KR101527833B1 - Ｄｐ 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법 - Google Patents

Ｄｐ 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양환경에 맞춰 반응하는 시추선의 움직임을 DP 모듈로 제어하여 시추 장비의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 DP 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양환경에 맞춰 해상에서 시추 중 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성하고, 생성된 제어력을 상기 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터에 제공하는 DP 모듈; 상기 해양환경에 의해 상기 시추선에 작용하는 유체의 외력 및 상기 DP 모듈에 의해 생성된 제어력을 이용하여 해당 시추선의 수평면 운동값을 계산하는 운동 해석 모듈; 및 상기 운동 해석 모듈로부터 계산된 수평면 운동값을 기반으로 상기 시추선의 움직임을 반영한 시추 장비의 시뮬레이션을 수행하는 시뮬레이터를 포함하는 시추 시뮬레이션 시스템이 제공된다.

Description

ＤＰ 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법{DRILLING SIMULATION SYSTEM INTERFACED WITH A DYNAMIC POSITIONING MODULE AND FOR SIMULATING DRILLING EQUIPMENT OF THE SAME}
본 발명은 DP 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 해양환경에 맞춰 반응하는 시추선의 움직임을 DP 모듈로 제어하여 시추 장비의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 DP 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.
근래에 접어들어 국제적으로 급격한 산업화 현상 및 공업발전 추이에 따라 한정된 지구 자원은 점차 바닥을 내보이고 있으며 이에 따른 원유의 안정적인 생산 및 공급은 대단히 중요한 사안이 되고 있다. 따라서, 최근에는 해저에 있는 석유 채굴기술의 발달과 더불어 대형 석유회사들은 지금까지 경제성을 상실했던 군소 한계유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 시추선의 필요성을 절실히 느끼고 있고, 이에 대한 개발을 적극 모색하고 있는 현실이다.
시추선은 해양에서 원유나 가스 등의 해양 지하자원을 탐사하여 시추하는 장비이다. 시추선은 해상 플랫폼의 설치가 불가능한 심해 지역이나 파도가 심한 해상에서 원유나 가스 등의 채취 작업이 가능하도록 하고, 구조에 따라 반잠수식 시추장비(semisubmersible drilling rig)와 드릴쉽(drill ship)이 있으며, 해상에서의 작업을 수행하기 위하여 고도의 제작 기술이 요구된다.
해상 시추를 수행하는 시추선의 경우 시추 중 이동을 최소화하기 위해서 DP(Dynamic Positioning) 모듈을 갖추고 있다. DP 모듈은 시추선의 하부에 부착된 다수개의 쓰러스터(Thruster)를 움직여 시추 중 고정된 위치를 유지하도록 제어를 하며, 시추선을 이동시킨다.
이와 같은 시추선은 해양환경(파도, 조류)에 의한 영향으로 수평면 운동을 하게 되어, DP 모듈이 지정된 자기위치를 유지하도록 복수의 쓰러스터에 추진력을 제공한다. 이때 DP 모듈은 GPS 위성으로부터 위치좌표를 수신하여 위치좌표가 정해진 범위를 벗어난 경우 벗어난 정도에 상응하게 추진력을 생성하여 자기위치로 되돌아가게끔 제어한다.
그러나, 종래의 시추 시뮬레이터는 해양 환경에 의한 영향이 고려되지 않았고, 고정된 플랫폼 위에서 시추 장비의 시뮬레이션만을 수행하기 때문에 실제 해상에서 시추선에 고려되는 해양 환경에 맞춰 시뮬레이션을 수행하지 못하는 실정이다.
본 발명의 목적은, 해양환경에 맞춰 반응하는 시추선의 움직임을 DP 모듈로 제어하여 시추 장비의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 DP 모듈과 연계된 시추 시뮬레이션 시스템 및 그의 시뮬레이션 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양환경에 맞춰 해상에서 시추 중 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성하고, 생성된 제어력을 상기 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터에 제공하는 DP 모듈; 상기 해양환경에 의해 상기 시추선에 작용하는 유체의 외력 및 상기 DP 모듈에 의해 생성된 제어력을 이용하여 해당 시추선의 수평면 운동값을 계산하는 운동 해석 모듈; 및 상기 운동 해석 모듈로부터 계산된 수평면 운동값을 기반으로 상기 시추선의 움직임을 반영한 시추 장비의 시뮬레이션을 수행하는 시뮬레이터를 포함하는 시추 시뮬레이션 시스템이 제공된다.
본 발명에 따른 시추 시뮬레이션 시스템은 상기 운동 해석 모듈과 상기 DP 모듈을 상기 시뮬레이터와 연결하기 위한 인터페이스를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 시추 시뮬레이션 시스템은 상기 DP 모듈에 수동으로 상기 시추선의 이동을 지시하는 이동명령을 입력하는 조작 컨트롤러를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 시추 시뮬레이션 시스템은 상기 인터페이스를 거쳐 상기 계산된 수평면 운동값을 반영한 시추선의 움직임을 표시하는 뷰어를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 DP 모듈은 상기 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전속도를 더 생성하고 생성된 피치각 및 회전속도를 상기 뷰어를 통해 표시하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 해양 환경에 맞춰 해상에서 시추 중 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성하고 생성된 제어력을 상기 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터에 제공하는 단계; 상기 해양환경에 의해 상기 시추선에 작용하는 유체의 외력과 상기 생성하는 단계에 의해 생성된 제어력을 이용하여 해당 시추선의 수평면 운동값을 계산하는 단계; 및 상기 계산하는 단계에 의해 계산된 수평면 운동값을 기반으로 상기 시추선의 움직임을 반영한 시추 장비의 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하는 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법이 제공된다.
상기 제공하는 단계는 조작 컨트롤러에 의해 수동으로 상기 시추선의 이동을 지시하는 이동명령을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 이동명령은 상기 복수의 쓰러스터별 제어력, 피치각 및 회전속도를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법은 상기 계산하는 단계 이후에, 상기 시추선의 수평면 운동값과 상기 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전각도에 따라 해당 시추선의 움직임 및 해당 복수의 쓰러스터의 동작 상태를 표시하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면 해양환경에 의한 시추선의 수평면 운동하에서 시추 시뮬레이션을 수행할 수 있는 효과가 있다. 특히 다양한 환경 조건 하에서의 시추 시뮬레이션이 가능하며, 극한 상황에서의 시추와 같이 현실에서 경험하기 힘든 해상 환경에서의 작업을 시뮬레이션할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 조작 컨트롤러를 통해 수동으로 시추선의 이동을 지시할 수 있어, 시추선의 수평운동을 수동 제어할 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 뷰어를 통해 시추선의 수평운동과 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터의 동작 상태를 관찰할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시추 시뮬레이션 시스템을 설명하기 위한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시추 시뮬레이션 시스템을 설명하기 위한 블록도를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 시추 시뮬레이션 시스템(10)은 조작 컨트롤러(11), DP 모듈(13), 운동 해석 모듈(15), 인터페이스(16), 시뮬레이터(17) 및 뷰어(19)를 포함하여 구성될 수 있다.
조작 컨트롤러(11)는 DP 모듈(13)의 온/오프 및 DP의 자동 제어와 수동 제어 옵션을 선택할 수 있다. 수동 제어시 원하는 위치로 이동 명령을 DP 모듈(13)에 전달한다. 이때 이동 명령은 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터(미도시)별 제어력, 피치각 및 회전속도를 포함한다. 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전속도는 유저에게 쓰러스터별 동작 상태를 뷰어(19)를 통해 표시되는 정보이다.
조작 컨트롤러(11)에서 DP의 자동 제어로 선택된 경우 DP 모듈(13)은 기준위치좌표와 운동 해석 모듈(15)로부터 계산된 위치좌표를 비교하여 추력을 발생해야할지 여부를 판단한다. 예를 들면 DP 모듈(13)은 계산된 위치좌표가 기준위치좌표에서 일정범위 이상 벗어난 경우 기준위치좌표로 돌아가게끔 복수의 쓰러스터별 제어력, 피치각 및 회전각도를 생성하고, 생성된 제어력, 피치각 및 회전각도를 해당 쓰러스터에 각각 제공한다. 이때 복수의 쓰러스터는 선수 및 선미에 설치될 수 있고, 쌍을 이루는 쓰러스터가 2개씩 설치되어 선수와 선미쪽에 8개의 쓰러스터가 설치될 수 있다.
해양 환경은 파도, 조류 등을 포함하며, 시추선에서 고려될 수 있는 해양 환경들 중 하나의 해양 환경을 선택하거나, 또는 직접 해양 환경을 입력할 수도 있다.
이와 같은 해양 환경에서 DP 모듈(13)은 시추 중 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력, 피치각 및 회전속도를 생성하고 생성된 제어력, 피치각 및 회전속도를 해당 쓰러스터에 제공하거나, 조작 컨트롤러(11)에 의해 수신된 이동 명령에 포함된 제어력, 피치각 및 회전속도를 해당 쓰러스터에 제공하여 해당 쓰러스터를 움직여 시추 중 고정된 위치를 유지할 수 있도록 제어한다.
DP 모듈(13)은 기존의 계류장치를 사용하지 않고서 GPS(Global Positioning System) 등을 이용한 위치 확인과 추진기의 사용을 통해 선박의 위치를 일정하게 유지하기 위한 장치로서, 특정 위치에 정박한 상태에서 해저 시추작업을 하는 고정식 해양구조물과는 달리 위치를 옮겨가며 시추작업을 실시할 수 있는 드릴쉽(drill ship), 반잠수식 시추선(semi-submersible rig)이나 극지방에서 얼음을 깨뜨리면서 단독 운항이 가능한 쇄빙선(ice breaker) 등에 마련된다.
DP 모듈(13)에 사용되는 추진기로는 프로펠러의 360도 선회가 가능한 전(全)방향 추진기인 쓰러스터(thruster)가 사용되고 있으며, 이러한 쓰러스터에 의해 선박이 자유롭게 추진, 역추진 또는 회전할 수 있도록 한다.
운동 해석 모듈(15)은 해양 환경에서 시추선에 작용하는 유체의 외력을 계산한다. 또한 운동 해석 모듈(15)은 유체의 외력과 DP 모듈(13)에 의해 생성된 제어력을 하기의 수학식 1을 이용하여 시추선의 수평면 운동값을 계산한다.
Figure 112014068680322-pat00001
상기의 수학식 1은 유체에 의한 외력(파도)이 고려된 운동 방정식으로, 물 위에 떠 있는 시추선의 x, y, z축 방향으로의 직선운동과 회전운동 변위를 가지지만, 수평면의 운동만 고려하기 때문에 x는 x축, y축 직선 운동, z축 회전 운동의 3가지를 가지는 벡터값이다. M은 질량이고, A는 부가 질량이고, B는 댐핑력이며, C는 복원력 계수이며, M, A, B 및 C는 미리 설정되는 상수값이다. X(t)는 외력으로, DP 모듈(13)에서 계산된 제어력과 조류(current)에 의한 힘이 포함된다.
DP 모듈(13)과 운동 해석 모듈(15)은 인터페이스(16)를 통해 시뮬레이터(17)에 통신 가능하게 연결되어 있고, 인터페이스(16)를 통해서 뷰어(19)와도 통신 가능하게 연결되어 있다. 시뮬레이터(17)은 뷰어(19)와 전기적으로 연결되어 있어, 인터페이스(16)를 거치지 않고 시추 시뮬레이션 결과 중 관찰정보(예를 들면, 시추선의 움직임, 쓰러스터의 동작 상태 등)를 표시할 수 있다.
시뮬레이터(17)는 인터페이스(16)를 거쳐 운동 해석 모듈(15)로부터 수평면 운동값을 수신하고, 인터페이스(16)를 거쳐 선수 및 선미에 각각 설치된 쓰러스터별 제어력을 수신하여 해양 환경이 반영된 시추선의 움직임에 맞춰 시추 장비를 시뮬레이션할 수 있다.
이때 시뮬레이터(17)는 시추 작업 및 쓰러스터의 동작 상태(피치각 및 회전속도)를 뷰어(19)에 전달하여, 이를 뷰어(19)에 표시할 수 있다. 여기서 뷰어(19)는 인터페이스(16)를 거쳐 수신된 수평면 운동값에 따라 시추선의 움직임을 표시할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 시추 시뮬레이션 시스템(10)은 해양환경을 지정한다(S11). 해양환경은 파도, 조류 등을 포함하며, 직접 지정하거나, 또는 미리 저장된 다양한 환경들, 즉 시추선에서 고려되는 해양환경들 중에서 선택받을 수도 있다.
시추 시뮬레이션 시스템(10)은 예를 들어 DP의 자동제어옵션으로 선택된 경우지정된 해양환경에서 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성한다(S13). 여기서 복수의 쓰러스터별 제어력 외에도 쓰러스터별 피치각 및 회전속도를 더 생성할 수 있다.
DP의 수동제어옵션으로 선택된 경우 조작 컨트롤러(11)를 통하여 입력된 복수의 쓰러스터별 제어력, 피치각 및 회전속도를 포함하는 이동명령은 DP 모듈(13)에 전달된다.
이와 같은 시추 시뮬레이션 시스템(10)은 해양환경에서 시추선에 작용하는 유체의 외력을 계산한다(S15).
이 후 시추 시뮬레이션 시스템(10)은 유체의 외력과 상술된 S13 단계에서 생성된 제어력을 이용하여 시추선의 수평면 운동값을 계산한다(S17). 수평면 운동값은 상술된 수학식 1에 유체의 외력 및 제어력을 대입시켜 계산된다. 계산된 시추선의 수평면 운동값은 인터페이스(16)를 거쳐 시뮬레이터(17) 및 뷰어(19)에 전달된다.
시추 시뮬레이션 시스템(10)은 시추선의 수평면 운동값을 기반으로 시추선의 움직임이 반영된 시추 장비의 시뮬레이션을 수행한다(S19). 시추 장비의 시뮬레이션 결과는 뷰어(17)를 통하여 관찰정보를 제공할 수도 있다. 특히 뷰어(19)는 시추선의 움직임, 시추 작업 및 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전속도를 표시할 수 있다.
이와 같은 구성을 가짐에 따라 시추선에서 시추 작업시 해양환경에서의 시추선의 움직임을 반영한 시추 작업을 교육할 수 있다.
예를 들어, 비오피(BOP: Blow Out Preventer) landing 작업의 경우 해양 환경에 맞춰 계산된 수평면 운동값과 DP 모듈의 제어력으로 정확한 위치에 BOP를 내려놓을 수 있다. 수평면 운동값이 반영된 BOP landing 시뮬레이션이 가능하다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
10 : 시추 시뮬레이션 시스템
11 : 조작 컨트롤러 13 : DP 모듈
15 : 운동 해석 모듈 16 : 인터페이스
17 : 시뮬레이터 19 : 뷰어

Claims (3)

  1. 시추선에서 시추작업에 사용되는 시추장비를 교육하기 위한 시뮬레이션 시스템에 있어서,
    파도, 조류를 포함하는 해양환경을 지정하기 위한 조작 컨트롤러;
    상기 조작 컨트롤러에 의해 지정된 해양환경에 맞춰 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성하고, 생성된 제어력을 상기 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터에 제공하는 DP 모듈;
    상기 해양환경에 의해 상기 시추선에 작용하는 유체의 외력 및 상기 DP 모듈에 의해 생성된 제어력을 이용하여 해당 시추선의 수평면 운동값을 계산하는 운동 해석 모듈; 및
    상기 운동 해석 모듈로부터 계산된 수평면 운동값을 기반으로 상기 시추선의 움직임을 반영한 시추 장비의 시뮬레이션을 수행하고 수행된 시뮬레이션 결과 중 관찰정보를 표시하는 시뮬레이터를 포함하되,
    상기 관찰정보는 상기 시추선의 움직임 및 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전속도를 포함하고,
    상기 시추장비는 시추작업에 사용되는 장비이고,
    상기 시뮬레이터는 상기 계산된 수평면 운동값과 상기 생성된 제어력을 반영하여 결정된 위치로 상기 시추장비를 움직이는 시뮬레이션을 수행하여 상기 시추장비의 시뮬레이션결과를 제공하는 것을 특징으로 하는 시추 시뮬레이션 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    인터페이스를 거쳐 상기 계산된 수평면 운동값을 반영한 시추선의 움직임을 표시하는 뷰어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시추 시뮬레이션 시스템.
  3. 시추선에서 시추작업에 사용되는 시추장비를 교육하기 위한 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법에 있어서,
    파도, 조류를 포함하는 해양환경을 지정하는 단계;
    상기 지정하는 단계에 의해 지정된 해양 환경에 맞춰 시추선의 수평면 위치를 유지하기 위한 복수의 쓰러스터별 제어력을 생성하고 생성된 제어력을 상기 시추선의 하부에 설치된 복수의 쓰러스터에 제공하는 단계;
    상기 해양환경에 의해 상기 시추선에 작용하는 유체의 외력과 상기 생성하는 단계에 의해 생성된 제어력을 이용하여 해당 시추선의 수평면 운동값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산하는 단계에 의해 계산된 수평면 운동값을 기반으로 상기 시추선의 움직임을 반영한 시추 장비의 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 수행하는 단계는 상기 수행된 시뮬레이션 결과 중 관찰정보를 표시하고,
    상기 관찰정보는 상기 시추선의 움직임 및 상기 복수의 쓰러스터별 피치각 및 회전속도를 포함하고,
    상기 시추장비는 시추작업에 사용되는 장비이고,
    상기 수행하는 단계는 상기 계산된 수평면 운동값과 상기 생성된 제어력을 반영하여 결정된 위치로 상기 시추장비를 움직이는 시뮬레이션을 수행하여 상기 시추장비의 시뮬레이션결과를 제공하는 것을 특징으로 하는 시추 시뮬레이션 시스템의 시뮬레이션 방법.
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