지열정 시추장치의 의무적인 교체위치의 분석장치 및 분석방법

지열정 시추장치의 의무적인 교체위치의 분석장치 및 분석방법{Device and Method for Analyzing Change time/Position of Geothermal Well Drilling Tool}

본 발명은 지열정(地熱井) 시추장치를 교체해야만 하는 의무적인 교체위치를 자동으로 분석하는 장치와 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지열정 시추장치를 이용하여 지표로부터 지하방향으로 지열정을 하향 굴착함에 있어서, 설계시부터 정해진 지열정 시추장치의 교체위치에 더하여, 실제 지반의 상태, 지열정의 시추속도, 지열정 시추장비의 상태를 고려한 추가적인 지열정 시추장비의 교체위치에 대한 정보를 자동적으로 생성하여 지열정 관련주체에게 제공함으로써, 지열정 관련주체가 지열정의 시공을 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 지열정 시추장치의 의무적인 교체위치 분석장치 및 분석방법에 관한 것이다.

근래에 들어, 기존 화석연료 및 원자력에 의존한 전기생산이 한계를 보이면서, 이를 대체할 수 있는 다양한 방식의 대체에너지 개발이 시급하게 요구되고 있으며, 최근에는 이러한 요구에 부응하여 지열발전에 대한 연구가 폭 넓게 진행되고 있다.

통상적으로 이러한 지열발전은 지구 자체의 열 에너지를 이용하기 때문에, 지역적 격차가 거의 없고, 발전에 따른 부작용 역시 거의 없는 큰 장점을 가진다. 예를 들어, 한국 신·재생에너지학회 2007년도 추계학술논문집 pp533~537 <지열정 굴착기법과 환경영향>(논문저자: 정재형, 장용진)에는 이러한 종래의 기술에 따른 지열발전 관련내역이 좀더 상세하게 개시되어 있다.

한편, 지열발전은 지구의 열을 직접 또는 간접으로 이용하기 때문에, 이러한 지열발전을 정상 구현하기 위해서는 지표로부터 지하로 수㎞까지 파 내려가는 지열정(地熱井)의 시추작업이 필수적으로 시행되어야 한다.

이러한 지열정을 정상적으로 시추하기 위해서는 지표를 지하방향으로 하향 굴착하기 위한 지열정 시추장치를 이용한다. 대한민국 등록특허 제10-1009553호에는 지열정 시추장치의 일예로서 시추용 드릴 비트가 개시되어 있다. 이와 같이 지열정 시추장치를 이용하여 지열정을 굴착함에 있어서, <지열정 시추장치를 어느 위치에서 교체하는 것이 적절한 것인지>를 결정하는 것은 전체적인 지열정 시공의 성패를 결정짓는데 있어서 매우 중요한 변수로 작용할 수밖에 없게 된다. 지열정 시추장치(Geo-thermal Well Drilling Tool/ 이하, "WDT"라고 약칭함)는 시추비트와, 이러한 시추비트를 지지하는 지지파이프를 포함하여 구성되는데, WDT를 교체하기 위해서는 WDT를 이루는 구성품을, 시추되고 있는 지열정을 따라 상하로 운송해야 할 뿐만 아니라. 각 구성품을 해체하고 조립하는 과정을 수행하여야 하며, 이를 위해서는 많은 인력과 큰 비용이 소요된다. 따라서 지열정을 시추하는 공사에 소요되는 공사비를 줄이고 공기를 단축하려면 WDT를 교체하는 위치를 적절하게 결정하는 것이 매우 중요한 것이다.

그러나 종래에는 <WDT를 어느 위치에서 교체하는 것이 적절한 것인지>에 대한 정보를 여러 요인에 따라 정밀하게 분석하여 제공해 줄 수 있는 구체적인 수단이 전혀 구비되어 있지 아니하였기 때문에, 종래에는, 단순히 지열정 관련주체(예컨대, 지열정 시공주체, 지열정 시공 의뢰주체, 지열정 관리주체 등) 측에서 WDT의 교체위치를 임의로 선택할 수밖에 없었으며, 결국 그에 따른 각종 유/무형의 피해를 고스란히 감수할 수밖에 없었다.

본 발명의 목적은 지열정 시추장치를 이용하여 지표로부터 지하방향으로 지열정을 하향 굴착함에 있어서, 설계시부터 정해진 지열정 시추장치의 교체위치에 더하여, 실제 지반의 상태, 지열정의 시추속도, 지열정 시추장치의 상태를 고려한 추가적인 지열정 시추장치의 교체위치에 대한 정보를 자동적으로 생성하여 지열정 관련주체에게 제공함으로써, 지열정 관련주체가 지열정의 시공을 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있게 만드는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 유/무선 온라인망을 매개로 지열정 관련주체 정보처리기기 및 프로세스 기반정보 제공 서버와 통신하면서, 프로세스 기반정보를 토대로 하여, 시추비트 및 시추비트 지지파이프로 구성된 지열정 시추장치(WDT)의 교체위치를 분석하는 WDT 교체위치 분석장치로서, 상기 프로세스 기반정보를 이용하여, 설계시부터 이미 설정되어 있던 WDT의 기본 설계 의무교체위치를 각 구간의 경계로 하는 시추진행구간(DES)을 설정하는 DES 설정모듈과; 상기 프로세스 기반정보를 판독하여, 상기 DES에 대한 시추비트의 시추속도 및 시추비트의 가용한계회전시간을 산출하는데 이용되는 각 DES별 WDT 교체 결정변수를 추출하는 DES별 교체 결정변수 처리모듈과; 각 DES에 대해, 지반 강도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 지반 정규압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 지반 하부압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 시추 공 압력차가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 시트비추 길이 및 중량이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 시추비트 회전속도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 시추비트 마모정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값, 및 시추용액의 압력이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값을 각각 산출한 후, 상기 합수값들을 모두 곱하여, 각 DES에 대한 시추비트의 시추속도를 산출하는 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈과; 각 DES에 대한 시추비트 가용한계회전시간(LT)을 산출하는 DES별 시추비트 가용한계회전시간 산출모듈과; DES별 시추비트 시추속도와 DES별 시추비트 가용한계회전시간을 각각 곱하여 각 DES에 대한 지열정 시추가능길이를 산출하는 DES별 지열정 시추가능길이 산출모듈과; 각 DES에 대해 지열정 시추가능 깊이(K)를 산정하고, 산정된 지열정 시추가능 깊이와, 해당 구간의 종점이 위치하는 깊이를 비교하여, 상기 지열정 시추가능 깊이가 해당 구간의 종점(EG)이 위치하는 깊이보다 얕을 경우에는, 상기 지열정 시추가능 깊이의 위치를 WDT의 추가 의무교체위치로 산출하고, 상기 지열정 시추가능 깊이가 해당 DES 구간의 종점(EG)이 위치하는 깊이와 동일하거나 또는 그보다 깊을 경우에는, 해당 DES 구간의 종점 위치를 WDT의 추가 의무교체위치로 산출하는 DES별 WDT 추가 의무교체위치 산출모듈과; 상기 DES별 WDT의 추가 의무교체위치가 반영된 DES별 WDT 교체위치 보고정보를 생성하고, 생성된 DES별 WDT 교체위치 보고정보를 상기 지열정 관련주체 정보처리기기로 전송하는 DES별 WDT 교체위치 보고모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 WDT 교체위치 분석장치가 제공된다.

또한 본 발명에서는 이러한 WDT 교체위치 분석장치를 이용하여 WDT 교체위치를 분석하는 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 설계적인 사항으로 미리 정해진 WDT의 기본 의무교체위치에 더하여, 실제 지반의 상태, 지열정의 시추속도, 지열정 시추장비의 상태를 고려한 DES별 WDT 추가 의무교체위치를 알게 되고, 이에 근거하여 실제 DES별 WDT 교체위치를 합리적으로 판단/선택할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, WDT의 교체를 효율적으로 수행할 수 있게 되어, 지열정 시추/굴착공사에 소요되는 비용과 시간을 최적화할 수 있고, 그에 따라 시공효율성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치의 세부적인 구성을 개념적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치의 세부적인 기능수행절차를 개념적으로 도시한 예시도이다.
도 3은 지반에 지열정이 시추되어 있는 형상과 DES 구분을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치의 세부적인 기능수행절차를 개념적으로 도시한 예시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1에는 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치의 세부적인 구성을 개념적으로 보여주는 예시도(개념도)가 도시되어 있는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 지열정(地熱井)을 정상적으로 시추하기 위해서는, 지표로부터 지하방향으로 하향 굴착하기 위한 WDT(10)를 이용한다. 여기서 WDT(10)는, 이빨(12a)이 구비된 시추비트(12) 및 상기 시추비트(12)를 지지하는 시추비트 지지파이프(11)를 포함하는 구성을 가지며, 상기 WDT(10)를 이용하여 시추용액의 공급에 맞추어 일련의 시추공 시추/굴착 공정을 진행하게 된다.

이와 같이 WDT(10)를 이용하여 지열정을 시추함에 있어서, 유/무선 온라인망(3)에 접속 중인 지열정 관련주체 정보처리기기(1), 프로세스 기반정보 제공 서버(2) 등의 통신라인 내에 WDT(10)의 적정 교체위치에 대한 정보를 자동으로 제공해줄 수 있는 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치(100)를 추가 설치하게 되고, 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석방법을 수행하게 된다. 이러한 본 발명의 WDT 교체위치 분석장치(100)는, 지열정 관련주체 정보처리기(1), 프로세스 기반정보 제공 서버(2) 등의 프로그램 블록 내에 프로그램의 형태로 설치될 수도 있다. 여기서, "지열정 관련주체"는 지열정을 시공하는 회사나 기관(구체적으로는 그에 소속된 인력), 또는 지열정의 시공을 의뢰한 기관이나 개인 또는 회사, 또는 지열정을 관리하는 기관이나 회사 등을 의미하며, "지열정 관련주체 정보처리기기(1)"는 예를 들면, 이러한 지열정 관련주체에 의해 운영되는 노트북, 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 정보처리기기를 의미한다. 또한 상기 프로세스 기반정보 제공 서버(2)는 예를 들면, 지열정 관련주체 측에 의해 운영되면서, 지열정 시공/시추와 관련된 각종 기반정보들을 저장/제공/관리하는 서버급 컴퓨터일 수 있다.

본 발명의 WDT 교체위치 분석장치(100)는, 인터페이스 모듈(102); 유/무선 온라인망(3)을 통하여 지열정 관련주체 정보처리기(1) 및 프로세스 기반정보 제공 서버(2)와 통신을 취하면서, WDT 교체위치의 분석절차를 전체적으로 총괄 제어하는 WDT 교체위치 분석 제어모듈(101); 상기 WDT 교체위치 분석 제어모듈(101)의 제어 하에 놓인 프로세스 기반정보 처리모듈(103); DES 설정모듈(104); DES별 WDT 교체 결정변수 처리모듈(105); DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106); DES별 WDT 교체위치 보고모듈(107); DES별 시추비트 마모한계 기준값 저장모듈(108); DES별 시추비트 가용한계회전시간 산출모듈(109); DES별 지열정 시추가능깊이 산출모듈(110); 및 DES별 WDT 교체위치 산출모듈(111)을 포함하여 구성된다.

도 2에는 본 발명에 따른 WDT 교체위치 분석장치의 세부적인 기능수행절차가 개념적으로 도시되어 있다. 우선 프로세스 기반정보 처리모듈(103)에서는, 인터페이스 모듈(102) 및 유/무선 온라인망(3)을 통하여, 지열정 관련주체 정보처리기(1) 및 프로세스 기반정보 제공 서버(2)로부터 애초에 지열정을 설계할 때부터 WDT 교체와 관련하여 미리 수집해두었던 정보를 취득/접수하고, 취득/접수 완료된 정보를 자신의 정보저장영역에 안정적으로 저장 관리함으로써, 본 발명에 따른 일련의 WDT 교체위치 분석절차가 별다른 어려움 없이 정상적으로 진행될 수 있도록 보조하는 역할을 수행하게 된다.

지표로부터 지반을 향하여 시추되는 지열정은 지표로부터 지반으로 가면서 그 직경이 계단식으로 줄어들게 된다. 도 3에는 지반에 지열정이 시추되어 있는 형상과 후술하는 DES 구분을 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다.

도 3에 예시된 것처럼 지표에서의 지열정 직경이 R1이라고 하면, 지표로부터 소정 깊이만큼 시추된 위치에서의 지열정 직경은 R1보다 작은 직경의 R2가 되며, 상기 직경이 R2인 영역이 끝나는 지점에서부터 다시 지반으로는 지열정 직경이 R2보다 작은 R3의 직경으로 소정 깊이만큼 시추되는 형태로 지열정이 형성되는 것이다. 이렇게 지열정의 직경이 변화되는 위치에서는 반드시 WDT를 교체하도록 설계된다. 또한 도 3에 예시된 것처럼, 지열정의 깊이에 따라 지반의 암질이나 토질이 달라질 수 있다. 이렇게 지반의 암질이나 토질이 달라지는 위치에서도 반드시 WDT를 교체하도록 설계된다. 이에 더하여 지열정을 설계하는 주체의 의도에 따라 반드시 WDT를 교체하여야만 하는 위치를 설계시에 미리 추가로 더 선정해둘 수도 있다. 이렇게 설계하는 주체가 선정해둔 위치가 도 3에서는 P1과 P2로 표시되어 있다.

편의상 본 명세서에서는 이와 같이 애초에 지열정을 설계할 때부터 WDT를 의무적으로 교체하도록 정해둔 위치를 "WDT의 기본 의무교체위치"라고 명명한다. 따라서 WDT의 기본 의무교체위치는, 지열정의 직경이 변화되는 지점과, 암질 또는 토질이 달라지는 지점, 및 설계자가 임의로 지정해둔 지점이 되며, 이러한 WDT의 기본 의무교체 위치는 설계할 때부터 이미 알고 있는 정보이다.

이와 같이, 지열정을 시공하기 전에 이미 설계적인 사항으로서, WDT의 기본 의무교체위치가 정해져 있는 바, 본 명세서에서는 편의상 WDT의 기본 의무교체위치와 관련하여 설계시에 미리 설정해둔 기지의 정보(지반의 암질 또는 토질에 대한 정보, 지열정의 직경, 설계자가 임의로 지정해둔 WDT 교체지점의 위치 정보 등)를 "프로세스 기반정보"라고 명명한다.

앞서 언급한 것처럼, 프로세스 기반정보 처리모듈(103)에서는, 지열정 관련주체 정보처리기(1) 및 프로세스 기반정보 제공 서버(2)와 통신하여, 프로세스 기반정보를 취득/접수하고 저장/관리하게 되는 것이다.

DES 설정모듈(104)에서는 상기 프로세스 기반정보 처리모듈(103)과 통신을 취하면서, 상기 프로세스 기반정보 처리모듈(103)의 정보저장영역에 이미 저장되어 있던 프로세스 기반정보를 판독한 후, 판독된 정보를 토대로 일련의 공지된 정보설정 루틴을 진행시켜, WDT의 기본 설계 의무교체위치를 각 구간의 경계로 하는 시추진행구간(Drilling Expected Section of geothermal/본 명세서에서는 이를 "DES"라고 약칭함)을 설정하는 작업을 수행하게 된다(도 2 및 도 3 참조). 앞서 설명한 것처럼, 설계시에 정해둔 기지의 프로세스 기반정보에 의해 WDT의 기본 의무교체위치가 정해져 있게 되는데, 각각의 WDT의 기본 의무교체위치를 구간의 경계로 삼아서, 지열정을 복수개의 시추진행구간 즉, 복수개의 DES로 구분하는 작업을 DES 설정모듈(104)이 수행하는 것이다. 따라서 도 3에 예시된 경우처럼, 전체 지열정은 WDT의 기본 설계 의무교체위치를 각 시추진행구간의 경계로 하여 S1, S2, S3...로 복수개의 DES가 구획되어 설정되는 것이다.

DES의 설정이 완료되면, DES별 WDT 교체 결정변수 처리모듈(105)에서는, 프로세스 기반정보 처리모듈(103), DES 설정모듈(104) 등의 다른 모듈과 통신하여, 프로세스 기반정보, DES 등을 판독한 후, 이를 토대로 일련의 공지된 방식의 정보추출 루틴을 진행시켜, 각각의 DES에 대해, "WDT 교체 결정변수"를 추출하는 절차를 진행하게 된다(도 2 참조).

여기서 "WDT 교체 결정변수"는, 종국적인 WDT의 의무교체위치를 결정하기 위하여, 시추비트(12)의 시추속도 및 시추비트(12)의 가용한계회전시간을 산출하는데 이용되는 것으로서, 구체적으로 에뉼러 속도 값(Annular velocity value), 에뉼러 압력손실 값(Annular pressure loss value), 등가순환 밀도 값(Equivalent circulating Mud density value at the bottom hole), 시추속도 영향계수, 시추비트 이빨 마모변수(Tooth wear parameter), 지반 마모상수(Formation abrasiveness constant), 시추비트 단위 길이 당 예상 하중 값(Predict weight on bit per diameter) 및 시추비트 예상 회전속도(Predicted rotary speed)를 의미한다.

여기서, 에뉼러 속도 값은 에뉼러 공간(시추공 내부에서 시추용액이 순환하는 공간)에서 시추용액이 순환하는 속도 값을 의미하며(도 1 참조), 에뉼러 압력손실 값은 시추용액이 에뉼러를 통해 순환할 때 마찰로 인해 손실되는 압력의 값을 의미하고, 등가순환 밀도 값은 상기 에뉼러 압력손실 값 및 시추용액의 중량을 고려할 때 시추용액이 최적의 순환을 이루기 위하여 가져야 할 단위 부피 당 중량 값을 의미한다. 시추속도 영향계수는 후술하는 DES별 시추속도의 산정을 위하여 필요한 계수인데, 보고인-영 모델이론(Bourgoyne-Young model theory)에 의해 실제 현장의 시추데이터를 기반으로 제시된 공지의 표준 값이다.

시추비트 이빨 마모변수는 과거에 누적된 시추데이터를 기반으로 유사한 환경에서의 시추비트(12)의 이빨(12a)이 마모되는 정도를 상수화한 값을 의미한다. 지반 마모상수는 과거 누적된 시추데이터를 기반으로 특정 지반이 시추비트(12)의 마모에 영향을 주는 정도를 시간 단위로 상수화한 값을 의미한다. 시추비트 단위 길이 당 예상 하중 값은 시추비트(12)에 가해질 것으로 예상되는 하향 하중의 크기 값을 의미한다. 시추비트 예상 회전속도는 시추비트(12)의 예상 회전속도를 의미한다.

상술한 절차를 통해, 에뉼러 속도 값, 에뉼러 압력손실 값, 등가순환 밀도 값, 시추속도 영향계수, 시추비트 이빨 마모변수, 지반 마모상수, 시추비트 단위 길이 당 예상 하중 값 및 시추비트 예상 회전속도로 이루어진 WDT 교체 결정변수가 각각의 DES별로 추출 완료되면, DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 프로세스 기반정보 처리모듈(103), DES별 교체 결정변수 처리모듈(105) 등의 다른 모듈과 통신을 취하여, WDT의 시추속도에 대한 가중치에 해당하는 함수값을 산정하게 된다. 도 4에는 이에 대한 개략적인 개념도가 도시되어 있는데, 구체적으로 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 각각의 DES에 대해, 지반 강도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Formation strength function value)(F1), 지반 정규압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Formation normal compaction function value)(F2), 지반 하부압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Formation under compaction function value)(F3), 시추 공 압력차가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Pressure differential of hole bottom function value)(F4), 시트비추 길이 및 중량이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Bit diameter and weight function value)(F5), 시추비트 회전속도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Bit rotary speed function value)(F6), 시추비트 마모정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Tooth wear function value)(F7), 및 시추용액의 압력이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(Hydraulic function value)(F8)을 각각 산출하는 절차를 진행하게 된다.

구체적으로 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 하기의 수학식 1에 의해 각 DES에 대해 지반 강도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F1)을 산출하게 된다.

상기 수학식 1에서 F1은 지반강도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, a1은 지반강도에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 하기의 수학식 2에 의해 각 DES에 대해 지반 정규압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F2)을 산출하게 된다.

상기 수학식 2에서, F2는 지반 정규압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, D는 지열정의 예정깊이이다. 상기 수학식 2의 지수에 기재된 a2는 지반의 정규압밀 정도에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 3에 의해 각 DES에 대해 지반 하부압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F3)을 산출하게 된다.

상기 수학식 3에서 F3은 지반 하부압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, g _p 는 지반 간극압의 변화도이며, D는 지열정의 예정깊이이다. 수학식 3의 지수에 기재된 a3은 지반 하부압밀 정도에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 4에 의해 각 DES에 대해, 시추 공 압력차가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F4)을 산출하게 된다.

상기 수학식 4에서 F4는 시추 공 압력차가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, g _p 는 지반 간극압의 변화도이며, D는 지열정의 예정깊이이고, p _c 는 등가순환밀도이다. 수학식 4에서 지수에 기재된 a4는 시추공 내 압력의 차에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 5에 의해 각 DES에 대해, 시트비추 길이 및 중량이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F5)을 산출하게 된다.

상기 수학식 5에서 F5는 시트비추 길이 및 중량이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고,

_b 는 시추비트의 직경을 의미한다. 수학식 5의 지수에 기재된 a5는 시추비트의 단위 직경 당 작용하중에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 6에 의해 각 DES에 대해, 시추비트 회전속도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F6)을 산출하게 된다.

상기 수학식 6에서 F6은 시추비트 회전속도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, N은 설계사항으로 주어지는 시추비트 예상 회전속도이다. 수학식 6의 지수에 기재된 a6은 시추비트의 회전속도에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

또한, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 7에 의해 각 DES에 대해, 시추비트 마모정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F7)을 산출하게 된다.

상기 수학식 7에서, F7은 시추비트 마모정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, h _f 는 설계시 설정된 시추비트의 마모한계 기준값이다. 수학식 7의 지수에 기재된 a7은 시추비트의 마모도에 따른 시추속도 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

더 나아가, 상기 DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 수학식 8에 의해 각 DES에 대해, 시추용액의 압력이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F8)을 산출하게 된다.

상기 수학식 8에서 F8은 시추용액의 압력이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값이고, p는 시추용액의 밀도이며, q는 설계사항으로 주어지는 시추용액 공급 펌프의 출력 값이고, μ는 설계사항으로 주어지는 시추용액의 겉보기 점도이며, d _n 은 설계사항으로 주어지는 시추비트의 노즐 직경이다. 수학식 8의 지수에 기재된 a8은 시추용액의 압력에 따른 시추비트 영향계수로서, 공지된 이론에 의해 제시된 기지의 값을 이용한다.

이렇게 하여 각 DES에 대해, 지반 강도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F1), 지반 정규압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F2), 지반 하부압밀정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F3), 시추 공 압력차가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F4), 시트비추 길이 및 중량이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F5), 시추비트 회전속도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F6), 시추비트 마모정도가 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F7), 및 시추용액의 압력이 시추속도에 영향을 주는 정도를 보여주는 가중치 함수값(F8)의 산출이 완료되면, DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(106)에서는 상기 F1부터 F8의 각 함수값을 모두 곱하여 각 DES에 대한 시추비트(12)의 시추속도(즉, S1에 대한 시추비트(12)의 시추속도, S2에 대한 시추비트(12)의 시추속도, S3에 대한 시추비트의 시추속도‥‥)를 산출하게 된다. 즉, DES별 시추비트 시추속도 산출모듈(105)에서는, 각 DES에 대해 이미 산출하였던 F1부터 F8의 각 함수값을 모두 곱하여 이를 해당 DES의 시트비트 시추속도로 삼게 되는 것이다.

한편, 상술한 절차를 통해, 각 DES에 대한 시추비트(12)의 시추속도가 산출되는 상황에서(또는, 이와 독립적으로), DES별 시추비트 가용한계회전시간 산출모듈(109)에서는 프로세스 기반정보 처리모듈(103), DES 설정모듈(104), DES별 교체 결정변수 처리모듈(105), DES별 시추비트 마모한계 기준값 저장모듈(108) 등과 통신을 취하여, 이들에 의해 저장/처리되어 있던 정보를 판독하는 절차를 진행하게 된다(도 3 참조).

이때, DES 별 시추비트 마모한계 기준값 저장모듈(108)에는 예를 들어 "S1-12.5%"라는 형태의 정보가 저장되어 존재할 수 있는데, 상기 S1-12.5%라는 것은 <DES 중 S1 구간에서는 시추비트(12)가 12.5% 마모되었을 때, 그 값이 마모한계 기준값이다>는 것을 의미하게 되며, S2-25%는 <DES 중 S2 구간에서는 시추비트(12)가 25% 마모되었을 때, 그 값이 마모한계 기준값이다>는 것을 의미하게 되고, S3-50%는 <DES 중 S3 구간에서는 시추비트(12)가 50% 마모되었을 때, 그 값이 마모한계 기준값이다>는 것을 의미하게 된다.

프로세스 기반정보 처리모듈(103), DES 설정모듈(104), DES별 교체 결정변수 처리모듈(105), DES 별 시추비트 마모한계 기준값 저장모듈(108) 등에 의해 저장/처리되어 있던 정보들이 판독 완료되면, DES별 시추비트 가용한계회전시간 산출모듈(109)에서는 각 값들을 수학식 9에 대입하여 이를 통해, 각 DES에 대해 시추비트(12)의 가용한계회전시간(LT)(즉, DES 중 S1 구간에서의 시추비트(12)의 가용한계회전시간, S2 구간에서의 시추비트(12)의 가용한계회전시간, S3 구간에서의 시추비트(12)의 가용한계회전시간‥‥)을 산출하는 절차를 진행하게 된다.

상기 수학식 9에서 LT는 시추비트(12)의 가용한계회전시간이고, J ₂ 는 설계값으로 주어지는 시추비트 이빨 마모변수이며, τ _h 는 설계값으로 주어지는 지반마모상수이고, h _f 는 설계값으로 주어지는 시추비트의 마모한계 기준값이며, H ₂ 는 시추비트의 유형에 종속된 상수로서, 이 역시 설계값으로 주어지는 것이다.

상술한 절차를 통해, 각 DES에 대한 시추비트(12)의 시추속도, 각 DES에 대한 시추비트(12)의 가용한계회전시간 등이 산출 완료되면, DES별 지열정 시추가능길이 산출모듈(110)에서는 <각 DES에 대한 시추비트(12)의 시추속도>와 <각 DES에 대한 시추비트(12)의 가용한계회전시간>을 서로 곱하여 각 DES에 대한 지열정 시추가능길이(즉, DES의 S1 구간에 대한 지열정 시추가능 길이, S2 구간에 대한 지열정 시추가능 길이, S3 구간에 대한 지열정 시추가능길이‥‥)를 산출하는 절차를 진행하게 된다.

이렇게 하여 각 DES에 대해 지열정 시추가능길이가 산출 완료되면, DES별 WDT 추가 의무교체위치 산출모듈(111)에서는, 각각의 DES에 대해, DES의 해당 구간에서 산정된 지열정 시추가능 길이에 DES의 해당 구간의 시점 깊이를 더하여 해당 구간에서의 지열정 시추가능 깊이(K)를 산정하고, 산정된 지열정 시추가능 깊이와, 해당 구간의 종점이 위치하는 깊이를 비교하여, 상기 지열정 시추가능 깊이가 해당 구간의 종점(EG)이 위치하는 깊이보다 얕을 경우에는, 상기 지열정 시추가능 깊이의 위치를 "WDT의 추가 의무교체위치"로 삼는 작업을 수행하게 된다(도 3 참조).

예를 들어, DES의 S2 구간에서, 상술한 과정에 의해 지열정 시추가능 길이를 산출하게 되면, 지표로부터 상기 S2 구간의 시점까지의 길이 즉, S2 구간의 시점 깊이에, 산출된 지열정 시추가능 길이를 더하여, S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이를 산정한다. 그리고 S2 구간의 종점 깊이 즉, S2 구간의 종점이 위치하는 깊이(지표면으로부터의 깊이)와, 상기 S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이를 비교하여, S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이가 S2 구간의 종점 깊이 보다 더 얕은 경우 즉, 지표로부터 더 가까운 곳에 위치하는 경우에는 상기 S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이에 해당하는 위치를 WDT를 교체하여야만 하는 위치로 더 추가하여, "WDT의 추가 의무교체위치"로 삼게 되는 것이다.

반면에 상기 지열정 시추가능 깊이가 해당 구간의 종점이 위치하는 깊이와 동일하거나 또는 그보다 깊을 경우에는, 해당 구간의 종점 위치를 "WDT의 추가 의무교체위치"로 삼는 작업을 수행하게 된다(도 3 참조). 즉, 앞서 예시한 것처럼, DES의 S2 구간에서, S2 구간의 종점 깊이와, 상기 S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이를 비교하여, S2 구간에서의 지열정 시추가능 깊이가 S2 구간의 종점 깊이와 동일하거나 그 보다 더 깊은 경우 즉, 지표로부터 더 먼 곳에 위치하는 경우에는 상기 S2 구간의 종점 깊이의 위치를, WDT를 교체하여야만 하는 위치로 더 추가하여, "WDT의 추가 의무교체위치"로 삼게 되는 것이다.

상술한 절차를 통해, 각 DES에 대한 WDT 추가 의무교체위치 정보(즉, DES의 S1 구간에 대한 WDT의 추가 의무교체위치 정보, DES의 S2 구간에 대한 WDT의 추가 의무교체위치 정보, DES의 S3 구간에 대한 WDT의 추가 의무교체위치 정보 등)가 산출 완료되면, DES별 WDT 교체위치 보고모듈(107)에서는 판독 정보가 표/이미지/문자/영상 등으로 반영된(즉, 각 DES별 WDT(10)의 추가 의무교체위치가 표/이미지/문자/영상 등으로 반영된) DES별 WDT 추가 의무교체위치 보고정보를 생성하는 절차를 진행하게 된다(도 4 참조).

이렇게 하여, 각 DES별 WDT(10)의 추가 의무교체위치 보고정보가 생성 완료되면, DES별 WDT 교체위치 보고모듈(107)에서는 인터페이스 모듈(102), 유/무선 온라인망(3) 등을 매개로 지열정 관련주체 정보처리기기(1)와 통신을 취하여, 상기 DES별 WDT 추가 의무교체위치 보고정보를 지열정 관련주체 정보처리기기(1)로 전송하는 절차를 진행하게 되며, 결국, 이를 살펴본 지열정 관련주체에서는, 앞서 설계적인 사항으로 미리 정해진 WDT의 기본 의무교체위치에 더하여, 실제 지반의 상태, 지열정의 시추속도, 지열정 시추장비의 상태를 고려한 상기 DES별 WDT 추가 의무교체위치를 알게 되고, 이에 근거하여 실제 DES별 WDT 교체위치를 합리적으로 판단/선택할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, WDT의 교체를 효율적으로 수행할 수 있게 되어, 지열정 시추/굴착공사에 소요되는 비용과 시간을 최적화할 수 있고, 그에 따라 시공효율성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

이러한 본 발명은 특정 분야에 국한되지 아니하며, 시추작업에 대한 분석이 필요한 여러 분야에서, 전반적으로 유용한 효과를 발휘한다.

그리고 앞에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명되고 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구의 범위 안에 속한다고 보아야 할 것이다.

1: 지열정 관련주체 정보처리기기
2: 프로세스 기반정보 제공 서버
3: 유/무선 온라인망
10: WDT
11: 시추비트 지지파이프
12: 시추비트
12a: 시추비트의 이빨
100: WDT 교체위치 분석장치
101: WDT 교체위치 분석 제어모듈
102: 인터페이스 모듈
103: 프로세스 기반정보 처리모듈
104: DES 설정모듈
105: DES별 교체 결정변수 처리모듈
106: DES별 시추비트 시추속도 산출모듈
107: DES별 WDT 교체위치 보고모듈
108: DES별 시추비트 마모한계 기준값 저장모듈
109: DES별 시추비트 가용한계회전시간 산출모듈
110: DES별 지열정 시추가능길이 산출모듈
111: DES별 WDT 추가 의무교체위치 산출모듈