KR20230040096A - 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 esp 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법(esp mapping and surging) - Google Patents

유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 esp 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법(esp mapping and surging) Download PDF

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Abstract

본 발명은 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 ESP와 튜빙을 포함하는 유가스정 생산 시스템에 대해서 지중 생산 조건 및 장애 요소에 따른 생산성 향상 메커니즘 및 성능 저하 영향인자를 도출할 수 있는 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법은 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계와, 상기 유가스 공급 모사부와 상기 유가스 생산 모사부를 동작시키는 단계와, 상기 모니터링부를 통해 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하는 단계 및 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법(ESP MAPPING AND SURGING){TEST METHOD FOR ESP AND TUBING MONITORING SYSTEM REFLECTING PRODUCTION CONDITIONS AND OBSTACLE ELEMENTS IN OIL AND GAS WELLS(ESP MAPPING AND SURGING)}
본 발명은 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 ESP와 튜빙을 포함하는 유가스정 생산 시스템에 대해서 지중 생산 조건 및 장애 요소에 따른 생산성 향상 메커니즘 및 성능 저하 영향인자를 도출할 수 있는 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 관한 것이다.
일반적으로 저류층의 생산성을 향상시키기 위한 인공채유법은 전 세계 생산정의 95%에 적용되고 있으며, 특히 ESP(Electrical Submersible Pump)는 전통 유전, 가스전뿐만 아니라 비전통 유전, 가스전에서도 많이 활용되고 있다.
이러한 ESP는 과열, 마모, 부식 등에 의해 펌프 성능과 수명이 감소하며, 노후된 펌프 교체에 따른 추가 비용과 생산 중단이 발생하기 때문에 ESP 수명 예측이 중요하다.
또한, 튜빙(Tubing)의 경우에도 노후화로 인해 예상하지 못한 누설(Leakage) 등의 문제가 생기게 되면 생산량의 손실 및 튜빙 교체에 따른 추가 비용과 생산 중단이 발생하기 때문에 이를 사전에 파악하는 것이 중요하다.
이에 다양한 고장사례 조사를 통해 ESP 및 튜빙의 고장 발생 메커니즘과 성능저하 영향인자를 분석하는 것이 필요하다. 이러한 ESP 및 튜빙의 정상상태 및 고장에 따른 성능저하를 파악하기 위해서는 실험실 규모의 플로우 루프(Flow Loop) 실험이 이루어져야 하며, 또한 ESP 및 튜빙의 성능 분석에 필요한 유동 실험변수를 분류하고 실험 범위를 설계하는 것이 필요하다.
다만, 현재까지는 이러한 ESP 및 튜빙의 성능 분석이 가능한 설비 및 이를 이용한 시험 방법이 없으므로 이에 대한 마련이 시급한 실정이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 ESP와 튜빙을 포함하는 유가스정 생산 시스템에 대해서 지중 생산 조건 및 장애 요소에 따른 생산성 향상 메커니즘 및 성능 저하 영향인자를 도출할 수 있는 유가스정 지중 생산 조건 및 장애 요소를 반영한 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법은 유가스 공급 상태를 모사하는 유가스 공급 모사부와, 상기 유가스 공급 모사부를 통해 공급되는 유가스를 생산하는 생산 부재 및 생산된 상기 유가스를 전송하는 전송 부재가 구비된 유가스 생산 모사부와, 유가스 생산 시 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 감지하는 감지부와, 상기 감지부로부터 전송되는 신호를 이용해서 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하는 모니터링부를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 있어서, 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계와, 상기 유가스 공급 모사부와 상기 유가스 생산 모사부를 동작시키는 단계와, 상기 모니터링부를 통해 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하는 단계 및 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 유가스 공급 모사부에는 액체 상태의 제1 유체를 공급하는 제1 유체 공급 부재와, 기체 상태의 제2 유체를 공급하는 제2 유체 공급 부재, 및 고체 상태의 이물질을 공급하는 이물질 공급 부재가 구비되고, 상기 생산 부재는 상기 유가스 공급 모사부를 통해 공급되는 상기 제1 유체, 상기 제2 유체, 및 상기 이물질이 포함된 상기 유가스를 생산하되, 상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는, 상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 먼저 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 공급 모사부에는 상기 유가스가 흐르는 공급 파이프 부재가 구비되고, 상기 생산 부재에는 상기 공급 파이프 부재를 통해 공급되는 상기 유가스가 내부로 직접 공급되도록 상기 공급 파이프 부재가 직접 연결되는 공급 포트와, 가압된 상기 유가스가 배출되도록 배출 파이프 부재와 직접 연결되는 배출 포트가 구비되며, 상기 전송 부재에는 상기 배출 파이프 부재와 연통되어 상기 유가스가 이동하는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브의 외부에 구비되어 상기 내측 튜브를 승온 및 가압하는 외측 튜브가 구비되되, 상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계는, 상기 제1 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체만 공급하는 상태에서 상기 공급 포트를 통과하는 상기 유가스의 공급 압력과 상기 배출 포트를 통과하는 상기 유가스의 배출 압력의 차이인 상승 압력을 통해 상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계는, 상기 생산 부재에 공급되는 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재에 공급될 수 있는 상기 제1 유체의 최대 유량과, 상기 상승 압력의 최대값을 상기 생산 부재의 기본 동작 조건으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는, 상기 제1 유체 공급 부재와 상기 제2 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체와 기체 상태의 상기 제2 유체를 동시에 공급하되, 상기 제2 유체의 공급 유량은 제1 기체 유량으로 일정하게 고정하고, 상기 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 증가하다가 감소하게 되는 제1-1 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는, 상기 제2 유체의 공급 유량을 상기 제1 기체 유량보다 큰 제2 기체 유량으로 증가시킨 상태에서 상기 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제2 유체의 공급 유량이 상기 제2 기체 유량인 상태에서 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 증가하다가 감소하게 되는 제1-2 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제1-1 변곡점과 상기 제1-2 변곡점을 통해 상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는, 상기 제1 유체 공급 부재와 상기 제2 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체와 기체 상태의 상기 제2 유체를 동시에 공급하되, 상기 제1 유체의 공급 유량은 제1 액체 유량으로 일정하게 고정하고, 상기 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 급격히 감소하게 되는 제2-1 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는, 상기 제1 유체의 공급 유량을 상기 제1 액체 유량보다 큰 제2 액체 유량으로 증가시킨 상태에서 상기 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제1 유체의 공급 유량이 상기 제2 액체 유량인 상태에서 상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 급격히 감소하게 되는 제2-2 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는, 상기 제2-1 변곡점과 상기 제2-2 변곡점을 통해 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 의하면 실제 생산 현장과 동일하게 액체 상태 및 기체 상태의 유체와 고체 상태의 이물질이 생산 부재로 공급된 후 전송 부재를 통해 이동하는 과정에서 발생할 수 있는 성능저하 영향인자를 정확하게 도출할 수 있고, 이를 반영하여 생산성 향상을 위한 메커니즘 도출이 가능하게 된다.
또한, 모래와 같은 고체 상태의 이물질로 인해 생산 부재가 손상될 때의 신호를 확인하고, 실제 생산 현장에서 확인되는 신호의 유사성을 비교하여 생산 부재의 고장 및 교체 시기를 예측함으로써 유가스 생산 현장과 같은 높은 단가에서의 시간 손실 및 비용 손실을 최소화하여 운영의 극대화를 도모할 수 있게 된다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 생산 부재의 기본 동작 조건을 먼저 설정하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 생산 부재를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 유체 공급 부재를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이물질 공급 부재를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전송 부재를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 순환부를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하되, 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명에 따른 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하되, 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력의 경향을 통해 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 생산 부재의 최대 유량에 대한 제1 유체의 비율(qld)에 따른 상승 압력의 경향을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하되, 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하되, 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력의 경향을 통해 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 14는 본 발명에 따른 생산 부재에 공급되는 제2 유체의 가스 체적률(λ)에 따른 상승 압력의 경향을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 생산 부재의 기본 동작 조건을 먼저 설정하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 생산 부재를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 제2 유체 공급 부재를 도시한 개략도이고, 도 6은 본 발명에 따른 이물질 공급 부재를 도시한 개략도이고, 도 7은 본 발명에 따른 전송 부재를 도시한 단면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 순환부를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법은 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)와, 유가스 공급 모사부(100)와 유가스 생산 모사부(200)를 동작시키는 단계(S200)와, 모니터링부(300)를 통해 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하는 단계(S300) 및 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)를 포함한다. 이때, ESP 및 튜빙 모니터링 시스템은 액체 상태의 제1 유체를 공급하는 제1 유체 공급 부재(110)와, 기체 상태의 제2 유체를 공급하는 제2 유체 공급 부재(120), 및 고체 상태의 이물질을 공급하는 이물질 공급 부재(130)가 구비된 유가스 공급 모사부(100)와, 이러한 유가스 공급 모사부(100)를 통해 공급되는 제1 유체, 제2 유체, 및 이물질이 포함된 유가스를 생산하는 생산 부재(210)와, 생산 부재(210)를 통해 생산된 유가스를 전송하는 전송 부재(220)가 구비된 유가스 생산 모사부(200)와, 유가스 생산 시 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 상태를 감지하는 감지부(400), 및 이러한 감지부(400)로부터 전송되는 신호를 이용해서 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 상태를 확인하는 모니터링부(300)를 포함할 수 있다.
전술한 유가스 공급 모사부(100)는 전통 유전/가스전뿐만 아니라 셰일 가스와 같은 비전통 유전/가스전을 모사할 수 있도록 구성될 수 있다.
셰일 가스의 경우 탄화수소가 풍부한 셰일층에서 개발, 생산되는 천연가스로서, 보통의 천연가스는 셰일층에서 생성된 뒤 지표면으로 이동해서 한 군데에 고여 있는 반면, 셰일 가스는 가스가 투과하지 못하는 암석층에 막혀서 이동하지 못한 채 셰일층에 갇혀 있는 가스이므로 유가스 공급 모사부(100)는 이러한 환경을 모사할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
유가스 공급 모사부(100)를 통해 이러한 환경이 모사된 상태에서 유가스 생산 모사부(200)는 제1 유체, 제2 유체, 및 이물질이 포함된 유가스를 생산해서 전송하게 되며, 이를 위해 유가스 생산 모사부(200)는 유가스를 생산하는 생산 부재(210)와, 생산 부재(210)를 통해 생산된 유가스를 전송하는 전송 부재(220)가 구비된다. 이러한 생산 부재(210)는 앞서 살펴본 ESP(Electrical Submersible Pump)가 사용될 수 있으나, 셰일 가스와 같은 기체 상태의 가스와 액체 상태의 유체가 혼합된 상태에서 생산이 가능한 구성이라면 다른 종류의 펌프를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 셰일 가스를 생산하는 과정에서 성능에 영향을 미칠 수 있는 인자를 도출하기 위해서는 실제 셰일 가스 생산 상태를 정확하게 모사할 필요가 있다. 즉, 셰일 가스는 암석의 미세한 틈새에 넓게 퍼져 있는 것이 특징이므로 기존의 천연 가스와 같은 수직 시추는 불가능하고, 수평 시추와 같은 방식으로 생산이 가능하므로 유가스 공급 모사부(100)를 통해 이와 같은 수평 시추 상황을 정확하게 모사한 상태에서 유가스 생산 모사부(200)를 통해 유가스 생산이 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다.
특히, 기체 상태의 제2 유체와 고체 상태의 이물질이 생산 부재(210)로 공급될 수 있도록 함으로써 지중 장애요소에 해당하는 가스의 양(Gas Volume), 모래(Sand) 등의 이물질 양을 모사하여 생산 부재(210)와 전송 부재(220)에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 확인이 가능하게 된다.
이때, 유가스 생산 시 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 상태를 감지하는 감지부(400), 및 이러한 감지부(400)로부터 전송되는 신호를 이용해서 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 상태를 확인하는 모니터링부(300)가 구비되며, 이를 통해 실제 생산 현장과 동일하게 액체 및 기체 상태의 유체와 고체 상태의 이물질이 포함된 상태에서 유가스를 생산하면서 이를 모니터링 할 수 있으므로 실제 생산 현장에서 발생할 수 있는 성능저하 영향인자를 정확하게 도출할 수 있고, 이를 반영하여 생산성 향상을 위한 메커니즘 도출이 가능하게 된다.
아울러 전술한 모니터링부(300)는 전송되는 신호를 컴퓨터에 연결하여 데이터 저장 신호를 PCL(Programmable Logic Controller)로 받아서 컴퓨터에 데이터를 저장하도록 구성하는 것도 가능하다.
이때, 상기한 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)는 생산 부재(210)의 기본 동작 조건을 먼저 설정하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 생산 부재를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 제2 유체 공급 부재를 도시한 개략도이며, 도 6은 본 발명에 따른 이물질 공급 부재를 도시한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 생산 부재(210)에는 액체 상태의 제1 유체, 기체 상태의 제2 유체, 및 고체 상태의 이물질이 모두 혼합된 상태로 공급되며, 이를 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 기체 상태의 제2 유체를 공급하는 제2 유체 공급 부재(120)와, 도 6에 도시된 바와 같이, 고체 상태의 이물질을 공급하는 이물질 공급 부재(130)가 구비될 수 있다.
이때, 이물질 공급 부재(130)는 모래 기타 이물질이 수용된 이물질 탱크(131)를 포함할 수 있다. 이러한 이물질 탱크(131)는 내부를 개폐할 수 있도록 분리 가능한 커버가 구비되는 것이 바람직하며, 커버를 통해 이물질의 종류를 달리하면서 지중 생산 조건을 더욱 정확하게 모사할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 유가스 공급 모사부(100)에는 유가스가 흐르는 공급 파이프 부재(140)가 구비되고, 전술한 생산 부재(210)에는 공급 파이프 부재(140)를 통해 공급되는 유가스가 내부로 직접 공급되도록 공급 파이프 부재(140)가 직접 연결되는 공급 포트(211)가 구비될 수 있다.
즉, 생산 부재(210)에 구비된 공급 포트(211)에는 유가스 공급 모사부(100)를 통해 공급되는 액체 및 기체 상태의 유가스와 고체 상태의 이물질이 직접 공급되도록 공급 파이프 부재(140)가 직접 연결되는 것이다. 만일 유가스 및 이물질을 별도의 탱크 부재에 수용한 상태에서 생산 부재(210)를 통해 흡입하는 방식으로 시스템을 구성하게 되면 유가스가 흡입되는 과정에서 형성되는 와류 현상으로 인해 오차가 발생할 수 있으나, 전술한 바와 같이, 공급되는 액체 및 기체 상태의 유가스와 고체 상태의 이물질이 공급 포트(211)를 통해 생산 부재(210)에 직접 공급되도록 구성하면 상기한 오차 발생을 최소화할 수 있게 되어 지중 생산 조건을 정확하게 모사할 수 있으며, 지중 생산 조건에 따른 생산 부재(210) 및 전송 부재(220)의 상태를 더욱 정확하게 확인하여 정량화 할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 감지부(400)는 제2 유체 공급 부재(120)를 통해 공급되는 제2 유체의 유량을 감지하는 유량 감지 부재(410)를 포함할 수 있다. 이를 통해 지중 장애요소에 해당하는 가스의 양을 더욱 정확하게 조절할 수 있게 된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 유가스 공급 모사부(100)에는 이물질 공급 부재(130)를 통해 공급되는 이물질이 승온 및 가압된 상태로 공급되도록 제1 승온 부재(150)와 제1 가압 부재(160)가 구비될 수 있다. 즉, 공급되는 이물질이 지중 생산 조건에 맞게 승온 및 가압된 상태로 공급되므로 이러한 조건에 따른 생산 부재(210) 및 전송 부재(220)의 상태를 더욱 정확하게 확인하여 정량화 할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 전송 부재를 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 전송 부재(220)는 생산 부재(210)를 통해 생산되는 유가스가 이동하는 내측 튜브(221), 및 이러한 내측 튜브(221)의 외부에 구비되며, 내측 튜브(221)를 승온 및 가압하는 외측 튜브(222)를 포함할 수 있다.
이러한 내측 튜브(221)는 생산 부재(210)에 직접 연통 설치되어 생산되는 유가스가 이동하도록 구성된다.
이때, 셰일 가스의 경우 일반적인 천연 가스와는 다르게 훨씬 깊은 위치에 존재하게 되며, 깊은 위치에서 생산되는 셰일 가스가 이동하는 과정에서 발생할 수 있는 다양한 성능저하 영향인자를 정확하게 도출하기 위해서는 내측 튜브(221)에도 셰일 가스가 매장된 깊은 위치를 반영할 필요가 있으며, 이를 위해 전술한 바와 같이, 외측 튜브(222)를 이용해서 내측 튜브(221)를 승온 및 가압하게 된다.
아울러 외측 튜브(222)에는 복수 개의 분할 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 각각의 분할 영역 별로 내측 튜브(221)를 승온 및 가압하는 정도를 달리함으로써 셰일 가스 생산 시의 상황을 더욱 정확하게 모사할 수 있게 된다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)에는 내부로부터 배출되는 액체 및 기체 상태의 유가스와 고체 상태의 이물질이 내측 튜브(221)로 이동하도록 내측 튜브(221)와 연통된 배출 파이프 부재(214)가 직접 연결되는 배출 포트(212)가 구비될 수 있다. 이와 같이 구성하면 배출되는 액체 및 기체 상태의 유가스와 고체 상태의 이물질이 배출 포트(212)를 통해 직접 배출 파이프 부재(214)로 배출되므로 배출 과정에서 발생할 수 있는 오차 발생을 최소화할 수 있게 되며, 지중 생산 조건에 따른 생산 부재(210) 및 전송 부재(220)의 상태를 더욱 정확하게 확인하여 정량화 할 수 있게 된다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 감지부(400)는 공급 파이프 부재(140)를 통해 공급되는 유가스의 온도와 압력을 감지하는 제1 온도 감지 부재(420)와 제1 압력 감지 부재(430), 및 배출 파이프 부재(214)를 통해 배출되는 유가스의 온도와 압력을 감지하는 제2 온도 감지 부재(440)와 제2 압력 감지 부재(450)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 구성하면 공급 포트(211)와 배출 포트(212) 상호 간의 차압(Differential Pressure)을 의미하는 상승 압력(ΔP)과 온도 차이(Differential Temperature)를 통해 생산 부재(210)의 동작 상태를 정확하게 확인할 수 있게 된다.
이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 외측 튜브(222)의 내부에는 내측 튜브(221)를 감싸면서 내측 튜브(221)를 승온 및 가압하는 작동 유체가 수용되고, 유가스 생산 모사부(200)에는 작동 유체를 승온 및 가압하기 위한 제2 승온 부재(230)와 제2 가압 부재(240)가 구비될 수 있다.
이러한 내측 튜브(221)를 승온하기 위한 작동 유체로는 비열이 큰 물을 사용할 수 있다. 이와 같이 물을 사용할 경우 비열이 크므로 세팅 초기에는 물의 온도를 셰일 가스가 매장된 지하 상황에 맞게 일정 온도까지 승온하는데 시간이 다소 소요될 수 있으나, 일단 물을 일정 온도까지 승온하게 되면 온도 변화 폭이 크지 않으므로 지하 상황에 맞게 유지하는 것이 용이해진다.
또한, 내측 튜브(221)를 가압하기 위한 작동 유체로는 질소를 사용할 수 있으며, 외측 튜브(222)의 내부에 수용되는 질소의 양을 조절하여 내측 튜브(221)의 가압 정도를 조절할 수 있게 된다.
이때, 제2 가압 부재(240)는 외측 튜브(222)의 내부에 작동 유체를 추가 공급해서 내측 튜브(221)를 가압하기 위한 인렛(241)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 승온 부재(230)를 이용해서 외측 튜브(222) 내부에 수용된 작동 유체의 승온 온도를 조절할 수 있으며, 인렛(241)을 이용해서 질소와 같은 유체가 추가 공급되는 정도를 조절해서 내측 튜브(221)가 가압되는 정도를 조절할 수 있게 된다. 이러한 제2 승온 부재(230)는 외측 튜브(222)를 감싸는 히터일 수 있다.
또한, 외측 튜브(222)에 복수 개의 분할 영역이 형성되는 경우 이러한 각각의 분할 영역에 대응되도록 제2 승온 부재(230)와 인렛(241)이 각각 구비될 수 있으며, 이를 통해 셰일 가스의 지하 매장 상황을 더욱 정확하게 모사할 수 있게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 감지부(400)는 내측 튜브(221)를 통해 이동하는 유가스의 온도와 압력을 감지하는 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)를 더 포함할 수 있다.
이러한 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)로서, FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 사용될 수 있다. 이러한 FBG 센서의 내부에는 광섬유 무늬가 형성되어 있으며, 내측 튜브(221)를 따라 이동하는 유가스와 이물질의 온도 압력에 의해 광섬유 무늬 사이의 간격 등이 달라지는 것을 감지하는 방식으로 온도와 압력을 감지할 수 있으며, 이러한 온도와 압력 신호를 모니터링부(300)에 전달하기 위해 광섬유 케이블을 사용할 수 있다.
이와 같이 내측 튜브(221)에 구비된 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)를 교체할 필요가 있거나, 다른 인자를 측정하기 위해 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)를 교체할 필요가 있는 경우 이와 같이 내측 튜브(221)에 구비된 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)를 분리하기 위해서는 다음과 같은 절차로 교체하는 것이 가능하다.
먼저, 외측 튜브(222)의 내부에 구비된 물과 질소와 같은 유체를 배출시켜야 하며, 이를 위한 별도의 아웃렛이 형성될 수 있다. 아웃렛을 통해 외측 튜브(222)의 내부에 구비된 유체가 배출되면 외측 튜브(222)를 고정하고 있는 플랜지의 볼트를 풀어서 외측 튜브(222)의 고정 상태를 해제하게 되면 외측 튜브(222)를 분리할 수 있게 된다. 이와 같이 외측 튜브(222)가 분리되면 내측 튜브(221)가 외부로 노출되므로 제3 온도 감지 부재(480)와 제3 압력 감지 부재(490)의 교체가 가능하게 되는 것이다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 감지부(400)는 생산 부재(210)에 구비된 구동 모터(213)의 진동을 감지하는 진동 감지 부재(460), 및 공급 포트(211)와 배출 포트(212)를 경유하는 유가스의 소리를 감지하는 음향 감지 부재(470)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 음향 감지 부재(470)는 내측 튜브(221)의 선단과 후단에 각각 더 구비되어 내측 튜브(221)를 경유하는 유가스의 소리를 감지하도록 구성될 수 있다.
이러한 음향 감지 부재(470)는 일 예로, AE(Acoustic Emission) 센서를 사용할 수 있다. 이러한 AE 센서는 유가스가 이동하면서 발생시키는 마이크로 단위의 음향을 감지하게 되며, 액체 상태의 제1 유체 이외에 기체 상태의 제2 유체와 고체 상태의 이물질의 비율이 달라지는 경우 발생하는 음향 패턴을 확인해서 다양한 지중 생산 조건에 따른 음향 변화를 정량화 할 수 있다.
즉, 진동 감지 부재(460)와 음향 감지 부재(470)를 통해 얻어지는 진동 및 음향 신호를 확인해서 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 상태를 더욱 정확하게 확인할 수 있게 된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 내측 튜브(221)에는 내측 튜브(221)를 통해 이동하는 유가스가 외부로 유출되도록 누설 테스트 부재(250)가 구비되고, 누설 테스트 부재(250)에는 내측 튜브(221)의 내부와 외부를 연통시키는 연통홀(251)이 구비될 수 있다.
이러한 연통홀(251)은 작업자가 직접 개폐할 수 있도록 구성될 수 있으며, 작업자가 연통홀(251)을 개방하는 경우 내측 튜브(221)를 따라 이동하는 액체 및 기체 상태의 유가스와 고체 상태의 이물질이 일부 누설됨에 따라 발생하는 신호를 통해 전송 부재(220)의 상태를 확인하고, 이를 정량화 할 수 있게 된다.
일 예로, 내측 튜브(221)를 관통하는 탭을 형성하고, 이러한 부분에 나사산이 형성된 누설 테스트 부재(250)를 나사 결합하는 방식으로 설치하는 것이 가능하며, 연통홀(251)의 직경이 다르게 형성된 누설 테스트 부재(250)를 이용하면 누설되는 다양한 상황을 모사할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 순환부를 도시한 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)를 통해 제1 유체와 제2 유체가 동시에 전송되는 경우 액체 상태의 제1 유체만 다시 상기 유가스 공급 모사부(100)로 회수하기 위한 순환부(500)를 더 포함할 수 있다.
즉, 생산 부재(210)와 전송 부재(220)의 테스트가 반복되는 과정에서 기체 상태의 제2 유체는 외부로 배출하더라도 액체 상태의 제1 유체는 순환부(500)를 통해 유가스 공급 모사부(100)로 회수될 수 있도록 구성하는 것이다.
이러한 순환부(500)는 내측 튜브(221)와 연통되어 제1 유체와 제2 유체가 동시에 이동하는 상부 순환 배관(510), 이러한 상부 순환 배관(510)과 연통되되, 제2 유체는 제거하고, 제1 유체만 분리하여 전송하는 버퍼 탱크(520), 및 버퍼 탱크(520)로부터 전송되는 제1 유체가 유가스 공급 모사부(100)로 회수되도록 버퍼 탱크(520)와 제1 유체 공급 부재(110)를 연통시키는 하부 순환 배관(530)을 포함할 수 있다.
상부 순환 배관(510)의 경우 내측 튜브(221)와 동일한 직경을 갖도록 형성됨으로써 직경 감소로 인해 불필요한 저항이 발생하게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
이와 같이 상부 순환 배관(510)을 통해 제1 유체와 제2 유체가 버퍼 탱크(520)로 전송된 후 기체 상태의 제2 유체는 제거하고, 액체 상태의 제1 유체만 하부 순환 배관(530)을 통해 유가스 공급 모사부(100)로 회수되도록 구성하는 것이다. 이때, 하부 순환 배관(530)을 통해 고체 상태의 이물질도 함께 이동하도록 구성할 수 있으나, 이러한 고체 상태의 이물질도 제거된 상태에서 액체 상태의 제1 유체만 회수되도록 구성하는 것도 가능하다.
이때, 버퍼 탱크(520)의 상부에는 상부 순환 배관(510)을 통해 전송된 제1 유체와 제2 유체 중에서 제2 유체를 외부로 배출하기 위한 가스 배출 부재(521)가 구비될 수 있다. 이러한 가스 배출 부재(521)가 상부에 구비되므로 기체와 같은 제2 유체는 비중이 작아서 가스 배출 부재(521)를 통해 제거되고, 액체와 같은 제1 유체는 비중이 커서 하부 순환 배관(530)을 통해 회수되는 것이다.
이때, 하부 순환 배관(530)의 직경(d2)은 상부 순환 배관(510)의 직경(d1)보다 상대적으로 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 버퍼 탱크(520) 내부에 수용된 제1 유체가 버퍼 탱크(520)에 머무르지 않고, 바로 내려갈 수 있도록 하기 위함이며, 이와 같이 구성할 경우 버퍼 탱크(520)에서 유체가 넘치는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기한 생산 부재(210)의 기본 동작 조건을 설정하는 단계(S110)는 제1 유체 공급 부재(110)를 통해 액체 상태의 제1 유체만 공급하는 상태에서 공급 포트(211)를 통과하는 유가스의 공급 압력(PE1)과 배출 포트(212)를 통과하는 유가스의 배출 압력(PE2)의 차이인 상승 압력(ΔP)을 통해 생산 부재(210)의 기본 동작 조건을 설정하는 단계(S111)를 포함할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)의 기본 동작 조건을 설정하는 단계(S110)는 생산 부재(210)에 공급되는 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인해서 생산 부재(210)에 공급될 수 있는 제1 유체의 최대 유량과, 상승 압력(ΔP)의 최대값을 생산 부재(210)의 기본 동작 조건으로 설정하는 단계(S112)를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 생산 부재(210)가 고정된 RPM 조건으로 동작하는 상태에서 제1 유체로서, 물을 공급할 수 있다. 제1 유체의 공급 유량은 쵸크 밸브의 개도(opening)가 1%/min 씩 증가하도록 조절할 수 있다. 상승 압력(ΔP)이 음수(0 이하)인 경우 시험을 종료하게 된다. 즉, 생산 부재(210)에 단상(single phase) 유체인 제1 유체가 공급되고, 생산 부재(210)의 RPM은 45 Hz, 온도는 25 ℃, 공급 압력(PE1)은 10 bar(약 150 psi)로 고정한 상태에서 생산 부재(210)의 배출 압력(PE2) 및 상승 압력의 경향을 확인하는 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하되, 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 10은 본 발명에 따른 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하되, 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력의 경향을 통해 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 11은 본 발명에 따른 생산 부재의 최대 유량에 대한 제1 유체의 비율(qld)에 따른 상승 압력의 경향을 도시한 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)는, 제1 유체 공급 부재(110)와 제2 유체 공급 부재(120)를 통해 액체 상태의 제1 유체와 기체 상태의 제2 유체를 동시에 공급하되, 제2 유체의 공급 유량은 제1 기체 유량으로 일정하게 고정하고, 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계(S120)를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하고, 상승 압력(ΔP)이 증가하다가 감소하게 되는 제1-1 변곡점(SP1-1)을 통해 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S410)를 포함할 수 있다.
일 예로, 생산 부재(210)가 고정된 RPM 조건으로 동작하는 상태에서 제1 유체로서, 물을 공급하고, 제2 유체로서, 질소를 공급할 수 있다. 가스 체적률(λ, gas volume fraction, GVF, 공급되는 전체 유체 유량에 대한 가스 유량의 비율)이 70 % 이상인 경우 시험을 종료할 수 있다. 가스 유량을 48 L/min까지 단계적으로 변화시키면서 시험을 반복 수행하게 된다. 즉, 생산 부재(210)에 이상(two phase) 유체인 물과 질소가 공급되고, 생산 부재(210)의 RPM은 45 Hz, 온도는 25 ℃, 공급 압력(PE1)은 10 bar(약 150 psi)로 고정한 상태에서 생산 부재(210)의 배출 압력(PE2) 및 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하는 것이다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)에 단상 유체가 공급되는 상황에서 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 보면 제1 성능 곡선(a)을 도출할 수 있다. 즉, 이러한 제1 성능 곡선(a)은 생산 부재(210)를 통해 얻을 수 있는 최대효율성능을 의미하며, 지중 생산 조건과 장애 요소가 반영된 상태에서는 생산 부재(210)의 성능이 다소 저하되므로 제1 성능 곡선(a)보다 낮은 영역에서 동작하게 된다. 또한, 생산 부재(210)에 이상 유체가 공급되되, 제2 유체의 공급 유량이 24 L/min으로 고정된 상태에서 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 보면 제2 성능 곡선(b)을 도출할 수 있고, 이러한 제2 성능 곡선(b)을 통해 상승 압력(ΔP)이 증가하다가 감소하게 되는 변곡점을 확인할 수 있으며, 이러한 변곡점을 확인함으로써 생산 부재(210)의 상승 압력(ΔP)이 감소하는 써징 포인트(surging point)를 확인할 수 있고, 생산 부재(210)의 상승 압력(ΔP)이 써징 포인트보다 낮아지지 않는 영역에서 동작할 수 있는 안정적인 동작 조건을 산출할 수 있게 된다. 즉, 제2 성능 곡선(b)의 하부 영역은 써징 포인트보다 상승 압력(ΔP)이 낮은 불안정 영역(unstable)이므로 생산 부재(210)가 제2 성능 곡선(b)보다 높은 영역에서 동작하도록 운전하되, 지중 생산 조건과 장애 요소가 반영된 상태에서는 제1 성능 곡선(a)보다는 낮은 영역에서 동작할 수 밖에 없으므로 제1 성능 곡선(a)과 제2 성능 곡선(b) 사이의 영역을 안정 영역(stable)으로 정하고, 이러한 범위에서 생산 부재(210)가 동작하도록 운전하는 것이다. 일 예로, 생산 부재(210)가 동작하는 과정에서 생산 부재(210)의 공급 포트(211)로 공급되는 유가스의 양을 조절하기 위해 열림 정도를 조절할 수 있는 초크 밸브가 구비될 수 있으며, 이러한 초크 밸브의 열림 정도를 조절함으로써 현재의 상승 압력(ΔP) 기준으로 공급되는 유가스의 양을 조절하여 생산 부재(210)가 안정 영역에서 동작하는 안정 동작 조건을 산출할 수 있게 된다.
이때, 이러한 변곡점은 제2 유체의 공급 유량이 6 L/min으로 고정된 상태에서 도출되는 변곡점인 제1-1 변곡점(SP1-1)과, 제2 유체의 공급 유량이 12 L/min으로 고정된 상태에서 도출되는 변곡점인 제1-2 변곡점(SP1-2)과, 제2 유체의 공급 유량이 24 L/min으로 고정된 상태에서 도출되는 변곡점인 제1-3 변곡점(SP1-3)과, 제2 유체의 공급 유량이 48 L/min으로 고정된 상태에서 도출되는 변곡점인 제1-4 변곡점(SP1-4)을 포함할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)는, 제2 유체의 공급 유량을 상기한 제1 기체 유량보다 큰 제2 기체 유량으로 증가시킨 상태에서 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제2 유체의 공급 유량이 제2 기체 유량인 상태에서 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하고, 상승 압력(ΔP)이 증가하다가 감소하게 되는 제1-2 변곡점(SP1-2)을 통해 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S420)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 시험할 경우 도 11에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 보면 상승 압력(ΔP)이 증가하다가 감소하게 되는 변곡점을 확인할 수 있으며, 이러한 변곡점을 확인함으로써 생산 부재(210)의 상승 압력(ΔP)이 감소하지 않도록 안정적으로 동작할 수 있는 조건을 산출할 수 있게 된다.
이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제1-1 변곡점(SP1-1)과 제1-2 변곡점(SP1-2)을 통해 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인해서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S430)를 더 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1-1 변곡점(SP1-1)과 제1-2 변곡점(SP1-2)을 연결하는 연결선을 도출하고, 이러한 연결선보다 높은 영역인 안정 영역에서 생산 부재(210)가 동작하도록 함으로써 상승 압력(ΔP)이 감소하지 않는 안정적인 동작 조건을 산출할 수 있게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하되, 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 13은 본 발명에 따른 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하되, 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력의 경향을 통해 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 14는 본 발명에 따른 생산 부재에 공급되는 제2 유체의 가스 체적률(λ)에 따른 상승 압력의 경향을 도시한 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)는, 제1 유체 공급 부재(110)와 제2 유체 공급 부재(120)를 통해 액체 상태의 제1 유체와 기체 상태의 제2 유체를 동시에 공급하되, 제1 유체의 공급 유량은 제1 액체 유량으로 일정하게 고정하고, 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우 도 13에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하고, 상승 압력(ΔP)이 급격히 감소하게 되는 제2-1 변곡점(SP2-1)을 통해 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S440)를 포함할 수 있다.
일 예로, 생산 부재(210)가 고정된 RPM 조건으로 동작하는 상태에서 제1 유체로서, 물을 공급하고, 제2 유체로서, 질소를 공급할 수 있다. 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)을 0.5로 고정한 상태에서 제2 유체의 공급 유량을 증가시킴으로써 가스 체적률(λ, GVF)을 5 %부터 15 %까지 변화시키면서 시험을 수행한다. 이때, 상승 압력(ΔP)이 음수이면 시험을 종료한다. 이후 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)을 0.6으로 증가시켜서 상기한 시험을 다시 수행하고, 이러한 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)을 0.9까지 단계적으로 변화시키면서 시험을 수행한다. 즉, 생산 부재(210)에 이상(two phase) 유체인 물과 질소가 공급되고, 생산 부재(210)의 RPM은 45 Hz, 온도는 25 ℃, 공급 압력(PE1)은 10 bar(약 150 psi)로 고정한 상태에서 생산 부재(210)의 배출 압력(PE2) 및 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하는 것이다.
한편, 도 14에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)이 0.5로 고정된 상태에서 가스 체적률(λ, GVF)이 5 %부터 15 %까지 변화되도록 제2 유체의 공급 유량을 증가시킬 경우 상승 압력(ΔP)이 감소하되, 제2-1 변곡점(SP2-1)을 기준으로 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 유체의 유량이 고정된 상태에서 제2 유체의 공급 유량이 증가할수록 상승 압력(ΔP)이 감소하되, 제2 유체의 공급 유량이 제2-1 변곡점(SP2-1)을 넘어서면 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하므로 이러한 제2-1 변곡점(SP2-1)을 넘어서지 않는 영역을 안정 영역(stable)으로 정하고, 이러한 범위에서 생산 부재(210)가 동작하도록 운전하는 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 생산 부재(210)가 동작하는 과정에서 생산 부재(210)의 공급 포트(211)로 공급되는 유가스의 양을 조절하기 위해 열림 정도를 조절할 수 있는 초크 밸브가 구비될 수 있으며, 이러한 초크 밸브의 열림 정도를 조절함으로써 현재의 상승 압력(ΔP) 기준으로 공급되는 유가스의 양을 조절하여 생산 부재(210)가 안정 영역에서 동작하는 안정 동작 조건을 산출할 수 있게 된다. 이때, 제2-2 변곡점(SP2-2)은 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)이 0.6인 상태에서 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하는 변곡점이고, 제2-3 변곡점(SP2-3)은 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)이 0.7인 상태에서 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하는 변곡점이며, 제2-4 변곡점(SP2-4)은 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)이 0.8인 상태에서 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하는 변곡점이다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계(S100)는, 제1 유체의 공급 유량을 상기한 제1 액체 유량보다 큰 제2 액체 유량으로 증가시킨 상태에서 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우 도 13에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제1 유체의 공급 유량이 제2 액체 유량인 상태에서 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인하고, 상승 압력(ΔP)이 급격히 감소하게 되는 제2-2 변곡점(SP2-2)을 통해 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S450)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 시험할 경우 도 14에 도시된 바와 같이, 생산 부재(210)의 최대 유량(qmax)에 대한 제1 유체의 비율(qld, ql/qmax)이 0.6로 고정된 상태에서 가스 체적률(λ, GVF)이 5 %부터 15 %까지 변화되도록 제2 유체의 공급 유량을 증가시킬 경우 상승 압력(ΔP)이 감소하되, 제2-2 변곡점(SP2-2)을 기준으로 상승 압력(ΔP)이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 13에 도시된 바와 같이, 유가스 생산 모사부(200)의 상태를 확인하면서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S400)는, 제2-1 변곡점(SP2-1)과 제2-2 변곡점(SP2-2)을 통해 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상승 압력(ΔP)의 경향을 확인해서 생산 부재(210)의 안정 동작 조건을 산출하는 단계(S460)를 더 포함할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제2-1 변곡점(SP2-1)과 제2-2 변곡점(SP2-2)을 연결하는 연결선을 도출하고, 이러한 연결선을 넘어서지 않는 영역을 안정 영역(stable)으로 정하고, 생산 부재(210)가 안정 영역에서 동작하도록 동작 조건을 산출할 수 있게 된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 의하면 실제 생산 현장과 동일하게 액체 상태 및 기체 상태의 유체와 고체 상태의 이물질이 생산 부재(210)로 공급된 후 전송 부재(220)를 통해 이동하는 과정에서 발생할 수 있는 성능저하 영향인자를 정확하게 도출할 수 있고, 이를 반영하여 생산성 향상을 위한 메커니즘 도출이 가능하게 된다.
또한, 모래와 같은 고체 상태의 이물질로 인해 생산 부재(210)가 손상될 때의 신호를 확인하고, 실제 생산 현장에서 확인되는 신호의 유사성을 비교하여 생산 부재(210)의 고장 및 교체 시기를 예측함으로써 유가스 생산 현장과 같은 높은 단가에서의 시간 손실 및 비용 손실을 최소화하여 운영의 극대화를 도모할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 유가스 공급 모사부 110 : 제1 유체 공급 부재
120 : 제2 유체 공급 부재 130 : 이물질 공급 부재
131 : 이물질 탱크 140 : 공급 파이프 부재
150 : 제1 승온 부재 160 : 제1 가압 부재
200 : 유가스 생산 모사부 210 : 생산 부재
211 : 공급 포트 212 : 배출 포트
213 : 구동 모터 214 : 배출 파이프 부재
220 : 전송 부재 221 : 내측 튜브
222 : 외측 튜브 230 : 제2 승온 부재
240 : 제2 가압 부재 241 : 인렛
250 : 누설 테스트 부재 251 : 연통홀
300 : 모니터링부 400 : 감지부
410 : 유량 감지 부재 420 : 제1 온도 감지 부재
430 : 제1 압력 감지 부재 440 : 제2 온도 감지 부재
450 : 제2 압력 감지 부재 460 : 진동 감지 부재
470 : 음향 감지 부재 480 : 제3 온도 감지 부재
490 : 제3 압력 감지 부재 500 : 순환부
510 : 상부 순환 배관 520 : 버퍼 탱크
521 : 가스 배출 부재 530 : 하부 순환 배관
a : 제1 성능 곡선 b : 제2 성능 곡선
d1 : 상부 순환 배관의 직경 d2 : 하부 순환 배관의 직경
PE1 : 공급 압력 PE2 : 배출 압력
SP1-1 : 제1-1 변곡점 SP1-2 : 제1-2 변곡점
SP1-3 : 제1-3 변곡점 SP1-4 : 제1-4 변곡점
SP2-1 : 제2-1 변곡점 SP2-2 : 제2-2 변곡점
SP2-3 : 제2-3 변곡점 SP2-4 : 제2-4 변곡점
ΔP : 상승 압력

Claims (14)

  1. 유가스 공급 상태를 모사하는 유가스 공급 모사부와, 상기 유가스 공급 모사부를 통해 공급되는 유가스를 생산하는 생산 부재 및 생산된 상기 유가스를 전송하는 전송 부재가 구비된 유가스 생산 모사부와, 유가스 생산 시 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 감지하는 감지부와, 상기 감지부로부터 전송되는 신호를 이용해서 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하는 모니터링부를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법에 있어서,
    지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계;
    상기 유가스 공급 모사부와 상기 유가스 생산 모사부를 동작시키는 단계;
    상기 모니터링부를 통해 상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하는 단계; 및
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계;
    를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유가스 공급 모사부에는 액체 상태의 제1 유체를 공급하는 제1 유체 공급 부재와, 기체 상태의 제2 유체를 공급하는 제2 유체 공급 부재, 및 고체 상태의 이물질을 공급하는 이물질 공급 부재가 구비되고,
    상기 생산 부재는 상기 유가스 공급 모사부를 통해 공급되는 상기 제1 유체, 상기 제2 유체, 및 상기 이물질이 포함된 상기 유가스를 생산하되,
    상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는,
    상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 먼저 설정하는 단계를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유가스 공급 모사부에는 상기 유가스가 흐르는 공급 파이프 부재가 구비되고,
    상기 생산 부재에는 상기 공급 파이프 부재를 통해 공급되는 상기 유가스가 내부로 직접 공급되도록 상기 공급 파이프 부재가 직접 연결되는 공급 포트와, 가압된 상기 유가스가 배출되도록 배출 파이프 부재와 직접 연결되는 배출 포트가 구비되며,
    상기 전송 부재에는 상기 배출 파이프 부재와 연통되어 상기 유가스가 이동하는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브의 외부에 구비되어 상기 내측 튜브를 승온 및 가압하는 외측 튜브가 구비되되,
    상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계는,
    상기 제1 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체만 공급하는 상태에서 상기 공급 포트를 통과하는 상기 유가스의 공급 압력과 상기 배출 포트를 통과하는 상기 유가스의 배출 압력의 차이인 상승 압력을 통해 상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생산 부재의 기본 동작 조건을 설정하는 단계는,
    상기 생산 부재에 공급되는 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재에 공급될 수 있는 상기 제1 유체의 최대 유량과, 상기 상승 압력의 최대값을 상기 생산 부재의 기본 동작 조건으로 설정하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는,
    상기 제1 유체 공급 부재와 상기 제2 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체와 기체 상태의 상기 제2 유체를 동시에 공급하되, 상기 제2 유체의 공급 유량은 제1 기체 유량으로 일정하게 고정하고, 상기 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 증가하다가 감소하게 되는 제1-1 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는,
    상기 제2 유체의 공급 유량을 상기 제1 기체 유량보다 큰 제2 기체 유량으로 증가시킨 상태에서 상기 제1 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제2 유체의 공급 유량이 상기 제2 기체 유량인 상태에서 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 증가하다가 감소하게 되는 제1-2 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제1-1 변곡점과 상기 제1-2 변곡점을 통해 상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는,
    상기 제1 유체 공급 부재와 상기 제2 유체 공급 부재를 통해 액체 상태의 상기 제1 유체와 기체 상태의 상기 제2 유체를 동시에 공급하되, 상기 제1 유체의 공급 유량은 제1 액체 유량으로 일정하게 고정하고, 상기 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 급격히 감소하게 되는 제2-1 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  12. 제11에 있어서,
    상기 지중 생산 조건 및 장애 요소가 반영되도록 시험 조건을 설정하는 단계는,
    상기 제1 유체의 공급 유량을 상기 제1 액체 유량보다 큰 제2 액체 유량으로 증가시킨 상태에서 상기 제2 유체의 공급 유량이 점차 증가하도록 시험 조건을 설정하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제1 유체의 공급 유량이 상기 제2 액체 유량인 상태에서 상기 제2 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인하고, 상기 상승 압력이 급격히 감소하게 되는 제2-2 변곡점을 통해 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유가스 생산 모사부의 상태를 확인하면서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계는,
    상기 제2-1 변곡점과 상기 제2-2 변곡점을 통해 상기 제1 유체의 공급 유량 증가에 따른 상기 상승 압력의 경향을 확인해서 상기 생산 부재의 안정 동작 조건을 산출하는 단계를 더 포함하는 ESP 및 튜빙 모니터링 시스템의 시험 방법.
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