KR101479560B1 - 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치 - Google Patents

전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단응력을 정밀제어할 수 있는 왁스집적 유도장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치 시험대상이 되는 오일시료를 수용하는 왁스집적셀, 왁스집적셀의 중앙부와 외벽부 사이에 온도 구배를 형성하는 온도유닛, 왁스접적셀의 중앙부에 삽입되어 회전됨으로써 왁스집적셀의 내벽에 부착된 왁스에 전단응력을 인가하는 회전봉, 회전봉을 회전시키기 위한 구동유닛 및 구동유닛과 온도유닛을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치{Shear Stress Controllable Wax Deposition System}
본 발명은 석유 생산 시 발생하는 유동안정성 확보에 관한 기술로서, 특히 저류층으로부터 생산된 석유가 유동관(flowline)을 통해 이송되는 과정을 모사하여, 석유의 생산 유량 변화에 따라 유동관에 왁스가 생성 및 집적 되는 거동을 연구하기 위한 실험 장치에 관한 것이다.
최근 석유의 생산 영역이 육상이나 천해로부터 심해로까지 확장되면서 석유의 생산 환경에 많은 변화가 나타났으며, 특히 석유의 생산성과 관련하여 유동안정성 확보 문제가 중요한 문제로 대두되고 있다.
즉, 해양 석유 생산시설에서는 생산정으로부터 해상까지 석유를 펌핑 및 이송하기 위한 유동관이 해저에 설치되는데, 대부분의 유동관이 저온의 환경에 노출된다. 이에 저류층으로부터 생산된 고온의 석유는 저온의 유동관을 통과하면서 석유 중의 파라핀 성분 등이 고형물(이하, '왁스'라 함)로 석출되어 유동관 내벽에 집적된다. 이렇게 왁스가 유동관 내벽에 집적되게 되면, 유동관 내 석유의 유동 단면적이 작아지므로 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다.
이에 따라, 유동관 내 왁스를 효과적으로 제어하기 위해서는 정확도 높은 왁스집적량 예측과 효율적인 제어방법의 설계가 중요하다.
왁스의 집적 문제를 예측 및 제어하기 위해서는 우선의 왁스 집적 특성 분석을 수행하고 신뢰성 있는 분석 자료를 확보하는 것이 중요하며, 이를 위해 주요 영향요소에 따른 왁스 생성 및 집적이 가능한 실험 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유동관을 통해 석유가 이송되는 과정에서 발생하는 왁스 생성 및 집적 특성을 분석하여 신뢰성 있는 분석 자료를 확보할 수 있으며, 특히 왁스 생성 및 집적에 영향을 미치는 주요 요소인 전단응력과 온도구배의 변화에 따라 정밀히 왁스의 집적 거동을 파악할 수 있는 왁스집적 유도장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치는, 시험대상이 되는 오일(oil)시료를 수용하는 왁스집적셀; 상기 왁스집적셀의 중앙부와 외벽부 사이에 온도 구배를 형성하는 온도유닛; 상기 왁스접적셀의 중앙부에 삽입되어 회전됨으로써 상기 왁스집적셀의 내벽에 부착된 왁스에 전단응력을 인가하는 회전봉; 상기 회전봉을 회전시키기 위한 구동유닛; 및 상기 구동유닛과 온도유닛을 제어하는 콘트롤러;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 왁스집적셀의 내벽을 따라 판 형상의 라이너가 분리가능하게 결합되어, 왁스가 집적되는 상기 라이너의 내면은 거칠기를 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 온도유닛은 상기 왁스집적셀을 감싸며 배치되는 냉각쟈켓과 상기 회전봉의 내부에 삽입되는 히터를 구비하여, 상기 왁스집적셀의 중앙부와 외벽부 사이에 온도구배를 형성한다.
상기 냉각쟈켓에는 냉각유체가 유입되는 유입구와, 상기 냉각유체가 배출되는 유출구가 형성되어, 상기 냉각유체에 의하여 상기 왁스집적셀 외벽의 온도가 조절된다. 그리고 상기 히터에 의하여 상기 왁스집적셀의 중앙부 온도가 조절가능하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 왁스집적셀의 중앙부로부터 외벽부 사이의 복수의 지점에서 상기 왁스집적셀 내부의 온도를 측정할 수 있도록 상기 왁스집적셀에 결합되는 다측점 온도센서를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 석유가 이송되는 유동관 내에서 왁스가 생성 및 집적되는데 가장 중요한 요인들, 즉 유동관 내 온도구배, 생산유체의 점도와 밀도, 유속과 밀접한 연관이 있는 유동관 내벽의 전단응력, 유동관 내벽의 거칠기를 다양하게 가변시키면서 실험을 수행할 수 있으므로, 다양한 환경에서 석유로부터 왁스가 생성 및 집적되는 거동을 정량적으로 파악할 수 있다.
본 장치를 이용한 왁스집적 실험을 다양한 조건에서 수행함으로써, 유동관 내 왁스의 생성 및 집적 거동에 대한 신뢰성 있는 자료가 확보될 수 있을 것이며, 이러한 자료들은 실제 석유생산 현장에서 왁스의 집적을 예측하고 제어를 위한 방법 설계 시 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 왁스집적 유도장치의 개략적 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 왁스집적 유도장치의 주요부분인 왁스집적셀의 개략적 단면도이다.
도 4는 왁스집적 유도장치를 이용한 왁스집적 실험의 결과가 나타나 있는 그래프이다.
도 5는 상기한 실험에서 왁스집적셀 내벽에 집적된 왁스를 촬영한 사진이다.
도 6은 왁스집적 유도장치의 디스플레이 패널의 실제 사진이다.
저류층으로부터 생산된 고온의 석유는 저온의 유동관을 통과하면서 석유 중의 파라핀 성분 등이 왁스로 석출되어 유동관 내벽에 집적된다. 이렇게 왁스가 유동관의 내벽에 집적되게 되면, 유동관 내 석유의 유동 단면적이 작아지므로 석유생산량이 저하되는 문제가 발생한다.
왁스란 액상 탄화수소인 오일에 존재하는 성분 중 주로 노말파라핀(normal paraffin)으로 이루어진 복합체이다. 석유의 온도가 왁스생성온도(wax appearance temperature) 이하로 내려가면 왁스가 결정으로 석출 및 성장하며, 왁스 내부의 공극에 물, 오일 등을 포함하게 되면서 다공성 네트워크 구조인 왁스 고형물(wax deposit)이 된다.
우선, 왁스 생성 및 집적에 영향을 미치는 중요한 요소들에 대해서 간략하게 설명하기로 한다.
첫 번째 요소는 온도와 관련된다.
석유에서 왁스 성분의 용해도는 온도와 밀접한 관계가 있으므로 석유의 온도는 왁스생성 및 집적에 영향을 미치는 가장 직접적인 요인이 된다. 왁스가 생성되기 시작하는 온도인 왁스생성온도 이상 조건에서는 다른 조건이 바뀌어도 왁스가 집적되지 않으므로 왁스생성온도는 대상 오일의 왁스 집적성을 판단하기 위해 반드시 고려해야 할 기준이 될 수 있다.
그러나 석유의 온도가 왁스생성온도 이하인 경우에는 왁스의 생성은 조금 다른 양상을 나타낸다. 즉, 석유의 온도가 왁스생성온도 이하로 내려가더라도 유동관 내벽과 중앙부 사이에 온도차이가 없다면 왁스는 집적되지 않을 가능성이 높다. 따라서, 왁스생성온도 이하에서 왁스의 집적은 단순히 석유의 온도에 의존하는 것이 아니라, 석유가 유동되는 유동 단면적 중앙부와 유동관 내벽 사이의 온도차, 즉 온도구배가 더 중요한 요소로 작용한다. 왁스의 집적 속도는 유동 단면적 중앙의 온도와 유동관 벽면의 온도구배와 직접적인 비례 관계가 있다.
두 번째 요소는 석유의 점도와 밀도, 유속과 밀접한 관계가 있는 전단응력과 관련된다.
석유는 유동관을 통해 이송되는 과정에서 상기한 바와 같이 온도구배로 인해 유동관 내벽에 왁스가 집적되는데 집적된 왁스 표면과 유동하는 석유 접촉면 사이에 일정 이상의 전단응력이 발생하면 집적된 왁스를 다시 이동시킨다.
세 번째 요소는 유동관 내벽의 거칠기이다.
왁스가 유동관 내벽에 결합되므로, 유동관 내벽에 형성된 요철 부분은 왁스 결정의 핵으로 작용할 수 있다. 즉, 유동관 내벽이 거칠게 형성된 경우 왁스 집적량이 많아지고, 유동관 내벽이 매끈하게 형성된 경우에는 왁스 집적량이 줄어든다. 유동관 내벽의 거칠기가 증가할수록 왁스가 집적될 수 있는 표면적이 증가하므로 왁스 집적량 증가에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 왁스 집적량은 유동관 내벽의 거칠기와 비례관계를 가진다.
본 발명은 상기한 바와 같이 왁스 집적에 영향을 미치는 중요 요소들, 즉 온도구배, 전단응력 및 유동관 내벽의 거칠기에 따라 왁스가 생성 및 집적되는 거동 변화를 파악하기 위한 실험장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치(이하, '왁스집적 유도장치'라 한다)에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 왁스집적 유도장치의 개략적 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 왁스집적 유도장치의 개략적 측면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 왁스집적 유도장치의 주요부분인 왁스집적셀의 개략적 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 왁스집적 유도장치(100)는 프레임(10), 왁스집적셀(20), 라이너(30), 회전봉(40)을 구비한다.
프레임(10)은 본 발명에 따른 왁스집적 유도장치(100)의 구성요소들을 지지하기 위한 것으로서, 상하방향을 따라 3개의 지지판(11,12,13)이 평행하게 배치되며, 이 지지판들 사이는 지지봉(14)에 의하여 상호 결합된다. 프레임(10)의 하단부에는 바퀴(15)가 구비되어 이동을 용이하게 하였다. 그리고 중앙 지지판(12)에는 가이드레일(16)이 형성되며, 이 가이드레일(16)을 따라 슬라이딩 가능한 이동식 받침대(17)가 결합된다.
왁스집적셀(20)은 상부 지지판(11) 위에 장착된다. 왁스집적셀(20)은 대략 원통형으로 형성되어 내부에 오일시료를 수용할 수 있는 수용부(21)가 형성된다. 수용부(21)는 왁스집적셀(20)의 상단부에 볼트로 체결되는 덮개(22)에 의하여 개폐가능하다.
왁스집적셀(20)의 내벽에는 라이너(30)가 탈부착 가능하게 결합된다. 라이너(30)는 박막의 스틸 소재로 이루어져, 왁스집적셀(20)의 내벽 및 바닥면을 따라 밀착된다. 라이너(30)의 상부는 절곡되어 왁스집적셀(20)의 상부에 거치되어 지지될 수 있다. 라이너(30)를 설치하는 이유는 왁스의 집적에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나인 유동관 내벽의 거칠기를 조절할 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 본 실시예에서 라이너(30)는 교체할 수 있도록 왁스집적셀(20)의 내벽에 분리가능하게 결합된다. 따라서, 실험 조건에 맞게 라이너(30)의 내면의 거칠기를 미리 조절함으로써, 거칠기에 따른 왁스의 집적 거동을 파악할 수 있다.
회전봉(40)은 왁스 생성요인 중 또 다른 중요한 요소인 전단응력을 왁스가 집적되는 내벽(왁스집적셀의 내벽 또는 라이너의 내면)에 부여하기 위한 것이다. 본 실시예에서 회전봉(40)은 수직한 방향으로 길게 형성되어 왁스집적셀(20)의 중앙부에 삽입된다. 그리고 회전봉(40)의 상단부와 하단부는 각각 왁스집적셀(20)의 상측 및 하측으로 돌출된다. 회정봉(40)의 상단부 및 하단부는 왁스집적셀(20)에 결합된 베어링(41,42)에 의하여 회전가능하게 지지된다. 회전봉(40)을 회전시키기 위한 구동유닛으로는 모터(43)가 사용된다. 모터(43)는 회전봉(40)의 하부와 연결되어 구동력을 제공한다. 모터(43)는 정역방향으로 회전가능하며, 회전속도를 조절할 수 있다.
회전봉(40)이 왁스집적셀(20)의 수용부(21) 내에서 회전하면 오일시료도 함께 회전되면서 유동하므로, 왁스집적셀(20)의 내벽에는 접선방향을 따라 전단응력이 발생하게 된다. 왁스가 왁스집적셀(20)의 내벽에 이미 석출된 경우라 하더라도, 이 전단응력을 받아 내벽으로부터 탈락될 수 있다. 전단응력은 회전봉(40)의 회전속도에 따라 달라진다. 한편, 왁스집적셀(20) 내부의 오일시료에 난류를 활발하게 형성하기 위해서는 회전봉(40)에 임펠러와 같은 구조물을 부착하여 사용할 수도 있지만, 이 경우 오일시료 내에 미세 맥동이 발생하므로 바람직하지 않다. 본 연구진은 임펠러와 같은 구조물을 사용하지 않고도, 회전봉의 회전력이 오일시료의 전체에 걸쳐 고르게 전달될 수 있도록 하였다. 이는 회전봉과 왁스집적셀의 사이즈와 관계되는데, 본 실시예에서 왁스집적셀의 직경은 80mm, 회전봉의 직경은 20mm 정도로 대략 4:1 정도의 직경 차이를 보인다. 그리고 회전봉의 회전속도는 최대 2000rpm 까지 올릴 수 있다.
온도유닛은 유동관 내 왁스의 집적에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 온도구배를 형성하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에서 왁스집적셀(20)의 중앙부는 실제 석유 유동관의 중앙부를, 왁스집적셀의 외벽부는 유동관의 외벽을 모사한 것이므로, 온도구배에 따른 왁스의 집적 거동을 파악하기 위해서는 왁스집적셀(20)의 중앙부로부터 외벽으로 갈수록 온도가 점차 낮아지게 할 필요가 있다.
본 실시예에서는 냉각쟈켓(51)과 히터(55)에 의하여 온도구배를 형성한다. 냉각쟈켓(51)은 왁스집적셀(20)을 둘러싸고 배치되며, 왁스집적셀(20)과의 사이에 공간부(52)를 형성한다. 이 공간부(52)에 냉각유체를 도입하여 왁스집적셀(20)의 외벽의 온도를 하강시킨다. 즉, 냉각쟈켓(51)의 하부에는 공간부(52)와 연통되어 냉각유체가 유입될 수 있는 유입구(53)가 형성되며, 상부에는 이 냉각유체가 배출될 수 있는 유출구(54)가 형성된다. 유입구(53)를 통해 공간부(52)로 주입된 냉각유체는 공간부(52)의 하부에서 상부로 이동되면서 왁스집적셀(20)의 외벽과 열교환을 통해 왁스집적셀(20) 외벽의 온도를 하강시킨다. 그리고 본 실시예에서 냉각유체는 유체순환시스템에 의하여 계속적으로 순환되고, 유체순환시스템에서는 온도조조절수단이 포함되어 냉각유체의 온도를 조절한다.
그리고 히터(55)는 회전봉(40)의 내부에 설치된다. 본 실시예에서 히터(55)는 전기히터가 사용되는데, 이 전기히터는 회전봉(40)의 축방향을 따라 길게 형성되어 왁스집적셀(20) 중앙부를 가열한다. 그리고 히터(55)는 회전봉(40) 내에 설치되므로 히터(55)에 전력을 공급하는 전선이 꼬일 수 있다. 이에 본 실시예에서는 로터리 조인트(slip ring)을 이용하여 이러한 문제를 방지한다.
상기한 바와 같이, 히터(55)는 왁스집적셀(20)의 중앙부를 가열하고, 그리고 냉각쟈켓(51)은 왁스집적셀(20)의 외벽부를 냉각하므로, 수용부(21) 내의 오일시료는 중앙부로부터 외벽부로 갈수록 온도가 하강하여, 중앙부와 외벽부 사이에 온도구배가 형성된다.
본 실시예에서 왁스집적셀(20)의 중앙부의 온도는 상온에서부터 높게는 200 ℃ 정도로 가열가능하고, 외벽부는 상온에서부터 낮게는 -10℃ 정도로 냉각가능하다. 위 온도 범위 내에서 왁스집적셀(20)의 온도 구배를 형성할 수 있다.
또한 본 실시예에서는 실험 과정에서 왁스집적셀(20)의 내부에 온도 구배가 유지되는지 여부를 지속적으로 확인할 필요가 있다. 이에 하나의 온도센서로 복수의 지점을 체크할 수 있는 다측점 온도센서(60)를 왁스집적셀(20)에 복수 개 설치한다.
다측점 온도센서(60)는, 도면에 도시된 바와 같이, 왁스집적셀(20)의 직경 방향을 따라 삽입되어 왁스집적셀(20)의 중앙부(A), 외벽부(C) 및 중간부(B)의 온도를 동시에 측정한다. 이렇게 3군데 지점에서 온도를 측정함으로써 왁스집적셀의 중앙부로부터 외벽부를 향해 온도구배가 유지되는지를 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 전체적인 실험과정을 제어하기 모니터링하기 위하여 콘트롤러를 구비한다. 콘트롤러는 회전봉(40)을 회전시키기 위한 모터(43), 냉각쟈켓(51)에 주입되는 냉각유체의 순환속도 및 온도를 조절하기 위한 유체순환시스템, 히터(55) 및 온도센서(60) 등과 전기적으로 연결되어, 전기적 신호를 송수신하며, 이들 구성요소들을 제어하게 된다. 실험 운영 조건 및 온도센서로부터 측정된 자료들은 콘트롤러와 연결된 디스플레이 패널(70)에 표시된다. 특히, 이 디스플레이 패널(70)은 터치패널 형태로 이루어져, 실험자는 터치 방식으로 용이하게 각 장치들을 제어할 수 있다.
상기한 구성으로 이루어진 왁스집적 유도장치를 실제로 제작하여 회전봉의 회전속도와 계산한 전단응력, 석유생산유량 따른 왁스 집적량 변화에 대한 실험 결과가 도 4의 그래프에 나타나 있다.
도 4의 그래프를 참고하면, 회전봉의 rpm이 높아질수록, 즉 실제 석유생산과정에서 오일의 생산속도(oil production rate)가 증가할수록, 전단응력(shear stress)이 증가하여 왁스의 집적량이 줄어드는 것을 확인하였다. 회전봉의 속도가 느린 경우에 왁스집적셀 내벽에 집적된 왁스의 모습은 도 5의 사진에서 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 석유가 이송되는 유동관 내에서 왁스가 생성 및 집적되는데 가장 중요한 요인들, 즉 유동관 내 온도구배, 전단응력 및 유동관 내벽의 거칠기를 원하는 조건으로 가변할 수 있어, 다양한 환경에서 석유로부터 왁스가 생성 및 집적되는 거동을 정량적으로 파악할 수 있다. 본 장치를 이용한 왁스집적 실험을 반복적으로 수행함으로써, 유동관 내 왁스의 생성 및 집적 거동에 대한 신뢰성 있는 자료가 확보될 수 있을 것이며, 이러한 자료들은 실제 석유생산 현장에서 유의미하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 ... 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치
10 ... 프레임 20 ... 왁스집적셀
30 ... 라이너 40 ... 회전봉
51 ... 냉각쟈켓 55 ... 히터
60 ... 다측점 온도센서 70 ... 디스플레이 패널

Claims (5)

  1. 시험대상이 되는 오일시료를 수용하는 왁스집적셀;
    상기 왁스집적셀의 중앙부와 외벽부 사이에 온도 구배를 형성하는 온도유닛;
    상기 왁스집적셀의 중앙부에 삽입되어 회전됨으로써 상기 왁스집적셀의 내벽에 부착된 왁스에 전단응력을 인가하는 회전봉;
    상기 회전봉을 회전시키기 위한 구동유닛; 및
    상기 구동유닛과 온도유닛을 제어하는 콘트롤러;를 포함하여 이루어지며,
    상기 왁스집적셀의 내벽을 따라 판 형상의 라이너가 분리가능하게 결합되어,
    왁스가 집적되는 상기 라이너의 내면은 거칠기를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도유닛은 상기 왁스집적셀을 감싸며 배치되는 냉각쟈켓을 구비하며,
    상기 냉각쟈켓에는 냉각유체가 유입되는 유입구와, 상기 냉각유체가 배출되는 유출구가 형성되어, 상기 냉각유체에 의하여 상기 왁스집적셀 외벽의 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도유닛은 상기 회전봉의 내부에 삽입되는 히터를 구비하며,
    상기 히터에 의하여 상기 왁스집적셀의 중앙부 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 왁스집적셀의 중앙부로부터 외벽부 사이의 복수의 지점에서 상기 왁스집적셀 내부의 온도를 측정할 수 있도록 상기 왁스집적셀에 결합되는 다측점 온도센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전단응력 정밀제어가 가능한 왁스집적 유도장치.




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