 내에설치되어 Manifold 끼리 Inter-connecting jumper 를통하여연결이되어있 는 Field layout 형태를 Daisy chain system 이라고부른다. 비교 적많은수의 well 들을처리하는데유용하며, Subsea tree 와 Manifold 간의연결을해주는 Jumper 의길이에관해서도 Manifold 를다수로사용함으로써 Subsea tree 들과 Manifold 간의 간격을줄여서 Jumper 의길이에따른제약에서더욱자유로울 수있다는장점을가지고있다. 3.2. The type of processing after exploitation 3.2.1. A fixed system Host facility 를고정식플랫폼으로설치하는경우를말한다. 그종류로는 Jacket 과같은 Fixed platform, CT(Compliant Tower), Gravity structure 등이있다. 제한수심은 Fixed platform 이나 Gravity structure 보다는 CT 가비교적깊은편이지만, 부유 식플랫폼과비교해봤을때전체적으로제한수심은낮은편이 다 (Fixed platform: 0 ~ 500 m, Gravity structure: 0 ~ 300 m, Compliant Tower: 300 ~ 1000 m). 이같은고정식플랫폼을설 치했을때의장점은역시고정식의특성상 Wave 나 Current 에 의한플랫폼의 motion 의영향이상대적으로작다는것이다. 이 러한이유로 Subsea 에서 Well 들이분포해있는장소근처에고 정식플랫폼이설치가능한수심을가지고있다면비록 Well 들 이분포해있는장소와조금떨어져있다고하더라도그떨어진 장소에서고정식플랫폼을사용해서 Subsea Production System 을구축하기도한다. 3.2.2. A floating system Host facility 를부유식플랫폼으로설치하는경우를말한다. 그종류로는 TLP(Tension Leg Platform), Spar, Semi-
submersible, FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 등이있다. 제한수심은고정식플랫폼보다전반적으로큰편이다 (TLP: 300 ~ 1500 m, Spar: 500 ~ 2250, Semi-submersible: 100 ~ 3000 m, FPSO: 100 ~ 3000m). 이처럼부유식플랫폼은 Subsea Production System 구축에있어서중요고려사항중하나인수심의한계를늘림으로써유연성을가져올수있게되었다. 3.1 장에서설명한 Subsea Production System의 Field layout 형태중하나인 Multiple well tie-back 을기준으로 Subsea Production System을설명하고자한다. 기본 Diagram 은위의 Fig. 1과같다. 4.1. Subsea tree 3.2.3. No offshore platform system Host facility 설치없이 Subsea 에서육상으로직접연결하는경우를말한다. Host facility가없으므로이에따른 Offshore platform 설치비용, Sea crew 고용비용, 자원수송비용등이절약된다. 하지만해당광구에서육상까지해저로길게연결된 Pipeline 에대한안전성이다른시스템보다더욱강조된다. 일반적으로광범위하게 Pipeline 이해저에설치되어있는형태이므로어느위치에서문제가있는지파악하는데다른시스템보다더힘들기때문이다. 4. The composition of subsea production system: in the case of multiple well tie-back Well completion 이모두완료가되고 Wellhead 위에설치되는 Subsea tree 는해당장비의발전초기단계에그모양이 Christmas tree와유사한형태를띄고있어서 Christmas tree라고도불린다. Subsea tree 의주된역할은 Well 에서나온유동을제어해주는 것이다. 이러한이유로 Subsea tree 에는유동을제어해주기위 한 Valve 들이주요구성원으로이루어져있다. Fig. 2 The configuration of Tree valves [Subsea Engineering Handbook] DHSV(Down-Hole Safety Valve) 는 Well에서나온유동이처음으로거치게되는 Valve 이다. 즉, Well에서나온유동을처음으로제어하는장치가되는것이다. 정상적인생산상황에서 DHSV 가열리면 AMV(Annulus Master Valve) 와 AAV(Annulus Access Valve) 가 Tubing hanger 를기준으로상부와하부의압력차를조절해준다. DHSV 다음의유동제어장치로는 PMV(Production Master Valve) 가위치하게된다. 전반적인유동의압력을조절하는 Subsea tree의핵심적인 Valve다. XOV(Crossover Valve) 는부가적인 Valve로 Hydration과같은문제가 Pipeline 내에일어났을경우를대비해사용되는 Valve 이다. PSV(Production Swab Valve) 와 ASV(Annulus Swab Valve) 는 Well 내에서 Intervention을필요로하는경우사용되며 CIV(Chemical Injection Valve) 는 Tree 내에서화학반응으로해결가능한문제가생겼을경우사용되는 Valve다. Valve 외에도 Subsea tree의구성요소에는 Tubing hanger, Fig. 1 The basic diagram of Subsea Production System Tree piping, Flowline connector, Production choke 등이있어
각각의역할을수행하고있다. Subsea tree 의종류에는여러가지가있지만크게 Vertical tree 와 Horizontal tree 로나눌수있다. 명칭의의미는 Valve 의 위치에따라 Vertical 과 Horizontal 로나눈것에서비롯되었다. Valve 가 Vertical bore 에위치한형태를 Vertical tree, 그렇지않 은형태를 Horizontal tree 라고한다. Horizontal tree 가 line 과의 연결이용이하여주로쓰이고있지만 Vertical tree 는 Tree 를회 수하는경우가생겼을때 Tubing hanger 가영향을받지않는다 는장점을지니고있다. 4.2. Manifold Manifold 는 Multiple well tie-back 의 Field layout 에있어서가 장핵심적인구성요소이다. Tree 들로부터나온유동이일차적으 로 Manifold 에서모아지기때문이다. 또한 Subsea Production System 의전반적인유동의이상적인분배를결정짓는부분이기 도하다. Manifold 의주된역할은생산된원유의유동을조절하는것이 며, 이외에도 Water injection 및 Gas injection, Gas lift 에도관여 를한다. Fig. 3 Manifold distributing production from Subsea Wells [Overview Of Subsea Systems] 이는곳은 Tree 와 Manifold 간의연결과 Manifold 와 FLET 간의 연결이다. 이처럼연결위치에따라 Tree 와 Manifold 간의연결 을해주는 Jumper 를 Well jumper 로, Manifold 와 FLET 간의연결 을해주는 Jumper 를 Flowline jumper 로부른다. 또한 3.1.4 장 에서소개한 Daisy Chain System 에서 Manifold 간의연결을해주 는역할을하는장비도 Jumper 이다. 4.4. PLET / PLEM PLET(Pipe Line End Termination) 또는 FLET(Flow Line End Termination) 는 Host facility 로부터내려오는 Rigid pipeline 을 Subsea Production System 내의구조물과의연결을위해 4.3 장 에서소개한 Jumper 와함께사용되는장비이다. 예를들어, Manifold 에서 Jumper 를통해나오는 Fluid 가 PLET 를거쳐 Rigid pipeline(flowline) 으로이동되는식이다. PLEM(Pipe Line End Manifold) 는위의 PLET 의역할에 Manifold 의역할까지함께하는장비이다. 즉, 독립된 Manifold 를 거치지않고 Tree 에서 Jumper 를통해 PLEM 으로연결이되고 바로 Rigid pipeline(flowline) 으로 Fluid 가빠져나가는형식인것 이다. 4.5. Subsea separator / Subsea boosting pump 두장비모두다비교적최근에발달된기술로아직까지는흔 히쓰이고있지는않다. 완전한 Subsea Production System 구 축에있어서핵심기술이라고볼수있다. Subsea separator 의경우, 용어의의미그대로 Subsea 에서 Separation 을수행하는장비로 Gas 는 Cyclone 에의해분리가 되고 Water 는 Gravity 에의해분리가된다. Subsea boosting pump 역시, 용어의의미대로 Subsea 에서 Pump 의역할을하는장비이다. Subsea separator 에서분리된 Oil 과 Gas 는 Platform 으로 Boosting 해서보내고나머지분리된 Water 와 Soil 은다시방출한다. 이두장비는 Well 에서부터 Gas 나 Oil 을보다빠르고효율적 으로추출하는데큰도움을주며, 이로인한 OPEX(Operating Expenditure) 절감을야기한다. 위의 Fig. 3에서보이는바와같이 Well 에서부터나온 Line이 Manifold 와연결이된다. Well 에서부터나온 Line이 Manifold 와연결되는부분을 Socket 이라고부른다. Socket 에서원유를받아서 Host facility와 Manifold를연결해주는 Hub를통해빠져나가게되는것이다. 위의 Fig. 3은 Well 이 3개고 Flowline 이 2개인형태이다. 4.3. Jumper Jumper의역할은 Subsea Production System 내의구성요소들을연결시켜원유를이동시킬수있도록하는것이다. 주로쓰 4.6. Flowline Flowline은 Host facility로부터 Subsea까지 fluid를들어오고나가게해주는 Line을의미한다. 직접적으로 Fluid 가흐르는관이기때문에생산과정에있어서여러가지문제가생길가능성이많으므로엄밀한분석을필요로한다. 우선 Subsea 의압력을견딜수있도록 Subsea 환경에서의 Longitudinal stress, Hoop stress, Radial stress 등을계산하여 Wall-thickness의 Size 를정해준다. 또한 Flowline 이 Seabed 에놓이는부분도있으므로 Seabed 부분에서의 Currents와 Waves 를계산하고 Seabed 에서의 Ground 와의충돌에의한손상을
고려하는 On-bottom Stability Analysis 도수행해주어야한다. 이밖에도 Free-span 상태의 Pipeline 해석과 Buckling 이일어날가능성등을고려해주어야한다. 그리고 Flowline 내에서일어나는문제와관련된 Flow assurance 또한매우중요한고려사항이다. Flowline 내에서발생되는문제들로는 Hydration, Wax, Asphaltene, Scale, Ice, Emulsion, Corrosion 등이있으며, 이는압력조절, 온도조절, 화학물질주입등의방법에서각각의경우에맞는처리방법을택하여처리를해야한다. 만약상태가악화되어 Flowline 이막히게되면더이상생산이진행되지못하기때문에 Operation 을중단하고 Pig 등의방법을통해 Flowline 내부를청소해야하는경우도발생한다. 4.7. Host facility Subsea 의구성요소들이 Tie-back 되어있는해상시설을의미한다. Subsea Production System이순조롭게운영될수있는데필요한화학품들과제어시스템이구축되어있다. Subsea 내에서가능한처리기술이적용되지않은경우 Separation과 Processing 역시 Host facility 에서처리된다. Host facility 의종류 에대해서는 3.2 장에설명이되어있다. 4.8. Umbilical Umbilical의주된역할은 Subsea Production System내의구 Subsea Production System의개념을바탕으로어떠한방법으로성요소들을제어하는데있다. 또한 Chemical injection과전력 Subsea System의안전성을평가할것인가에대한연구가필요공급의역할도함께수행한다. 하다. 그러므로 Umbilical line에는 Control과밀접한관련을가지는이를위한첫번째단계로 Subsea Production System의 Signal cable 및 Communication cable 뿐만아니라 Power Concept을파악한것이고이제는 Subsea System의안전성평 cable, Chemical injection cable 등이함께포함되어있다. 가방법에대한연구를위하여그방법조사를진행하면서안전이를감싸고있는 Steel tube의재질은 Super duplex steel이성평가방법에필요로되는 Subsea System 에관련된보다구주로쓰인다고한다. 체적인자료조사도병행할것이다. 이같은과정을통해최종적으로 Subsea System 에서문제가 4.9. UTA 발생하는부분을조사하고분석하여이에맞는전략및대책을세우거나문제가발생하지않도록하는안전성평가기준을세 UTA(Umbilical Termination Assembly) 의역할은 4.4 절에서우는것을목표로한다. 소개한 PLET 와유사하다. PLET 가 Flow 의흐름을이어주는장비였다면 UTA는 Umbilical의흐름을이어주는장비로볼수있다. Host facility로부터내려온 Umbilical Line이 UTA를거쳐 Subsea Production System의각구조물로서비스가제공되는것이다. 4.10. SDU SDU(Subsea Distribution Unit) 는단일의 Line 을복수의 Line 으로분산시켜주는역할을하는장비이다. 4.2 절에서소개한 Manifold가 Flowline의 Line 개수를조절할수있는장비였다면 SDU는주로 UTA를통해연결된 Umbilical Line 을복수의 Line 으로분산시켜각구조물로서비스를제공하게하는것을가능하게한다. 4.11. Flying Lead 4.3 절에서소개한 Jumper 와그역할이비슷하다. Jumper가 Tree와 Manifold, Manifold와 PLET 사이의연결을해주는장비인반면에 Flying Lead는 UTA또는 SDU로부터 Umbilical을각구조물에연결해주는장비이다. Jumper 에비해재질이 Flexible 한형태이며, 역할에따라 EFL(Electric Flying Lead), HFL(Hydraulic Flying Lead) 등으로나뉜다. 4.12. Template Template은 Subsea Tree나 Manifold와같은 Subsea Production System 내의구조물들을보호해주는장비이다. 3.1.2. 절에서소개한 Template System 처럼 Template 을이용한응용 시스템도있다. 5. Future Study Plan Subsea 환경은위에서도몇차례언급하였듯이상대적으로 특수한편에속한다. 이러한특수한환경에있어서의 Operation 은보다높은안전성및신뢰성이강조된다. 위에서익힌 6. Conclusion 지금까지 Field layout 형태중하나인 Multiple well tie-back 을중심으로 Subsea Production System에대하여살펴보았다. 현국내조선업계의상황을살펴보면, 선박제조와플랜트제조기술은최고위치에올라서있는상태이지만아직 Subsea System 분야의기술은유럽과같은이분야선진국들에비해기반이부족한실정이다. 그렇지만과거선박제조분야의시작단계에서도그러하였듯이지금은 Subsea System을미래의주요산업으로서관심을가지고이에따라국내조선업계에서경쟁
적으로 Subsea System 산업에뛰어들고있는추세이다. 이와같은상황에서본조사를통해얻어진 Subsea Production System에대한 Concept을기반지식으로하여전반적인 Subsea System 에서초기기술발전단계부터안전성을적용할수있다면 Subsea System 기술발전의진행에있어서더욱안정적이고경쟁력있는산업으로의구축의기반이될수있을것이다. 후기 본논문은해양시스템공학연구소 (RIMSE) 의후원으로 RIMSE 발전기금과제에서수행된연구결과의일부입니다. 참고문헌 Bai, Yong., Bai Qiang., 2010. Subsea Engineering Handbook. Elsevier. John, M., 2007. Overview Of Subsea Systems. John M. Campbell and Company. Kim, Y.J. 2010. 해양플랜트기자재실무. 해양플랜트전문인 력양성사업단 Per Holand. 1999. Reliability of Subsea BOP Systems for Deepwater Application, Phase Ⅱ DW Unrestricted version. SINTEF Report No 82-14-01661-4. Son. S. J. 2011. 해양플랜트기술인력양성사업 5 차년도 4 차 교육교재. Subsea Systems for Oil and Gas Industry, Busan, Republic of Korea, 20-21 April 2011. Tiago Pace Estefen, Daniel Santos Werneck, Diogo do Amaral Macedo Amante, Joao Paulo Carrijo Jorge, Leandro Cerqueira Trovoado. 2005. Subsea Production System for Gas Field Offshore Brazil. International Student Offshore Design Competition 2005.