표제지

제출문

보고서 요약서

요약문

목차

제1장 연구개발과제의 개요 16

제2장 국내외 기술개발 현황 18

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 19

제1절 비파괴 3차원 디지털 코어 분석을 위한 CT 운용기술 확보 및 관련 실험 19

1. 서론 19

2. CT (Computed Tomography)의 원리 20

3. 결론 27

제2절 DET 제작 및 활용 / 엄인권 28

1. 서론 28

2. 재료 및 방법 30

3. 결과 및 토의 30

제3절 일반형 XRF를 이용한 mm 단위 코어 성분 분석 / 남승일 36

1. 서론 36

2. XRF 코어 스캐너의 원리 37

3. 퇴적물 코어의 준비 및 측정 과정 40

4. XRF 코어스캐너를 이용한 국내 시추코어분석연구 현황 44

5. XRF 코어스캐너의 분석결과 보정 45

제4절 문헌조사를 통한 ITRAX 자료의 해상도와 효율성 확인 / 진재화 46

제5절 시추자료와 탄성파 자료의 고해상 비교 / 민건홍 48

1. 서론 48

2. 탄성파탐사자료 취득 48

3. 주상시료 획득 51

제6절 해저 시추기술 정보 구축 / 공기수 61

1. 세계 유명시추선 동향 파악 61

제7절 DP System 현황조사 / 김성필 74

1. 서론 74

2. DP의 기술적 정의 74

3. DP의 조건 및 지침 77

4. DP 교육 78

5. DP 역사와 전망(http://www.imca-int.com, 2009년 10월 31일 게재) 81

6. DP 활용 분야 및 장단점 82

7. DP 활용 선박 예 83

제8절 방향성 시추 정보 구축 / 권이균 86

1. 서론 86

2. 수평시추의 분류 88

3. 수평시추의 역사 92

4. 수평시추의 장점 94

5. 수평시추의 한계 95

6. 수평시추기술 적용사례 98

7. 결론 102

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 103

제1절 목표달성도 103

제2절 관련분야에의 기여도 104

제5장 연구개발결과의 활용계획 105

참고문헌 106

부록 112

CT 원리 및 활용 실습 매뉴얼 작성 114

제출문 116

요약문 118

SUMMARY 122

CONTENTS 126

목차 127

제1장 서론 128

제1절 연구개발의 목적 128

제2절 연구개발의 필요성 128

제3절 연구개발의 내용 및 범위 128

제2장 국내의 기술개발 현황 129

제3장 Computed Tomography 이론 및 검사 매뉴얼 130

제1절 CT의 개념 130

제2절 CT의 기초 이론 138

제3절 CT장치의 하드웨어 156

제4절 CT영상의 재구성 및 기본처리 166

제5절 나선형 CT와 전자선빔 CT 179

제6절 장치의 운영 및 관리 190

제7절 조영제와 CT 194

제8절 기본 CT와 프로토콜 197

제9절 3차원 CT와 혈관조영검사 206

제10절 특수CT검사법 211

제11절 화질 및 장치의 성능관리 219

제12절 장비 운영 및 검사방법 229

제4장 연구개발 목표 달성도 및 대외기여도 251

제5장 연구개발결과의 활용 계획 252

참고문헌 253

세계 유명시추선 현황조사 254

제출문 256

요약문 258

SUMMARY 261

CONTENTS 262

목차 263

제1장 서론 264

1.1절 연구의 필요성 264

1.2절 시추선의 발전과정 265

1.3절 시추선의 개요 266

제2장 국내외 기술개발 현황 269

2.1절 국내 현황 269

2.2절 국외 현황 269

2.3절 국내외 특허 및 현존 기술과의 관련성 270

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 271

3.1절 전세계 시추선 운용현황 271

3.2절 주요 심해 시추선 297

3.3절 시추선 주요기능 및 요소기술 303

제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 318

4.1절 연구개발목표 달성도 318

4.2절 대외기여도 318

제5장 연구개발결과의 활용계획 319

5.1절 결론 319

5.2절 고찰 319

참고문헌 321

Table 3-1-1. x-ray tube의 type별 비교 22

Table 3-1-2. Detector의 종류 및 특징 23

Table 3-1-3. CT를 이용한 해외 코어분석 연구기관 사례 26

Table 3-2-1. DET용 gel을 제작하는 다양한 방법과 각 방법을 통해 측정된 원소 29

Table 3-2-2. 보관온도에 따른 gel 무게 및 함수율 변화 33

Table 3-3-1. Aavaatech XRF core-scanner를 이용하여 퇴적물의 화학성분을 분석할 경우 아래와 같이 전압(kV)과 필터를 선택함 43

Table 3-3-2. XRF core-scanner의 화학성분의 분석한계치 43

Table 3-6-1. 상업용 시추선 현황 65

Table 3-7-1. 국제해사기구가 지정한 DP 시스템 기준기술 등급 및 활용 예시. 위치 및 방위 제어의 상실을 일으키는 주요 오류의 종류는 트러스터, 발전기, 전력 전달체계, 제어 시스템, 위치 기준 시스템, 기준 시스템 등의 고장이다 78

Table 3-7-2. DP 기술의 활용분야; 하단은 새롭게 활용되는 분야들임 (http://www.imca-int.com, 2009년 10월 31일 게재) 83

Table 4-1-1. 당해년도 정성적 목표 및 달성도 103

Table 4-1-2. 당해년도 정량적 목표 및 달성도 104

Fig. 1-1. 국가 에너지 기본계획, 한국지질자원연구원 기본계획에 따른 본 연구과제 설정 흐름도 16

Fig. 1-2. 본 "해저퇴적층 시추 및 코어분석 고도화 기술 개발" 과제의 업무추진 체계. 본 연구에서의 기술 개발은 현재 목적화 되어 추진되고 있는 다양한 기타 사업에 전이되어 각 사업들이 보다 나은 코어분석 자료를 연구할 수 있도록 할 것이다 17

Fig. 3-1-1. 공업용 CT의 조사 방향에 따른 예 (수평조사방식(좌), 수직조사방식(우)) 21

Fig. 3-1-2. X-ray tube 예 21

Fig. 3-1-3. Cone beam CT 구동부 예 22

Fig. 3-1-4. CT 촬영용 퇴적물 코어와 암석 시료 24

Fig. 3-1-5. 코어시료 이미지 비교 25

Fig. 3-1-6. 암석시료 이미지 비교 25

Fig. 3-2-1. DGT Research Ltd.,에 의해 제작되어 판매되는 constrained probe(좌)와 본 연구를 위해 제작된 constrained probe(우) 31

Fig. 3-2-2. 기존 probe의 단점을 보완한 새로의 형태의 constrained probe의 형태 32

Fig. 3-2-3. DET gel probe의 현장실험 모습, Multi-corer를 이용하여 채취된 시료(좌상)에 준비한 probe를 삽입한 후, 24시간 반응시킨다 34

Fig. 3-2-4. 산화-환원환경 변화에 의해 존재형태가 영향을 받는 원소 (Piper and Isaacs, 1996) 35

Fig. 3-2-5. 사중극자 유도결합플라즈마 질량분석기를 이용한 일부 원소의 분석 결과 35

Fig. 3-3-1. XRF 코어 스캐너의 외부와 내부모습. 절개된 시추 퇴적물을 측정하기 위해 선반위에 올려진 모습 38

Fig. 3-3-2. X-ray fluorescence의 원리 39

Fig. 3-3-3. XRF 코어 스캐너의 주요 측정부분 (X-ray 튜브, 검출기, 프리즘) 39

Fig. 3-3-4. XRF 코어 스캐너 내부에 장착된 3-CCD 라인 스캔 카메라와 광원소스 40

Fig. 3-3-5. 3-CCD 라인 스캔 카메라는 1m/2min 속도로 3×2048 픽셀의 고해상도 이미지와 색지수(RGB-Red, Green & Blue, CIE-lab)를 함께 촬영함 41

Fig. 3-3-6. 프리즘 내부에 장착된 슬릿(slit) 사이즈 간격을 조절하여 잘 발달된 엽리층을 정밀하게 분석할 때 퇴적물의 폭(최대 0.1 mm 분석가능)을 조절함 42

Fig. 3-3-7. Winaxil 프로그램을 통해 10kV의 조건에서 측정한 한 지점에서의 화학조성 분석결과를 보여주는 스펙트럼 파일의 예를 보여줌 (박옥분·남승일, 2009) 44

Fig. 3-4-1. ITRAX core scanner 분석결과 예 46

Fig. 3-5-1. 2004년도에 실시한 탄성파탐사 측선도 49

Fig. 3-5-2. 시추 C02와 C03을 통과하는 air-gun 탄성파탐사자료 50

Fig. 3-5-3. 시추 C04를 통과하는 air-gun 탄성파탐사자료 50

Fig. 3-5-4. 시추C06을 통과하는 air-gun 탄성파탐사자료 51

Fig. 3-5-5. 사용된 시추선박 Kan407호 52

Fig. 3-5-6. 진동식 시추기를 내리는 광경 53

Fig. 3-5-7a. 시추시료 C02와 C03의 주상도 55

Fig. 3-5-7b. 시추시료 C04와 C06의 주상도 56

Fig. 3-5-8. 시추 C02와 탄성파탐사자료 해석 비교 57

Fig. 3-5-9. 시추시료 C03과 탄성파탐사자료 해석 비교 58

Fig. 3-5-10. 시추시료 C04와 탄성파탐사자료 해석 비교 58

Fig. 3-5-11. 시추자료 C06과 탄성파탐사료 해석 비교 59

Fig. 3-6-1. Drilling Ship: JOIDES Resolution 62

Fig. 3-6-2. Chikyu drilling ship 65

Fig. 3-7-1. DP 시스템의 기본 요소 (http://www.imca-int.com, 2009년 10월 31일 게재) 75

Fig. 3-7-2. 6개의 자유도를 갖는 선체의 움직임을 나타낸 그림 76

Fig. 3-7-3. 자동위치제어 시스템 중 조정실 부분의 일례 (Kongsberg SIMRAD) 76

Fig. 3-7-4. 동적 위치제어 방식을 채택하고 있는 석유시추선의 일례 77

Fig. 3-7-5. DP 기초교육 과정 안내서의 일례 (http://adriamare.net 2009년 10월 31일 게재) 79

Fig. 3-7-6. 대학에서의 제공하는 일반인 대상의 기초 DP 교육 79

Fig. 3-7-7. DP 고급교육 과정 안내서의 일례 (http://adriamare.net 2009년 10월 31일 게재) 80

Fig. 3-7-8. DP 숙달교육 과정 안내서의 일례(http://adriamare.net 2009년 10월 31일 게재) 80

Fig. 3-7-9. DP 시뮬레이터 장비의 일례 (http://adriamare.net 2009년 10월 31일 게재) 81

Fig. 3-7-10. Ulstein 조선소에서 발행한 DP 시스템 장착 선박 건조이력 증명서 84

Fig. 3-7-11. 작업 중인 제5세대 해상시추선(Discoverer Enterprise)과 지원선(Toisa Perseus); 두 선박 모두 DP를 장착하고 있다 85

Fig. 3-7-12. Scarabeo 5 semi-submersible drilling rig (courtesy of Kongsberg SIMRAD) 85

Fig. 3-8-1. Greater length of producing formation exposed to the wellbore in a horizontal well(A) than in a vertical well(B) (Energy Information Administration, 1993). 86

Fig. 3-8-2. Number of horizontal wells worldwide (Office of Fossil Energy) 87

Fig. 3-8-3. Worldwide distribution of horizontal wells 88

Fig. 3-8-4. Types of horizontal well with its radius 89

Fig. 3-8-5. Short radius curve drilling assembly (Aguilera et al., 1991) 90

Fig. 3-8-6. Typical medium radius well profile (Aguilera et al., 1991) 91

Fig. 3-8-7. Medium radius angle build assembly (Aguilera et al., 1991) 91

Fig. 3-8-8. Application examples (Alberta, Canada and Venezuela) of multilateral production well (Fraija et al, 2002) 93

Fig. 3-8-9. Comparison of horizontal and vertical well costs for Prudhoe Bay, Alaska 95

Fig. 3-8-10. The DrillMap for the planned horizontal well in oil field in Murzuq basin, Libya (Qiu, 2008) 97

Fig. 3-8-11. Worldwide industry extended reach drilling experience plot (Kumud and Bjarne, 2009) 98

Fig. 3-8-12. Number of horizontal wells as drilled formation of 2002 (Joshi, 2003) 100

Fig. 3-8-13. In-situ recovery techniques using horizontal drilling in heavy oil field 101

Fig. 3-8-14. Picture of LWD tool used in horizontal well of heavy oil field and seismic cross section of positioning of horizontal well after drilling 101

I. 제목

해저 퇴적층 시추 및 코어분석 고도화 기술 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

○ 전 세계적으로 심해 유전, 가스하이드레이트, 오일 샌드 등과 같은 비재래 자원에 대한 까다로운 정밀 시추 수요가 급증하고 이를 해결하기 위해 일급 DP Vessel을 사용하고, LWD 기술을 적용하는 등 시추 기술이 최첨단화 하고 있음

○ 국내에서도 2007년 가스하이드레이트 국내 시추 등과 같이 해저자원탐사와 관련 해저 시추 수요가 증대되고 있으나 세계 제일 조선 강국이라는 한국의 이미지와 달리 국내에서는 정밀 작업, 정밀 시추가 가능한 DP Vessel이 전무하며 동 작업은 전적으로 선진국 최첨단 기술에 의존하고 있음

○ 구미 선진국은 2000년대 초반 비파괴 XRF 기술 보급 이후 연이어 ITRAX, CT와 같은 최첨단 장비/기술의 개발 또는 도입으로 코어의 성분, 물성, 구조 등이 비파괴적 방법으로 sub mm 규모에까지 실시되고 있으며 이미 상당 부분의 파괴 분석법의 대체 수단으로 부상하였고, 이러한 첨단 코어 분석 기법을 저류암 정밀 평가, 지구환경변화 정밀추적에 십분 활용하고 있음

○ 본원에서는 XRF 도입으로 초정밀 성분 분석을 수행하고 있으며, 2009년에는 지경부 재원의 "코어 저장고 구축 사업"의 일환으로 ITRAX, CT가 도입될 예정이어서 기기 운용 능력 및 sub mm 이하까지의 구조, 성분, 물성 측정 기술 개발이 시급하며 이와 같이 고도화된 코어 분석 기술을 국내 해저 에너지 자원 탐사에 시급히 제공할 필요가 있음

○ 첨단 시추선/시추기 확보, 관련 운영 기술 자립화, 코어 분석 고도화의 노력은 최근 급증하는 해저 시추 및 코어 정밀 분석 수요에 부응하고 외화 비용 절감을 위해 시의 적절함

III. 연구개발의 내용 및 범위

○ 비파괴 3차원 디지털 코어 분석을 위한 일반형 (의료용) CT 운용기술 확보 및 관련실험

○ 공극수 미세거동 연구용 DET(Diffusive Equilibration in Tin filmes) 제작 및 활용

○ 일반형 XRF를 이용한 mm 단위 코어 성분 분석

○ ITRAX 운용교육을 통한 X-radiography와 XRF sub mm 분석치 비교연구 기반 구축

○ 코어 대 고해상 음파탐사 비교용 최적 음원 도출

○ 전 세계 유명 DP Vessel 현황조사

○ 일급 DP 세부사항 및 운용 정보 구축

○ 방향성 시추 회수율 기술 정보 구축

IV. 연구개발결과

해저코어의 물성과 성분을 비파괴 초고해상 분석하는 기술을 개발하기 위한 일환으로 제1차년도에는 우선 Computed Tomography, X-radiography, X-ray Fluorescence 기술들을 코어분석에 적용해 보았다. 그 와중에 의료용 CT보다는 공업용 CT가 높은 투과력과 고해상도로 퇴적층 및 암석 코어의 분석에 적당하며 대형 시료인 코어가 놓여진 회전축의 안정성이 분석 자료의 질을 절대적 좌우한다는 것을 파악하였다. 그에 따라 봉형인 코어시료를 안정하게 회전시키는 회전판을 개발하고 특허출원하였다. 한편 sub-mm 스케일의 초고해상도로 코어의 물성과 성분을 분석하고 또 상호 비교하기 위해서는 ITRAX와 같은 분석기기를 동원하여 X-radiography와 X-ray Fluorescence를 동시에 측정해야 하는 것을 파악하였다. 특히 이때 측정한 X-radiography는 CT에서의 X-ray tomography 이미지와 바로 대비할 수 있고 또 동일방식으로 XRF 분석치를 바로 대비할 수 있음을 파악하였다.

한편 비파괴 방식의 분석치의 적확성을 검증하기 위하여 파괴식 방식으로의 초고해상 코어분석을 시도하였다. 제1차년도인 올해는 우선 미세구간별로 시료를 획득하여 성분분석을 수행할 수 있는 DET probe를 개발하여 특허 출원하였다.

시추코어 품질을 크게 좌우할 수 있는 시추방법에 대한 정보 구축의 일환으로 시추선, 시추기법, 시추부품에 대한 조사를 실시하였다. 총 1241척의 시추선 정보를 획득하였고 경사시추 기법을 파악하였다.

본 연구를 통하여 코어의 부시료 채취기구를 특허 출원 및 등록하고, 코어캣쳐를 해외출원하는 등 총 7건의 특허 출원/등록과 논문 1편 그리고 유상 기술 자문 4건의 실적을 생산하였다.

V. 연구개발결과의 활용계획

○ 제1차년도 CT 실험분석 결과를 토대로 KIGAM CT hardware/software 구성 및 hardware 구성시 특허 출원품 CT 회전판 활용

○ 영국 NOC ITRAX를 이용한 코어 분석 경험을 KIGAM ITRAX 배치 및 분석 업무 흐름도 구성에 활용

○ 특허출원품 부시료 채취기구 및 DET probe을 추후 파괴식 시료 초고해상 분석에 활용

○ 시추선, 시추기법 및 시추 부품에 관한 정보를 추후 코어 품질 분류 및 분석방법 선택에 활용

○ 시추 코어 회수율 증진을 위해 개발, 해외특허 출원된 코어켓쳐는 특허 등록되면 수요업체에 기술 이전