원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

 

지난 시간에는 '석유 생성과정, 유전 형성 조건'을 정리해보았는데요.

2024.05.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 석유는 어떻게 만들어졌을까, 석유 생성과정, 유전 형성 조건

석유는 어떻게 만들어졌을까, 석유 생성과정, 유전 형성 조건

 

오늘의 EnergyTok 주제는 흔히 석유 산업의 Upstream이라고 부르는 원유 생산, E&P(Exploration & Production), 석유 탐사 사업에 대해 간략하게 알아보고자 합니다.

 

 석유 E&P 사업의 정의와 분류 

상류부문(Upstream)은 땅속에 숨어있는 석유를 탐사하여 경제성 있게 생산이 가능한 충분한 원유를 발견할 경우 유정을 개발하여 지상으로 생산하는 일을 하고 있으나,  성공할 확률은 20% 내외로 무척 낮으며 이마저도 생산하기까지 10년이 넘는 오랜 시간이 소요됩니다. 하지만 성공만 한다면 장기간에 걸쳐 많은 수익을 창출할 수 있기에, 앞선 비용을 견뎌 낼 수 있는 거대자본을 움직 일 수 있는 글로벌 Major회사(BP, Chevron, Shell, Exxon Mobil)들이 주로 상류부문(Upstream) 사업에 참여하고 있습니다.

 

 

석유 Upstream(상류부문) 업계에서는 한국석유공사처럼 석유탐사 및 개발에 해당되는 상류부문 사업만을 수행하는 회사를 “독립계 석유회사”라고 부르며, ExxonMobil, Shell, BP, Total Energies 등의 Global Major 들과 같이 세계곳곳에서 석유탐사 및 원유 수송 및 정제까지 모두 담당하는 회사를 "일괄조업회사"라고 호칭하며 구분하고 있습니다.

 

한편 석유를 탐사하고 개발, 생산하는 Upstream 산업에서는 석유개발 운영회사(Operator)라고 불리는 탐사 및 개발 기술 서비스, 오일 리그(Oil Rig) 및 시추 공학 설계 및 장비 건설, 시추선 등의 엔지니어링 서비스를 제공하는 회사들도 매우 중요합니다. 대표적인 석유개발 운영회사로는 Baker Hughes, Schlumberger, Halliburton 등이 있습니다. 

2024.05.22 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 글로벌 에너지 기업, 국영 석유회사(NOC), 유전 서비스 회사

글로벌 에너지 기업, 국영 석유회사(NOC), 유전 서비스 회사

 

 석유 E&P 사업 1단계 : 석유탐사 

석유 유정 탐사(Exploration)에 앞서 일정 기간 동안 특정 지역에서 석유를 탐사하고 생산할 수 있는 배타적 권리인 "광구권"을 확보합니다. 예를들어 영화속 한국과 일본 접경지역의 석유탐사지구 '7광구'가 바로 해당 지역 지하자원에 대한 배타적 권리를 논의한 지역입니다. 지하자원의 개인소유가 인정되는 미국과 캐나다 외에는 국가를 대신하는 국영석유회사와 계약을 통해 비용(로열티)을 지불하고 본격적으로 석유를 찾는 탐사가 시작이 됩니다.

 

불과 1980년대까지만 해도 시추는 마구잡이식으로 10개 공을 시추하면 9개 공이 건공(乾孔 : 석유 또는 가스가 나오지 않는 시추공)일 정도로 성공률이 낮았으나, 탐사장비의 발달과 슈퍼컴퓨터의 등장은 땅 속 깊은 곳의 지질구조를 파악할 수 있게 해주었고, 이에 따라 탐사 성공률이 30~40% 수준에 이를 정도로 석유 발견의 가능성은 커졌습니다. 상류부문 투자 규모는 2023년 약 5,000억 달러까지 완만하게 증가하였으나, 메이저 석유기업의 친환경 에너지 분산투자 및 금융환경에 따른 보수적 투자기조, 배당과 부채상황 등의 요구 등으로 2014년의 8,000달러 최고점 수준까지 회복되기에는 개인적으로 어려울 것으로 전망됩니다.

 

석유 탐사는 쉽게 말해 근원암(Source Rock)에서 만들어진 석유가 이동하여 모여 있는 구조를 찾는 과정입니다. 대표적으로 큰 그릇을 엎어놓은 것 같은 트랩(Trap)이라는 구조가 있으며, 이러한 지질구조가 발견되면 시추작업을 들어가기 전에 더블체크를 위하여 먼저 항공사진 및 원격 탐사자료를 취득하여 지표지질조사를 마친 후에, 탄성파 등을 활용한 물리 탐사를 행하여 대상물의 제반 물리현상을 측정하여 광구의 가치평가를 하고 있습니다. 매질의 밀도에 따라 음파의 속도가 다른 점을 이용하는 탄성파 탐사(Seismic Survey)는 지표에 얕은 구덩이를 파고 화약을 넣어 폭파시키면 그 음파가 땅 속으로 내려가다가 매질이 서로 다른 암석층을 만나 반사되어 돌아오는 탄성파를 지표에 설치한 수진기로 받아서 그 진동을 기록하는데요. 바로  이 기록을 해석해 지하지질구조와 암석의 물리적 특성을 파악한 후 석유 부존 가능성이 높은 유망 구조를 찾아내는 것이 석유탐사의 원리인 것입니다. 공극이 크고 푸석한 퇴적암에서는 음파의 속도가 느리고, 반대로 단단한 암석에서는 속도가 빠르기 때문에 음파 수신으로 지하의 암석 구조를 확인할 수 있습니다.

 

석유는 주로 퇴적암층에 존재하는 것으로 알려져 있으나 지각 내 변동에 의해 석유가 지각 내에 존재하는 틈을 따라 이동하여 간혹 화산암이나 화강암에 균열이 심하게 일어난 곳에도 석유가 발견되기도 합니다. 상기 그림과 같이 석유를 저장할 수 있는 저류암과 상부에서 석유를 도망가지 못하게 하는 덮개암을 모두 가진 구조를 말하며 모자를 엎어놓은 것 같은 구조인 배사구조(Anticline)라고도 부르며, 원유 탐사는 실질적으로 원유를 품고 있을 가능성이 높은 상기의 지질구조를 찾아내는 것이 석유 탐사 작업의 핵심이라 할 수 있겠습니다.

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 석유 E&P 사업 2단계 : 석유 시추 

물리 탐사를 거쳐 석유가 그 구조 내에 부존할 가능성이 유력하다면 시추를 통해서 확인하게 되는데 이를 탐사 시추라고 부릅니다. 탄성파 탐사에서 획득한 자료를 통해 저류층의 깊이, 두께, 면적 등을 종합해 시추위치를 정하고, 직접 지면에서 저류층까지 구멍을 뚫어 석유의 존재 여부를 확인하고, 산출 능력 평가를 진행하게 됩니다. 

 

저류층의 면적과 두께를 곱하면 저류층 암석의 총 부피(Gross rock volume)를 계산할 수 있으며, 이중에 석유가 들어갈 수 있는 공간인 암석의 공극률과 이 공극을 얼마만큼 석유가 차지하고 있는지를 나타내는 오일포화도는 저류층의 물성을 평가하는 물리검층과 시추 중 획득한 암석 코어(Core) 자료에서 얻을 수 있습니다. 석유 매장량 또한 저류층 면적, 두께, 공극률, 포화도의 곱인 탄화수소 공극 부피(Hydrocarbon pore volume)에 회수율을 곱하면 쉽게 계산이 가능합니다.

 

본격적인 시추작업을 진행하며 최소 1~2km 깊이까지 하나의 직경으로 시추를 한다는 것은 시추공(試錐孔)이 무너져 불가능하기 때문에, 큰 직경의 시추를 한 후 케이징(Casing) 이라는 철제 파이프를 시추공 안에 넣고 시멘트로 암석과 파이프를 붙여주는 시멘팅 작업을 진행하게 되며, 점점 더 작은 직경의 시추를 하여 같은 작업을 반복한 끝에 최종적인 시추공의 모양은 망원경을 거꾸로 세워놓은 형상을 나타내게 되며, 일반적으로  ‘I’ 자 형태의 수직 시추와 ‘L’ 자 형태의 수평 시추 방법이 있습니다. 

 

지하 심도가 깊어질수록 압력과 온도가 높아지기 때문에 지하의 유체가 지상으로 나와 폭발하는 사고를 방지하기 위해 무거운 진흙 물과 같은 시추용액(Mud)을 넣어 발생하는 열을 식혀주고 또한 압력을 조절하며, 시추관에 물, 모래, 화학약품 혼합액을 고압으로 분사해 암석에 균열을 일으켜 채굴작업을 진행됩니다. 특히 물과 점토를 혼합한 ‘시추 이수’라는 물질을 시추공에 주입하는데 시추 이수는 시추관의 열을 식혀 주고 유정 내 압력을 일정하게 유지하는 역할을 합니다. 유정의 압력이 너무 낮으면 외부 압력 때문에 유정이 무너지고, 반대로 유정의 압력이 너무 높으면 유정 내벽의 틈새가 벌어지는데, 시추 이수가 이것을 막아주는 역할을 합니다. 암석에 구멍을 뚫고 내려가는 기구인 ‘착암기’ 끝에는 작업 지점의 온도와 압력을 측정하는 장치가 달려있습니다. 석유는 전기가 통하지 않는 물질이기 때문에 석유가 있으면 전기 저항이 높게 나오는 원리를 이용하여 해당 지점에 석유의 유무를 파악합니다. 

 

 우리나라의 석유 개발 사업 현황 

한국은 오일쇼크 사태를 거치며 석유의 중요성을 깨닫고 적극적으로 원유 비축과 석유 개발 사업을 추진하게 되었습니다. 국내 기업이 해외에서 석유 개발 사업을 진행하는 경우, 위에서 설명한 모든 과정을 처음부터 진행하기보다 언급한 각 단계에서 일정한 지분을 매입하여 공동사업자로 참여하는 경우가 많습니다. 하지만 외환위기 이후에 저유가 Trend와 정치적인 이슈가 겹치며 새로운 E&P 사업 등은 거의 추진되지 못하고 있는 것이 현실인데요. 우리나라는 전세계에서 진행 중인 E&P 사업으로 하루 50만 배럴 정도에 원유를 생산하고 있으며 한국석유공사가 사업을 전반적으로 조정하고 있습니다.

 

 석유 개발 사업의 위험 요소 

기술적 위험	분석 자료의 한계로 인한 잘못된 의사 결정, 시추 및 운영의 어려움 및 기술의 한계
경제적 위험	큰 초기 투자 비용 및 매우 긴 회수기간에 따른 자금조달의 어려움. 유가 및 환율의 변화
정치적 위험	해당 국가 정치(자원 국유화 조치, 개발 규제) 및 경제의 불안정성(금융, 세제 개편 등)

 

오늘은 '원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream'을 정리해보았습니다.
다음 글에서는 '석유 탐사 개발 및 생산방식, 설비'에 대해 알아보겠습니다.

2024.05.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)

석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)