[동해 포항 유전 발견] 석유 산업 개발 프로세스 분석, 유전 탐사 기술, 시추 및 매장량 계산 방법

 

 

<관련 포스팅>

석유와 천연가스 생성 원리와 유망구조 - 유전의 필수 요소

 

 

 

1. 석유 개발 프로세스

 

석유산업 밸류체인은 석유나 천연가스가 고여있는 경제성있는 유전을 탐사하고 개발 및 생산하는 업스트림과 시추한 석유 및 천연가스를 수송, 저장, 정제해서 다양한 제품을 만들어 판매하는 다운스트림으로 구분됩니다.

 

 

석유 개발 프로세스와 세부 단계 (출처 : 대한석유협회)

 

 

이 중 업스트림의 경우 크게 유전이 존재할만한 지역의 광구를 탐색하고 이에 대한 탐사권 및 생산권을 확보하는 ▲광구취득단계, 실제 석유 부존 여부를 확인하기 위해 탐사, 평가하는 ▲탐사단계, 발견된 유전의 경제성을 판단하고 시추하기 위한 생산 인프라를 구축하는 ▲개발단계, 실제 석유 및 천연가스를 시추하는 ▲생산단계로 나뉩니다.

 

• 광구취득 단계
  주로 광구의 소유권은 정부나 기관이 갖고 있으며, 석유 개발 기업이나 석유공사, 가스공사와 같은 공공기관이 소유자로부터 광구에 대한 탐사, 개발, 생산 권리인 조광권을 취득합니다.
  자원 개발의 경우 경제적, 정치적, 외교적 이슈가 많기 때문에 대부분 비공개 협상을 통해 이루어집니다.
  
  
  
• 탐사 단계
  광구에서 석유가 매장되어 있을만한 지역을 탐사하고 분석 및 평가하는 단계입니다.
  지질분석과 물리탐사를 통해 지층 형성시기 및 형태, 유전 필수 요소인 퇴적층 등의 존재 여부를 파악해 유망구조를 도출합니다.
  이후 유망구조에서 시추탐사를 통해 내부 샘플을 채취하고, 실제 석유 및 천연가스가 존재하는지, 경제성이 있는지, 규모가 어느정도 되는지 등을 평가하게 됩니다.
  
  이후 시추를 위한 최적 위치를 도출하게 됩니다.
  
  
  
• 개발 단계
  개발단계는 상업성이 확인된 유전에 대해 실질적으로 시추 시설 등 생산 인프라를 구축하고 최적생산조건 개발을 통해 최대한 많은 양의 석유 및 가스를 생산할 수 있도록 하는 단계입니다.
  시추는 1차적으로 트랩에 모여있는석유와 가스를 뽑아내고, 이후에는 트랩 주변 저류층에 스며들어있는 석유 및 가스를 뽑아내야 합니다.
  따라서 탐사 단계에서 확보한 자료를 통해 저류층의 특성을 파악하고 이에 따른 생산 시나리오 기획과 생산량 예측 등을 진행합니다.
  
  생산시설에는 해저에 생산 트리(크리스마스 트리), 플로우라인, 생산제어시스템, 해저주통제선 등이 설치되고, 해상에는 생산 플랫폼과 저장시설을 설치합니다.
  
  육지와 가까운 천해의 경우 해상 플랫폼에서 물, 가스, 석유를 1차적으로 분리한 후 해저 파이프라인을 통해 육상으로 이송해 최종 처리 및 수송 준비를 합니다.
  심해의 경우 FPSO(부유식 생산 저장 하역 시설, 바다 위 정유공장)등의 플랫폼을 설치해 직접 정제 및 저장, 하역까지 수행합니다.
  
  
  
  
• 생산 단계
  본격적으로 생산하는 단계로 생산 조건 최적화에 따라 최대한 많은 양의 석유와 가스를 채취하고 생산량 예측, 저류층 관리, 생산시설의 유지 관리, 생산량 증대를 위한 회수증진 등을 진행합니다.

 

 

석유 산업 업스트림의 세부 사업단계와 주요 작업 (출처 : 한국석유공사)

 

 

 

 

2. 탐사 기술과 단계

 

이전까지 석유개발은 유전의 존재 가능성이 높은 유망구조에 무작정 구멍을 뚫어 시추해보는 방식으로 진행하다 보니 성공확률이 10%가 채 안되었습니다.
그러나 센서 기술, 컴퓨팅 성능의 발전 등 탐사 기술이 크게 발달하여 탐사 성공률이 30~40% 수준으로 올라왔고, 심해유전이나 규모가 작은 한계 유전 또한 개발이 가능하게 되었습니다.

유전 탐사 단계에는 ▲지표지질조사, ▲물리탐사, ▲시추탐사, ▲전자탐사, ▲평가 등이 있습니다.

 

■ 지표지질조사

항공기와 인공위성을 통해 지표를 촬영하고, 이를 바탕으로 지질구조와 형태(습곡, 단층, 균열, 화산활동)를 조사하는 기술입니다.
주로 석유가 생성될만한 퇴적분지를 탐사하여 구성 암석 종류, 주변 지층과의 관계, 형성 시기, 퇴적 발달 상황 등을 분석합니다.

 

■ 물리탐사

물리탐사는 지질의 물리적 특성을 계측해 지하 지층의 구성과 형태, 가스 및 석유 존재 여부, 유망 구조 등을 예측하는 탐사단계 입니다.
주로 ㅊ물리 탄성파탐사, ▲중력 및 자력 탐사, ▲전기 탄성파 탐사 등의 기술이 사용됩니다. 

육지에서의 물리 탄성파 탐사는 화약을 폭파시켜 발생하는 진동을 통해, 해상에서는 진동 발생기를 통해 탄성파를 발사하며, 땅속에서 맞고 되돌아오는 반사파의 굴절 및 속도 변화, 특성 변화 등을 분석해서 유망구조를 찾아냅니다.

 

 

육상과 해상에서의 유전 물리 탐사 방법 (출처 : GS칼텍스 미디어허브)

 

 

석유가 존재하기 위해서는 공극이 크고 스펀지와 같은 퇴적지층과 저류암이 존재해야하고, 그 위에 단단한 암석(덮개암)이 석유와 가스가 빠져나가지 못하게 막고 있어야 합니다.

탄성파는 퇴적지층이나 저류암에서는 속도가 느려지고 덮개암에서는 속도가 빨라지는데 이러한 물리적 변화를 통해 지하 형태와 구성을 파악하고 시뮬레이션 이미지를 만들 수 있습니다.

 

 

2차원, 3차원 탄성파 탐사 이미지 (출처 : 한국석유공사)

 

 

이러한 탄성파 탐사 기술은 슈퍼컴퓨터 성능 발전과 센서 기술 및 처리, 해석 기술 발전으로 유전에 대한 정밀탐사의 핵심 기술로 사용되고 있습니다.
탄성파 탐사 결과를 해석하여 유망구조 존재 여부 파악 뿐만 아니라 지질의 층서 및 구조 해석, 매장량 평가, 위험도 분석, 최적 시추위치 선정 등의 핵심 자료로 사용됩니다.

 

 

고해상 3D 해저 탄성파 탐사시스템 기술과 획득 이미지 (출처 : Development of the integrated geophysical survey and real-scale data processing technologies for 3D high-resolution imaging of the marine subsurface, 한국지질자원연구원)

 

 

이밖에 중력 및 자력 탐사는 지구 자체가 갖고 있는 중력과 자기장을 분석해 해당 지역의 중력 및 자력 이상 변화를 탐지하는 기술이며 이를 통해 암석 분포와 퇴적 분지 존재 여부 등을 판단할 수 있습니다.

 

 

■ 시추탐사

물리 탐사를 통해 유망구조를 도출하고나면, 실제 시추를 진행하여 내부 샘플을 채취하고 석유나 가스의 존재 여부 및 매장량 분석, 경제성 평가, 지질 내부의 물리적 특성을 판단하는 물리 검층 등을 수행합니다.

시추공을 뚫는 작업이 전체 유전 개발 비용의 50~60%를 차지하며 시추 과정에서 ▲유정 폭발, ▲유해가스 분출, ▲일수 현상 등이 발생할 수 있어 가장 위험한 작업이기도 합니다.

그러나 물리 탐사 결과가 아무리 완벽하더라도 실제 석유 부존 유무와 경제성, 매장량, 최적 시추 위치 등을 파악하기 위해 꼭 필요한 핵심 과정입니다.

 

 

석유 매장량 계산 공식 (출처 : GS칼텍스 미디어허브)

 

 

시추 탐사는 비트(Bit)라는 회전용 드릴을 사용해 저류층 부근까지 구멍을 뚫어 시추관을 삽입하고 물, 모래, 화학 약품 등을 혼합한 액체(시추 이수)를 고압으로 주입해 내부 암석에 균열을 만들고 내부 물질들을 채굴합니다.

이때 시추관 끝에는 온도, 압력, 전기저항을 측정할 수 있는 센서들이 달려있으며 이를 통해 석유 부존 유무와 안전하게 시추가 가능한지 등을 판단합니다.

석유의 경우 전기가 통하지 않기 때문에 전기 저항이 높게 나타나게 됩니다.

 

 

시추 탐사를 위한 시추 과정 (출처 : 쉘 유튜브, 조선일보)

 

 

시추 깊이는 저류암 위치 및 압력에 따라 보통 1~4km 수준이며 가스층의 경우 6km 까지 내려가야 합니다.

 

시추 방법으로는 시추공 각도에 따라 ▲수직시추, ▲수평시추, ▲경사시추로 나뉘는데 이렇게 시추 각도와 방향을 조절해 유정과의 접촉 면적을 늘릴 수 있어 생산 속도를 높일 수 있습니다.

 

 

시추 각도에 따른 시추공 종류 (출처 : 한국석유공사)

 

 

시추 목적에 따라서는 ▲탐사정, ▲평가정, ▲생산정, ▲주입정으로 구분하기도 합니다.

탐사정은 맨 처음 석유가 있는지 확인하기 위해 뚫는 시추공이며, 평가정은 유전의 전체적인 윤곽을 측정하고 생산량을 평가하기 위해 유정 여러곳에 뚫는 구멍입니다.
탐사정과 평가정을 합쳐 시추탐사라고 합니다.

생산정은 실제 석유 생산을 위해 뚫는 시추공이며, 주입정은 석유 및 가스를 생산하면서 감소하는 지하 압력을 유지하기 위해 물이나 가스를 주입하기 위한 시추공입니다.

 

 

■ 전자탐사

전자 탐사는 최근 연구 개발이 빠르게 진행 중인 기술로 전기장 및 자기장을 발생 시켜 지하에 전류를 흐르게 하고 지하 내부 구성성분(매질) 특성에 따른 전류 변화 정도를 계측해서 어떠한 성분이 있는지 판단하는 방법입니다.

물리탐사를 통해 유망구조가 도출되면 이 주변의 탄화수소를 탐지하는 보조 수단으로 활용되고 있습니다.