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알면 재미있는 ‘석유생산 이야기’

알면 재미있는 ‘석유생산 이야기’

  • 기자명 계충무 국제아동돕기연합 고문
  • 입력 2010.06.29 10:21
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산능력 산출시험(DST) 결과 석유생산의 수익성이 입증되면, 운영권자는 생산 층의 조건에 따라 케이싱(시추공 보호강관)에 구멍을 뚫어 주변의 석유를 공내로 흘러 들어오게 하는 통상적인 방법(Conventional perforated compleations) 또는 케이싱을 설치하지 않고 생산층에서 직접 공내로 흡입되는 방법(Bearfoot completion)으로 할 것인지를 택해 생산정을 완성시켜야 한다.

그 외에도 여러 가지 생산장비를 설치해 지하로부터 지상으로 석유를 끌어 올린다. 생산초기에는 자연압력으로 순조롭게 생산되나 시간이 지남에 따라 압력이 떨어져 생산량이 감소한다. 석유가 땅속으로부터 채취되는 단계를 나누어 보면 다음과 같다.

1차 회수 : 이 단계에서는 몇 가지 자연의 메커니즘에 의해 저유층이 압력 작용을 받는다. 지하수는 기름을 시추공 쪽으로 밀어내며, 저유층 상부의 가스와 원유에 함유된 가스가 팽창해 압력이 상승한다. 1차 회수단계의 회수율은 보통 5 ~ 15% 내외이다. 저유층의 지하 압력이 충분하면 기름을 지표로 밀어 올리며 다만 필요한 것은 정두(井頭)에 복잡한 밸브들을 정렬해 송유관에 연결시켜 저유를 하거나 처리하게 된다.

2차 회수 : 유정은 어느 기간이 지나면 자연 압력이 점차 감소해 기름을 지표로 밀어 올릴 수 없게 된다. 이와 같이 자력에 의한 저유층의 압력이 감소하게 되면 2차 회수 방법을 시행하게 된다. 유동체 형태의 외부에너지를 주입해 저유층의 압력을 인공적으로 상승시켜 기름을 밀어내게 한다. 때로는 수중펌프를 사용해 기름을 뽑아내기도 하고, 또 다른 2차 회수 방법으로는 물을 주입하거나, 가스를 주입한다. 그리고 공기, 이산화탄소, 기타 가스를 주입해 유정 안을 깨끗이 청소해 기름의 흐름을 원활히 하여 생산량을 높인다. 물 주입에 의한 회수율은 기름의 성질과 저유층의 특성에 따라 다르겠지만 대개 30% 수준이다.

전회에서 한번 언급한 바 있지만 세계제일의 유전인 사우디아라비아의 가와르유전 (일산 6억~7억 배럴)은 현재 물 반 기름 반인데 점차 물의 비율이 높아 질것이며 여타의 대형 유전도 이와 비슷하다. 문제는 수익성이 떨어지고 유정의 생명이 머지않아 끝나게 되는데 있다.

3차 회수 : 이 방법은 저유층의 압력을 높이는 것이 아니라 원유자체의 점성을 높여 투수율을 개선해 흐름을 좋게 함으로써 생산량을 증가시킨다. 통상적인 방법인 증기를 유정에 주입하는데 이 경우 가스터빈을 돌려 전기를 생산하고 그 폐열(廢熱)로 생성되는 증기를 주입한다. 이 방법은 주로 중질(重質) 원유생산지에서 사용된다. 그 개념도는 옆의 그림과 같다.

이 3차 회수는 2차 회수 방법으로는 경제성을 맞출 수 없을 때 사용하는데 어디까지나 수익성이 있어야 한다. 따라서 유가가 높을 경우 3차 회수를 하게 되나 유가가 낮으면 중지했다가 유가가 상승하면 다시 생산을 하게 된다.

회수 가능한 기름의 양은 몇 가지 요인에 의해 결정되는데 저유암의 침투율(浸透率), 가스존재 및 주변의 물과 중력의 크기, 원유의 점도 등 자연력의 세기에 따라 결정된다. 저유암이 치밀한 셰일이면 흐름이 안 좋고 사암같이 침투율이 좋으면 기름이 잘 흐르게 된다. 기름의 흐름은 원유 속에 녹아 있는 가스와 원유 상부에 있는 가스압력의 크기에 따라 좌우된다.

3번에 걸쳐 회수를 극대화해도 원시매장량(Oil in Places: 저유층에 들어 있는 원유량)의 30~40%만을 채유하게 된다. 매장량은 이 밖에도 추정매장량, 예상 가채매장량과 확인 가채매장량 등이 있다. 일상 매스컴에서 매장량이라고 하면 확인 가채매장량을 가리킨다.

육상에서의 생산시설은 생산 장비만 설치하면 되나 해상에서는 대형 해양 구조물인생산 플랫폼을 구축해야 한다. 여기서 생산 종사자들이 숙식을 하고, 필요한 생산장비를 설치하며, 생산정을 뚫어 원유와 가스를 지하로부터 채취한다. 주변 여건에 따라 플랫폼을 해저에 부착하거나 인공섬을 만들어 띄어 놓기도 한다.

일반적으로 생산 플랫폼은 대륙붕에 설치해 놓고 기술이 발전되어 심해에서도 시추와 생산을 겸해 진행함으로써 타당성과 수익성을 높이고 있다. 전형적인 것은 30여 개의 정두를 가지고 있으며, 각각 다른 깊이의 경사 시추를 할 수 있고, 상당히 먼 거리에서도(8km 덜어진 곳) 시추를 할 수 있다. (그림 참조)

석유엔지니어는 실지로 생산에 들어가기 전에 생산정의 시추 위치를 정하고, 해당 저유층에 어떤 채유방법이 적합한지 또 회수율과 매장량 평가 등을 관장한다. 이와 관련해 한국의 석유개발 초기에 미국석유회사 근무 경력도 있고 박사라는 것만 믿고 실제로 석유 생산을 주도케 했다가 크게 실패를 본 경험도 있다.

인도네시아의 소규모 유전의 생산량을 초기에 과도한 생산을 시도해 일산 1만5000배럴까지 상승했다가 얼마 안가서 2000배럴 이하로 급락했다. 그 이유는 저유층은 리프 저유층(Reef reservoir: 주로 해류 동물의 뼈로 구성된 석회암) 이기 때문에 초기에는 생산량이 높다가 급격히 하강하는 특징이 있어 압력유지 기술을 적절히 적용하고 신중을 기해야 지속적인 생산이 가능하다.

그러나 이를 무시하고 성공을 과시하려고 무리했으며 뿐만 아니라 이 박사는 석유 엔지니어가 아니고 미국 석유회사의 연구실에서 현미경으로 암석만을 들여다보고 분석했을 뿐 실제 유전 경험은 별로 없었다고 한다. 석유 개발생산은 지질, 지구물리, 석유공학 등 각각 다른 분야의 전문가들이 하나의 팀을 이루어 일구어내는 산업이란 것을 망각하지 말아야 한다.

 

글: 계충무 국제아동돕기연합 고문
계충무 고문은 서울대 경제학을 전공했고 한국전력, 대한석유공사(현 SK), 동아건설 등을 거쳐 한국석유공사 부사장을 역임했다. 한얼상사와 코람자원의 대표이사 활동으로 국제 자원개발 사업에 남다른 성과를 내기도 했으며 현재 HI&T 사장으로 취임해 이라크 할파야 유전개발 사업을 협상중이다.

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