더 깊은 곳까지 시추 파이프를 내려라

1947년 10월 미국의 석유 회사인 Kerr-McGee의 엔지니어들은 세계 최초로 육지로부터 떨어진 해상 원유전(oil well)에 시추를 성공하였다.
멕시코의 걸프만에 있는 Louisiana 해안으로부터 17km 떨어진 곳으로 한 개의 테니스 코트만한 크기의 드릴데크가 사용되었다.

이 플랫폼은 세계 2차대전부터 저장시설과 승조원들의 잠자리로 쓰이던 바지선들을 개조하여 보완하는 방식으로 만들어졌다. 플랫폼에 장착된 한 개의 드릴 데릭은 4.6m 아래의 바닷속 바닥을 뚫을 수 있다. 이 Kerr-McGee의 해상 드릴 기어는 여전히 멕시코 연안에서 사용 중인 장비이다. 다만 재활용하여 사용하던 바지선만 더욱 정교한 장치들로 바꾸어 사용하고 있다.

2005년에 이 회사는 자체 플랫폼을 뉴올리언스 남서쪽 300km 해상에 설치한다.

수심 1,500m 아래의 해저에 계류되어 있는 600백만 달러의 이 설비는 13,600톤의 길다란 원통형 부유보(floating 'spar')가 9,800톤의 상부 설비들을 물 위에서 지탱해준다.

2006년, Ker

r-McGee를 인수한 독립적 오일 생산 회사인 애너다코석유사(Anadarko Petroleum Co.)가 현재는 이 설비를 소유 및 운영하고 있으며, 수많은 회사들이 이 설비를 사용하고 있다.

2007년, BP사(British Petroleum)는 수심 2,150m 아래의 해저에 매어있는 58,700톤급 반잠수형 해양 굴착 장치의 설치에 성공한다. 이 설비의 실현으로 이것은 당시 세계에서 가장 깊은 곳에 계류되어 있는 원유-가스 생산 설비이었다.

하지만 이 기록은 오래가지 못했다.

2008년 Shell사의 22,000톤급 'Perdido' 부유보(왼쪽 그림)가  핀란드에서 건조되어 새로운 둥지인 텍사스 연안에서 320km 떨어진 지역으로 예인된 것이다. 거의 에펠탑에 육박하는 높이로 세워지는 Perdido 굴착 설비는 2,400m 해저에 고정되었으며 2,900m 보다 더 깊은 해저 원유전에 연결되었다.

2008년도에는 이보다 더 거대한 반잠수형 해양 굴착 설비들이 두 곳에서 더 진행되었고 현재 운전 중이다.
그 중 첫번째는 Chevron사에서 발주한 26,000톤급 'Blind Faith'이고, 두번째는 훨씬 거대한 BP사의 130,000톤급 'Thunder Horse'이다.

이들 거대 선박들은 지정학적 요소와 기술적 요소들 간의 통합적인 발전을 통해서 실현 가능하였다.

육상에 유전을 가지고 있는 나라들의 자원 민족주의가 더욱 강해지면서 개별 석유 생산 회사들은 더욱 먼 곳의 자원으로 눈을 돌릴 수 밖에 없게 되었다. 불가피하게 이것은 해안으로부터 수마일 떨어진 깊은 바닷 속으로 석유를 찾게 될 수 밖에 없었던 것이다.

이러한 설비들은 물리적인 한계에도 아랑곳 하지 않고 성공적으로 개발되었다.

예를 들어, 해상 시추 설비 내 파이프가 서로 맞물리는 드릴 스트링(string)은 개당 30kg이 넘는다. 더욱 깊은 해저로 내려갈수록 이 드릴 스트링은 더욱 길어져야 하고 무거워져야 한다. 게다가 이것은 더 커지는 연결 하중을 견대기 위해 플랫폼도 함께 커져야 하는 것을 의미한다.

점점 커지는 플랫폼과 고정식 플랫폼보다 큰 규모의 드릴쉽(drill ship)의 사용이 증가하면서 더 깊은 해저에서 작동하기 위해 요구되는 주요사항들도 많아졌다. 수 마일 깊이의 물 속 해저에 존재하는 압력은 관련 장치의 설계자들이나 수면위로 원유를 뽑아올리려는 생산 엔지니어 모두에게 큰 난관이었다.

최근(2010년 3월말) 운전이 시작된 Perdido는 이러한 문제를 해결하기 위해 획기적인 기술들이 적용되었다.  "subsea boosting system"이라고 불리는 이 기술은 유전 내의 낮은 압력을 극복하기 위해 5 대의 강력한 전기 구동 펌프를 해저에 설치하여 원유를 해수면까지 끌어올리도록 도와준다. 게다가 다수 해저 유전을 동시에 시추 및 생산이 가능하며 올라오는 파이프 내 흐름을 통합 제어하여 해저에서 가스로부터 석유를 분리해 내기 때문에 수면까지 더 적은 파이프만을 통해서 생산이 가능하도록 하였다.    

      

이처럼 불리한 작동 조건에도 불구하고 최근에는 거대하고 깊은 해저 탐색이 많아지고 있다.

2007년에는 브라질의 거대 석유기업인 Petrobras사는 리우데자네이루(Rio de Janeiro) 연안에서 240km 떨어진 투피족 영역에서 80억 배럴의 석유를 발견했다고 발표함에 따라 관련 산업 전체를 놀라게했다.
2,000m 수심과 3,000m 모래 및 암석층, 그리고 2,000m 소금층 아래에서 발견된 이 유전은 지금까지 발견된 해상 유전 중 최대라고 홍보하였다.

결과적으로 이후 수심 1,500m 이상의 심해 유전 탐색은 앙골라(Angola), 시에라리온(Sierra Leone), 그리고 나이지리아(Nigeria) 연안을 비롯하여 2009년 Anadarko Petroleum사에 의해 5개의 유전이 발견된 멕시코 연안까지 많은 심해 유전 개발 성과를 올리는 계기가 되었다.

더 깊은 심해 유전을 찾아라! (지질 탐사의 변화)

이러한 발견들은 불과 몇 년전만 해도 그야말로 가늠할 수조차 없는 것이었다.
 
1990년대 중반까지 WesternGeco사의 Robin Walker는 석유 생산 기업들은 해상 유전의 시추를 통한 생산의 성공은 600m 이내에서 그 한계를 들어낼 것이라고 했다. 그러나 이러한 주장은 깊은 심해의 유전에 접근하는 문제보다는 유전을 탐색하는 과정과 관련이 있다.

Thunder Horse나 Perdido와 같은 거대 플랫폼들은 필요한 동력과 힘은 충분히 제공해준다. 하지만 실제 유전 탐색 과정에서는 플랫폼의 성능보다는 정교한 컴퓨터들을 이용하면서 얻게 된 이점들이 심해 유전 굴착 성공에 중요한 요소가 되고 있다.

결과적으로 하드웨어적 기술 경쟁보다는 산업내 실질적 요구에 의한 소프트웨어의 개발과 발전을 위한 경쟁이 더욱 심화되고 있다.

심해 굴착 기술의 어려움은 Walker의 말에도 잘 드러나있다.

심해의 유전을 성냥갑이라고 생각해보자.
이 성냥갑은 2층짜리 건물 옥상에 있으며 1층은 물로 가득차 있고 2층에는 바위와 모래, 그리고 때로는 소금으로 가득차 있다.
드릴 파이프로 유전을 찾는 작업은 건물의 아랫층에서 사람의 머리카락으로 연결된 동전을 쳐서 알아내는 것과 같다.

이러한 도전의 실패로 인한 대가는 막대하다.

석유산업에서 일반적으로 석유가 발견되지 못한 심해로 'dry hole'을 굴착하기 위한 비용은 대략 1억 달러 이상이 든다. BP에서 발표한 자료에 의하면 2억 달러 이상이 든다고도 한다.

Anadarko사의 멕시코만 유전 탐사 책임자인 Stuart Strife는 이렇게 많은 자본 투입이 되고 실패나 오류에 의한 손실의 최소화를 위해서 '시추를 하기 전에 많은 정보와 지식을 가지고 있어야만 한다.'라고 말한다. 이 정보와 지식이란 거의 원유가 매장되어 있을 것으로 예상되는 지역에 대한 이해를 높여줄 해저 바닥의 조성이나 지질학적 구조와 같은 사전 데이터의 구성을 의미한다. 수세기 동안 이러한 데이터와 기술들은 해상에 적용되기 이전에 육상 유전 개발이나 지질학적 탐사들에 의해 선행된 것으로 해상에서도 동일하게 적용될 수 있다.

1980년대로 거슬러올라 당시의 전형적인 해양 지질 탐사는 수킬로미터가 되는 8개 내지 10개의 길다란 줄(스트리머)이 달린 보트를 이용해 이루어졌다. 이 보트에는 수중 음파 탐지기인 소나 전파 혹은 압축 공기의 폭발파인 shot point라고 불리우는 전파를 생성하여 지질 탐사를 할 수 있는 장비가 실려있었다. 이 전파는 보트에 달리 길다란 줄(스트리머)에 균일하게 위치하는 수중 청음기에 의해 수집되고, 소나 전파의 반사정도를 해석함에 따라 다양한 해저 지형도나 해저에 원유를 포함하고 있을만한 암석의 유무 등을 알아낼 수 있었다.

BP사의 멕시코만 탐사 책임자인 David Rainey에 의하면, 2차원의 데이터가 수집되는 방식에도 불구하고 석유 회사들은 약 25미터인 수중 청음기의 간격을 고려하면 수집된 데이터들을 컴퓨터 프로그램을 이용해 해저의 대략적인 3차원 모델도 생성할 수 있다고 한다.

이 모델은 이런 탐사로부터 획득한 자료로부터 충분한 정확도를 가지고 해저의 석유를 포함하고 있을 확률이 높은 배사구조나 단층과 같은 구조적 정보를 석유 회사에게 제공하는 것이 가능하다. 이러한 접근법은 새로운 방법이 제시되기 전까지 상대적으로 쉽게 유전을 찾아내는 것에 훌륭한 역할을 했다.

하지만 이 방법의 탐색은 차츰 줄어든다. 이것은 석유 회사들이 현재 해상에서 운전되고 있는 설비들의 높은 유지비용을 최소화시키기 위해 생산량을 최대로 높이려는 경향이 생겼기 때문이기도 하지만 다른 한편으로는 멕시코만의 2/3정도가 얇은 염분층으로 덮여있었기 때문이다.

바닷물이 증발하면서 해저에는 얇은 염분층이 생성된다. 이 염분층은 수천년동안 바다로 유입되는 강물 속에 포함된 토사물에 의해 뒤덮여지는데 세월이 지나면서 암석으로 변해 바닷속 밑바닥을 형성한다. 바닷물의 높은 압력으로 이 염분층은 암석층에 의해 눌려 바위와 염분이 회오리형태의 해저 표면을 만들어낸다.

이 염분과 암석이 혼합되면서 생성된 패턴은 패턴 아래의 유전을 탐사하고 시추하려는 회사들에게 큰 골칫거리가 되고 있다. 이것은 음파가 염분이 포함된 지질에서는 암석일 때보다 빠른 속도로 방출되기 때문이다. 이 때문에 음파가 반사되고 굴절되는 것이 합쳐져 수중 청음기에 도달하는 방식인 전통적인 소나 탐사를 통해 해저의 지형도를 명확하게 알아내기 힘들어지게 된다.

염분층을 극복하라!

염분층이 존재하는 해저의 명확한 탐사를 위해 초창기 노력은 탐사로 얻은 데이터를 가공하는 쪽으로 집중되었다.
하지만 염분층의 영향이 포함된 데이터를 가공하여 정확한 해저 지형을 알아내기 위한 좋은 알고리즘들이 개발되었음에도 불구하고 좀더 복잡한 지형들에 적용되기 위해서는 한계가 존재하였다. 이에 대해 Rainey는

약 5년전에 우리는 수익이 떨어지는 문제에 봉착했다.

라고 말했다.
 
결국 석유 회사들과 이들의 관련 기업들은 문제의 원점으로 돌아와 처음부터 다시 시작했다.

기존의 길다란 줄(스트리머)을 보트에 매달아 수중 청음기를 달고 2차원의 데이터를 수집한 다음 이 중 적절한 데이터를 선정하여 가공한 후 3차원의 해저 정보를 얻어내는 방식 대신 3차원의 데이터를 수집하기로 결심한다. 흔히 'wide-azimuth' 탐사법이라고 불리우는 이 접근법은 3~4척의 탐사선이 평행으로 이동하면서 지질 탐사를 위한 음파를 동시에 다수 생성한 다음 수중 청음기를 통해 확인하는 방법이다.

이 방법을 이용하면 다양한 방위각에서 동시에 발생한 수중 음파의 반사 및 굴절을 확인하여 더 확실한 해저 구조를 알아낼 수 있다. 더 다양한 방위각에서 동일한 지역에 대해 여러번 반복할수록 더욱 정확한 해저 구조를 알아낼 수 있기 때문에 'multi-azimuth' 탐사법이라고도 한다.

여기에 나선형의 궤도로 소용돌이를 치는 음파를 여러 방위각에서 발생하여 이용하는 'coil shooting'이라는 기술을 적용하면 소위 4차원 탐사도 가능하다. 역시 이 4차원 탐사도 다양한 방위각에서 탐사를 반복하여 해저 구조를 알아내기 위한 노력이 필요하다.

3차원 혹은 4차원 탐사를 통해 해저 구조에 대한 일관된 그림을 얻고 이 결과가 반복적으로 재현 가능한 것으로 확신하기 위해서 수중 청음기는 음파가 발생하는 탐사선에서부터 상대적으로 일정한 위치에 고정되어 있어야만 한다. 그래서 석유 회사들은 WesternGeco사의 Q-Fin 시스템이나 CGG Veritas의 Nautilus 시스템과 같은 물 속에서 탐사선에 달린 수중 청음기(스트리머)의 위치를 조절하면서 측정할 수 있는 시스템을 개발하게 된다.

하지만 이 새로운 수집 기술들의 작동 방법들은 방대한 양의 데이타가 생성된다는 관점에서 극복해야할 난관이 생긴다.

일반적인 3차원 탐사선에 달려있는 수중 청음기(스트리머)는 80km가 넘는 길다란 케이블에 연결되어 있으며 여기 달려있는 청음기의 총 댓수는 25,000개가 넘는다. 매 10~15초 간격으로 음파를 발사하고 1회 발사 때마다 각각의 수중 청음기는 24 bit의 시그널로 매 0.002초 간격으로 돌아오는 음파를 측정하게 된다.

이 결과 한번 음파를 발사한 후 되돌아오는 음파의 측정에 총 500 MB 정도의 데이터가 축적된다. Walker에 따르면 일반적인 탐사선 50대가 1년간 평균적으로 운영되는 시간으로 환산하면 축적되는 데이터는 12 PB(petabytes, 1,000,000,000,000,000 bites)가 된다고 한다.

이 데이터를 처리하면 해저 구조에 대한 그림을 결과로 얻을 수 있다. 이러한 데이터의 처리를 위해 사용되는 컴퓨터의 능력은 믿기 어려울 정도이다. 멕시코만에 위치한 BP사의 운전 센터에는 이 계산을 위해 270 teraflops(1초에 부동 소수점 연산의 횟수가 270,000,000,000,000번)인 컴퓨터를 사용하며, 이는 10년전에 비해 약 3,000배 증가한 속도이다.

해양 지질탐사로부터 유전이 존재할만한 좋은 곳을 알아냈다면, 정교한 탐사를 위한 시추 계획을 준비한다. 시추가 진행되는 동안 'mud'라 불리는 유체를 시추공을 통해 주입한다. 이는 시추공이 끊어지는 것을 방지하고, 드릴 부분의 온도를 낮추며, 시추공 벽면이 무너지지 않고 압력을 유지할 수 있도록 굴착 파이프를 통해 주입하는 것이다.

해저의 암석과 모래를 굴착하는 과정에서 드릴 부분 내 머드의 압력이 일정 조건 내에 유지되어야 한다. 만약 압력이 너무 낮으면 지하 유체 및 가스들의 힘(pore pressure)에 의해 시추공 벽면이 눌려 붕괴되며, 너무 높으면 팽창으로 인한 주변 암석 내 균열을 발생시켜 머드가 이 균열 사이로 빠져나가 순환 과정에서 유실이 생기게 된다.

더욱 성공적인 시추를 위한 노력

따라서 제한된 압력 조건(pressure window) 내에 시추용 머드의 압력을 유지하는 것은 가장 중요하다. 이 압력을 정확히 알아내기 위해 석유 회사들은 일반적으로 암석의 샘플이나 초기 시추에서 얻은 시추 벽면의 스트레스를 측정한 데이터에 의존한다. 이 데이터는 구멍의 압력과 균열이 생기는 압력을 예측하는 모델을 이용한 후 이를 바탕으로 머드 압력을 계산하게 된다.

그러나 이것은 불완전한 방법이기 때문에 해저 염분층의 생성은 이 방법을 더욱 어렵게 만들었다. 염분층과 암석층 사이의 큰 압력 차이는 두 층 사이를 지나 시추를 할 경우 머드의 압력을 적정한 압력 조건 내에 유지되지 못하기 쉽상이다. 게다가 방대한 양의 해저 데이터들에도 불구하고 표면으로부터 염분층과 암석층 사이의 경계를 알아내는 것은 거의 불가능하다.

이 때문에 파내려간 땅 속의 데이터의 선별과 전송이 실시간으로 가능한 새로운 파동 장치들과 통신 시스템들로 변화를 꾀하고 있다. 정해진 시추 계획을 통해 유전에 접근하기 보다, 시추를 진행하면서 압력, 온도, 진동, 그리고 암석의 물성치를 추정가능하도록 도와주는 전기 저항값 등을 측정(measurement while drilling, MWD)하는 기술을 통해 보다 성공적인 시추를 가능하도록 돕고 있다.

기존의 MWD 데이터들은 파내려간 땅 속의 센서로부터 지표면까지 머드를 통해 전달된 압력파인 'mud pulse'를 통해 알아내는 것이다. 이 진동은 초당 몇 안되는 양의 정보만을 전달하지만 무슨 일이 발생하고 있는지에 대한 유용한 정보는 충분히 전달된다. 특히 MWD는 드릴 비트의 정확한 조종을 가능하도록 드릴 비트의 위치와 각도와 같은 정보와 굴착되고 있는 물질들의 정보를 제공해주기 때문에 정확한 시추가 가능하도록 도와준다.

멕시코만의 Thunder Horse 근방의 3차원 해저 영상도

Petrobras사의 Braulio Xavier Bastos는 'MWD는 시추 과정에서 일의 진행 방향을 크게 변화시켰다.'라고 말한다. 유정 데이터를 연속적으로 얻게 된 해상 플랫폼 엔지니어들은 시추를 진행하는 동안 암석의 거동이나 구멍의 압력을 시뮬레이션 해볼 수 있게 되었으며, 이 덕분에 굴착 속도와 관련한 파라미터들을 조절하는 것이 가능해졌다. Shell사의 시추 엔지니어인 Lisa Grant는 'MWD는 5년 전 시도하지 못했던 유정의 시추를 오늘날 가능하도록 했다.'고 말한다.

굴착된 유정 속에서 통신이 가능한 채널이 개발되면서 석유 회사들은 시추공 탄성파(boregole seismic) 장비의 이용을 통한 새로운 방식의 해저 분석 방법을 고안하고 있다. 이 방법은 드릴 모듈에 탄성파 발생기와 수신기를 달아 수면에서만 알아내던 기존의 방법에서 탈피하여 땅 속의 지질학적 환경의 그림까지도 정확하게 알아낼 수 있다.

복잡한 MWD 장비는 더욱 빠른 정보 전달이 가능해야만 한다. 한가지 가능한 해결책은 파이프 조각들 사이에 데이터 전달을 위한 유도 결합(inductive coupling)을 이용할 수 있는 케이블을 드릴 스트링의 파이프 벽면에 매립한 'Intellipipe'를 사용하는 것이다. 이 파이프를 제작한 Grant Prideco에 따르면 Intellipipe는 mud-purse보다 훨씬 빠른 초당 메가비트의 속도로 전송이 가능하다고 한다.

새로운 기술들이 개발되면서 유전은 이제 더욱 접근하기 어려운 영역에서도 발견되고 있다.

석유 산업계는 멕시코만이나 브라질 연안에서 발견된 예상치 못한 거대한 해상 유전의 발견과 같이 놀라운 사실들을 발표했다. 또한 올해 초 미국의 지질학 탐사 연구에서는 베네수엘라는 본래 추정되었던 원유의 두 배 가량을 생산 가능하다고 발표했다.

역사적으로 보면 불확실성을 줄일 수 있고 큰 이익을 제공해줄 수 있는 기술은 석유 산업계에서 승자와 패자를 가르는 결정적인 요인이었다. Kerr-McGee가 1940년대 선구적인 해상 플랫폼을 개발하였을 때, 4개의 다른 미국 회사들은 지금의 사우디아라비아의 국영 석유회사인 Aramco를 설립하는데 참여하고 세계 최대 원유를 확보하려했지만 영국의 탐사권 획득에는 실패하였다. BP의 전임자는 이미 그들의 지질학자들로부터 유전 개발을 위해 긍정적으로 검토할만한 구체적 지역들에 대한 보고서를 보고 있었던 것이다.

시추를 하기 전 사전 지식이 무엇이든 간에 한 가지라도 있다면 그것은 큰 이득이 된다는 것이다.

(내용출처 : Economist, 2010년 3월 6일 영문판)