자동화를 통한 셰일정 운영의 극대화

자동화를 통한 셰일정 운영의 극대화

Bob Sherven, Shell International Exploration & Production Inc.
David Mudry, Vinson Process Controls
Al Majek, Emerson

 

자동화 기술은 오일 및 가스 부문에서 정(井)의 생산 실적 향상을 목적으로 다년간 사용되어 왔으며, 이 기술은 발전을 거듭하여 운영과 생산에 지속적인 혜택을 부가하고 있다.
북미 지역 셰일 가스 매장지의 대규모 시추 프로그램은 다수의 자분정(自噴井, free-flowing well)을 생성하였으며, 이와 같이 수많은 현장에서 최적의 성과를 유지하는 것은 모든 생산 업체들에게 상당한 난제로 작용하고 있다.

제어 시스템
미국 Louisiana 주 북부에 위치한 Haynesville 셰일 매장지에서, Shell International Exploration & Production Inc. 사는 세일 정 수명 주기의 자분 단계를 제어하는데 성공했다. 각 정은 [그림 -1]과 같은 제어 시스템을 갖추고 있으며, 각 정의 가스 흐름은 단일한 자동 초크 밸브(choke valve)로 조작된다.
이러한 제어 확보를 위해서, DP(delta pressure: 델타 압력), 배급선 관로의 오리피스 배관(orifice run: 선택 파이프로 구성된 차압 생산 배치) 내 유동률, 분리기로 연결된 송류관의 정압 및 온도 등을 대상으로 측정이 수행된다.
필요한 제어 수준의 획득을 위해서는 몇 가지 요구사항의 충족이 필수적이었다. 전자 플랫폼은 반드시 맞춤 제작된 PID 제어 루프와 코드화 된 알고리즘을 포함해야만 했고, 미국 가스 협회(American Gas Association) 지정 방식 유량 계산 수행 및 기존의 SCADA(감시 제어 데이터 수집 시스템)와의 통신 역시 필수적이었다. 본 플랫폼은 해당 지역의 전력 부족을 감안해 열악한 환경에도 충분한 견고성을 갖춰야 했으며, 태양광 시스템 상으로 작동하는 것도 요구되었다(그림 - 2 참조).

상기 여러 요구사항을 고려한 Shell은 에머슨 원격 운영 컨트롤러(Remote Operations Controller:ROC) 800 시리즈 장비를 선택했다. 더불어, Vinson Process Controls 사의 소프트웨어 제품인 Production Manager를 통해 사용자 인터페이스를 제공하여, 운영자가 시스템에 접속하고 수정할 수 있도록 했다.
본 시스템의 중점(그림 - 3 참조)은 운영자 지정 설정 값을 토대로 셰일정에서 배급선 관로까지의 안정적인 흐름을 유지하는 것이다. 운영 조건에 따라, 다수의 오버라이드(override)가 개입되기도 한다.

 

가스 유량 증가
하나의 정에서 처음으로, 지속적이며 신속하고 용이한 방식으로 최소의 가스 유량 획득이 시작될 때 자동 시동 시퀀스를 사용할 수 있다. 또한 이 정의 가동이 시작된 후에, 운영자는 점진적으로 해당 유량을 원하는 비율로 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 시동 시퀀스는 천연 가스의 초기 유량 조건을 2 MMscfd(Millions of standard cubic feet per day: 일간 백만 입방 피트)으로 설정할 수 있다. 만일 운영자가 8시간 기준으로 10 MMscfd에 도달하려면 원하는 최종 유량 및 지속 시간을 입력하면 된다. 밸브 설정값은 10 MMscfd가 될 때까지 자동으로 시간당 1 MMscfd/hr ((10-2 MMscfd)/8 hr)씩을 증분하게 된다. 유량 감소를 위해 설정 값이 재입력되면 즉각적으로 반응하고 이는 증가함수에는 적용되지 않는다.

 

액체 적재
슬러그 유동(Slug flow)이 있는 경우, 셰일정의 액체 적재와 이에 따른 후발 적재 제거가 반드시 해결되어야만 한다. 해당 정에서 수분이 생성되면, 배급선 관로 내 가스 유량은 감소하게 된다. 시스템의 일차 유량 제어 프로그래밍은 이러한 변화에 대응하여, 초크 밸브를 개방한다.
셰일정에서 적재 제거가(수분 감소) 시행되면, 가스 유량은 신속하게 증가한다. 이에 따라, 일차 유량 제어 프로그래밍은 초크 밸브를 잠그기 시작하지만 이 반응 시간은 상당히 저속일 가능성이 많다. 생산 적정 수준을 빠르게 복귀 시키고, 배급선 관로 내 고압으로 인해 셰일정 가동이 중단되는 것을 막는 것만이 최선이라 할 수 있다.
이의 달성을 위해, 오리피스 배관의 DP가 모니터링 된다. DP 오버라이드는 신속하게 반응하도록 조정이 가능하므로, 셰일정의 정상 유량 제어를 빠르게 회복할 수 있다.
수분 생성과 연관된 또 다른 문제는, 셰일정의 유량이 임계 유속을 초과하도록 보장하는 것이다. Turner & Coleman 방정식으로 결정되는 임계 유속은, 셰일정에서 액체 제거에 요구되는 최소 유속을 의미한다. 임계 유속 이하의 유량은 셰일정에 수분이 고이게 하여, 결과적으로는 생산에 차질을 빚게 한다. 이 경우 유량 값은 수동으로 입력하거나, 배관 ID, 실시간 배관, 송류관 압력 값을 사용하는 ROC로 자동 계산될 수 있다.
ROC 내 프로그래밍은 일차 유량 제어와 임계 유속 설정 값 중 더 큰 값을 선택하게 된다. 이러한 방식을 통해, 유량은 임계 유속에 도달할 때까지 운영자가 지정한 설정 값으로 유지될 수 있다. 이후, 제어 시스템은 액체 추출을 지속하기에 충분한 속도로 유량을 유지하도록 작동된다.

 

과도한 유량 조건
Haynesville 셰일정은 수직 깊이가 13,000 피트까지 달하여, 갱저압은 325° F의 온도를 전후로 10,000 psig에 이르게 된다. 일반적 배급선 관로에서의 최대 허용 온도는 140° F이며, 가스 엔진 구동 냉각기(그림4 참조)는 이의 표면 온도를 감소시킬 수 있다.
고온 생산의 경향으로 인한 셰일정의 가동 중지를 방지하기 위해서는, 고온 오버라이드 PID 루프를 사용해 해당 설정 값을 빠르게 감소시킬 수 있다. 열교환기를 통한 유량 감소 역시 수용 수준으로 평균 온도를 유지하는데 도움이 된다.
셰일정 외에도 문제는 존재할 수 있다. 다운스트림(downstream) 가스 처리 시설의 경우 관로 내 역류 문제가 때때로 발생한다. PID 루프는 유량을 줄이고, 고압 서지(surge)를 예방할 수 있다. 유량이나 서지 문제 시 PID 루프를 필요에 따라 조정하여, 유량을 적정 속도로 조절하는 것이다. 또한, 이 반응 시간은 일차 유량 제어 루프 설정과 비교해 현저하게 빠르다.
[그림 - 5]는 고압에 대한 반응을 나타내고 있다. 압력이 1,250 psig까지 치솟아 갑작스런 유량 감소가 초래될 시, 해당 정의 유량은 대략 10 MMscfd로 흐른다. 이 유량은 종국적으로 운영자가 결정한 새로운 압력 제어점과 더불어 일차 유량 설정 값과 근접한 값으로 재정착된다.

아래는, 셰일정 유량에 영향을 미치는 네 가지 요소이다.
- 배급선 계기에서 검출되는 높은 DP
- 수분 생성, 일차 유량 설정 값의 임계 유속 반영이 필요함
- 분리기의 고온, 배급선 관로의 허용 가능 온도 범위에 포함되도록 온도 저하가 필요함
- 분리기의 고압, 높은 압력으로 인한 가동 중단을 방지하도록 유량 감소가 필요함
상기 네 가지 조건 중 어느 것도 위반하지 않으면서 셰일정의 제어 유지를 보장하기 위해서, ROC 프로그램은 접근법 선택을 통해 유량 문제를 해결하고 자동 초크 밸브를 제어한다.
부가적으로, 현장 스위치와 원격 SCADA 명령 역시 비상 정지(ESD) 모드를 시작하여, 여타 프로그램 된 지침들을 오버라이드 하고 초크 밸브를 즉각적으로 잠금으로써, 안전한 운영을 지원한다.

 

경제적 이점
셰일 시추의 활성화로 오일 산출 지역 인력 고용의 필요성은 대단히 부각되었다. 숙련된 인력이 고용/계약되거나, 다른 직원들이 훈련을 마칠 때까지 때때로 작업은 지연되곤 하는데, 해당 생산 지역으로의 차량 및 인력 유입을 통해, 지역 인프라 역시 강조되게 된다.
결과적으로 유발된 교통 문제는 운전 시간의 단축을 강력히 필요로 했다. 이 경우, 도로에서 소요되는 시간 감소와 훈련된 인력의 작업 시간 활용 증가에 있어 제어 시스템이 제 몫을 발휘한다.
제어 시스템의 장점은 다음과 같다.
- 고온 혹은 고압의 단기 조건에 의한 셰일정 가동 중지를 수반할 수 있는, 셰일정 재가동 작업 제거
- 신속하고 안전한 방식으로 인력의 셰일정 가동 시작 도모
- 적정 유량 달성을 위해, 셰일정 현장에서 필요한 방대한 작업 수행 시간 제거
또 다른 이점으로는 생산 지연의 방지를 거론할 수 있다. 가스 생산부터 관로까지 이동하는 부분에서, 모든 유형의 다운스트림에는 유량 감소 혹은 셰일정 가동 중지 문제가 발생할 수 있다. 이 때, 자동 시스템은 원격으로 설정 값을 수정하고, 셰일정 운영을 신속히 정상화 시킬 수 있다.

 

저자 소개

Bob Sherven은 Shell International Exploration & Production Inc. 사 소속 제어/자동화 엔지니어이다. 계장 및 제어 시스템 분야에서 25년 이상의 산업 경험을 쌓아온, Sherven은 미국 내 온쇼어 가스 자산을 지원하는 제어/자동화 기술 자문으로 활약하고 있다. 또한, University of California, Davis에서 화공학 학사를 취득했고, 캘리포니아 주에 등록된 전문 기술사 자격증을 보유하고 있다.

David Mudry는 미국 달라스 소재 Vinson Process Controls의속 애플리케이션 전문가로, 20년 이상의 제품 개발 경험을 보유하고 있다. 그는 Production Manager의 설계자이자 개발자로, 본 소프트웨어는 유정 최적화와 제품 측정 증진에 특별한 목적을 둔 에머슨 ROC 및 FloBoss 제품 라인을 위해 설계된 애플리케이션이다. 학력으로는 Odessa College에서 전기 기술 AAS를 취득했다.

Al Majek는 에머슨 원격 자동화 솔루션 사업부 소속 오일 & 가스 제품 부문 기술 책임자로, 오일 및 가스 산업의 자동화 설계, 제조, 배치에 있어 30년 이상의 경험을 갖추고 있다. 그는 Rice University에서 기술 공학 학사를 취득하였으며, 공인 프로젝트 관리 전문가 자격인 Six Sigma Green Belt 및 텍사스 주에 등록된 전문 기술사 자격증도 보유하고 있다.
자료제공: 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 자동화를 통한 셰일정 운영의 극대화