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과제기본정보

시추용 육상 드릴링 시스템의 방향제어 추진체 및 이수순환기술 개발6년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 플랜트연구사업 과제번호 22IFIP-C133609-06
국가과학표준분류 1순위 에너지 자원 | 자원탐사 개발 활용 | 석유 가스 개발 적용분야 에너지
2순위 기계 | 에너지 환경기계시스템 | 에너지 환경 제어설비 실용화대상여부 실용화
3순위 정보 통신 | 소프트웨어 | 임베디드 S W 과제유형 개발
과제명 시추용 육상 드릴링 시스템의 방향제어 추진체 및 이수순환기술 개발
주관연구기관 (재단)한국지질자원연구원
총괄연구 책임자 성명 김영주
소속 (재단)한국지질자원연구원 직위 실장
전화번호 042-868-3244 FAX 042-868-3140
총 연구기간 2017-06-15 ~ 2023-06-14
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
6차년도 4,304,000,000 89,830,000 785,970,000 875,800,000 5,179,800,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 본 사업에서 방향성 드릴링(directional drilling)은 지하의 목표 지점까지 의도하는 수직 또는 수평 궤적(경로)을 3차원적으로 변경하여 천공하는 기술로 정의함
- 핵심기능: 드릴링 시스템에 방향제어장비를 탑재하여 수직, 수평, 경사 방향 제어가능
- 목적기능: ①지질·지반의 특성 파악, ②지하에 매장되어 있는 원유 및 가스의 부존 특성 평가하거나 생산을 위한 유정 개발 등
○ (세부 1과제) 방향제어 시스템은 지하 목표 지점까지 드릴링 방향을 의도하는 방향으로 3차원적으로 변경하여 천공할 수 있도록 드릴의 경로를 변경하고 이를 제어하는 기술
○ (세부 2과제) 지하 천공으로 인해 드릴공 내에 발생하는 마찰(드릴 파이프 등) 최소화, 파쇄물 배출, 압력제어, 공벽유지 등을 위해서 드릴공 내의 이수 순환특성을 모니터링·예측하고, 이에 적합한 이수공급을 연속적으로 실시간 제어하여 천공 경로의 안정성을 확보하는 기술
받고 있는 나노기반의 이차원 물질 MoS2 혹은 WS2를 이수의 첨가제로 활용하여 열전도도가 우수하고 lubricant 특성이 있는 이수 물질을 개발하고자 함.
○ (세부3과제) 이수 순환특성 예측결과에 대응한 실시간 이수혼합, 순환 후에 배출된 혼합물(이수, 파쇄물, 가스 등)의 분리·회수 기술
○ (통합 실증 및 운영 기술 개요) 파일럿 실증 (2 km 급)을 위해 국내 보유 리그(수직형)에 개발기술 접목을 통한 파일럿 현장 실증 기술
최종목표 ○ 유·가스 상류부문 건설장비·기자재 및 서비스 시장진출을 위해 드릴링 시스템 방향제어 및 이수 연속순환 기술 개발
- 방향각 전환율 15°/30 m 급 드릴링 추진체 및 제어기술
- 왕복경로 4 km 급(수직 1km+경사 1km) 이수특성 예측 및 연속순환시스템 기술
- 이수 혼합유량 100 m3/h 급 혼합 및 처리 기술

○ (세부 1과제) 드릴링 시스템의 추진체 및 방향제어기술 개발
- 굴진율(ROP) 10 m/h, 수평 시추 1 km
○ (세부 2과제) 이수 순환특성 예측 및 연속순환시스템 기술 개발
- 이수 순환 압력 35 MPa, 이수 공급 유량 100 m3/h
○ (세부3과제) 육상 특화형 이수 혼합·처리시스템 개발
- Gas 제거 99% 이상, 입자 제거율 74 μm 이상
연구내용 및 범위 <1세부>
○ Hybrid 방향추진시스템 MWD 개발, 방향성 추진시스템 설계, 평가 기술 지원
- 위치파악 및 통신기술 Integration 제품 제작
- MWD 성능시험
- 성능 테스트 방법 정립
- 시제품 테스트 방안 검토 및 실행 방안 도출

○ 현장실증을 위한 최적 시추위치 선정 및 시추궤도 설계
- 방향성 시추 상세 설계, 운영관리 및 모니터링
- 시추안정성을 고려한 방향성 시추 기본설계

○ Hybrid 방향 추진시스템 Integration 기술 및 건전성 평가
- 방향성 추진시스템 통합 신뢰도 검증
- 방향성 추진시스템 통합 Integration 안정성 검증

○ Hybrid 방향 추진시스템 모듈 최적설계 연구
- Hybrid 방향 추진 시스템 모듈 최적설계
- Hybrid 방향 추진 시스템 Assembly 해석

○ 방향성 추진체 고성능 소재 이용 기술 개발
- 머드모터 및 MWD Integration 요소 부품의 물성 평가
- 머드모터 및 MWD Integration 성능 테스트 후 열화 평가

○ Hybrid 방향성 추진체 제어 및 시뮬레이션 평가 연구
- 위치제어 시뮬레이터 개발
- 위치파악 통신 시뮬레이터 개발

<2세부>
○ 이수 순환 시스템 파일럿 플랜트 Flow line 구축
- 이수 순환 시스템 파일럿 플랜트 Flow line 구축
- 방향성 추진체/이수 순환 시스템 Intergration 제작 상세안 도출
- 이수 순환 시스템 다상 유동 해석
- 이수 순환 시스템 통합 신뢰도 검증 및 HAZOP 연구

○ 시제춤 제작 기술 지원 및 공정/자산 관리 시스템 구축 지원
- 시제품 제작 기술 지원
- 공정 및 자산관리 시스템 DB 개발 및 구축 지원

○ 이수 순환 및 재처리 H/W제어 및 통합운영시스템 개발
- 이수 순환 및 재처리 제어 H/W제작 및 상세 설계
- 이수 순환 및 재처리 시스템 PLC 단위 모듈 프로그램 개발
- 이수 순환 및 재처리 시스템 단위 운영 모듈 프로그램 개발

○ 연속 이수 순환 시스템(CCS) 파일럿 제작 및 실험
- 연속 이수 순환 시스템(CCS) MAIN BODY 가공 설계, 제작
- RAM, RAM BODY, SNUBBING DEVICE, ROTARY SLIP 유압 설계 및 해석
- CCS(연속 이수 순환 시스템) 파일럿 제작(RAM 및 SNBBING DEVICE) 및 기능 검증
- 연속 이수 순환 시스템(CCS) PILOT 제어 시스템 제작

○ 이수 순환 유동 및 이수 유동 내 암편거동 정량화
- 이수 순환 유동 정량화 연구: Lab-scale 실험
- 이수 유동 내 암편 거동 모델링 및 정량화: 이론/시뮬레이션

○ 나노기반 TMD 복합체 이수 물질 특성 최적화
- 이수 물질로의 활용 특성 극대화
- 나노기반 TMD 복합체 특성 최적화
- TMD 복합체 함량에 따른 이수 물질 특성 변화 분석

○ 제작품 품질 관리 및 공정/자산 관리 시스템 구축
- 제작품 품질 관리(FAT/MC) 프로시저 개발
- 제작품 품질 검사 수행
- 공정 및 자산 관리 시스템 구축

○ 이수 순환 시뮬레이터 상세 설계
- Well 입력 정보 상세화 및 시뮬레이터 작용
- User Interface 상세 설계

○ 이수순환 시스템 현장 실증을 위한 적용성 검토
- 이수순환 시스템 현장 실증을 위한 적용성 검토

<3세부>
○ 육상 시추용 이수 통합 운용 및 최적화 장비 개발
- Mud Handling System Compact Package 설계 및 제작

○ 이수 혼합 및 처리시스템 패키지화 설계 제작
- Bulk Mixing System Compact Package 설계 및 제작

○ 방향성 시추시스템 기자재 성능평가 및 인증지원
- 핵심 장치 및 시스템 신뢰성 평가
- 메이저 인증확보를 위한 인증 가이드 확립

○ 이수 혼합 및 처리시스템 구조 안정성 평가
- 이수 혼합 및 공급·처리 통합 연동 시스템에 대한 신뢰도 분석
- 이수 혼합 및 공급·처리 통합 연동 시스템 설계

○ 이수 혼합 및 처리시스템 최적화 장비 시운전
- 개발 장비 Mechanical Completion Check Sheet 조사
- 개발 장비 Factory Acceptance Test Check Sheet 조사
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
6차년도 6차년도
○ Hybrid 방향 추진시스템 통합 실증
○ 위치파악 및 통신기술 실증 및 최종 제품 보완
○ 실증에 따른 Hybrid 방향 추진시스템 모듈 최적화 보완
○ 현장 위치제어 실시간 운전 가이드 및 위치파악 통신 시뮬레이터 개선
○ Hybrid 방향 추진시스템의 수평시추 테스트 후 열화 평가
○ 현장실증 테스트 자료 분석(시추 정밀도, 안정성) 및 평가, 기술지원
○ 통합 이수 순환 시스템 파일럿 현장 실증 및 보완
○ 이수 순환 시스템 현장 실증 및 관리 시스템 운영 기술 지원
○ 최종 Cabinet 연동 테스트 및 운영 프로그램 검증
○ 연속 이수 순환 시스템(CCS) 사용품 제작 및 성능 확인
○ 이수 순환 유동 실시간 점도거동측정기술 실증
○ 나노기반 TMD 복합체 이수 공정 적용 및 문제점 해결
○ 이수 순환 및 재처리 시스템 현장 실증 지원 및 시스템 유지/보수 수행
○ 이수 순환 시스템 통합 시뮬레이터 검증 및 보완
○ 이수순환 시스템 통합 현장 실증 지원
6차년도
○ Hybrid 방향 추진시스템 통합 실증
. 방향성 추진체 실증시 미비 사항 보완을 통한 수평시추 테스트
실시 및 결과 분석
. 머드모터 Sliding 속도 및 방향 전환율 검증
. 위치제어 통신기술(MWD)를 통한 타겟 정밀도 구현
. 드릴링 1km 시추를 통한 실제와 동일한 환경으로 테스트 실시
○ 위치파악 및 통신기술 실증 및 최종 제품 보완
. 실시간 위치파악 및 통신기술(Acoustic telemetry) 현장 실증
및 결과 분석
○ 실증에 따른 Hybrid 방향 추진시스템 모듈 최적화 보완
○ 현장 위치제어 실시간 운전 가이드 및 위치파악 통신 시뮬레이터 개선
. 현장 위치제어 실시간 운전 가이드 프로그램 개선
. 현장 위치파악 통신 시뮬레이터 개선
○ Hybrid 방향 추진시스템의 시추 테스트 후 열화 평가
. Hybrid 방향 추진시스템의 시추 테스트 환경 분석
. Hybrid 방향 추진시스템의 시추 테스트 후 열화 평가
○ 현장실증 테스트 자료 분석(시추 정밀도, 안정성) 및 평가, 기술지원
. 현장실증 시추 운영을 위한 기술지원
. 현장 여건을 고려한 시추프로그램 제시
. 시추자료 분석을 통한 시추 정밀도, 안정성 분석 및 평가
○ 통합 이수 순환 시스템 파일럿 현장 실증 및 보완
· 통합 이수 순환 시스템 현장 실증 및 성능평가
· 방향성 추진체/이수 순환 시스템 실증 테스트에 대한 위험기반검
사 기준 설정
· 이수 순환 시뮬레이션 운영 및 검증
○ 이수 순환 시스템 현장 실증 및 관리 시스템 운영 기술 지원
· 이수 순환 시스템 현장 실증 기술 지원
· 공정 및 자산 관리시스템 운영 지원
○ 최종 Cabinet 연동 테스트 및 운영 프로그램 검증
· 최종 Cabinet 연동 테스트 및 운영 프로그램 검증
○ 연속 이수 순환 시스템(CCS) 사용품 제작 및 성능 확인
· 해석을 통한 연속 이수 순환 시스템(CCS) 신뢰성 검증
· 연속 이수 순환 시스템(CCS) 상용품 제작
· 연속 이수 순환 시스템(CCS) 제어 시스템 제작
○ 이수 순환 유동 실시간 점도거동측정기술 실증
· 이수 순환 유동 실시간 점도거동 측정기술검증: 실증실험
· 고입자분율 암편 수송거동 연구: 실험/시뮬레이션
○ 나노기반 TMD 복합체 이수 공정 적용 및 문제점 해결
· 나노기반 TMD 복합체 이수 실 공정 적용
· 문제점 확인 및 해결 방안 모색
○ 이수 순환 및 재처리 시스템 현장 실증 지원 및 시스템 유지/보수 수행
· 공정 및 유지/보수 시스템 상용화 개발
· 통합 시스템 시운전 지원 및 수정/보완
· 장비 유지/보수 프로시저 개발
· 장비 유지/보수 수행
· 주요 장비 실증평가를 통한 튜닝
· 이수 순환 및 재처리 시스템에 대한 신뢰도 분석
○ 이수 순환 시스템 통합 시뮬레이터 검증 및 보완
· 이수 순환 시뮬레이터 검증 및 보완
○ 이수순환 시스템 통합 현장 실증 지원
· 이수 순환 장치와 시추장비 연동되는 통합 모니터링 장치 제작
연구성과 기술적 기대성과 기술적 측면
○ Total drilling mud system 국산화 개발 완료
- 사전 기술개발이 완료된 Bulk handling system, Mud treatment system, Mud mixing & Storage system,
Mud disposal system 개발에 이어, Mud control system까지 개발완료 함으로써 자체 기술력을 활용한
Total drilling mud system 국산화 개발 완료
○ 구축 예정인 테스트 베드를 활용하여 장비개선 환경구축 가능
- 본 개발을 통해 구축 예정인 환경과 유사한 테스트 베드 구축을 통해 국내외 고객사의 니즈를 해소하고
최적화된 제품 검증기반 확보가 가능할 것으로 예상됨.
○ 방향성 드릴링 시스템 실증 개발이 기초한 독자기술 확보를 통하여 글로벌 자원? 탐사·개발기술 경쟁력 9
0% 이상 확보
- 탐사 및 시공거리 4 km급 다목적 방향성 드릴링 및 제어, 이수 순환 제어 및 혼합ㆍ공급ㆍ처리 기술 확보
- 시스템과 서비스 분야 전주기 Total Solution 역량을 확보
- 향후 동토, 극지 등 미개척지 탐사·개발 프로젝트 참여를 위한 국내 기술기반과 실적을 확보
사회 경제적 파급효과 경제적ㆍ산업적 측면
○ 육상용 시추 시스템 기술의 라이센스화, 성과 홍보를 통해 해외 비즈니스 모델 창출
○ 시추 시스템 사업 분야 전문 인력 양성에 기여(6년간 총 60명의 석박사급)
○ 드릴링 분야 기자재, 장비, 시공, 솔루션, 컨설팅 등 가치사슬 확대
○ 에너지 자원 개발을 위한 방향성 드릴링 시스템 및 기자재, 이를 이용한 서비스 산업 진출을 위한 신기술
의 개발 및 적용사업 확대를 통하여 신산업 창출에 기여
○ 지반탐사, 유·가스전 탐사 및 개발 등 연관서비스 산업 활성화 지원

사회적 측면
○ 플랜트 강국 도약 기대
- 현재 국내외 기자재들은 해외 메이저업체의 제품으로 대부분 수입에 의존하고 있는 상황에서 MCS 국산
화 개발을 통해 기술력을 확보하여 플랜트 강국 도약의 발판을 마련
○ 연구개발 기간 동안 참여기업의 매출액 증대 및 신규 고용 증대로 인한 사회적 성과
- 본 제안과제의 경우 드릴 시스템 판매, 임대, 소모품 제공 시장을 대상으로 편익/비용은 1.86 으로 평가
- 방향성 드릴 시추 서비스 제공에 따른 낙관적, 비관적 부가가치 기여액 기준 생산유발액, 취업유발 인원
을 평가함
- 연구개발 투자로 생산 유발액은 4,938억 원, 취업 유발 인원은 2,840명으로 평가됨
○ 대심도 지반조건 탐사, 극한지 오일·가스 개발, 각종 파이프라인 시공 등 방향성 드릴링 사업모델 창출
및 시장 수요에 적시 대응이 가능
○ 지반탐사 및 개발, 방향성 시공, 관련 기자재 및 시스템 조달 등에 소요되는 국비유출을 저감
- (참고) 육상 드릴장비 가격 : 250 억~400 억 원, 기자재 10 억∼30 억 원 내외
- (참고) 드릴링 비용: 수직 1 km, 수평 1 km 에 평균 4∼5 억 원 소요
○ 방향성 드릴링 제어기술 및 시스템 판매, 소모품 공급 시장을 대상으로 편익/비용은 1.04∼1.82로 평가되
며, 연구개발 투자로 생산유발액 501∼878억 원, 취업 유발 인원은 161∼284명 기대
활용방안 ○ (세부 1과제) 드릴링 시스템의 추진체 및 방향제어기술 개발
- 방향 추진체 및 MWD는 현재 북미에서 가장 보편적으로 사용되는 Drilling 기자재로써 기존에
유통되는 제품의 성능대비 한 단계 높은 차원의 기능보유로 향후 매출액 증가에 상당한 파급
효과를 나타낼 것으로 생각됨.
- 아울러 1세부의 산동금속공업과 MKS에서 보유한 서울시 면적의 5분의 1을 상회하는 총 47.
75 sections (12,224 헥타르)의 캐나다 앨버타주 오일, 가스 광권을 이용하여 지속적인 Trac
k Record 확보를 위해 시추관련 개발을 지속적으로 수행함으로써 내구성 테스트와 병행하여
실제 현장에 적용하고 이를 바탕으로 보다 개선된 제품의 생산이 가능함.

○ (세부 2과제) 이수 순환 특성 예측 및 연속순환시스템 기술 개발
- 이수 순환 모니터링 및 제어 시스템 최적화를 통해 CAPEX 및 OPEX를 최적화 할 수 있는 해양 플랜트
이수 제작·순환 및 재처리 관련 선주사의 다양한 요구 조건에 대해 기술적 선제 대응 가능
- 해외 선진사(Westwood Group)에서 기술 개발 진행 중인 연속 Tripping이 가능한 Hoisting Model 독자
기술 개발
- 이수 순환 통합 운영 시스템 최적화를 통해 해양 플랜트용 이수 순환 시스템 독자 모델 개발과 이수 순환
공정의 다양한 요구 조건에 대해 모델링 가능
- 드릴링/순환유동에 대한 In-site/On-site 이수점도측정기술은 세계최초로 드릴링 및 이수 순환 유동에서
샘플링을 하지 않고 실시간 점도를 측정하는 기술로써 시추공정효율화를 위한 핵심기술이므로 국내외 관
련기업에 기술이전 및 사업화가 가능
- 전이금속 황화물(TMD)의 경우 lubricant로 많이 활용 되므로 이러한 특성을 이용하여 전이금속 황화물의
나노화를 통해 mud의 특성 향상 및 국산화가 가능하며, 새로운 신기술의 기술 이전을 통해 국내 이수 개
발 업체의 기술력 향상에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
- 현재 보유한 산동금속공업의 유통망 (전 세계 20여 개국)을 활용하여 지속적인 홍보를 바탕으
로 신뢰를 쌓아온 기존 및 신규 고객들에게 공급을 확대함으로써 Feedback을 통한 최적화가
가능.

○ (세부 3과제) 육상 특화형 이수 혼합·처리시스템 개발
- 본 세부과제의 이수혼합 및 공급·처리시스템에 대한 구조/진동 안전성 검증 프레임 워크를 구축 할 수
있으며, 이는 시추를 위한 이수혼합 및 공급·처리시스템뿐만 아니라 유사한 작동 메커니즘을 가지는 다
양한 시스템에 적용하여 안전성 검증에 활용할 수 있을 것으로 판단됨.
- 이수순환 처리시스템의 표준장치 개발에 표준모듈 제안이 가능하며, 표준모듈 개발을 통해 외국 선진사와
대등한 기술력 확보 가능
- KORMARINE, OTC(Offshore Technology Conference) 및 Offshore ㆍKorea 관련 각종 전시회에 참가하여 기
업의 개발 제품을 홍보하고, 이러한 홍보 활동을 통하여 개발 제품뿐만 아니라 기업의 이미지를 상승시키
는 효과를 기대함.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 머드모터 시추중측정 이수 시스템 연속 순환 시스템 실증 테스트
영문 Mud motor Measurements while drilling Mud system Continuous circulation system Demonstration test
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