석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

 

오늘의 EnergyTok은 '석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)'입니다.

석유탐사 및 E&P(Exploration & Production) 사업군이 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 

 E&P 사업 : 석유 개발 및 생산 

 

개발단계에서는 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. 

 

<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

 

시추작업 과정에서 석유가 발견되면 광구 개발, 생산 단계로 전환됩니다. 지상에는 원유, 가스를 뽑아내는 크리스마스트리라 불리우는 생산장치를 설치하고, 해상에는 플랫폼을 설치하여 원유를 생산한다. 해상 플랫폼은 바다의 깊이, 유전의 규모, 육지로부터의 거리에 따라 다양한 규모로 설치되며, 강철과 콘크리트를 이용하여 해저에 고정된다. 가장 큰 규모의 플랫폼은 25층 건물 높이에 축구장보다 크며, 500여 명의 생산 기술자들이 상주하는 규모입니다.

 

유전 생산 초기에는 가스나 석유 밑에 깔려 있는 물의 압력에 의해 석유가 자연히 위로 분출하게 된다. 이것을 자연분출이라고 하는데, 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 됩니다. 즉, 유정들은 모두 생산속도가 감소되는데, 지하의 원유를 회수함에 따라 저류층의 압력이 낮아지기 때문입니다.

 

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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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.

 

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 시도되었다. 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.

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) 절차를 밟게 됩니다. 또한 계약기간이 만료되었거나 더 이상 상업적으로 생산할 수 없을 때, 해당 유전을 개발하기 이전의 상태로 복구하여 마무리해야 합니다. 만약 적절한 폐공 절차가 없으면 석유유출이 발생하여 지표뿐만 아니라 지하수까지 오염되는 일이 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. 

 

 해상 유전 채굴, 해양시추 생산 방식 

 

해양시추는 먼저 육상시추가 발전함에 따라 1897년 미국 캘리포니아 서머랜드 해변에서 육지와 연결된 시추 구조물(Jetty)에 의한 시추로서 시작되었습니다. Jetty는 해안의 경사면에 육지의 한쪽과 연결된 시추 구조물을 바다에 설치하여 시추조업을 수행하였으며, 이 구조물이 계속 발달하여 1928년에는 간단한 구조의 잠수식 시추선이 출현하여 늪지나 호수 등 얕은 수심에서 작업을 하게 되었습니다. 1932년에는 처음으로 시추장비를 장착한 고정식 구조물(Platform)과 시추 지원선박이 출현하였으며, 계속하여 시추장비를 장착한 갑판을 상,하 이동할 수 있는 승강식 시추 구조물(Jackup)이 등장하였습니다. 석유의 발견이 해안에서 멀어지게 됨에 따라 수심이 더 깊은 곳에서 시추작업을 필요로 하게 되었습니다. 이에 따라 1953년에는 최초로 시추장비를 설치한 선박(Drillship)이 등장하였다. 1962년에는 안정성이 보강된 반잠수식 시추구조물이 출현하여 오늘날 일반적으로 사용되고 있습니다.

잭업(Jack-up, Rig)식은 통상 예인되어 목적지에 설치되는데요. 다리가 해저 지층에 고정되며, 상하 이동 가능한 선체는 조업 시 수표면 위로 들어 올려져 사용됩니다. 수심이 비교적 얕은 지역에서 사용된다. 반잠수식 시추리그는 폰툰(Pontoon)이라 불리는 다리를 가지고 있습니다. 이 폰툰에 공기를 채워 부양되도록 하고 8개 이상의 닻을 이용하여 위치가 유지되도록 합니다. 거칠고 깊은 바다에서 뛰어난 안전성을 제공하는 장점으로 북해 북부 유전과 같이 기상이 나쁜 곳에서 선호됩니다.

완전 부유식 리그는 자체 추진력을 가지고 있는 선박형 리그입니다. 보통 선박과 모양은 같으나 선체의 구멍을 통하여 시추를 할 수 있는 기중기 타워가 설치돼 있습니다. 시추선은 몇 개의 닻을 내려서 간단하게 위치를 유지하거나 또는 컴퓨터로 통제되는 다수의 개별 구동 추진기를 이용하여 자동으로 선체의 위치를 바로잡아 시추공 위에 정확하게 위치를 유지시키도록 합니다. 선박형 시추리그는 매우 거친 기상상태에서는 그 안정성에 문제가 있어 폭풍이 불 때에는 시추작업을 중단해야 한다는 것을 의미합니다. 따라서 종종 심해에 시험 시추정(Wild Cat)을 뚫을 때 사용됩니다. 상업적 가치가 있는 석유나 가스의 발견이 이루어지면 중앙 통제시설로 보통 강철 또는 콘크리트 플랫폼을 설치합니다. 한 플랫폼에서 수십 개가 넘는 유정을 경사지게 굴착할 수 있습니다. 플랫폼은 특정 지역의 수심에 맞추어 해수면 위로 적어도 30미터 이상 드러나도록 플랫폼의 다리 기둥을 설계하여야 합니다. 이렇게 함으로써 때때로 발생할 수 있는 큰 파도를 피할 수 있다. 보통 소규모 해양유전에 대해서는 플랫폼 설치가 비경제적이어서 부유생산, 저장 수송시스템(FPSO)을 활용하는 경우가 많은데요. 개조탱커 또는 FPSO용 선박이 유정 바로 위에 자리를 잡고, 생산파이프를 특수하게 설계된 해저 크리스마스트리에 접속시킨다. 생산되는 석유, 가스 및 물은 선박으로 보내어 각각 분리시켜, 가스는 태워버리고, 물은 정화 처리하여 바다로 배출시키며 석유는 선박의 저장탱크에 저장하는 Scheme입니다.

 

 

오늘은 '석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)'를 정리해보았습니다.
다음은 '비전통 원유 셰일오일, 오일샌드, 셰일가스'를 알아보겠습니다.

2023.04.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 비전통 석유(Unconventional Oil)- 셰일오일, 오일샌드

비전통 석유(Unconventional Oil)- 셰일오일, 오일샌드