석유 시추 방식, 원유 채굴설비 리그(Rig), 크리스마스트리

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

 

오늘은 '석유 시추 방식, 원유 채굴설비 리그(Rig), 크리스마스트리'입니다.

E&P(Exploration & Production, 석유탐사) 사업이 궁금하신 분들은 아래 이전 글을 참조해주세요.

2023.04.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream

원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream

 

 석유사업 Upstream 단계별 업무 Scope 

 

 석유 시추 절차 및 과정 

원유 채굴 펌핑설비, "끄덕이는 당나귀"(좌), 육상 원유채굴 설비 "크리스마스 트리"(우)

 

앞선 석유 탐사 및 개발 단계에서는 정확한 매장량 계산을 통해 얼마나 많은 양을 생산할 것인지, 몇 개의 생산 시추공이 필요한지, 어떤 방법으로 생산을 할 것인지, 펌프는 필요한지 등을 종합적으로 고려하여 구체적인 생산량과 개발 비용을 계산하여 사업의 경제성을 평가한 후 최종 개발 생산 준비를 마치게 됩니다. 

2024.10.24 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 산유국 원유 매장량 순위 및 석유 매장량 산정 방식

산유국 원유 매장량 순위 및 석유 매장량 산정 방식

 

<상업 생산 최종 준비> 

- 개발을 위한 합리적인 계획 수립

- 개발계획에 대한 세부적이고 합리적인 경제성 평가

- 개발을 보장하기 위한 생산량과 시장의 존재

- 생산과 수송이 가능하고 생산을 위한 법, 제도, 환경적 제약이 없음

- 광구권의 허가기간 확보 및 해당 기간 내에 생산이 가능

탐사정	▶	평가정	▶	생산정
석유의 존재 여부를 확인하기 위해 처음으로 뚫은 구멍		탐사정에서 얻은 유전의 가치와 구조를 파악하기 위해 뚫는 구멍		본격적인 석유 생산을 위해 뚫는 구멍

 

<육상 시추작업 초기> 

시추작업 과정에서 석유가 발견되면 광구 개발, 생산 단계로 전환됩니다. 지상에는 원유, 가스를 뽑아내는 크리스마스트리라 불리우는 생산장치를 설치하고, 해상에는 플랫폼을 설치하여 원유를 본격적으로 생산하게 됩니다. 유전 생산 초기에는 가스나 석유 밑에 깔려 있는 물의 압력에 의해 석유가 자연히 위로 자연분출하게 되는데, 이렇게 유층 내 자연적인 압력으로 생산되는 석유는 겨우 20% 내외에 불과한데요. 석유와 가스생산량은 저류암의 성질, 지층압력, 원유의 점성도 등의 특성에 따라 다르지만, 원유를 계속 생산하게 되면 시간이 갈수록 생산량이 줄어들게 되는 경향을 보이게 되고, 이에 유정들은 모두 생산속도가 감소되는데, 이는 지하의 원유를 회수함에 따라 저류층의 압력이 낮아지기 때문입니다.

 

<원유 시추 : 1차 회수 개념> 

남아 있는 원유는 모든 가용 공간을 채우며 분산되는데요. 기체인 가스는 압축성이 훨씬 강하지만 액체상태인 원유는 약간만 생산해도 유층 내 압력이 급속하게 감소될 수 있습니다. 최초 매장량에서 3%만 회수해도 저류압력은 생산정의 밑바닥 압력과 같아지게 되는데, 이렇게 되면 원유가 더 이상 생산정 안으로 밀려들어가지 않고 매장 석유의 97%가 저류층의 제자리에 그냥 남아 있게 됩니다. 이것을 1차 회수(Primary Recovery)라고 하는데, 유층과 접촉하는 대수층의 물이 많으면 물이 자연스럽게 유입되어 강한 물 추진으로 석유회수율이 10~25%로 증가되는 경우도 있습니다.

 

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<석유 회수증진시설> 

자연적으로 유출되지 않는 석유는 가스 또는 물을 주입하거나 펌프로 퍼올리는 방법이 널리 사용되고 있습니다. 외부에서 감소된 압력을 보충해 주지 않으면 석유 생산량은 지속적으로 감소하고 석유보다는 물의 생산량이 상대적으로 증가하게 될 수 있습니다. 이를 예방하기 위해 생산되는 물과 가스를 다시 저류층에 주입하여 저류층 압력감소를 막아줍니다. 또한 효과적인 생산으로 유전의 잔존가치를 높이기 위해 저류층 내 부존하는 석유 중 통상적으로 65%에 해당하는 작은 공극에 갇혀있는 석유에 물과 가스를 다시 주입하여 압력을 높이거나 석유의 성질을 변화시켜 석유생산을 늘려주는 기술을 적용하게 되는데, 이 기술을 석유 회수증진기술(Enhanced Oil Recovery)이라고 부릅니다.

 

<2차 회수, 물 주입법, 증진회수법(EOR)> 

또한 자연유출 유전에서도 압력을 유지하고 생산율과 긍극가채량을 최적으로 유지하기 위해 생산 초기부터 저류층에서 가스와 물을 주입하는 것이 보통입니다.저류층에서 석유를 마지막 한 방울까지 퍼올리기 위해 많은 방법이 시도되어 왔습니다. 전략적으로 적절한 유정들을 선택, 유체를 주입하여 석유를 생산정으로 밀어 넣는 방법들 중 가장 기본적인 방법은 물을 주입하는 것인데요. 물 주입법 또는 2차회수(Secondary Recovery)로 알려진 이 공정은 오늘날에도 세계 각지에서 널리 사용되고 있습니다. 매장 원유의 점도가 높거나 그 밖의 다른 유동장애 요인들을 제거하여 석유의 생산을 촉진키는 방법들을 통틀어서 증진회수법(EOR : Enhanced Oil Recovery)이라고 합니다. 화학물질을 통해 근처 유정의 문제들을 제거하거나 유출통로를 확장시키기 위해 석유부존층을 수압파쇄하는 방법이 쓰입니다. 수압파쇄법은 균일입자의 깨끗한 모래 수만 톤을 보강하여 저수층 주변보다 더 높은 투과율을 갖게 하고자하는 목적입니다. 주입된 모래는 일종의 고속도로 같은 것을 만드는데, 석유가 이 고속도로를 따라 이동하여 생산속도가 높아지게 됩니다. 회수증진법은 석유의 생산량을 증대시킬 수 있으나 비용이 많이 늘어난다는 단점이 있습니다.

 

 원유 유전 상업운영 

지하로부터 지표면으로 올라온 석유는 가스와 물이 혼합되어 있으므로 먼저 석유로부터 가스와 물을 분리해야합니다. 저류층의 물은 종종 대수층에서 유정 안으로 침입하여 석유와 함께 유출되게 되는데, 석유 생산비용 중 생산된 물을 분리하고 처리하는 데 가장 많은 비용이 들어간다고 이해하시면 쉽습니다. 물은 가끔 증발시켜 처리하기도 하지만 보통 다른 지하 저류층에 재주입하여 처리하는 경우가 많습니다. 가스는 석유와 물을 분리하고 황화수소와 이산화탄소 같은 불순물을 제거하여야 하며, 석유와 가스는 유전에서 일시적으로 탱크에 저장된 후 파이프라인에 의해 목적지로 운반됩니다.

 

통상적으로 비용을 빠르게 회수하고 자원 보유국의 규제 변화에 효율적으로 대응하기 위해 보통 15년 이내로 생산을 마무리하고 있으며 이후 생산비용이 생산량에 의한 수익보다 낮아져 더 이상 경제적인 생산이 어렵게 되면 생산이 종료되고 생산정(井)을 폐공(Plugged and Abandonment)하는 절차를 밟게 됩니다. 또한 계약기간이 만료되었거나 더 이상 상업적으로 생산할 수 없을 때, 해당 유전을 개발하기 이전의 상태로 복구하여 마무리해야 합니다. 만약 적절한 폐공 절차를 생략하게 된다면 석유유출이 발생하여 지표뿐만 아니라 지하수까지 오염되는 대형사고가 발생할 수 있어 주의해야 합니다. 생산 후기에는 생산량이 적어 수익이 낮기 때문에 비싼 폐공 비용을 감당하지 못하는 경우가 있기에 산유국의 석유개발 규정에 따라 생산이 많이 될 때 미리 그 비용을 적립하게 강제하는경우가 많습니다. 

 

이상 '석유 시추 방식, 원유 채굴설비 리그(Rig), 크리스마스 트리' 정리입니다.
다음은 '해상 유전 채굴, 해양시추 생산 방식, 플랫폼 시추선'를 알아보겠습니다.