지열시추프로젝트의 성능정보 모델링을 위한 프로젝트관리체계 구축
이승수1)· 김광염1)* · 송윤호2)
Project Control System for Performance Information Modeling of Geothermal Well Construction
Seung Soo Lee, Kwang Yeom Kim
*and Yoonho Song
Abstract : Geothermal energy is emerging source of energy to be developed since it is abundant and uninterruptible, and can provide a stable baseload form of energy diversifying the nation’s renewable portfolio.
To demonstrate the applicability of geothermal power plant in Korea, the first proof of concept project has launched for geothermal power generation by enhanced geothermal system (EGS). Drilling in geothermal project needs to be systematically designed and managed considering various information about previous cases in terms of cost and process management because it has lots of uncertainties which may lead to unexpected risks. For countries who have little experience of geothermal project, it is particularly important to make management plan for upcoming process based on previous performance data to minimize trial and error risk. In this study, we developed project control system for geothermal drilling project to systematize drilling performance information in terms of consistency and efficiency. In addition, implementation of developed project control system and information structure to actual geothermal project site is introduced including performance modelling related to cost and duration.
Key words : Geothermal project, Drilling, Project control system, Performance modelling
요 약 : 지열은 부존량이 무한하고, 다른 요인에 영향을 받지 않으며, 공급이 지속가능하여 국가 에너지 포트폴 리오를 다양화 할 수 있는 주목받는 에너지원이다. 국내에서도 아시아 최초로 인공 지열저류층 생성방식의 지열 프로젝트연구를 착수하여 진행 중에 있다. 지열프로젝트의 시추공사는 불확실성을 가진 영향요소가 다분하게 반영되고, 시공리스크가 크기 때문에 과거의 공정 및 비용에 대한 정보를 충분히 고려하여 이를 감안한 체계적인 관리를 수행하여야 한다. 특히, 국내와 같이 지열시추공사의 수행경험이 부족한 경우, 전 단계에서 수행되었던 성능정보를 바탕으로 향후 진척될 공정에 대한 계획을 수립하고 대비하여야 시행착오를 최소화할 수 있을 것이 다. 본 연구에서는 지열시추프로젝트를 대상으로 시추성능정보를 일관성 있고 효율적으로 모델링하기 위한 프로 젝트관리체계를 개발하고 정보화구조를 설계하였다. 또한, 현재 수행되고 있는 지열시추프로젝트에 구축된 프로 젝트관리체계와 정보화구조를 활용하여 비용과 일정에 관계된 성능 모델링을 수행하였다.
주요어 : 지열프로젝트, 시추, 프로젝트관리체계, 성능 모델링
2013년 7월 26일 접수, 2013년 8월 14일 심사완료 2013년 8월 16일 게재확정
1) 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실 2) 한국지질자원연구원 지구환경연구본부 지열자원연구팀
*Corresponding Author(김광염) E-mail; [email protected]
Address; Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Construction Technology, Korea
ISSN 2288-2790(online) http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2013.50.4.557
서 론
연구의 배경 및 목적
최근, 전 세계적으로 화석에너지 고갈에 대한 우려 및 환경에 대한 관심이 집중되면서 조력, 풍력, 태양광 및 지열 등 친환경 재생에너지 기술의 상용화와 상업적 경 쟁력 확보를 위한 노력이 경주되고 있다. 이러한 친환경 에너지 생산방식 중에서 지열발전은 조력, 풍력, 태양광 등 기타 에너지 생산방식과 달리, 발전시스템을 한번 구 축하고 나면, 계절과 날씨 등에 영향을 받지 않고 일 년 365일 하루 24시간 전력을 생산할 수 있어 기저부하를 연구논문
Fig. 1. Research strategy.
담당할 수 있는 유일한 방법이라 할 수 있다. 이러한 장 점을 바탕으로 1980년대 이후 전 세계에서 생산하는 지 열발전 용량은 급격하게 증가하는 추세를 보이고 있다.
2010년을 기준으로 전 세계적으로 10.7 GW 용량의 지 열발전소가 가동되고 있으며(Bertani, 2010), 인공 지열 저류층 생성기술(enhanced geothermal system; 이하 EGS) 의 보급을 통해 2050년까지 전 세계적으로 200 GW의 지열발전이 가능할 것으로 전망하고 있다(International energy agency, 2011). 국내에서도 지열발전기술의 도입에 대한 필요성을 인식하여 지난 2010년 12월 연구단을 구성하 여 “MW급 지열발전 상용화 기술개발”이라는 연구목표 와 함께 아시아 최초로 EGS 방식의 지열프로젝트를 착 수하였다.
여타 대형 건설프로젝트와 같이 지열프로젝트의 성능 을 결정하는 비용 및 일정에 대한 관리는 과거의 사례에 대한 성능정보데이터를 바탕으로 수행되어야 시행착오 를 최소화할 수 있고, 효율적인 프로젝트를 보장할 수 있 다. 특히, 지열시추프로젝트는 라운드 트립(round trip) 과 같이 공사 중 불확실성을 가진 공정요소가 이산적 (discrete)으로 개입하고, 파이프 협착(stuck pipe), 드릴 스트링의 비틀림(twist off) 등 다수의 문제인자가 다분 하게 발생되기 때문에 더욱 중요시 되는 부분이다. 또한, 지열시추프로젝트의 계획수립과정에서도 비용 및 일정 에 대한 신뢰적인 설계가 이루어지기 위해서는 과거의 성능정보데이터가 활용되어야 일정 설계시 주요 공정요 소(activity)의 누락을 방지하고 보다 정확한 공기와 비용을 산출할 수 있을 것이다. Korea ministry of land, transport and maritime affairs (2009)에서는 건설기술관리법 시행 령 제29조제3항의 규정에 따라 건설공사지원통합정보체
계의 활용을 촉진하고, 건설공사의 제반 단계에서 발생 되는 정보의 상호교류를 촉진하기 위하여 건설정보분류 체계 적용기준을 공고하고 있다. 그러나 이는 기존에 활 발히 수행되고 있는 공공건설프로젝트를 대상으로 작성 되어 지열시추프로젝트와 같은 특정 프로젝트의 경우 적 용성이 떨어지기 때문에 특성에 맞는 표준화된 정보관리 체계가 절실히 요구된다.
이와 같이 지열시추프로젝트의 성능정보데이터가 효 율적으로 활용되기 위해서는 프로젝트의 특성이 고려된 정보공유중심의 유기적인 프로젝트관리체계가 개발되어 야 하며, 표준화된 프로젝트관리체계를 바탕으로 비용 및 일정에 대한 성능데이터가 구조화되어 모델링되어야 할 것이다.
연구의 범위 및 방법
본 연구는 지열프로젝트 최상위 레벨의 공종 구성요소 중, 지열시추프로젝트에 대하여 프로젝트의 특성에 맞는 표준화된 프로젝트관리체계를 구축하여 프로젝트성능데 이터를 효과적으로 모델링하기 위한 체계를 마련하고, 일정과 비용의 상호 유기적인 정보화구조를 구축하는 것 을 목표로 하였다. 프로젝트관리체계는 작업분류체계 (work breakdown structure; 이하 WBS)와 비용분류체 계(cost breakdown structure; 이하 CBS)로 구분하여 일 정과 비용을 구조화할 수 있는 표준화된 체계를 작성하 였다. 그리고 개발된 프로젝트관리체계와 정보화구조를 바탕으로 현장의 실제 성능정보를 데이터베이스화하여 관리하고 있는 사례를 소개하는 것을 본 연구의 범위로 한정하였다.
Fig. 1은 본 연구의 세부적인 연구수행 체계 및 방법에
(a) well diagram(Polsky et al., 2008) (b) rotary rig(Encyclopedia Britannica. Inc, 2012) Fig. 2. Geothermal well design, and drilling equipment and tools.
대한 내용이다.
프로젝트관리체계를 개발하기 위하여 가장 먼저, 지열 시추프로젝트관련 선행문헌을 분석하고 프로젝트의 특 징을 분석하였다. 선행문헌분석의 경우, 국내의 프로젝 트 수행사례가 없어 대부분 국외의 문헌과 자료를 분석 하였다. 분석내용을 바탕으로 공정요소 및 비용계정 등 의 구성요소를 분류하고, 위계조직화 수준 및 방법을 결 정하여 체계화를 통해 프로젝트관리체계를 완성하였다.
그리고 프로젝트관리체계를 구성하는 위계수준 및 요소 들에 대한 분류코드를 부여하였으며, 프로젝트 성능데이 터를 모델링하여 데이터베이스화하기 위한 정보화구조 를 설계하였다.
본 연구를 통해 데이터베이스화된 지열시추프로젝트 의 비용과 일정에 대한 성능정보는 향후 프로젝트가 효 율적으로 계획되고 관리될 뿐만 아니라 프로젝트의 수행 경험이 전무한 상태에서 지열시추프로젝트를 도입하는 데 매우 유용한 제반여건을 제공할 것으로 사료된다.
지열시추프로젝트의 개요 및 특징
지열프로젝트는 크게 지열시추프로젝트(well construction) 와 플랜트구축프로젝트(plant construction)로 구분할 수 있다. 본 연구의 대상인 지열시추프로젝트는 예를 들어 다음 Fig. 2(a)와 같은 지열정 설계내용을 바탕으로 굴 착, 케이싱, 시멘팅 작업을 통해 지하 수 km에 존재하는
지열원을 확보하고, 고온의 열수 및 증기를 유도하기 위 한 지열정 마감단계까지 포함하는 대심도 지하굴착 및 마감공사라 할 수 있다. 이러한 지열시추프로젝트는 비 화산지대의 EGS 지열발전의 경우, 전체 프로젝트 총 소 요비용의 약 50∼70%를 차지하며, 핵심공정요소인 굴 착은 지열시추프로젝트 총 공사비용의 약 25∼40%와 총 작업소요시간의 약 40% 이상을 차지하기 때문에 프 로젝트 계획 및 관리 시 중점관리요소이다(Schlumberger, 2009).
지열시추프로젝트는 굴착, 케이싱 및 시멘팅 작업 모 두 시추장비(Fig. 2(b) 참조)에 매우 의존적인 특징을 가 지고 있다. 또한 지열시추프로젝트의 비용은 케이싱이나 시멘팅에 소요되는 자재비도 상당하지만 대부분 시추장 비의 임대 및 운영비에 소요된다. 따라서 지열시추프로 젝트에서는 시추장비의 운영 및 관리능력이 프로젝트의 일정과 비용에 대한 성능에 밀접한 연관성을 가지기 때 문에 장비운영수준의 관리체계가 반드시 필요하다 할 수 있다.
그리고 지하 수 km를 굴착하는 고난이도 공사로서 굴 착, 케이싱, 시멘팅, 지열정 마감으로 구성되는 임계경로 (critical path)의 공정요소 이외에도 불확실하게 발생되 는 잠재적 문제인자가 다분하게 발생됨으로써, 이를 예 방 혹은 대응하기 위한 부수적 공정이 수반되는 특징을 가진다. 대부분 여타 건설공사가 잠재적 문제요소를 개 연적 리스크로 취급하는 것과 달리, 지열시추프로젝트에
Table 1. Drilling trouble activities (Society of petroleum engineers, 2012)
Problems Description
lost circulation
Total or partial loss of drilling fluids or cement slurries into permeable zones, cavernous formations, and natural or induced fractures.
About 10% of total drilling cost (Finger and Blankenship, 2010) stuck pipe A situation when the drill string cannot be moved from the well
kick A flow of formation fluids into the wellbore because the pressure in the wellbore being less than that of the formation fluids.
drill pipe failure
Several types of drill pipe failure is occurred such as twist off(caused by excessive torque), parting(caused by excessive tension), burst or collapse (caused by excessive internal or external pressure) and etc.
drilling rig failure Failure or damage of drilling rig’s component and equipment
borehole instability Undesirable condition of an open hole interval that does not maintain its gauge size and shape and/or its structural integrity
서는 발생빈도를 최소화해야 하는 공정요소로 보기 때문 에 과거의 성능데이터를 바탕으로 원인과 피해강도를 분 석하여 향후 프로젝트 계획 및 관리 시 충분히 고려해야 한다. 지열시추프로젝트 수행 시 대표적으로 발생하는 잠재적 문제인자 및 각각에 대한 설명은 Table 1의 내용 과 같다.
지열시추프로젝트의 프로젝트관리체계 개발
작업분류체계 개발
WBS의 작성목표 및 방법
미국 Project Management Institute의 PMBOK(Project management body of knowledge)에서는 “WBS는 프로 젝트 작업의 전체 범위를 조직하고 정의하는 프로젝트의 집합적요소이며, 궁극적으로는 산출물을 만들어 내기 위 한 것이므로 WBS에 포함되지 않은 작업은 프로젝트 범 위에도 포함되지 않는다.”라고 정의하고 있다(Project management institute, 2012). WBS의 작성방법은 건설 프로젝트의 성격에 따라 다양한 유형으로 이루어지는데, 일반적으로 하나의 프로젝트를 지역, 공구, 진행과정, 공 정요소, 부위, 조직 등의 위계수준을 정의하여 구성한다 (Choi et al., 2004). 지열시추프로젝트의 경우, 시추장비 에 대한 의존도가 높아 운영수준이 프로젝트의 성과에 지대한 영향을 미치므로 장비운영수준에서의 공정요소 단위 WBS(operation level WBS)를 구축하는 것이 바람 직하다. 또한, 잠재적 문제인자의 발생으로 수반되는 공 정요소를 포함하여 성능정보를 모델링하여야 향후 프로 젝트 계획 및 관리 시 성능에 관계된 공정요소를 누락
없이 반영할 수 있을 뿐만 아니라, 사례를 참고하여 효율 적으로 관리를 수행할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에 서 지열시추프로젝트의 WBS의 위계수준은 공정단위요 소(activities at activity level)를 기준으로 체계화하되, 시추장비에 의존적으로 수행되는 공정요소의 경우 운영 단위요소(tasks at operation level)로 세분화하여 작성하 는 것을 목표로 하였다. 작성목표와 함께 WBS의 작성원 칙을 설정하였으며, 다음의 내용과 같다.
1. 동등한 위계에서는 중복되는 항목이 작성되지 않도 록 한다.
2. 프로젝트 성능정보에 대한 통계 및 분석이 용이하 도록 하향식(top-down)방식으로 논리적으로 구체 화하여 작성한다.
3. 동등한 위계수준에서 공정단위요소 및 운영단위요 소가 혼합되어 세분화 될 수 있다.
선행문헌분석을 통한 구성항목 도출 및 WBS 작성 WBS의 구성항목을 도출하기 위하여 선행연구문헌 및 자료를 중심으로 분석을 수행하였다. 국내의 경우 지열 시추프로젝트에 대한 경험이 없어 대부분 국외의 사례를 중심으로 수행되었으며, 지열시추프로젝트는 유전 및 가 스시추의 과정과 매우 유사한 프로세스를 가지기 때문에 분석대상에 포함하였으나, WBS의 구축과정에서는 지열 발전분야 전문가의 자문을 통해 구성요소로서의 타당성 을 검증하였다.
2000년대 이후의 지열프로젝트 관리요소를 체계화하 기 위해 시도된 국외연구사례를 살펴보면, Polsky 등(2008) 은 EGS 지열프로젝트에서 20,000 ft 깊이를 시추하는 과정에서의 일정과 비용성능을 모델링하기 위하여 굴착,
Table 2. Work breakdown structure for geothermal well construction project
Project Level Activity Level Work Package Level
Level 1 Level 2 Level 3 Level 4
Code Name Code Name Code Name Code Name
WC Well
Construction
S Site Preparation
EW Earthwork
001 Clearing/Gruffing
002 Leveling
003 Excavating/Trenching
004 Compacting
TW Temporary work
005 Temporary Buildings
006 Temporary Roads
007 Temporary Facilities/Equipments
008 Rig Mobilization
009 Rig Demobilization 010 Rig's Complementary Facility SW Subsidiary
Work
011 Water Supply Facility 012 Electric Power Supply Facility
D Drilling Works
DR Drilling
013 Drilling Preparation
014 BHA Handling
015 Bit Rotation
016 Reaming
017 Drill Pipe Supplement
CA Casing
018 Casing Preparation
019 Casing Running
020 Wellhead Operation
CE Cementing
021 Cementing Preparation
022 Cement Pumping
023 Curing
RT Round Trip
024 Break-out Drill String
025 Trip Out
026 Make-up Drill String
027 Trip In
MC Mud
Circulation
028 Mud Mixing/ Replenishing
029 Mud Circulating
030 Mud Filtering
W Well Completion
ST Stimulation 031 Fracturing
032 Induced Seismicity Monitoring
TU Tubing 033 Tubing Preparation
034 Tubing Running
WH Wellhead Completion
035 Moter/Pump Installation 036 Christmas Tree Installation
L Logging
DL Downhole Logging
037 Wireline Logging
038 MWD(Measurement While Drilling) 039 LWD(Logging While Drilling) SL Surface
Logging
040 Mud Logging
041 Operating Condition Measurement
T Trouble Shooting
FI Fishing 042 Fishing Tool Preparation 043 Grinding/Circulating/Magnetic DM Drilling Tool
Maintenance
044 Tubular Inspection/Maintenance
045 BHA Maintenance
RM
Drilling Equipment Maintenance
046 Wellhead(BOP stack) Maintenance 047 Mud System Maintenance 048 Rig Component Maintenance 049 Rig Equipment Maintenance
드릴스트링 인입/인발, 이수 순환, BHA(bottom hole assembly) 의 구성요소를 조립하거나 해체하는 작업, BHA이외의 시추장비를 조립하거나 해체하는 작업(Rig U/D), BOP(blow out preventer)관련 작업, Well head에 관련된 작업, 케 이싱을 설치하는 작업, 시멘팅 작업, 검층의 단일수준에 서 10가지 작업요소로 구분한 체계를 활용하였다. Paul (2008)은 시추 프로세스에 따라 소요되는 자원을 중심으 로 장비와 재료의 사용방법을 구체적으로 제시하여 운영 단위에서의 WBS 구성항목을 도출하기가 용이하도록 정리하였다. Finger와 Blankenship (2010)은 지열시추프 로젝트의 지열정 계획 및 설계단계부터 소요되는 작업과 발생될 수 있는 잠재적 문제인자에 대하여 소개하고 그 원인과 해결책을 제시하여 발생 가능한 문제조치작업에 대해 정리하였다. 이 밖에도 미국 노동성 산하의 직업안 전 위생국(Occupational safety and health administration:
OSHA)에서는 작업자에게 시추프로세스를 공정단위로 작업위험사항을 분류하여 제시하고 있다(United States department of labor, 2012). Nygaard (2010), Bloomfield 와 Laney (2005)의 보고서에서는 프로젝트의 비용을 산 정하기 위한 공간단위 비용 산정방안 및 소요작업에 대 한 방법을 제시하였다. 마지막으로 대심도 시추프로젝트 의 공학적, 관리적 표준화 지침으로 제시하고 있는 IADC(International association of drilling contractors, 2007)의 ‘Drilling Manual’을 분석하였으며, 이를 통해 공정명, 작업명, 도구, 장비 및 재료들에 대한 명칭을 표 준화하고, 굴착, 케이싱, 시멘팅 등의 공정 수행 시 시추 장비 및 도구의 활용방안을 참고하여 운영단위 WBS 구 성항목을 작성하였다.
기존의 선행연구문헌 및 자료를 분석한 결과 공통적인 핵심공정요소로 부지준비, 굴착, 케이싱, 시멘팅, 검층 및 계측, 지열정마감 및 잠재적 문제인자와 관련된 요소 를 제시하고 있다. 그러나 대부분 체계구축과정에서 동 등 위계수준에서 동일한 요소를 중복 배치하거나 상하 논리적 관계를 무시하여 체계화하였기 때문에 향후 프로 젝트의 성능을 위계수준별로 집계하거나 각각의 요소들 에 대한 성능을 피드백할 경우 문제가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 선행연구문헌 및 자료분석을 통해 도출된 구성항목과 본 연구에서의 WBS 작성방법 및 목 표를 바탕으로 WBS를 체계화하고 구성항목별 고유의 코드를 부여하였다. 최종적으로 WBS가 완성된 내용은 Table 2와 같다.
완성된 WBS의 내용을 살펴보면, 위계수준을 총 4수 준으로 구분하였다. 최상위 수준을 프로젝트단위로 구분 되도록 하였는데, 현재는 지열시추프로젝트를 대상으로 하지만 향후 플랜트구축프로젝트가 추가되는 점을 감안
하였다. 그리고 Level 2와 Level 3 수준을 공정단위로 작업을 세분화 하였으며, Level 2 수준은 국외선행문헌 에서 도출된 내용이 모두 그룹화 될 수 있도록 부지준비, 시추작업, 지열정 마감작업, 검층작업, 문제조치작업으 로 구분하였다. Level 3 수준은 총 16개의 구성항목으로 구분하였는데 주목할 점은 Level 2의 시추작업에 해당 하는 하위요소에서 굴착, 케이싱, 시멘팅, 이수(mud) 순 환의 대표적 공정과 함께 라운드 트립을 추가하였다. 라 운드 트립은 비트의 마모 및 설계구간의 변경으로 인한 교체, 굴착 중 문제발생으로 인한 조치 등의 이유로 드릴 스트링을 인발 및 인입하는 공정이다. 대부분의 연구사 례에서는 굴착의 하위요소로 구분하고 있으나 실제 시멘 팅이나 케이싱 과정에서 라운드 트립이 발생하는 경우가 많기 때문에 이를 감안하여 향후 성능정보모델링 시 유 연하게 배치될 수 있도록 하였다. 마지막으로 Level 4 수준은 시추리그장비가 활용되는 경우 장비운영단위의 작업요소로 세분화하였으며, 그렇지 않은 경우에는 공정 수행 대상과 목적을 구체화하는 방식으로 본 WBS의 최 하위 위계수준인 작업패키지(work/task package)를 정의 하였다.
비용분류체계 개발
CBS는 소요비용아이템을 도출하고 체계화하여 프로 젝트의 비용예측 및 관리를 보다 정확하고 경제적으로 수행하기 위한 세부원가요소의 체계라 할 수 있다. 따라 서 CBS는 프로젝트의 비용에 대한 성능을 체계화하여 예측하거나 데이터베이스를 구축할 수 있고, 구축된 데 이터는 향후 수행될 프로젝트의 성능예측 및 관리를 위 한 실적데이터로서 활용이 가능하다. 그러나 프로젝트의 비용 및 일정에 대한 정보는 통합되어 관리가 되어야 상 대적으로 그 효용성이 크다. 대부분 도입 초기의 건설프 로젝트는 프로젝트 수행경험의 부족으로 비용과 일정을 독립적으로 예측하고 수행성능을 모델링하나, 이는 향후 프로젝트의 계획 수립 시 보다 효율적인 성능관리를 위 한 피드백(feedback) 인자로서 역할을 하기가 어렵기 때 문에 비용과 일정성능정보의 통합이 반드시 고려되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 지열시추프로젝트의 CBS를 구 축하기 위하여 WBS의 공정요소의 분할수준을 고려하 여 비용요소를 분류하였다. 또한, 분류된 비용항목은 Bloomfield와 Laney(2005)가 프로젝트 사례별 시추비용 을 비교하기 위하여 내역을 산출한 방법과 같이 대부분 의 선진국에서 지열발전 프로젝트의 비용견적 시 활용하 는 방법인 유형비용(tangible cost)과 무형비용(intangible cost)으로 비용분류기준을 설정하여 체계화 하였다. 유
Table 3. Cost breakdown structure for geothermal well construction project
Cost WBS
Level 2
Intangible Tangible
Code Name Code Name Code Name Code Name
DC Direct Cost
Site Preparation
SI01
Site cleanup/repair/waste
disposal
SI02 Temporary
Buildings/Facilities ST01 Conductor SI03 Civil works SI04 Restoration
ST02 Miscellaneous SI05 Rig mobilization SI06 Rig demobilization
Drilling Works
DI01 Drill rig rate DI02 Bits consumption
DT01 Casing Pipes DI03 Stabilizer/Reamer/Hole
opener DI04 Directional drilling service DI05 Drill pipes DI06 License/Application
DT02 Hanger
DI07 HWDP/Collars DI08 Jars/Intensifiers/Subs DI09 Small tool/Supplies DI10 Mud service
DT03 Centralizers DI11 Mud system DI12 Mud/Additives
DI13 Hanger&Running
Service DI14 BOP equipment
DT04 Shoes/
Collars DI15 BOP consumables DI16 Drill pipe
DI17 Cement material DI18 Cement Service
Well Completion
WI01 Stimulation Service WI02 Completion Fluids WT01 Wellhead WI03 Coiled Tubing Service
WI04 Wellhead installation service
WT02 Tubing pipe WI05 Induced seismicity
service WT03 Valves/
Pump
Logging
LI01 Well testing service LI02 Mud logging service
- LI03 Wire-line logging
service LI04 H2S test
LI05 MWD/LWD LI06 Sampling/Coring service Trouble
Shooting
TI01 Fishing service TI02 Tubular inspection TI03 Tool/Equipment -
Maintenance service TI04 Miscellaneous service LC Labor
Cost - LI01 On-site engineer LI02 Supervisor
LI03 Non-drilling labor LI04 Drilling labor -
PE
Public Expen- diture
-
PI01 Water/Water system PI02 Fuel
- PI03 Electric power PI04 Site maintenance
PI05 Administrative
overhead PI06 Transportation PI07 Camp/Living PI08 Miscellaneous 형비용은 자본적 지출(capital expenditure)을 통해 프로
젝트에 소요되는 자원 중 프로젝트의 준공 후에도 잔존 가액(salvage value)이 형성되는 비용을 의미한다. 즉, 기 계, 설비, 구조물 또는 기타 고정자산을 형성하는 자원에 대한 지출비용을 의미하며, 고정자산 등이 내용연수까지 사용되고 그 자체가 가지고 있는 사용가치가 소멸된 후 에도 유형적으로 존재하는 잔존자산을 구성하는 자원에 지출되는 비용항목이라 할 수 있다. 무형비용은 유형비 용과 상반되는 개념으로서 대부분 사업적 비용에 해당하 고 프로젝트 준공 후 잔존자산을 구성하지 않고 소멸되 는 지출에 포함되는 비용항목으로 정의된다(Investopedia US. Inc, 2013). 따라서 지열시추프로젝트에서는 케이싱 파이프, 시멘트를 제외하고는 대부분 사업서비스, 장비
및 도구임대 등의 무형비용항목이 대부분을 차지한다.
먼저, 앞에서 구축된 WBS의 Level 2의 위계수준을 바 탕으로 국외의 지열프로젝트 비용견적 내용을 분석하여 비용분류기준을 설정하고 총 59개의 비용계정을 도출하 였다. 비용을 크게 인건비, 직접비, 경비로 구분하여 체 계화하였으며, 직접비의 경우, WBS를 바탕으로 작성된 공정요소별로 통합하여 연계하기가 용이하나 인건비 및 경비는 전 공정의 수행과정에서 공통적으로 적용되는 항 목이 대부분이기 때문에 WBS의 위계수준을 고려하지 않고 독립적으로 체계화하였다. Table 3은 본 연구방법 에 따른 CBS의 구축내용이다.
지열시추프로젝트는 비 반복적인 일회성 사업의 특성 상 도구/기계장비의 임대 및 사업서비스 수행을 위한 직
Table 4. Informatization structure design for project performance modeling
Data Table Data Field Data Property
Input Description
Space Type Name text Ground, Conductor Hole, Surface Hole, Intermediate Hole, Production Hole, Reservoir
Project Level 1 WBS Code
text WBS Code and Name (Code: W) Name
Activity Level 2 WBS Code
text WBS Code and Name at Activity Level 1 Name
Activity Level 3 WBS Code
text WBS Code and Name at Activity Level 2 Name
Work Package Level 4
WBS Code
text WBS Code and Name at Work Package Level 4 Name
Process Number Number 1,2,3,4,5,...
Detailed Task Description
text
Description Start Depth (m)
value Finish Depth (m)
Duration (Hr) Time (Day) Cost Type Cost Field Code
text CBS Code (Code: DC, LC, PE)
Cost Field Name Direct Cost, Labor Cost, Public Expenditure
Cost Value
Cost Account Code
text
CBS Code (Code: SI01 ~ PI08)
Cost Account Name Code Name
Cost (won) Value
Detailed Description Description 접비용과, 기타 공사경비와 노동자의 임금으로 구성되며
이는 잔존가액을 형성하는 토지, 케이싱 파이프 및 도구, 지열정 마감도구 등을 제외하면, 거의 무형비용항목으로 구성된다는 점을 확인할 수 있다. 구축된 CBS를 구성하 고 있는 각각의 비용계정항목에 코드를 부여하여 공정과 통합 연계하기 위한 인식자를 설정하였으며, 지열시추프 로젝트의 성능정보화 구조에 대한 설계내용을 바탕으로 WBS와 CBS의 구축내용을 적용하여 체계적이고 효과적 인 성능을 모델링하여 데이터베이스화 할 수 있을 것이다.
지열시추프로젝트의 성능정보 모델링을 위한 정보화 구조설계
대형건설프로젝트관리체계의 각 관리대상들은 프로젝 트 초기단계의 공사계획 시 일정과 비용 등에 대한 계획 이 작성되고 공사 진행에 따른 계획대비 실적평가가 이 루어진다. 이 단계의 계획과 실적의 차이점분석은 해결 책 모색을 통하여 계획수정이 이루어지며, 향후 프로젝 트의 전망과 예측을 가능하게 해준다. 따라서 일정 및 비 용으로 구성되는 프로젝트의 성능을 일관적이고 체계적
인 관리체계를 기반으로 모델링하여 활용한다면 데이터 의 활용도 측면에서 매우 효과적이라 할 수 있으며, 비용 과 일정을 모두 고려한 종합적 의사결정이 가능하다는 장점이 있다(Choi et al., 2004).
지열시추프로젝트의 성능정보 모델링은 정보화 구조 의 설계를 통해 대상항목의 세분화수준과 범위를 결정하 고, 그 설계내용에 따라 WBS와 CBS의 구성항목의 범 위 내에서 체계화하며, 생성된 각각의 데이터테이블과 데이터필드에 비용과 수행시간에 해당되는 속성정보 (cost and duration value)를 입력하여 정보화 되도록 하 였다. Table 4는 지열시추프로젝트의 성능정보를 모델링 하기 위한 정보화 구조의 설계내용이다.
설계된 성능데이터의 정보화 구조는 정보의 기록범위 를 결정하는 총 7개의 데이터테이블과 각 테이블의 세부 정보를 인식하는 20개의 데이터필드, 그리고 데이터필 드별로 기록되는 데이터의 포맷과 내용을 정의하는 속성 으로 체계화하였다. 데이터테이블의 구조는 크게 공간단 위, 공정단위, 비용단위로 분할하여 데이터 정보화 기준을 정의하였으며, WBS와 CBS의 위계수준을 감안하여 작성 하였다. 데이터필드는 각 데이터의 인식자(identification)
Fig. 3. Performance modeling examples of the geothermal pilot project at Pohang City.
로서의 역할을 하며, WBS와 CBS에서 정의한 코드와 명칭을 기준으로 일정과 비용에 대한 성능정보를 집계 및 분석하기 용이하도록 구성하였다. 마지막으로 각 데 이터필드의 속성값에 대한 입력방법을 정의하여 정보화 구조를 완성하였다.
사례데이터기반 성능정보 모델링
국내에서 2010년 12월에 착수된 국내 최초 지열프로 젝트는 아시아 최초로 수행되는 EGS기반의 지열발전기 술로서, 약 5 km 심도에서 예상되는 약 180℃의 지온을 활용하여 메가와트급 발전소 건설을 목표로 하고 있다 (Kim, 2012). 지열프로젝트를 위한 부지는 경북 포항시 에 위치하고 있으며, 현재 1,500HP급 시추장비를 도입 하여 지열정 시추를 수행 중에 있다.
지열시추프로젝트의 수행과정에서 생성된 모든 비용 및 일정에 대한 성능정보는 본 연구를 통해 개발된 프로 젝트관리체계를 기반으로 관리되고 있으며, 제시된 정보 화 구조에 따라 Excel SpreadsheetTM를 활용하여 성능을 기록하고 있다. 국내에서 처음 시도되는 프로젝트로서 축적되고 있는 데이터는 각 참여주체 간 공유를 통해 향 후 성능의 예측 및 공정관리, 노무관리, 자원 및 비용관
리에 매우 효율적으로 활용되고 있다. 특히, 프로젝트 수 행 초기에 시추비트나 시멘트와 같은 자원에 대한 사전 준비가 부족하거나 기계장비에 대한 유지관리를 충분히 수 행하지 못하여 공기가 지연되는 상황이 발생되었지만, 수 행될 공정이 수행되기 전에 발생된 문제점을 고찰하고 사 전준비를 철저히 함으로써 문제를 줄여나갈 수 있었다.
Fig. 3은 본 연구내용을 바탕으로 현재 진행 중인 포항 시 지열시추프로젝트에 대하여 성능정보를 모델링하여 기록한 내용 중 일부분이다.
2013년 5월 현재 약 2.5 km의 굴착이 진행된 시점에 서 본 연구내용을 바탕으로 성능정보를 모델링한 결과, 5천여 데이터코드가 생성되었다. WBS와 CBS의 분류체 계를 기반으로 정보화 구조를 설계하였기 때문에 필요시 사용자가 원하는 실적데이터를 매우 간편하게 추출하여 검토할 수 있으며, 향후 프로젝트의 진행과정에 피드백 함으로써 보다 효율적으로 성능을 관리하고 있다. 특히, 1단계 연구가 종료되고 2단계 연구의 일정과 비용성능 을 예측하고 계획하는 데 1차적인 데이터 원천으로서의 역할을 하였으며, 이는 참여주체간의 의사결정 시 정확 성을 향상시킬 수 있었다. 그리고 일정과 비용을 통합하 여 모델링함으로써, WBS의 공정요소와 CBS의 비용계 정별 성능(duration & cost)을 통합 분석하여 계획대비
(a) Project time performance at activity level 3
(b) Project time performance at work package level 4 Fig. 4. Drilling performance analysis for the cumulative time at level 3 and level 4.
성능이 낮은 원인을 파악하기가 용이하였으며, 향후 예 방적 관리를 효과적으로 수행할 수 있는 근거자료로서 역할을 하였다.
Fig. 4는 포항 지열시추프로젝트의 surface hole 구간 을 대상으로 공정요소별 일정성능의 비율을 WBS 상의 Level 3와 4의 위계수준으로 구분하여 집계한 결과이다.
지열정의 surface hole은 39 m∼330 m 구간으로 설계 되었으며, 공사기간은 총 23.59일이 소요되었고 굴착 (56%), 케이싱(16%), 시추장비 유지관리(12%), 라운드 트립(6%)의 순서로 비중을 차지하였다. 미국 캘리포니 아 Clear Lake에 구축하였던 EGS기반 지열프로젝트의 공기에 대한 성능(Polsky et al., 2008)을 살펴보면, 굴착 (54%), 라운드 트립(22%), 케이싱(11%), 시멘팅(3%), 시추장비의 유지관리(1%)의 순서로 시간이 소요되었다.
포항 지열시추프로젝트와 비교하였을 때, 대부분 유사한 성능을 보였으나, 라운드 트립과 시추장비의 유지관리에 소요된 공기의 비중이 크게 상이하다는 점을 발견할 수 있다. 포항 지열시추프로젝트의 성능비교구간은 얕은 심 도의 데이터이고 Clear Lake의 경우 전체 6 km 구간을 집계한 성능임을 감안하였을 때, 라운드 트립에 대한 소 요공기 비중은 크게 달라질 수 있다. 그런데 시추장비의 유지관리에 소요되는 공기의 비중이 포항 지열시추프로 젝트에서 매우 크게 나타난 사실은 공사 수행과정에서
참고할 수 있는 기존의 데이터가 부재한 상황으로서 초 기 굴착과정에서 기계장비에 대한 작업자의 경험 및 숙 련도가 부족하고, 예방적 점검/관리의 필요성을 인지하 지 못하였기 때문으로 판단된다. 실제 surface hole의 시 추과정 초기에 탑드라이브(top drive)의 회전력 보정 (calibration) 및 수리, 머드시스템 및 인양장비의 잔고장 이 자주 발생하였다. 그러나 작업이 진행되면서 작업자 의 숙련도가 증가하고, 문제가 발생되는 시점을 분석/예 측하여 사전에 예방적 점검/관리를 수행함으로써, inter- mediate hole 구간에서는 시추장비의 유지/보수로 공기 가 지연되는 시간을 전체 시추공기 대비 4% 이내로 줄 일 수 있었다.
결 론
지열시추프로젝트는 공사도중 예상치 못하게 발생하 는 잠재적 문제인자 및 라운드 트립과 같이 이산적으로 개입하는 공정요소로 인하여 프로젝트를 계획하고 관리 하기가 매우 어렵다. 또한 시추기계장비에 대한 작업의 존도가 매우 높아 프로젝트의 계획 및 관리가 장비의 운 영단위를 기준으로 수행되어야 한다. 따라서 지열시추프 로젝트의 특성을 고려하여 설계된 일관된 정보체계에 의 하여 과거 프로젝트수행 시 성능정보를 데이터베이스화 하고, 이를 향후 프로젝트를 계획하고 관리하는데 활용 한다면 매우 효율적으로 프로젝트를 수행할 수 있을 것 이다.
본 연구에서는 지열시추프로젝트의 특성에 맞는 표준 화된 프로젝트관리체계를 개발하여 프로젝트성능데이터 를 효과적으로 모델링하기 위한 체계를 마련하고, 일정 과 비용의 상호 유기적인 정보화구조를 구축하였다.
이를 통해서 기대할 수 있는 효과로는 다음과 같이 요 약할 수 있다.
1. 프로젝트 특성을 고려한 표준화된 관리체계를 기준함 으로써 체계적이고 일관된 정보를 유지할 수 있다.
2. 프로젝트의 성능을 관리체계의 위계수준별로 집계 및 분석이 가능하여 성능정보에 대한 구체적 원인 을 피드백할 수 있다.
3. 과거의 성능정보를 기반으로 향후 진행될 프로젝트 의 성능을 신뢰적으로 예측하거나 효과적으로 관리 하는데 경험에 근거한 주관적 판단을 대신하여 1차 적 데이터 원천에 기반을 둔 객관적 판단근거로서 역할을 하며, 전 단계에서 발생한 문제점을 고찰하 여 향후 시행착오를 최소화 할 수 있다.
4. 일정과 비용성능을 통합하여 관리할 수 있는 정보
화 구조를 설계함으로써 다각적 측면에서 성능을 정량적으로 분석할 수 있다.
5. 프로젝트 참여주체 간 정보를 공유하여 투명한 공 사비 편성 및 집행을 위한 근거자료로 활용할 수 있 으며, 계획 시 신뢰적인 의사결정의 기준이 된다.
본 연구의 내용은 앞으로 지열프로젝트를 도입하는 사 례에 있어 좋은 본보기가 될 것으로 여겨지며, 국내 지열 발전의 기술력을 한층 향상시켜 지열발전의 활성화를 앞 당기는데 기여할 수 있을 것이다. 물론 지열프로젝트가 지속적으로 수행되면서 본 연구의 내용이 검증되어 보완 되어 나가야 할 것이다.
References
Bertani, R., 2010, “Geothermal power generation in the world: 2005-2010 Update Report,” Proc. World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, Paper No.8.
Bloomfield, K.K. and Laney, P.T., 2005, Estimating Well Costs for Enhanced Geothermal System Applications, Idaho National Laboratory.
Choi, Y.K., Lee, H.S., Hwang, Y.S., Kim, Y.S., Kim, W.Y.
and Song, Y.W., 2004, “Development of Construction Project Control System for Large Sized Construction by Process and Data Modeling,” Korea J. of construction Engineering and Management, Vol. 5 No. 2, pp. 153-161.
Encyclopedia Britannica. Inc, 2012, 27010-004-70A4ACFC [drawing], Retrieved June.17, 2012, http://www.britannica.
com/EBchecked/media/113917/A-land-based-rotary-drilli ng-rig.
Finger, J. and Blankenship, D., 2010, Handbook of Best Practices for Geothermal Drilling, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185.
International Association of Drilling Contractors, 2007, Drilling Manual 11th edition, International Association of Drilling, USA.
International Energy Agency, 2011, Technology roadmap:
Geothermal heat and power, IEA, http://www.iea.org /papers/geothermal_roadmap.pdf.
Investopedia US, Inc, 2013, Intangible Drilling Costs-IDC, Retrieved January.04, 2013, http://www.investopedia.com/
terms/i/intangible-drilling-costs.asp#ixzz27xewieDe.
Kim, K.Y., 2012, Introduction of the first EGS Project in Asia, Korea Institute of Construction Technology, Construction Brief, Vol. 37, pp. 4-5.
Korea Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009, Standardization for Construction Information Classification System, http://www.molit.go.kr/USR/I0204/
m_45/dtl.jsp?idx=5443.
Nygaard, R., 2010, Well Design and Well Integrity, Institute for Sustainable Energy, Environment and Economy, http://www.ucalgary.ca/wasp/Well%20Integrity
%20Analysis.pdf.
Paul, K.N., 2008, Geothermal Well Drilling, Kenya Electricity Generating Co., Ltd, P.O.Box 785, Naivasha, Kenya.
Project Management Institute, 2012, A Guide to the Project Management Body of Knowledge 5th Edition, ISBN:9781935589679.
Polsky, Y., Capuano J.L., Finger, J., Michael, H., Knudsen, S., Chip, A.J., Mansure, Raymond, D. and Swanson, R., 2008, Enhanced Geothermal Systems Well Construction Technology Evaluation Report, Sandia National Laboratories.
Society of Petroleum Engineers, 2012, PEH:Drilling Problems and Solutions, Retrieved March.21, 2013, http://petrowiki.org/
PEH%3ADrilling_Problems_and_Solutions.
Schlumberger, 2009, Improving the economics of geothermal development through and oil and gas industry approach, Schlumberger Business Consulting.
United States Department of Labor, 2012, Oil and Gas Well Drilling and Servicing eTool, Retrieved June. 14, 2012, http://www.osha.gov/SLTC/etools/oilandgas/index.html.
이 승 수
2006년 경희대학교 토목공학과 공학사 2009년 한양대학교 토목공학과 공학석사
현재 한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실 전임연구원 (E-mail; [email protected])
송 윤 호
1985년 서울대학교 자원공학과 공학사 1987년 서울대학교 자원공학과 공학석사 1992년 서울대학교 자원공학과 공학박사
현재 한국지질자원연구원 지구환경연구본부 지열자원연구팀 책 임연구원
(E-mail; [email protected])
김 광 염
1997년 서울대학교 자원공학과 공학사 1999년 서울대학교 자원공학과 공학석사 2007년 서울대학교 지구환경시스템 공
학부 공학박사
현재 한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실 수석연구원 (E-mail; [email protected])
