다중 유정 패드 제어 시스템 최적화: 모듈러, 확장 가능한 접근법

데이터와 제어 요건이 모듈러, 확장 가능한 제어 아키텍처의 필요성을 견인합니다.

시추 기술 발전이 석유 및 가스 작업을 단순한 단일 유정 패드에서 더 복잡한 다중 유정 패드로 진화시켰습니다.

오늘날 많은 생산자가 프래킹과 수평 시추 기술로 한 패드에 10개 이상 유정을 배치합니다. 일부 운영자는 단일 패드에 52개 유정까지 밀어붙이기도 합니다.
이러한 발전은 유정 생산 회수율을 높일 뿐 아니라 비전통 지역에서 완전히 새로운 생산 기회를 창출했습니다. 또한 석유 및 가스 생산자들이 운영 발자국을 줄일 수 있게 했습니다.

하지만 다중 유정 패드의 이점 모두에도 불구하고, 규모와 범위의 큰 증가는 새로운 과제를 만들었습니다. 단일 패드에 여러 유정이 밀집하면 현장 필요 장비가 늘어나고 데이터와 제어 요건이 훨씬 더 커집니다.

수십 년간 쓰여 온 전통적 제어 아키텍처가 한계에 다다라 더 이상 지속 가능하지 않을 수 있습니다. 대신 현대 유정 패드가 요구하는 확장 가능한 아키텍처를 처리할 더 첨단 제어 시스템이 필요합니다.

그 결과 운영자와 이를 지원하는 장비 제작자 모두 이제 다중 유정 패드용 제어 시스템 접근법을 수정해야 합니다—그렇지 않으면 근본적으로 바꿔야 합니다.

RTU 기술의 진화

상류 석유 및 가스 생산자들은 수십 년간 원격 단말 장치(RTU) 기술에 의존해 유정 현장 제어를 해왔습니다. 초기엔 RTU 구현 비용과 프로그래밍 난제로 인해 단순 데이터 수집과 제어로 용도가 제한됐습니다.

시간이 지나며 RTU는 I/O, 통신, IEC-61131 프로그래밍 등 더 많은 기능을 포함하게 됐습니다. 이 기능들로 석유 및 가스 운영자들은 더 많은 데이터 포인트 모니터링, 이력 및 알람 로깅, 더 복잡한 계산을 RTU에 추가할 수 있게 됐습니다. 장비 제작자와 엔지니어링 회사들도 독자 마이크로프로세서 컨트롤러로 유정 인공 양수 제어용 특수 애플리케이션 개발을 시작했습니다.

결국 거의 모든 인공 양수 제조사가 자사 솔루션 제어 및 최적화를 위한 자체 RTU를 개발했습니다. 엔지니어링 회사들도 약간 다른 RTU 애플리케이션으로 독자 방식 개발했고, 계측 제조사들도 필요한 거의 모든 공정 포인트 측정용 새 계기들을 내놓았습니다.

그러나 최근 다중 유정 패드 작업과 관련된 요구 증가로 RTU 기술의 역량을 초과하기 시작했습니다.

장비들이 한계에 다다르다

다중 유정 패드의 각 유정은 인공 양수, 유량 측정, 장비 제어, 레벨 측정을 필요로 합니다. 이는 단일 RTU가 감당할 수 있는 것보다 더 많은 I/O와 제어 수요를 만듭니다. 결과적으로 석유 및 가스 생산자들은 추가 RTU를 구매해 여러 장치에 애플리케이션과 현장 제어를 분산해야 합니다.

석유 및 가스 생산자들이 유정 패드에 다중 RTU 컨트롤러를 성공적으로 구현했지만, 이런 아키텍처로 몇 가지 공통 문제에 부딪힙니다. 그런 문제들 중 일부는:

• 각 유정 패드에서 여러 구성이나 프로그램의 변경 관리.
• 현장 다수 RTU의 통신 관리(예: 피어투피어 통신).
• 다수 벤더 하드웨어로의 SCADA 통신.
• RTU 내 맞춤 프로그램의 신뢰할 수 없는 실행.

RTU 장치에 대한 궁극적 수요는 훨씬 더 큰 다중 유정 패드 제어가 필요할 때 옵니다. 단일 유정 패드에 10개 심지어 수십 개 유정까지 포함될 수 있습니다. 패드 위 유정 밀도 증가는 현장 필요 장비도 늘립니다. 예컨대 이런 유정 패드 다수가 자체 세퍼레이터를 가집니다.

패드에서 생산되는 천연가스 비율이 높으므로 파이프라인 압축, 증기 회수 장치(VRU)와 VRU 타워 설치도 더 경제적이 됩니다. 임대 자동 양도(LACT) 유닛, 물 이송, 화학약품 주입 기계도 이런 유정 패드에서 흔히 볼 수 있습니다.

또한 많은 석유 및 가스 생산자들이 E-하우스라 불리는 전기 설비 건물에 투자하고 있습니다. 이 건물들은 주 전력 분배, 모터 제어 센터(MCC), 네트워크 스위치, 무정전 전원 공급장치(UPS)를 수용하며 종종 환경 제어됩니다.

이 모든 증가—장비, 현장 계측, 애플리케이션—가 RTU 아키텍처의 공통 문제들을 악화시킬 뿐입니다.

또한 새로운 서비스 및 지원 과제들도 만듭니다. 다중 RTU 사용으로 여러 애플리케이션 구성과 이를 유지할 프로그램들이 생겼습니다. 또한 석유 및 가스 운영자들이 여러 벤더와 협력해야 하게 만들었습니다.

여러 벤더의 여러 장비를 다루려면 작업자들이 더 많은 교육과 경험을 갖춰야 합니다. 일부 생산자는 유정 제어 시스템 유지보수를 처리할 충분한 훈련된 인력을 완비했지만, 많은 곳은 아닙니다. 이런 생산자들은 제조사 지원이나 계약 엔지니어링 지원에 의존해 제어 시스템을 유지해야 합니다.

모듈러, 확장 가능한 제어 시스템으로 전환

RTU는 단순 제어 요건, 단순 현장 장치 상호작용, 단순 통신 처리에 수십 년간 제 역할을 했습니다. 하지만 오늘날 더 복잡한 운영 환경에선 더 이상 충분치 않습니다.

공통 RTU 문제들을 겪은 많은 석유 및 가스 생산자들이 모듈러하고 확장 가능한 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)라는 실행 가능한 대안 솔루션을 찾았습니다. PLC 기술은 업스트림 석유 및 가스 생산만큼 거친 산업 공정 제어 환경에서 수년간 다듬어져 왔습니다.

PLC는 RTU 대비 여러 이점을 제공합니다:

• 모듈러성: 일부 RTU도 모듈러 하드웨어를 지원합니다. 하지만 RTU에서 모듈 요건을 애플리케이션 및 제어 요건과 균형 맞추는 건 PLC보다 훨씬 어렵습니다. 또한 RTU는 개방형 아키텍처가 아니어서 서드파티 모듈이 일반적으로 제공되지 않는 반면, PLC는 개방형입니다.
  
  다양한 현장 계측기 모니터링과 제어를 가능케 하는 다양한 모듈들이 PLC용으로 제공됩니다. 다양한 네트워크 유형에 대한 통신 지원도 모듈러 구성으로 지원됩니다.
  
  
• 확장성: 다중 유정 패드가 어떻게 구성되는지 고려할 때 중요합니다. 단일 유정이 다중 유정 현장에 먼저 설치되고, 수개월 심지어 수년 뒤에 추가 유정과 장비가 온라인 상태가 되는 경우가 많습니다.
  
  이런 경우 장비 제작자들은 장비 스키드를 현장 밖에서 제작해 유정 패드에서 단순히 플러그인하고 구성하길 원합니다. 비용 절감을 위해 굴착, 배선 끌어당기기, 배선 종단, 현장 패널 및 계기 설치를 줄이고 싶습니다. 프로그래밍과 하드웨어 양쪽에서 확장성이 필요한데, 그게 바로 PLC 기술이 제공하는 것입니다.
  
  
• 프로그래밍 용이성: 역사적으로 PLC는 자동화와 제어를 위한 백지 캔버스로 여겨졌습니다. 오직 엔지니어링 회사나 경험 많은 프로그래머만 백지에서 시작해 PLC에 필요한 제어를 개발할 줄 알았습니다.
  
  하지만 현대 PLC엔 사전 개발되고 문서화된 코드 라이브러리가 있어 거의 드래그앤드롭 방식으로 빠르게 추가할 수 있습니다. 일부 PLC 벤더는 현장에서 구성 가능한 업스트림 석유 및 가스 라이브러리도 갖추고 있습니다. 석유 및 가스 생산자는 HMI에서 필요한 데이터만 활성화하고 구성하면 PLC를 시동하거나 기존 시스템에 스키드 하드웨어를 추가할 수 있습니다.
  
  이로 인해 웰 테크니션 같은 전문가가 프로그래밍 환경을 알고 하드웨어 추가 시 새 코드를 작성할 필요가 없어질 수 있습니다.
  
  더구나 프로그램과 구성 변경을 PLC에서 온라인으로 할 수 있어 프로세스 셧다운이 필요 없습니다. RTU는 전통적으로 오프라인 상태에서 다운로드하지 않고는 그런 변경을 수용할 수 없습니다. 이는 현대 다중 유정 패드 환경에서 중요한 차별화 요소입니다. 제어 시스템 셧다운은 생산 손실로 이어지기 때문입니다.
  
  
• 원격 I/O 기능: RTU는 전통적으로 네이티브 원격 I/O 기능이 없지만 PLC엔 있습니다. 이는 설치 비용을 줄일 수 있습니다. 또한 장비 스키드가 현장에 추가될 때 사전 장착 및 배선된 I/O와 계기를 달고 올 수 있습니다. 이런 스키드 시동은 이더넷 케이블을 스위치에 꽂고 컨트롤러에서 I/O를 구성하는 것처럼 단순합니다.

수명주기 관리 개선

유정 패드 수명주기 관리는 운영 팀에 큰 골칫거리가 될 수 있습니다. 유정은 자연 유출, 전동 잠수 펌프(ESP) 또는 프로그레시브 캐비티 펌프(PCP), 흡입 로드 펌프 등 다양한 유출 상태를 거칠 수 있습니다. 유출 유형과 수명주기는 유정마다 다를 수 있습니다.

유정의 다양한 수명주기 제어용으로 다중 RTU가 종종 쓰입니다. RTU 교체는 현장 유정의 물리적 RTU가 새 벤더 하드웨어이므로 SCADA 시스템으로의 통신 드라이버 변경을 의미합니다. RTU를 애플리케이션 제어용으로 구성하고 시스템에서 그 하드웨어를 설정하는 건 종종 고된 과정입니다.

PLC 기반 유정 패드는 이 영역에서 상당한 완화를 제공하며, 운영자들이 가능하다고 생각하지 못했던 효율성과 최적화 이점을 전달합니다.

PLC가 제공하는 모듈러하고 확장 가능한 I/O 하드웨어 아키텍처를 사용해 운영자들은 계측기가 있는 곳에 I/O 모듈을 설치하고 그 데이터를 PLC로 보낼 수 있습니다. 석유 또는 가스 생산자가 어떤 I/O 설계 접근법을 쓰든, 제어 시스템 하드웨어는 불변이고, SCADA 시스템 통신은 같은 드라이버를 사용하며, 업데이트 중에도 시스템은 온라인 상태로 모든 애플리케이션을 제어합니다. 내내 유지할 PLC 프로그램이 단 하나뿐입니다.

벤더 애플리케이션 지원 문제도 있습니다. 앞서 언급했듯 많은 벤더가 다양한 업스트림 생산 니즈용 자체 애플리케이션을 만들며, 각 벤더는 보통 서로 다른 유형 RTU를 사용합니다. 결과적으로 벤더들은 보통 몇 가지 특정 애플리케이션만 지원할 수 있을 뿐, 전부는 아닙니다.

다중 유정 패드 설계에 대한 PLC 벤더 지원이 나날이 늘고 있습니다. 여기엔 장비 제어, 인공 양수, 유량 측정 애플리케이션 지원이 포함됩니다. 장비 자동화는 풍부한 프로그래밍 환경과 다양한 I/O 및 통신 모듈로 쉽게 처리됩니다. 유량 측정도 AGA 및 API 준수 유량 측정, 교정 지원, SCADA 시스템으로의 양도 보고로 지원됩니다. 인공 양수 애플리케이션은 PLC에서 아직 덜 보편적이지만, 모든 유형의 인공 양수를 지원하도록 빠르게 개발되고 있습니다.

마지막으로 많은 석유 및 가스 생산자들이 RTU 애플리케이션이 '블랙박스'라는 데 좌절감을 표했습니다. 이는 시스템이 특정 입력만 받아 특정 출력만 제어하도록 설계됐단 뜻입니다.

블랙박스 접근법은 시스템 기능 변경이 안 돼 유연성을 막습니다. 결과적으로 니즈를 지원할 벤더를 바꾸거나, 현재 기술이 요구만큼 효율적으로 작동하지 않음을 알면서 그냥 써야 합니다.

반면 PLC 기반 시스템은 현장에서 일반적인 산업 도구(IEC-61131)로 수정 가능해 훨씬 더 큰 유연성을 제공합니다.

새로운 표준 수용

PLC는 오랫동안 제조 시설에 더 적합한 솔루션으로 여겨졌고 유정 패드 제어엔 안 맞다고 봤습니다. 하지만 오늘날 현대 유정 패드는 본질적으로 소형 공장들입니다. 환경 제어 건물, 유틸리티 또는 발전기 전력, 훨씬 더 큰 데이터와 제어 요건을 갖췄습니다.

이는 PLC에 이상적인 핏입니다. PLC의 모듈러하고 확장 가능한 능력을 활용하는 다중 유정 패드 제어 시스템은 비용과 설치 시간을 줄이고, 생산 가동 시간을 개선하며, 수명주기 관리를 쉽게 만듭니다.

Zack Munk는 Rockwell Automation의 육상 업스트림 석유 및 가스 비즈니스 개발 매니저입니다.