업스트림 프로세스: 생산

웰 인터벤션 장비/코일 튜브 유닛

실용적이고 다용도로 사용 가능한 코일 튜빙 유닛(CTU)은 다양한 웰 인터벤션 장비의 한 종류입니다:

• 기계적 및 화학적 세척과 청소
• 드릴링 및 밀링
• 시멘트 작업
• 트리핑(드릴 스트링의 섹션 제거 및 교체)
• 피싱(유정 내의 물체 회수)
• 유압 파쇄 및 재파쇄
• 생산 시작 또는 재자극

유압 파워 팩은 리프팅 기계(크레인, 구즈넥)를 제어하고, 튜빙을 풀고, 인젝터(주입기) 어셈블리를 사용하여 유정 안으로 밀어 넣고, 튜빙을 다시 채우는 데 필요한 동력을 공급합니다. 운영자는 조종실에서 기계 및 압력 제어 장비(PCE)를 조작합니다. CTU의 측정 장치에는 유압 동력 장치의 압력 및 온도 센서, 인젝터 헤드의 힘 변환기, 제어실의 압력 게이지 등이 있습니다.

웰헤드 (크리스마트 트리형)

웰헤드는 케이싱 스트링이 매달려 원유/가스가 흐르는 스텁, 스풀, 어댑터로 구성된 시스템입니다. 튜빙 헤드라고도 하는 이 장비는 가압된 유정 유체(유출수)를 담는 또 다른 중요한 기능을 수행합니다.

밸브, 피팅, 초크의 배열은 일반적으로 웰헤드 상단에 장착됩니다. 다양한 구성 요소가 가지를 뻗는 방식 때문에 크리스마스 트리라고 불리는 이 배열은 운영자가 폐수의 흐름을 제어하고 파이프와 탱크로 방향을 전환할 수 있는 복잡한 수도꼭지 역할을 합니다.

견고한 기계식 압력 게이지는 장비의 케이스, 튜브, 유량 라인 및 기타 지점의 압력을 모니터링합니다. 크리스마스 트리에 사용되는 전자식 압력 트랜스미터와 프로세스 트랜스미터는 생산 현장의 안전을 유지하기 위해 본질안전 또는 방폭 인증을 받아야 합니다.

서커 로드 펌프 시스템 (Sucker rod pump system)

흔히 펌프잭(pumpjacks), 오일 호스(oil horses) 또는 오일 데릭(oil derricks)이라고 불리는 서커 로드 펌프는 석유가 풍부한 지역의 풍경에서 흔히 볼 수 있습니다. 메커니즘은 간단하면서도 효과적입니다: 원동기(전기 모터)로 구동되는 크랭크가 워킹 빔과 한쪽 끝의 말머리로 구성된 레버 암을 위아래로 움직입니다. 말머리에 부착되고 캐리어 바에 끼워진 연마된 서커 로드(polished sucker rod)를 웰헤드를 통해 튜브의 길이를 따라 삽입합니다. (유정이 깊을수록 이 막대 줄이 길어지고 따라서 오일 호스도 더 커집니다.) 서커 로드는 막대 끈의 끝과 케이싱 끈의 바닥에 있는 개폐 밸브 시스템 덕분에 유정 유체를 천천히 끌어올려 줍니다. 웰헤드(유정)에서 유체는 흐름 라인으로 전환된 다음 나중에 운반하기 위해 저장 탱크로 배관됩니다.

웰헤드의 압력 게이지와 유량 라인의 압력 트랜스미터를 통해 운영자는 펌핑된 폐수를 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 워킹 빔의 경사 센서가 연마봉의 움직임과 위치를 추적하고, 캐리어 바의 특수 설계된 로드셀이 연마봉이 업스트로크하는 동안 발생하는 힘을 모니터링합니다. 동력계 카드에 기록된 이 정보는 다운홀 펌핑 조건과 서커 로드 유닛의 효율성을 분석하는 데 활용됩니다.

플런저 리프트 시스템 (Plunger lift system)

생산량 감소는 유정의 자연스러운 주기의 일부이지만 몇 가지 요인으로 인해 생산량 감소가 가속화될 수 있습니다. 이러한 요소 중 하나는 액체 적재(liquid loading)입니다. 유정 유체는 천연 가스와 액체의 조합입니다. 가스의 임계 유량(Critial Flow Rate, CFR)은 액체 폴백을 들어 올리기 위해 이동해야 하는 최소 속도입니다. CFR 이하로 가스의 속도가 떨어지면 유정이 적재되기 시작합니다. 액체 다운홀을 제거하지 않으면 생산량이 감소하고 결국에는 생산이 완전히 중단됩니다.

적재가 심각한 문제가 되기 전에 이상적으로 설치되는 플런저 리프트는 수직 유정을 위한 경제적인 솔루션입니다. 이 기계 시스템에 필요한 유일한 전력은 소형 태양광 패널에서 얻을 수 있습니다. 설치는 코일 튜빙 유닛을 사용하여 수직 유정 튜브의 하단에 범퍼 스프링을 배치하는 것으로 시작되며, 웰헤드 상단에는 자유롭게 작동 플런저를 수용하는 윤활장치(lubricator)가 있습니다. 전자 컨트롤러가 부하가 발생하고 있음을 감지하면 모터 밸브를 닫아 파이프의 흐름을 차단합니다. 이 동작으로 플런저가 풀려 액체층(slug)을 통과하여 범퍼 위에 놓이게 됩니다. 유정이 이제 닫히면 내부에 압력이 쌓이고, 압력이 미리 정해진 수준에 도달하면 모터 밸브가 다시 열립니다. 이 갑작스러운 압력 변화는 플런저를 들어 올려 슬러그를 우물 밖으로 밀어냅니다. 그런 다음 플런저가 윤활기로 돌아와 도착 센서를 트리거하여 모터 밸브를 열어 가스가 다시 흐르도록 합니다. 이 사이클은 컨트롤러가 로딩이 발생하고 있음을 감지할 때마다 자동으로 반복됩니다.

플런저 리프트 시스템은 압력 센서와 게이지를 사용하여 케이스와 튜브의 천연가스 압력을 감지하여 플런저의 사용을 최적화합니다. 폭발성 가스 가스가 존재하는 경우 본질적으로 안전하거나 방폭형 압력 트랜스듀서를 사용해야 합니다.

프로그레시브 캐비티 펌프 시스템

거의 모든 석유 및 가스 유정, 특히 유량이 점점 줄어들고 있는 성숙 유정에서 약간의 보조를 받을 수 있습니다. 수직 또는 편향된 유정에서 생산성을 높이는 한 가지 방법은 프로그레시브 캐비티 펌프(progressing cavity pump) 또는 스크류 펌프(screw pump)로도 알려진 프로그레시브 캐비티 펌프(PCP)를 사용하는 것입니다.

이 인공 리프팅 시스템은 엘라스토머 고정자(음의 공간) 안에 장착된 나선형 모양의 금속 로터(양의 공간)로 구성됩니다. 내부 기어와 같은 로터는 고정된 외부 기어처럼 작동하는 고정자 내부에서 회전합니다. 유체가 흡입 끝으로 들어가 로터와 고정자 사이의 공간을 차지합니다. 펌프가 작동하는 동안 로터의 로브가 고정자의 로브와 접촉하여 회전할 때마다 밀폐된 개비티가 형성됩니다. 따라서 유체는 웰헤드를 통해 점진적으로 표면으로 올라오게 됩니다. 캐비티 덕분에 PCP 시스템은 유압 파쇄에 흔히 사용되는 점성 오일, 모래 및 기타 고체 물질을 처리할 수 있습니다.

압력 게이지와 본질 안전 또는 방폭형 압력 트랜스미터로 수행되는 표면 모니터링 및 제어를 통해 운영자는 이 인공 리프트 시스템을 최적화할 수 있습니다.

가스 리프트 시스템 (Gas lift system)

일부 생산 유정은 액체 적재로 인해 흐름이 느려질 수 있습니다. 수직 유정에서는 플런저 리프트가 이 액체 슬러그를 기계적으로 제거할 수 있으며, 유량이 부족한 수평 유정에서는 가스 기반 인공 리프트 시스템의 이점을 활용할 수 있습니다.

가스 리프트 시스템은 외부 소스로 포메이션 가스를 보충하여 자연스러운 리프트를 모방합니다. 먼저, 밸브가 달린 일련의 맨드릴(속이 빈 실린더)을 튜브 스트링 외부를 따라 다양한 깊이로 설치합니다. 그런 다음 압축기 패키지의 고압 가스를 다운홀(내부 튜빙 스트링과 외부 케이싱 스트링 사이의 공간)로 주입합니다. 이 주입 가스가 각 맨드릴과 만나면 실린더의 밸브가 열려 튜브에 들어갈 수 있게 되고, 동시에 밸브가 닫힙니다. 내부로 들어가면 가스가 액체 슬러그와 혼합되어 밀도가 낮아지고 유정액에 '거품'이 일어납니다. 이 에멀젼이 표면에 도달하면 장치는 액체 부분을 분리하고 남은 가스를 압축하여 리프트가 달성될 때까지 다시 유정 아래로 주입하며, 이때 리프트된 가스는 모두 판매용으로 전환됩니다.

가스 리프트 시스템은 입구(흡입) 및 출구(배출) 포트, 엔진, 가스에서 잔류 수분을 제거하는 스크러버, 압축 실린더로 구성됩니다. 스크러버의 압력 게이지, 압력 트랜스미터, 저항 온도계를 통해 작업자는 압축 단계를 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 레벨 게이지는 탱크 내부의 오일과 물의 액체 레벨을 나타내며, 마그네틱 플로트 스위치는 이러한 스크러버의 유체 레벨을 모니터링합니다.

3상 분리기

유정 유출수의 세 가지 주요 구성 요소인 물, 원유, 천연가스는 물은 원유보다 무겁고, 원유은 가스보다 무겁기 때문에 자연적으로 분리됩니다. 3상 분리기는 이 공정을 신속히 처리하고 제어하여 에멀젼에서 물을 제거하고 분리된 탄화수소를 각 목적지로 파이프를 통해 수송하고 판매할 수 있도록 하는 역할을 합니다.

3상 분리기에는 여러 유형이 있으며, 각 분리기에는 분리 및 인터페이스 제어를 위한 내부 구성 요소가 다릅니다. 일반적으로 수평 또는 수직 분리기에서 에멀젼은 탱크에 들어가 입구 전환기(inlet diverter)에 부딪히며, 이 작용은 액체의 표면 장력을 파괴하여 가스를 방출하는 데 도움이 됩니다. 액체 부분은 탱크의 아래쪽 절반에 가라앉아 자연스럽게 기름과 물로 분리됩니다. 이 액체-액체 인터페이스의 레벨 컨트롤러는 적절한 인터페이스 높이를 유지하기 위해 필요에 따라 물을 방출하도록 덤프 밸브에 신호를 보냅니다. 또 다른 레벨 컨트롤러는 적절한 오일 레벨을 유지하기 위해 오일 덤프 밸브에 언제 열고 닫아야 하는지 알려줍니다. 한편 가스는 탱크 상단으로 상승하여 디미스터를 통과한 후 상단 제어 밸브를 통해 배출되며, 이 밸브는 일정한 용기 압력을 유지하는 역할도 합니다. 하나의 인렛과 세 개의 아웃렛이 있습니다.

오일-물 및 오일-가스 인터페이스의 레벨 센서는 덤프 밸브를 열고 닫습니다. 압력 게이지는 분리기를 빠져나와 파이프라인으로 유입되는 오일의 압력을 측정하며, 본질 안전 또는 방폭형 압력 트랜스미터는 가스 배출 밸브를 제어합니다. 바이메탈 온도계와 RTD 센서를 통해 작업자는 탱크 및 가스 배출 라인 내부의 온도를 모니터링할 수 있습니다. 음파 제한 오리피스는 가스 감압 중에 밸브를 보호하는 데 사용됩니다.

화학 첨가제 탱크

생산 단계 전반에 걸쳐 유정, 분리 전 또는 분리 중, 저장 용기에 화학 물질을 다운홀에 추가합니다. 유체와 원유를 처리해야 하는 이유는 여러 가지가 있습니다:

• 스케일링 및 침전물 억제
• 폐수 유화
• 거품 감소
• 원유 방울의 응집 촉진
• 부식 및 결빙 방지
• 조류, 곰팡이 및 박테리아 제거
• 점성이 있는 탄화수소(파라핀, 아스팔트 등)의 흐름 개선
• 파이프라인 내 마찰 감소

화학 첨가제 탱크는 레벨 표시기, 레벨 센서, 압력 게이지 및 압력 트랜스미터로 구성된 시스템을을 필요로 합니다. 이러한 견고한 계측기는 석유 및 가스 생산업체가 효율적인 운영을 위해 유체와 파이프 내부의 상태를 모니터링하는 데 도움이 됩니다.

생산 탱크

생산 탱크는 업스트림 석유 및 가스 공정의 마지막 단계로, 유정에서 나오는 유체가 3상 분리기를 통과한 후, 주요 구성 요소들이 대형 보관 탱크로 파이프를 통해 이동합니다. 이 탱크에서는 처리 및 폐기(생산된 물) 또는 중간 단계 회사에 판매(원유 및 천연 가스)를 기다리게 됩니다.

이러한 오일 및 물 저장 탱크에서는 레벨 측정이 필수적이며, 이를 위해 부피를 모니터링합니다:

• 재고 파악 및 관리
• 운송 수요 계산
• 오버플로(넘침) 방지

수중 압력 트랜스미터를 사용하면 생산자가 판매 가능한 자원의 수위를 정확하게 모니터링할 수 있습니다. 본질 안전 트랜스듀서는 위험한 환경에서 추가적인 보호 기능을 제공하며, 높은 침투 방지 기능을 갖춘 스테인리스 스틸 케이스는 장기적인 계측기 신뢰성을 보장합니다. 추가적인 안정성과 난류 및 막힘에 대한 보호를 위해, WIKA LevelGuard^TM 와 함께 잠수형 압력 센서를 사용하는 것이 좋습니다.

플레어 스택

생산 과정에서 목표는 가능한 한 많은 천연 자원을 채취하여 판매하는 것입니다. 그러나 안전 및 물류상의 이유로 추출된 가스 중 일부는 다른 방법으로 처리해야 합니다. 가끔 장비에 쌓이는 과도한 압력을 줄이는 한 가지 방법은 환기를 하는 것이지만, 이는 대기 오염을 유발합니다. 플레어링은 폐가스에 포함된 메탄과 휘발성 유기 화합물(VOC)의 연소를 제어하는 것으로, 대기 중으로 유입되기 전에 메탄과 VOC의 98% 이상을 파괴하므로 배출보다 훨씬 더 바람직합니다.

플레어 스택은 상대적으로 간단한 시스템입니다. 폐가스 스트림은 녹아웃 드럼으로 유입되어 가스에서 수분과 응축물을 제거하는 압력 강하를 생성하는데, 액체 탄화수소가 연소하면 사람, 장비 및 환경에 위험한 상황이 발생하므로 이 단계가 필요합니다. 그런 다음 디미스트 가스는 플레어 헤더 파이프를 통해 좁은 플레어 스택 위로 들어갑니다. 상단에는 플레어 팁이 있고 그 아래에는 폐가스를 점화하기 위한 파일럿이 있습니다.

가스 플레어 시스템이 안전하고 효율적으로 작동하려면 다양한 센서가 필요합니다. 녹아웃 드럼의 레벨 게이지와 플로트 스위치는 용기에 있는 유체의 양을 제어하고 모니터링하는 역할을 합니다. 플레어 스택의 바닥과 끝에 있는 열전대, 써모웰( ScrutonWell® 디자인 포함), 온도 트랜스미터는 가스와 불꽃이 남아 있는 탄화수소를 물과 CO₂ 로 완전히 변환할 수 있을 만큼 충분히 뜨거워지도록 도와줍니다. 가스 조성이 변화하는 동안에도 초음파 유량계 로 질량 유량 측정이 가능하며 유량계 본체는 해당 배관 등급에 따라 맞춤화 할 수 있습니다.

교정 서비스 및 교정 기술

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설치 서비스

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