KR102491246B1 - 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정 길이를 가지는 중공의 파이프 형태로 이루어진 압력 하우징; 상기 압력 하우징의 하단 외부로 노출되어 시추공 환경을 감지하도록 상기 압력 하우징에 설치되는 온도-압력 센서; 상기 온도-압력 센서의 상부에 위치하도록 상기 압력 하우징의 내부에 배치되어 시추공 궤적의 기울기 및 방향을 측정하는 방향 센서; 상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 지상에서의 PC와 연결되는 제어부와 통신하는 통신모듈; 상기 압력 하우징의 내부에 설치되는 자이로스코프; 및 상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 상기 온도-압력 센서, 방향 센서, 통신모듈 및 자이로스코프에 전원을 공급하는 파워 서플라이;를 포함하여 구성된 손데(sonde)를 지상의 윈치 시스템에 연결하여 검층하도록 이루어진, 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템을 제공한다.

Description

철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템 {Continuous borehole trajectory survey system applicable to the cased borehole}

본 발명은 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서도 작동되는 연속 공곡 검층 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 3성분 가속도계와 3성분 자력계 측정값에 3성분 자이로스코프 자료를 융합하여 최적화 필터링(Unscented Kalman Filtering)을 통해 시추공내에서 연속적으로 시추공의 궤적, 즉 경사와 방위각을 측정하는 연속 공곡 검층 시스템에 관한 것이다.

지표에서 지하의 원하는 깊이까지 굴착되는 모든 시추공은, 정교한 방향제어 기술을 적용하지 않는 한, 그 정도의 차이는 있으나 목표로 한 방향으로부터 벗어난다.

우리나라에서 굴착되는 대부분의 시추공은 수직방향으로의 굴착을 목표로 하나, 비록 공개적으로 보고되고 있지는 않아도 연직 방향으로부터 3°~ 5° 벗어나는 것이 일반적이고, 10° 이상 편향되는 경우도 발생한다.

깊이 500 m(측정 깊이, Measured Depth, MD)까지 굴착했다고 가정했을 때, 수직축으로부터 5°의 편차가 있다면 시추공의 수직 깊이(True Vertical Depth, TVD)는 약 498.10 m (≒ 500 × cos(5°))가 되어 크게 문제되지 않을 것이다.

그러나, 수평적으로는 지표 착수 지점으로부터 약 43.58 m (≒ 500 ×sin(5°))나 벗어나게 되어 이를 무시한다면 시추공을 이용한 탐사(예를 들어 VSP 탐사) 결과의 정확도에 심각한 문제를 야기하게 된다.

따라서, 시추공을 이용한 탐사나 시추공 영상검층, 또한 시추코어 내 절리의 경사각 해석 등에서 시추공이 휘어진 정도 즉, 공곡을 측정하는 것은 매우 중요한 문제인데, 안타깝게도 이 중요성이 간과되는 현장을 종종 마주치게 된다.

시추공 공곡 또는 궤적 측정(borehole deviation survey, borehole trajectory survey 또는 wellbore survey)은 이미 굴착되어 있는 시추공의 3차원적 궤적 확인을 전통적인 목적으로 하여 왔으나, 석유 시추에서 방향제어 시추가 일반화된 지금에는 시추-중-측정(Measurement-While-Drilling, MWD) 장비의 기본이 되고 있다.

시추공에 철재 케이싱이 설치되어 있지 않은 시추공에서는 3성분 가속도계와 3성분 자력계를 이용하여 공곡을 측정하게 되지만(특허문헌 1), 철재 케이싱이 설치되어 있는 시추공이나 MWD에서 자성이 있는 drill collar에 부착된 센서는 지구 자기장이 왜곡되기 때문에 이로부터 영향을 받지 않는 자이로스코프를 사용하여야 한다.

특허문헌 2에는 3성분 가속도계 + 3성분 자력계에 대해서 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyro)을 장착해서 시추 도중에 시추공의 휘어짐을 연속으로 측정하는 장비가 개시되어 있는데, 시추공내에 삽입될 수 있을 정도의 작은 크기의 자이로스코프는 광자이로(FOG)나 고정밀 기계식 자이로를 사용하여 왔으나, 매우 고가이거나(FOG) 전략 군사용으로 제품의 조달이 거의 불가능하다(기계식).

한편, 연속 측정용 자이로스코프는 각속도를 측정하기 때문에 이로부터 공곡을 결정하는 각도를 얻기 위해서는 많은 수의 적분을 통해야만 하는데, 이 과정에서 필연적으로 오차가 누적된다.

이러한 오차를 없애기 위해서 가속도계와의 융합(fusion)을 하고 최적화 필터링을 하는데 종래에 사용하는 Extended Kalman Filter는 매우 복잡한 알고리즘을 거치게 되는 문제점이 있다.

국내에서는 철재 케이싱이 설치되지 않은 시추공에서 공곡을 측정하는 장비에 대한 논문이 발표된 바 있으나(비특허문헌 1), 아직까지 철재 케이싱이 설치된 시추공에서의 공곡을 측정하기 위한 장비에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

한편, 공곡 측정을 위한 상세한 수학적 원리는 본 출원의 발명자가 ‘지구물리와 물리탐사’제 23권 4호에 게재된 논문(비특허문헌 2)에 설명하고 있다.

US 4,163,324 A US 6,823,602 B2

조성호, 정현기, 이효선, 김예솔, 2019, 실시간 시추공 차분자기/편차 검층 시스템 개발 및 기초 현장시험, 한국자원공학회지, 56(1), 23-32. 송윤호, 2020, 시추공 공곡 측정의 원리 - 좌표계 변환의 응용, 지구물리와 물리탐사, 23(4), 243-252.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 3성분 가속도계와 3성분 자력계 측정값에 3성분 자이로스코프 자료를 융합하여 최적화 필터링(Unscented Kalman Filtering)을 통해 시추공내에서 연속적으로 시추공의 경사와 방위각을 계산하도록 이루어진 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서도 작동하는 연속 공곡 검층 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 길이를 가지는 중공의 파이프 형태로 이루어진 압력 하우징; 상기 압력 하우징의 하단 외부로 노출되어 시추공 환경을 감지하도록 상기 압력 하우징에 설치되는 온도-압력 센서; 상기 온도-압력 센서의 상부에 위치하도록 상기 압력 하우징의 내부에 배치되어 시추공 궤적의 기울기 및 방향을 측정하는 방향 센서; 상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 지상에서의 PC와 연결되는 제어부와 통신하는 통신모듈; 상기 압력 하우징의 내부에 설치되는 자이로스코프; 및 상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 상기 온도-압력 센서, 방향 센서, 통신모듈 및 자이로스코프에 전원을 공급하는 파워 서플라이;를 포함하여 구성된 손데(sonde)를 지상의 윈치 시스템에 연결하여 검층하도록 이루어진, 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템을 제공한다.

상기 압력 하우징은, 자성이 없는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 방향 센서는, 3성분 가속도계와 3성분 자력계를 동시에 포함하고, 상기 3성분 가속도계와 3성분 자력계의 조합으로 롤, 피치 및 방위각을 결정하여 철재 케이싱이 없는 시추공의 궤적을 측정한다.

지상의 PC와 상기 통신모듈의 통신은 상기 PC의 USB 단자로 부터 지상의 제어부의 모뎀을 통해 W-FSK (Wide-band 또는 Spread frequency-shift keying) 방식으로 이루어지며, 상기 손데 내부에서 다시 모뎀을 통해 MCU(Micro Control Unit)를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 자이로스코프는, 500 m 급 시추공에는 3성분 자이로 외에도 3성분 가속도계와 3성분 자력계를 포함하는 MEMS 기반 자이로스코프 센서를 채용할 수 있다.

상기 자이로스코프는, 1축, 2축 또는 3축의 광섬유 자이로 센서를 가지는 광섬유 자이로스코프를 채용할 수 있다.

상기 제어부는 공곡 측정 원리와 자료 융합 원리를 모두 반영한 시뮬레이션 및 자료처리 알고리즘에 의해 제어하도록 이루어질 수 있다.

상기 알고리즘은, 철재 케이싱이 설치되어 있는 경우에 3성분 가속도계와 3성분 자력계로부터 롤 각 및 피치 각을 구하고 상기 자이로스코프로부터 각속도를 측정하여 Unscented Kalman Filter를 거쳐 시추공의 자세 및 센서 회전을 구하며, 상기 자이로스코프를 동원할 때에는 경우에 따라 정지상태의 측정(Stationary Measurement)을 선택 사양으로 적용할 수 있도록 이루어질 수 있다.

상기 윈치 시스템의 depth encoder로 부터 별도의 pulse를 수신하여 지상의 제어부에서 실시간으로 깊이 정보를 PC에 보내도록 이루어짐으로써, 측정 도중에 손데와의 통신이 두절되는 상황이 발생하더라도 손데의 깊이에 대한 정보는 그대로 확보할 수 있다.

자이로 드리프트(drift)에 따른 요-피치-롤 각도 오차를 보정하기 위해서, 공곡 측정 시작 직전에 시추공 최상부에서 특정 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하고 공곡 검층을 모두 마친 후에 동일한 위치와 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하여 그 평균을 모든 측정값에 보정하여 줌으로써 공곡 검층의 정확도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 비자성체인 압력 하우징에 온도-압력 센서, 방향 센서, 통신 모듈, 자이로스코프 및 파워 서플라이를 설치함으로써 철재 케이싱이 설치되어 있는 시추공에서도 적용 가능하고, 종래의 시추공 윈치 시스템과 호환되어 지표에서 실시간으로 공곡을 확인할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 3성분 가속도계와 3성분 자력계 측정값에 3성분 자이로스코프 자료를 융합하여 최적화 필터링(Unscented Kalman Filtering)을 통해 시추공내에서 연속적으로 시추공의 경사와 방위각을 측정하고, 자이로스코프 센서의 드리프트(drift)에 따른 요-피치-롤 각도 오차를 보정하기 위한 새로운 방법으로서 공곡 측정 시작 직전에 시추공 최상부에서 특정 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하고 공곡 검층을 모두 마친 후에 동일한 위치와 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하여 그 평균을 모든 측정값에 보정하여 줌으로써 공곡 검층의 정확도를 향상시켜 방위각 측정 오차가 매우 큰, 수직에 가까운 시추공에서도 방위각 추정 오차를 1° 이내로 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 시추공 공곡 측정 원리와 자료 융합 원리를 반영하여 Python으로 작성된 측정 소프트웨어 알고리즘의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 알고리즘을 구현하기 위해 개발된 시뮬레이션 코드를 시험하기 위해 채택한 시추공 모델을 깊이별 편차, 방위각 및 센서회전으로 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 도 4에 나타낸 시추공 모델이 케이싱이 없는 나공상태로 가정하고 3성분 가속도계 및 자력계만을 이용하여 공곡 측정을 시뮬레이션 한 결과들로서, 도 5는 시추공 궤적의 평면도이고, 도 6은 깊이별 오차를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 동일한 시추공 모델에 철재 케이싱이 설치되어 있다고 가정하고 자이로스코프 측정 결과에 3성분 가속도계의 측정자료를 융합하여 Unscented Kalman Filter를 적용한 측정 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, 도 7은 시추공의 3차원 궤적을 나타낸 그래프이고, 도 8은 깊이별 측정 오차를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 실시간 제어 및 통신 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템에 채용된 압력 하우징에 대한 실내외 방수 및 내구성 테스트를 수행하고 있는 상태를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 500 m 급 손데 시작품 3차원 모식도 및 손데 시작품 조립 직전의 상태를 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)와 윈치 케이블을 연결하는 상태를 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데를 시추공 상단에 삽입한 상태를 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 시작품을 이용해서 틸트(tilt) 1°이내 시추공 150 m 깊이까지의 공곡 검층 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 도 14에서의 틸트(tilt) 1°이내 시추공 150 m 깊이까지 초음파 영상검층(Acoustic Televiewer;ATV) 장비를 이용하여 공곡 검층 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 500 m 깊이의 시추공에 시험 검증을 하기 위해 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)에 센트럴라이저(centralizer)를 장착하고 있는 상태를 나타낸 사진이다.
도 17은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데를 검층 차량 내의 윈치 시스템에 연결하여 검층을 수행하는 상태를 나타낸 사진이다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)를 시추공 상단에서 600 m 깊이까지 내릴 때(하향)와 600 m 깊이에서 시추공 상단까지 올릴 때(상향) 검층한 결과를 나타낸 것으로서, 도 18은 공곡 평면도이고, 도 19는 북쪽 방향 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

본 발명의 구성에 대해서 간략하게 설명하면 다음과 같다.

철재 케이싱이 없는 상태에서는 3성분 가속도계와 3성분 자력계의 측정자료로 부터 연속적으로 측정 센서의 회전각 및 시추공 공곡(tilt와 방위각)을 구할 수 있으며, 이의 수학적 원리는 잘 알려져 있다(비특허문헌 2).

또한, 매우 정밀한 자이로스코프를 사용하게 되면 시추공내 특정 깊이에 정지시켜서 자이로 콤파스의 원리를 이용해 시추공의 공곡을 알 수도 있지만 연속적으로 움직일 때에는 자이로 콤파스 원리을 적용할 수 없고, 3축 자이로에서 측정된 3성분 각속도의 적분을 통해서 요-피치-롤을 계산하게 된다.

자이로 측정값에는 그 정도의 차이는 있으나 잡음(noise)이 포함되어 있으므로 요-피치-롤 계산을 위한 수많은 적분 과정에서 오차가 누적되어 측정 깊이가 증가할 수록 정확한 공곡에서 벗어날 수 밖에 없다.

이러한 오차를 줄이기 위해서 외국의 제작사에서는 각기 나름대로의 노하우에 근거한 최적화 과정을 거치는데, 지금까지 알려진 바에 따르면 확장(extended) Kalman 필터링(EKF)을 주로 사용하고 있으며, 이 방법은 매우 복잡한 수학적 과정과 계산 알고리즘을 요구한다.

본 발명에서는 3성분 가속도계에서의 측정자료로 부터 수학적 계산을 통해 롤과 피치를 구하고, 여기에 3축 자이로에서 얻어지는 3성분 각속도를 융합하여 UKF (Unscented Kalman Filtering)를 통해 요-피치-롤을 얻는 최적화 알고리즘을 개발하였다.(후술하는 도 3 참고)

UKF는 비선형 최적화에 있어서 EKF와 같은 복잡한 수식을 사용하지 않고 sigma-point 기법에 기초하여 최적의 평균을 얻어내는 기법으로서 매우 많은 삼각함수 계산이 필요한 공곡 계산에 적용하여 아주 안정적이고 정확한 결과를 얻게 해준다.

이러한 UKF 적용은 철재 케이싱이 설치되어 있지 않아 3성분 가속도계 및 3성분 자력계만으로도 공곡을 측정할 수 있는 경우에도, 3-3의 형태로 요 값을 자이로스코프 자료와 융합하여 적용함으로써 시추공내 하향 또는 상향하면서 연속 측정하는 도중에 센서의 떨림에 의한 불규칙한 잡음을 제거해서 안정된 연속 자료를 얻게 해준다. 이러한 기능은 특히 시추공의 tilt가 1° 이내로 수직에 가까울 때에 수학적으로 발생하는 방위각 계산 오차를 거의 제거해주는 효과를 제공한다.

한편, 자이로스코프로부터 측정되는 3성분 각속도는 센서의 정밀도 수준에 따라 달라지는 측정 오차를 포함하여, 정지상태에서도 측정값의 평균이 0이 아니며 많은 경우에 시간에 따라 달라지는 특성이 있다(자이로 drift).

이러한 drift에 의해 각속도로 부터 순차적 적분을 통해 계산되는 (DCM 적분) 요-피치-롤은 시간에 따라 오차가 점점 증가하게 된다.

이러한 오차는 UKF를 적용하더라도 완전히 제거될 수 없다.

이 발명에서는 자이로 드리프트(drift)에 따른 요-피치-롤 각도 오차를 보정하기 위한 손쉬운 방법으로서, 공곡 측정 시작 직전에 시추공 최상부에서 특정 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하고 공곡 검층을 모두 마친 후에 동일한 위치와 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하여 그 평균을 모든 측정값에 보정하여 줌으로써 공곡 검층의 정확도를 향상시켰다.

이러한 방식을 추가로 적용함으로써 방위각 측정 오차가 매우 큰, 수직에 가까운 시추공에서도 방위각 추정 오차를 1° 이내로 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템(이하, K-DEV로 칭함)은 압력 하우징(10), 온도-압력 센서(20), 방향 센서(30), 통신 모듈(40), 자이로스코프(50) 및 파워 서플라이(60)를 포함하여 구성된 손데(sonde)를 지상의 윈치 시스템에 연결하여 검층하도록 이루어진다.

압력 하우징(10)은 소정 길이를 가지는 중공의 파이프 형태로 이루어진다.

K-DEV 시작품 제작을 위한 압력 하우징 설계에 있어 고려한 사항에는 ① 자성이 없는 재료의 선택, ② NQ규격의 시추공에 활용을 위해 50 mm 내외의 외경을 가지며, ③ 추후 예를 들어, 1.5 km 깊이의 시추공 환경(예상 온도 ~70 ℃ 및 압력 ~150 bar)에서 내구성 확보에 필요한 벽두께(및 내경) 조건 등이 있다.

K-DEV 구성소자 내 자력계를 포함하는 센서(APS-544, MOTUS)의 성능을 보장하기 위하여 적합한 압력 하우징(10)의 재료로는 비자성 금속인 오스테나이트계 스테인레스 주강(SUS 304 또는 SUS316) 등이 사용될 수 있다.

상용 장비 중 200 ℃ 이상의 고온용 검층 손데에서는 Inconel 718 등급의 합금이 많이 사용되며, 비자성 향상을 위해 니켈 함량을 더욱 높여 제작되는 SUS 305M 재료 등이 최근 소개되었으나, 아직까지는 코일 또는 판형(sheet) 제품으로만 양산되는 상황이다.

따라서, 본 시작품 제작을 위한 압력 하우징 재료는 산업용재로 양산되며, 비교적 쉽게 시중에서 구입이 가능한 스테인레스 스틸 파이프를 사용하였다.

일반적으로 생산되는 파이프 규격들 중에서, 1-1/2 SCH 5S 또는 10S 파이프를 대상으로 K-DEV 구성 소자들의 설치 가능성을 검토하였다.

두 규격 파이프는 외경 48.3 mm 및 각각 벽 두께 1.65 mm 또는 2.77 mm의 조건을 가지는데, 이에 따른 내경은 각각 45 mm 또는 42.76 mm로써 내부 구성 소자들 중 가장 큰 내부 단면적(축방향 기준)을 요구하는 MEMS 자이로스코프(MOTUS)의 설치가 가능하다.

상용 압력 파이프의 내구압력(P = 2×S×t÷D)은 재료에 따른 강성과 변형

강도(allowable stress, S)와 외경(diameter, D) 및 벽두께(wall thickness, t) 조건에 의해 계산할 수 있는데, 이를 검토한 두 규격 파이프에 적용할 경우 SCH 5S와 10S의 내구압력은 각각 9.4 MPa와 15.9 MPa로 두 제품 모두 500 m급 시작품을 제작하는 용도로는 적합하다.

하지만 추후 보다 깊은 심도에서 활용 가능성 등을 고려해 1-1/2 SCH 10S 규격을 최종 선정하고, 이에 적합한 내부 샤시 설계 등을 진행하였다.

1-1/2 SCH 10S 파이프를 이용한 K-DEV 압력 하우징의 기본 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기존 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 보유한 윈치와의 호환을 위해 GO-4 커넥터를 채용한 툴탑(tool top), 센트럴라이저 장착을 위한 1.4 m 길이의 압력 하우징, 그리고 하단 플러그(bottom plug)로 이루어진다.

또한, 파이프 내 센서들의 설치 및 축 정렬을 위한 electronic chassis에 대한 설계도 동시에 수행되었다.

500 m급 시작품 손데 내부 센서의 기본 배치는 하단부터 온도-압력 센서(20), 방향 센서(APS-544)(30), 통신모듈(MCU)(40), 자이로스코프(MOTUS)(50) 그리고 파워 서플라이(전원공급장치)(60) 순이다.

각 구성 소자의 설치를 위한 축방향 단면적을 검토하였고, 방향 센서(APS-544)(30)와 자이로스코프(MOTUS)(50)에 대하여는 각 센서의 측정 축들 중 한 방향이 압력 하우징(10)의 축과 일치하도록 샤시의 단차를 설계하였다.

내부 샤시는 아크릴 재료를 사용하였고 센서들에 대한 가조립과 알고리즘 작동, 검증 등을 위한 아크릴 파이프 샘플을 제작하였다.

온도-압력 센서(20)는 압력 하우징(10)의 하단 외부로 노출되어 시추공 환경을 감지하도록 압력 하우징(10) 하부에 설치된다.

온도-압력 센서(20)는 압력 하우징(10) 하단 외부로 노출되어 시추공 환경(지하수압, 수온)을 감지함으로써 시추공 상태 및 손데의 심도 등을 보조 기록하는데 사용된다.

온도-압력 센서(20)의 경우 압력 하우징(10) 외부에서 시추공내 지하수와 직접 접촉하기 때문에, 부착 및 방수 방안에 대한 검토를 추가적으로 수행하였다.

압력 하우징(10) 내부에 구성 소자들의 배열을 위한 electronic chassis에 설치가 용이하도록 나사 체결(threaded mount) 방식을 채택하였고, 여러 제조사에서 제공하는 나사 규격(NPT, BSP 등)에 대한 사양을 검토하였다.

500 m급 시작품 제작을 위해 선정한 센서는 GP:50사의 Model 543 제품으로 CAN 규격의 디지털 출력을 지원한다.

온도-압력에 대한 사양은 사용자 요청 주문 사양 생산 대응(configure to order)으로 최대 150℃, 69 MPa까지 제공한다.

온도-압력 센서 외부에 돌출되어있는 프로브(probe)에 의해 유체의 온도가 측정되며, 주변으로 위치한 다이아프램 실(diaphragm seal)에 의해 지하수압이 측정된다.

직경 25.4 mm의 크기로 손데 하단에 적용 가능하며, 1/2인치-NPT 규격의 나사를 채용해 방수 문제를 해결할 수 있다.

방향 센서(30)는 온도-압력 센서(20)의 상부에 위치하도록 압력 하우징(10)의 내부에 배치되어 시추공 궤적의 기울기 및 방향을 측정한다.

철재 케이싱이 없는 경우에 시추공 궤적의 기울기 및 방향을 측정할 용도의 방향 센서로는 Applied Physics Systems사의 Model-544 (이하, APS-544)제품을 선정하였다.

3성분 가속도계와 3성분 자력계를 동시에 포함하며, 두 센서의 조합으로 롤, 피치 및 방위각을 결정하여 시추공의 궤적을 측정할 수 있다.

RS-232 규격의 디지털 출력을 지원하며, 센서의 방향측정 정보 뿐만 아니라 가속도계 및 자력계 센서에 대한 원시 자료의 전송도 가능하므로, 본 발명에서는 원시 자료의 획득이 주 목적이 된다.

7채널 16 bit 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 내장하고 있으며, 6개 채널은 가속도계 및 자력계의 출력, 나머지 1개 채널은 센서 자체에 내장된 온도계의 온도 자료를 제공한다.

또한, 온도 변화에 따른 센서 스케일 변화에 대한 교정 등에 사용되는 마이크로프로세서를 내장한다.

19.05 mm × 20.32 mm × 116.84 mm의 작은 크기로 손데 내부에 위치시키기 적합하며, 0~70 ℃ (Model-544H 제품의 경우 최대 125 ℃)의 온도 범위 내에서 작동하므로 추후 1.5 km급 장비에도 적용 가능하다.

또한, 기존 상용화된 ALT사의 공곡측정기(QL40 DEV), 광학 및 초음파 영상검층장비(QL40 OBI 및 ABI) 등에도 적용되어 그 성능이 입증됐다.

제조사에서 제공하는 자력계 및 가속도계의 정밀도는 각각 5 μGauss와 0.2 milli G 이며 방위각과 센서 회전에 대한 정확도는 각각 ± 1.0°, ± 0.5° 이다.

통신모듈(40)은 압력 하우징(10)의 내부에 설치되어 지상에서의 PC와 연결되는 제어부와 통신한다.

K-DEV 개발에 있어서 기본적으로 고려한 필수 사항의 하나로서 기존에 KIGAM 또는 국내에서 보유하고 있는 윈치시스템과의 호환성 확보를 들 수 있다.

KIGAM에서 사용하는 물리검층 손데는 영국 Robertson Geologging (RG)사 또는 미국 Mount Sopris사의 윈치시스템과 호환되고 있는데, 각각의 윈치는 케이블이 내려간 깊이를 알 수 있는 depth encoder 및 케이블의 장력(tension)을 알 수 있는 tension meter의 작동방식이 서로 다르다.

따라서, 기존의 윈치시스템과 호환되기 위해서는 depth 측정 신호를 별도로 측정해서 측정자료와 동기화하는 것이 필수적으로 요구된다.

또한, 각 윈치시스템 별 케이블의 특성에 맞게 전원 공급 및 신호 전송 프로토콜을 만들어야만 한다.

본 발명에서는 먼저 KIGAM에서 심부 검층용으로 주로 사용하는 RG사 윈치시스템과 호환성을 추구하였다.

K-DEV에서 사용하는 센서는 모두 UART 또는 CAN 통신 등 디지털 출력을 제공한다.

따라서, 중요한 것은 모든 센서에 안정적인 전원을 공급하고 측정 신호를 동기화하여 지연이나 단락이 없이 연속적으로 지상의 PC로 송신하는 시스템을 갖추는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 지상에서 PC와 연결되는 제어부를 제작하여 여기에서 전원공급, 통신제어 및 깊이 자료 동기화를 모두 제어하도록 설계하였고, 모든 명령은 Python 기반으로 작성한 측정 소프트웨어를 통해 이루어지도록 개발하였다.

자이로스코프(50)는 압력 하우징(10)의 내부에 설치된다.

자이로스코프 센서는 K-DEV 구성 소자 중 가장 큰 부피를 차지하는 제품이다.

종래 기술에 따르면 기계식>광섬유>MEMS 자이로스코프 순으로 정밀도에 있어서 우수함을 보이지만, 이와 반대로 부피 제약으로 인한 시추공 손데의 적용성에는 불리한 점이 있다.

국내외 제조사에서 홈페이지 등을 통해 제품의 사양 정보가 공개되어있는 자이로스코프 센서들에 대한 자료를 수집하였고, 국내 제조사 및 해외사의 국내 대리점에서 취급하고 있는 일부 제품들에 대해서 필요한 경우 하우징 내부 적용성 검토를 위해 실물 모형(mock-up)을 확인하였다.

전술한 자이로스코프 센서들 중 기계식 자이로 센서는 전체 작동 온도범위에서 정밀도가 가장 높으나, 자이로 센서부 외 자료 취득을 위한 PCB 보드의 크기에 제약이 있어 시추공 손데에는 적용할 수 없었다.

추후 PCB 보드의 개선(또는 주문자 요청 사양 맞춤 제작)이 가능할 경우 정밀도 측면에서는 손데 적용에 적합할 것으로 기대된다.

초소형 기판 형태로 제작되는 일부 MEMS 센서 중 고정밀도(bias-instability, 약 0.1°/hr) 사양을 만족하는 제품이 있지만, 전체 작동 온도범위에서 최대 ±15°/hr까지 정밀도가 하락하는 경우도 있으므로, 센서 검토 시 확인이 필요하다.

FOG 자이로 센서의 경우 정밀도 측면에서 기계식과 MEMS 센서 사이의 성능을 가지며, 온도 변화에 대해서도 비교적 안정적인 성능 범위를 제시하고 있다.

하지만, 3성분을 동시에 가지는 제품의 경우(DSP-1760, KVH) 직경 약 89 mm로 소구경 시추공 손데용으로는 사용이 적합하지 않았다.

위 상황들을 고려하여 K-DEV 개발용 자이로스코프 센서로는 제품 크기 및 손데의 적용 심도와 이에 따른 하우징 설계 방안에 따라, 500 m급 시작품의 경우 MEMS 센서를, 1.5 km급 개발품의 경우 MEMS와 FOG 센서를 모두 사용하는 것으로 검토하였다.

500 m급 K-DEV 시작품 제작을 위하여 선정한 MEMS 기반 자이로스코프 센서는 Advanced Navigation사의 MOTUS 제품으로, 3성분 자이로 외에도 3성분 가속도계와 3성분 자력계를 포함하고 있다.

RS-232 규격의 디지털 통신을 지원하며, APS-544와 마찬가지로 각 성분에 대한 원시 자료 전송을 제공한다.

OEM 제품의 경우 약 31 mm × 31 mm × 24 mm 크기로 500 m급 시작품 소형 손데에 적용 가능하며, 최대 85 ℃ 까지 작동하므로 추후 1.5 km급 장비에도 적용 가능하다.

제조사에서 공개하는 데이터 시트 상에는 자이로 성분에 대해 0.4°/hr의 bias-instability 정밀도를 가지며, 내장된 가속도계 및 자력계와 결합으로 AHRS 기법을 통하면 롤-피치 및 센서 회전에 대한 정확도는 각각 0.03° 및 0.08°이나, 이를 시추공 내에서는 적용할 수 없으므로, K-DEV에서는 가속도 원시자료만을 사용한다.

파워 서플라이(60)는 압력 하우징(10)의 내부에 설치되어 온도-압력 센서(20), 방향 센서(30), 통신모듈(40) 및 자이로스코프(50)에 전원을 공급한다.

K-DEV의 주요 구성 소자에는 전술한 바와 같이 시추공의 휘어짐(경사각 및 방위각)을 측정하는데 사용되는 방향 센서, 손데 외부의 압력(지하수압) 및 온도를 측정하여 심도에 대한 보조 정보를 얻는데 사용되는 온도-압력 센서, 그리고 이들 센서의 자료를 통합해 지표로 송신하는데 필요한 통신 모듈이 포함된다.

기본적으로 K-DEV의 센서를 선정함에 있어서 여러 종류의 센서에서 얻어지는 자료들을 통합하기에 용이하도록 가능한 한 디지털 출력 규격(UART)을 지원하는 제품을 최우선적으로 고려하였다.

또한, 최대 1.5 km 깊이까지 손데가 삽입될 경우 예상되는 시추공 환경(지온 최대 ~70℃, 지하수압 ~15 MPa)에서의 센서 동작과 내구성 특히 방수 확보를 위한 압력 하우징 내부에 설치할 수 있는 크기를 고려하였다.

500 m급 시작품 제작의 목표 심도와 이를 위한 압력 하우징 설계안에 따라 내부에 조립될 수 있는 소형의 제품들 중 적정 수준 이상의 정밀도 및 정확도를 제시하는 센서를 선정하였다(표 1).

[표 1] 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의

구성 센서 선정 결과

도 3은 시추공 공곡 측정 원리와 자료 융합 원리를 반영하여 Python으로 작성된 측정 소프트웨어 알고리즘의 흐름도이다.

도 3은 개발된 Python code의 기능 및 흐름을 하나의 개념도로 나타낸 것으로서, 철재 케이싱의 유무에 따라 3성분 가속도계, 3성분 자력계 및 2축 또는 3축 자이로스코프를 선택적으로 반영하게 되어 있다.

측정 자료의 Simulation에서는 시추공의 깊이, 깊이별 편차 및 방위각, 그리고 측정 간격을 입력하면 Gaussian noise가 포함된 측정값을 만들어 주는데, Gaussian noise는 본 발명에서 채택한 3성분 가속도 및 자력계(Applied Physics System사의 model 544)의 잡음 수준인 0.2 milli G 및 5 μGauss의 10배, 그리고 자이로의 경우에는 각속도 잡음 0.05 °/sec을 1 표준편차(1 σ) 크기로 무작위로 생성되어 더해진다.

도 3에서 붉은색 점선으로 표시된 부분은 철재 케이싱이 설치되지 않은 시추공에서 3성분 가속도계와 3성분 자력계 만으로 직접적으로 시추공의 tilt (여기서는 수직축으로부터 벗어난 편차각), 방위각 및 센서의 회전을 구하는 단계가 된다.

철재 케이싱이 설치되어 있는 경우에는 3성분 가속도계와 자력계로부터 롤 각 및 피치 각을 구하고 자이로스코프로부터 각속도를 측정하여 Unscented Kalman Filter를 거쳐 시추공의 자세 및 센서 회전을 구하는 단계가 된다.

한편, 도 3에 도시하지 않았지만 자이로스코프를 동원할 때에는 경우에 따라 정지상태의 측정을 선택 사양으로 적용할 수도 있다.

도 4는 도 3의 측정 소프트웨어 알고리즘을 구현하기 위해 개발된 시뮬레이션 코드를 시험하기 위해 채택한 시추공 모델을 깊이별 편차(tilt), 방위각 및 센서회전으로 나타낸 그래프이다.

시추공의 총 깊이는 1,500 m이고, 분당 5 m의 속도로 검층기를 하강시키면서 0.5초 간격으로 측정하여 총 36,000번의 측정이 이루어지는 경우를 simulation 한다.

시추공은 각 500 m 깊이의 구역으로 나뉘어 첫번째 부분에서는 시추공의 경사와 방위각이 선형적으로 증가해서 500 m 깊이에서 방위각이 -30°, 수직으로부터의 편차는 6°에 이르고 그 다음부터 1,000 m 까지는 동일한 경사와 방위각으로 내려가며, 그 하부에서는 경사는 6°를 유지한 채 방위각이 바뀌어 33°까지 선형적으로 증가하게 된다.

한편, 센서는 500 m 깊이까지는 반시계 방향으로 833회 회전하고, 그 다음 500 m 동안은 회전이 없다가 마지막 500 m 구간에서는 시계 방향으로 125회 회전하는 모델이다.

도 5 및 도 6은 도 4에 나타낸 시추공 모델이 케이싱이 없는 나공상태로 가정하고 3성분 가속도계 및 자력계만을 이용하여 공곡 측정을 시뮬레이션 한 결과들로서, 도 5는 시추공 궤적의 평면도이고, 도 6은 깊이별 오차를 나타낸 도면이다.

측정 자료는 APS model 544의 잡음 수준의 10배를 1 표준편차로 하는 Gaussian 무작위 잡음을 포함한다.

도 5 및 도 6의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 센서 잡음 수준의 10배의 측정 잡음이 있음에도 불구하고 정확하게 시추공의 공곡 측정 결과를 제공하고 있다.

철재 케이싱이 설치되지 않은 나공에서 APS model 544 센서의 잡음 수준의 10배 Gaussian 잡음을 더한 측정자료를 이용해 시추공 공곡을 추정한 결과, 도 5는 시추공 궤적의 평면도인데 참값과 추정값이 겹쳐서 구별이 안되며, 도 6은 깊이별 오차를 보여주는데 1,500 m 깊이에 이르기까지 최대 오차 2 cm로 정확한 추정이 이루어짐을 확인할 수 있다.

도 7 및 도 8은 동일한 시추공 모델에 철재 케이싱이 설치되어 있다고 가정하고 자이로스코프 측정 결과에 3성분 가속도계의 측정자료를 융합하여 Unscented Kalman Filter를 적용한 측정 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, 도 7은 시추공의 3차원 궤적을 나타낸 그래프이고, 도 8은 깊이별 측정 오차를 나타낸 그래프이다.

도 7은 시추공의 3차원 궤적을, 도 8은 깊이별 측정 오차를 나타내는데, 철재 케이싱이 없는 상태에 비해서 약간 오차가 증가하고 있으나 1.5 km 깊이까지 최대 측정 오차가 수평방향으로 70 cm 이내로서 최대 오차 1° 내외의 측정 정확도를 얻을 수 있음을 보여주고 있다.

만약, 측정자료의 융합 및 Unscented Kalman Filter의 접목이 없다면 측정 오차는 매우 커질 수 밖에 없으며, Kalman Filter의 변수도 많은 시험을 거쳐서 설정하여야 한다.

본 발명에서는 수 많은 시뮬레이션을 통해 가장 안정적인 변수들을 선정하였다.

도 9는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 실시간 제어 및 통신 흐름을 나타낸 도면이다.

윈치(winch)의 왼쪽이 지상의 제어부가 되고, 오른쪽이 K-DEV 손데 내부에 해당한다.

먼저, 제어부에서는 외부에서 공급되는 12 V 직류 전원을 103 V로 승압하여 손데로 공급하는데 이렇게 전압을 높이는 이유는 2 km 길이에 달하는 윈치 케이블에 의해 발생할 수 있는 전력 손실에 대비하기 위함이다.

손데 내부의 파워 서플라이에서는 이 전원을 다시 5 V로 내려서 중앙제어장치인 MCU (Micro Control Unit)를 통해 센서들에 전원을 공급하고 또한 측정 신호를 종합하게 된다.

PC와 손데의 통신은 PC의 USB 단자로 부터 지상제어부의 모뎀을 통해 W-FSK (Wide-band 또는 Spread frequency-shift keying) 방식으로 이루어지며 손데 내부에서 다시 모뎀을 통해 MCU를 제어하게 된다.

자료 측정 기본 간격은 초당 4 sample이고, 속도 9600 bps로 전송되며 이는 통상적인 검층 속도인 5 m/min일 경우에 1 meter 이동시에 48회 측정에 해당하는 것으로서 충분한 공간 해상도를 확보할 수 있다.

한편, 윈치(winch)의 depth encoder로부터 별도의 펄스(pulse)를 수신하여 지상 제어부에서 실시간으로 깊이 정보를 PC에 보내는 것을 알 수 있다.

따라서, 만약 측정 도중에 손데와의 통신이 두절되는 상황이 발생하더라도 손데의 깊이에 대한 정보는 그대로 확보하게 되어 재측정에 문제가 없게 된다.

도 10은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템에 채용된 압력 하우징에 대한 실내외 방수 및 내구성 테스트를 수행하고 있는 상태를 나타낸 사진이다.

최종 설계된 압력 하우징 구조에서 외부 유체에 노출될 수 있는 부분들은 ①온도-압력 센서의 유체 접촉부, ②압력 하우징 하단 및 ③툴탑(tool top) 어댑터 결합 부위이다.

온도-압력 센서의 유체 접촉부에 대하여는 센서 제조사에서 1/2인치 NPT 나사 규격을 제공하기 때문에, teflon seal tape이나 록타이트 등의 적용을 통해 방수를 쉽게 해결할 수 있다.

압력 하우징 상하단에 대해서는 파이프 내경에 적합한 오링(o-ring) 규격을 검토하였다.

파이프 내경과 비슷한 외경 크기를 갖는 AN-221 규격의 오링(내경 36.1 mm, 선경 3.53 mm)을 적용할 수 있도록 약 3.3 mm 깊이의 오링홈을 가공하였다.

SUS 파이프를 활용해 제작한 K-DEV 압력 하우징 샘플에 대한 실내외 방수 및 내구성 테스트를 수행하였다.

도 11은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 500 m 급 손데 시작품 3차원 모식도 및 손데 시작품 조립 직전의 상태를 나타낸 사진이다.

샤시 조립 전 압력 하우징 내부에 최대 약 15 MPa의 수압을 가하여 오링 결합 부위 방수 및 bursting pressure에 대한 내구성 테스트를 수행하였고, 경주 지역에 굴착된 약 1 km 깊이의 시추공에 삽입하여 collapsing pressure에 대한 내구성을 검증하였다.

테스트가 완료된 압력 하우징 제품 내에 K-DEV 구성 소자가 조립된 내부 샤시를 조립하여 500 m급 K-DEV 시작품 제작을 완료하였다.

도 12는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)와 윈치 케이블을 연결하는 상태를 나타낸 사진이고, 도 13은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데를 시추공 상단에 삽입한 상태를 나타낸 사진이다.

실내 시험을 거쳐 최종적으로 조립된 시작품의 실제 작동 검증을 위해 일차적으로 150 m 깊이까지의 짧은 구간에 대해서 시험을 수행하였다.

대상 시추공은 KIGAM 부지 내에 위치한 300 m 깊이 NX 시추공으로서 30 m 깊이까지 자성이 없는 케이싱이 설치되어 있어 나공과 동일한 상태이다.

시추공에는 먼저 비교 목적으로 KIGAM이 보유하고 있는 초음파영상검층(Acoustic Televiewer; ATV) 장비를 적용하여 이 장비에 장착된 공곡 측정 센서의 자료를 확보하였다.

다음으로 K-DEV 시작품을 시험하였다.

두 시스템은 동일한 윈치에 연결함으로써 호환성을 확보하였다.

도 12 및 도 13은 K-DEV 손데와 윈치 케이블을 연결하는 장면(도 12)과 검층을 시작하기 위해 시추공 상단에 삽입한 장면(도 13)을 각각 보여준다.

도 14는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 시작품을 이용해서 틸트(tilt) 1°이내 시추공 150 m 깊이까지의 공곡 검층 결과를 나타낸 그래프이고, 도 15는 도 14에서의 틸트(tilt) 1°이내 시추공 150 m 깊이까지 초음파 영상검층(Acoustic Televiewer;ATV) 장비를 이용하여 공곡 검층 결과를 나타낸 그래프이다.

이 시추공은 케이싱이 설치되어 있지 않으나, 붉은색(open hole mode)선과 같이 3성분 가속도계와 3성분 자력계에 자료융합과 UKF 최적화 필터링을 적용한 결과와, 철재 케이싱이 있다고 가정하여 MEMS 자이로의 3성분 각속도의 시간적분과 자료융합 및 UKF 알고리즘을 적용한 결과(초록색, cased hole mode), 그리고 검층 시작 전후 고정 측정값으로 자이로 측정값을 보정한 자료에 동일한 알고리즘을 적용한 결과(푸른색, compensated)를 함께 나타낸 것이다.

보정자료는 open hole mode에 비해 150 m 깊이에서 남쪽 방향으로 4 cm의 차이만(0.03% 오차)을 나타내어 거의 동일한 결과를 내고 있음을 확인할 수 있다.

도 16은 500 m 깊이의 시추공에 시험 검증을 하기 위해 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)에 센트럴라이저(centralizer)를 장착하고 있는 상태를 나타낸 사진이고, 도 17은 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데를 검층 차량 내의 윈치 시스템에 연결하여 검층을 수행하는 상태를 나타낸 사진이다.

KIGAM 시추공에의 시험을 통해 장비의 정상 작동을 확인한 후에, 500 m 깊이까지의 작동 검증을 위해서 충남대학교 부지 내에 굴착되어 있는 시추공에서 시험 검층을 수행하였다.

이 시추공 또한 NQ 크기이므로 K-DEV 손데의 외경 조건에 적합하도록 센트럴라이저를 조정하여 기기의 상하단에 장착하였다(도 16).

이 시추공은 120 m 깊이 까지 철재 케이싱이 설치되어 있어서 현 상황에서는 비교 목적으로 ATV 검층을 수행할 수 없었다.

도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템의 손데(sonde)를 시추공 상단에서 600 m 깊이까지 내릴 때(하향)와 600 m 깊이에서 시추공 상단까지 올릴 때(상향) 검층한 결과를 나타낸 것으로서, 도 18은 공곡 평면도이고, 도 19는 북쪽 방향 단면도이다.

충남대학교 시추공에서의 시험을 통해 최소한 600 m 깊이까지 K-DEV 센서의 작동에 문제가 없음을 검증하였으며, 검층 수행 후 센서를 분리하였을 때에도 방수가 완벽하게 이루어짐을 확인하였다

도 18은 손데를 내릴 때(하향)와 600 m 깊이에서 올리면서 측정한 결과(상향)를 비교한 것이다.

손데를 내릴 때와 올릴 때에 검층 케이블의 장력이 달라지므로 결과가 약간 차이나는 것은 당연한 결과이다.

이 시험에서 하향시에는 검층 속도 5 m/min으로 측정하였고, 상향시에는 최대 10 m/min으로 변경하면서 측정하였는데, 어떠한 경우에도 자료의 불안정없이 결과가 얻어졌으며, 두 결과를 비교할 때 매우 만족할 만한 수준의 반복성을 확인할 수 있다.

특히, 철재 케이싱이 설치되어 있는 120 m 상부구간에서 반복성이 좋은 것이 쉽게 확인된다.

시추공 상단의 좌표를 0이라 할 때, 600 m 깊이 까지의 하향과 상향시 두 검층의 결과는 남-북 방향 좌표 12.11 m : 12.03 m로 8 cm 차이, 동-서 방향 좌표 -15.58 m : -14.86 m 로 72 cm 차이를 보여 상업적 제품과 비교해볼 때에도 경쟁력있는 반복성을 보이고 있다고 판단된다.

이러한 차이는 검층 센서의 정확도 문제가 아니라 단지 하향과 상향의 문제로 볼 수도 있으나, 추후 연구에서 국내의 다양한 시추공에서 상업적 제품과의 반복적인 비교 분석을 통해 검증될 수 있을 것이다.

특히, 정확도면에서 MEMS 자이로가 FOG에 비해 부족하기 때문에 이 또한 약간의 불일치의 원인이 될 수도 있으나, 추후 연구에서는 FOG를 채택하여 상호 비교 검증함으로써 우수한 가격대 성능을 확보한 장비 개발로 이어질 수 있도록 노력할 것이다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

10 : 압력 하우징
20 : 온도-압력 센서
30 : 방향 센서
40 : 통신모듈
50 : 자이로스코프
60 : 파워 서플라이

Claims (10)

1. 소정 길이를 가지는 중공의 파이프 형태로 이루어진 압력 하우징;
   상기 압력 하우징의 하단 외부로 노출되어 시추공 환경을 감지하도록 상기 압력 하우징에 설치되는 온도-압력 센서;
   상기 온도-압력 센서의 상부에 위치하도록 상기 압력 하우징의 내부에 배치되어 시추공 궤적의 기울기 및 방향을 측정하는 방향 센서;
   상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 지상에서의 PC와 연결되는 제어부와 통신하는 통신모듈;
   상기 압력 하우징의 내부에 설치되는 자이로스코프; 및
   상기 압력 하우징의 내부에 설치되어 상기 온도-압력 센서, 방향 센서, 통신모듈 및 자이로스코프에 전원을 공급하는 파워 서플라이;를 포함하여 구성된 손데(sonde)를 지상의 윈치 시스템에 연결하여 검층하도록 이루어지며,
   상기 자이로스코프는,
   500 m 급 시추공에는 3성분 자이로 외에도 3성분 가속도계와 3성분 자력계를 포함하는 MEMS 기반 자이로스코프 센서를 채용하며,
   자이로 드리프트(drift)에 따른 요-피치-롤 각도 오차를 보정하기 위해서, 공곡 측정 시작 직전에 시추공 최상부에서 특정 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하고 공곡 검층을 모두 마친 후에 동일한 위치와 방향으로 고정된 상태에서 5분간 자이로 값을 기록하여 그 평균을 모든 측정값에 보정하여 줌으로써 공곡 검층의 정확도를 향상시키는 것을 특징으로 하는,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압력 하우징은,
   자성이 없는 재질로 이루어진,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 방향 센서는,
   3성분 가속도계와 3성분 자력계를 동시에 포함하고,
   상기 3성분 가속도계와 3성분 자력계의 조합으로 롤, 피치 및 방위각을 결정하여 철재 케이싱이 없는 시추공의 궤적을 측정하는,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   지상의 PC와 상기 통신모듈의 통신은 상기 PC의 USB 단자로 부터 지상의 제어부의 모뎀을 통해 W-FSK (Wide-band 또는 Spread frequency-shift keying) 방식으로 이루어지며, 상기 손데 내부에서 다시 모뎀을 통해 MCU(Micro Control Unit)를 제어하는,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 자이로스코프는,
   1축, 2축 또는 3축의 광섬유 자이로 센서를 가지는 광섬유 자이로스코프를 채용하는,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 공곡 측정 원리와 자료 융합 원리를 모두 반영한 시뮬레이션 및 자료처리 알고리즘에 의해 제어하도록 이루어진,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 알고리즘은,
   철재 케이싱이 설치되어 있는 경우에 3성분 가속도계와 3성분 자력계로부터 롤 각 및 피치 각을 구하고 상기 자이로스코프로부터 각속도를 측정하여 Unscented Kalman Filter를 거쳐 시추공의 자세 및 센서 회전을 구하며, 상기 자이로스코프를 동원할 때에는 경우에 따라 정지상태의 측정(Stationary Measurement)을 선택 사양으로 적용할 수 있도록 이루어진,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 윈치 시스템의 depth encoder로 부터 별도의 pulse를 수신하여 지상의 제어부에서 실시간으로 깊이 정보를 PC에 보내도록 이루어짐으로써, 측정 도중에 손데와의 통신이 두절되는 상황이 발생하더라도 손데의 깊이에 대한 정보는 그대로 확보할 수 있는,
   철재 케이싱이 설치된 시추공 내에서의 연속 공곡 검층 시스템.
   
10. 삭제

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