대형 해저저장탱크를 이용한 심해유전 개발 개념

최근 해양의 오일과 가스 개발을 위한 시추 및 생산 작업이 급진적으로 심해로 옮겨가고 있으며, 이에 작업 가능 수심이 3,000m에 이르고 있다. 수심이 깊어지고 연안에서 멀어짐에 따라 FPSO 방식과 파이프라인을 이 용한 Tie-back방식의 단점과 한계점들이 더욱 명확히 드러나는데, 본 연구에서는 이들을 극복하기 위해 대형 해저저장탱크를 이용한 심해유전 개발 개념을 제안한 다. 대형 해저저장탱크를 이용한 심해유전 개발 시스템 은 해저에 설치된 대형 해저저장탱크(약 300,000m

)와 해상에 위치한 간단한 부유체(Floater), 그리고 이들을 연결하는 라이저를 포함한다. 생산된 원유 및 가스는 고 압유체 수송선(HPFC: High Pressure Fluid Carrier)을 통 하여 육상으로 이송되어 처리됨으로써 해상 Topside 설 비를 최소화할 수 있다.

심해저 유전개발

전 세계적으로 해양에서의 오일과 가스 생산은 천해 (0~400m)에서 심해(›400m)로 이동하고 있는 추세이 다. 2002년 이후로 해양에서의 오일과 가스 생산은 안 정화 상태에 있는 듯이 보이지만, 내부적으로 살펴보면 천해에서의 생산이 감소하는 반면, 심해에서의 생산은

증가하고 있다. 1990년까지는 주로 천해 생산이 주였다 면 심해에서의 생산이 급격하게 증가한 것은 2000년 이 후부터이다. 이처럼 현재 천해에서 오일과 가스 생산은 고갈되어가고 있으며, 따라서 향후 심해나 극지에서의 오일과 가스 증산은 불가피하다.

해저유전 분포지역 중 하나인 멕시코 만의 경우에는 2001년부터 수심 300m가 넘는 심해 유전의 생산이 천 해유전생산량을 상회하기 시작하여 현재는 멕시코 만 전체 석유생산량의 3/4이 심해 유전으로부터 생산되고 있다. 멕시코 만에서는 최대 수심 2500m 해저에서 원유 가 생산되고 있다.

파이프라인을 이용하여 수송하기 위해서는 생산지에 서 원유나 가스의 압력을 높여주어, 수송 거리 동안의 압력 하강을 상쇄시켜 주어야 한다. 이를 위해서는 펌프 나 압축기가 필요하며, 대량의 전략을 공급해 주어야 한 다. 이러한 전력 공급은 대개 연안으로부터 이루어지는 데, 수송 거리가 증가하면 송전 손실 또한 증가하게 되 어, 파이프라인을 통한 유전 개발은 경제성이 낮아진다.

대략적인 손익 분기 거리는 150~200km로 알려져 있다.

파이프라인 인프라가 구축된 육상과 천해에서 생산된 오일이나 가스는 파이프라인으로 수송하여 육상에서 추가 처리하는 방식이 효과적이다.

개발 개념

장 대 준 한국과학기술원 해양시스템공학과 교수 ㅣe-mail : [email protected] 최 인 환 한국과학기술원 해양시스템공학과 박사과정 ㅣe-mail : [email protected] 최 윤 석 한국과학기술원 해양시스템공학과 박사과정 ㅣe-mail : [email protected] 김 준 영 한국과학기술원 해양시스템공학과 박사과정 ㅣe-mail : [email protected]

이 글은 기존 FPSO(부유식 원유 생산저장하역설비: Floating Production Storage and Offloading)방식과 Pipeline을

이용한 Subsea Tie-back방식의 단점과 한계점을 극복하기 위해, 대형 해저저장탱크를 이용한 신개념의 심해유전 개

발 시스템에 대해 소개한다.

많은 석유나 가스 생산량에 비해 파이프라인을 연결 하는 대규모 수송에 대한 인프라를 구축하기 어려운 심 해의 경우, 부유체를 이용하여 유전을 개발하고, 선박을 이용하여 수송하는 방법을 이용하고 있다. 주로 사용되 는 방식이 FPSO이다. 이 설비는 원유를 저장할 수 있는 Hull(하부선체구조)과 원유를 생산하고 처리할 수 있는 Topside(상부설비)로 구성되어 있으며 저장 능력에 따 라 100만 배럴 미만의 소형, 100~150만 배럴의 중형,

150-200만 배럴의 대형, 200만 배럴의 이상의 초대형으 로 구분된다.

선박의 화물 탱크에 원유나 가스를 저장하여 운송하 여야 하는데, 가스의 경우에는 수송 밀도가 낮아 경제성 이 떨어진다. 따라서 대부분의 심해 유전 개발 시, 원유 는 육상으로 수송되는 반면, 가스는 재주입되거나 현장 에서 연소되어 공기 중으로 배출되는데 심각한 자원 낭 비와 환경 파괴로 지적받고 있다.

TLP (Auger field) 반잠수식 생산설비 (Ichthys field)

Spar (Horn Mountain field) 그림 1대표적인 부유식 해양생산설비

FPSO (Skarv field)

부유식 생산시스템 - 부유식 원유 생 산저장 하역설비(FPSO)

FPS(부유식 생산시스템: Floating Production System)은 글자 그대로 바다 위에 떠 있는 생산 설비를 의미한다. 현재 수심 400m 이상의 심해 에서 유전과 가스전을 개발하는 효율적인 방법 으로 알려져 있다. 그림 1은 반잠수식 생산설 비(Semi-submersibles), TLP(Tension Leg Platforms), Spar, FPSO 등 다양한 종류의 FPS 을 나타낸다. 그 중 FPSO가 62%를 차지하고

서아프리카, 브라질, 동남아시아, 북해, 중국, 캐나다 등 여러 지역에 설치되어 있다. 이러한 상황은 대체 기술이 출현하지 않는 이상 당분간 지속될 것으로 보인다.

FPSO는 큰 저장탱크와 상부설비에 복잡한 프로세스 로 구성되어 있는 큰 구조물이기 때문에 고가이고 화재 나 폭발의 위험성이 크다는 단점을 지니고 있다. 또한 길이에 비해 폭이 좁아 해상의 조건에 민감하게 반응하 여 요동하기 때문에, 부유식 해상 구조물 내에 설치된 저장탱크와 하역 시에 셔틀탱커와 상대운동이 커져 작 업성이 저하되는 문제가 있다.

대형 해저저장탱크를 이용한 심해유전 개발 시스템 개념

FPSO 기반의 심해 유전 개발의 단점과 한계점을 극 복하기 위하여, 한국과학기술원은 대형 해저저장탱크 를 이용한 심해유전을 개발하는 시스템을 개발 중에 있 다. 300,000m

급의 해저저장탱크가 해저에 위치하고 기존 FPSO의 대형 저장 공간이나 복잡한 상부설비가 없 는 부유체가 해상에 위치하며, 두 설비는 라이저로 연결 되어 있다.

해저저장생산시스템의 전체 개념은 그림 2와 같다.

각 유정에서 생산된 유체는 유정의 정두(Wellhead)를 거쳐 해저합류관(Subsea Manifold)으로 합쳐지게 된다.

해저합류관에서 합쳐진 유체는 해저분리기(Subsea Separator)를 지나면서 가스, 원유, 물의 3상으로 분리되 고 분리된 유체는 해저면에 설치된 해저저장탱크에 저 장된다. 저장된 유체는 라이저에서 압력강하로 인한 압 력 손실을 감안하여 해저가압펌프(Subsea Boosting Pump)로 압력을 높여 라이저를 통해 부유체로 보내진 다. 부유체의 하역시스템을 통해 고압유체 수송선으로 생산 유체를 선적한다.

이러한 신개념 해저저장생산시스템의 장점은 다음과 같다. 첫째, 심각한 해상조건에서도 오일과 가스를 생산 할 수 있고 많은 양의 오일과 가스를 저장할 수 있는 해 저저장탱크를 지니고 있다. 또한 저장된 오일과 가스를 운송하는 탱커들의 가용도(Availability)를 높일 수 있다.

둘째, 기존의 해저 생산설비들 또는 해양생산설비들과 인프라를 구축하기 용이하다. 셋째, 기존 부유식 해양생 산설비들보다 부유체의 크기를 최소화할 수 있다. 부유 체에는 복잡한 상부설비들이 없고 탱커를 이용해 생산 된 오일을 육상으로 운송하게 된다. 즉 기존의 해양설비 들보다 운영 및 수리비용을 절감할 수 있다. 넷째, 환경 친화적이고 수심의 깊이에 영향을 받지 않는다. 다섯째, 해저원유저장탱크 설계와 제작에 있어 CAPEX(초기제 작비: Capital Expenditure)와 OPEX(운영비: Operational Expenditure)를 절감할 수 있다.

그림 2대형 해저저장탱크를 이용한 심해유전 개발 시스템

FPSO 시스템과 신개념 해저저장생산시스템 비교 기존 FPSO에서는 그림 3의 위 부분과 같은 형식으로 개발이 이루어지고 있다. 정두로부터 생산된 원유는 3 상 분리기에서 오일, 가스 그리고 물로 각각 분리된다.

가스의 경우 압축기(Compressor)를 통하여 압축되고 라이저를 통하여 FPSO의 상부설비로 이동한다. 통상 FPSO 내에는 가스의 저장 공간은 가지고 있지 않기 때 문에 유전에 원활한 석유 생산을 유지하기 위해 재주입 되거나 연소된다. 오일의 경우도 마찬가지로 펌프를 통 하여 압축되고 라이저를 통해 FPSO의 상부설비로 이동 하게 된다. 상부설비에서 오일은 처리공정을 거쳐 저장 탱크에 저장된다.

이에 반해 새로 제시되는 신개념 대형 해저저장탱크 를 이용한 심해유전 개발 시스템의 경우에는 기존에 문 제가 되던 FPSO 내의 거대한 저장탱크를 따로 떼어내어

해저에 설치한다. 대형 저장 탱크를 해저에 위치시킴으로써 더욱 안전한 상태에서의 운전이 가능하며, 복잡한 해상시설을 제거 하여 부유체의 소형화가 가능하다. 신개념 심해 유전 개발 시스템의 또 다른 특징으로 는 고압유체수송선을 이용한 고압수송에 있다. 기존의 심해저 유전 개발 시스템은 고 압의 생산 유체를 저압으로 낮추어 셔틀탱 커를 통해 이송한 후 다시 육상에서 가압하 는 과정을 거친다. 하지만 본 시스템은 생산 된 유체의 압력을 낮추지 않고 고압의 유체 를 그대로 육상으로 이송한 뒤 육상에서 처 리하도록 하여 선박의 수송을 상승시키고 불필요한 가압・감압과정을 줄이는 장점이 있다.

대형 해저저장탱크

세계 최고 수준의 해저저장탱크(Seabed Storage Tank)는 Kongsberg 사의 20,000 m

정도이며, 철강 재질로 만든 반구형 방식으 로 강도 및 설치의 문제로 대형화에 한계가 있다. 이러 한 문제점을 보완하기 위해 Steel-Concrete-Steel의 샌드 위치 구조를 지닌 300,000m

급 해저 원유 저장탱크를 개발 중에 있다. 기존 FPSO에서 사용되던 큰 원유저장 기능을 대신하여 심해의 해저면에 저장탱크를 설치하 게 된다. 그림 4는 해저저장탱크의 개략도이다. 몸체부 분은 경량 콘크리트로 구성되어 있고, 외벽에 외부로부 터 의 부 식 이 나 충 격 을 완 화 하 기 위 해 서 수 밀 (Watertight) 코팅과 외판이 설치되어 있는 구조를 가지 고 있다.

고압 유체 수송선

기존의 유체 수송선은 상압 또는 저압의 유체를 저장 및 수송하였으나 고압유체 수송선(High Pressure Fluid Carrier)은 고압의 유체(예: 50 bar)를 압력강하 없이 저장

그림 3FPSO 시스템과 신개념 해저저장생산시스템 비교

그림 4대형 해저저장탱크

및 수송하는 것을 특징으로 하고 있다. 이를 구현하기 위 해 한국과학기술원은 박스형 압력탱크(Prismatic Pressure Vessel)를 개발하였다. 박스형 압력탱크는 새로 운 개념의 압력 탱크로 개념적으로는 설계 용량에 한계 가 없기 때문에 이를 통한 고압 유체 수송선의 개발이 가 능할 것으로 생각하고 있다. 기존에는 상압 혹은 저압으 로 저장 및 수송이 이루어져 감압으로 인하여 발생하는

가스의 연소 혹은 재주입의 과정이 필요하였다. 하지만 고압 유체 수송선의 개발로 인하여 이러한 해상에서의 단계를 생략하고 기존 해상 부유체 혹은 부유설비에서 진행이 되던 원유처리 과정을 기존에 존재하는 육상 내 의 시설에서 처리가 가능할 것으로 예상되어 비용뿐만 아니라 환경 및 에너지 관점에서 다수의 장점을 가진다.

기계용어해설

마이크로터빈

수십~수백 kW 급의 소형 가스터빈을 지칭함. 중대형 가 스터빈에 비하여 낮은 터빈입구온도와 압력비로 설계되 며, 이로 인한 성능 저하를 보상하기 위하여 재생사이클로 설계되는 것이 일반적이며 분산열병합발전 등에 적합함.

메탄-수증기반응(Methane-Steam Shift Reaction) 메탄으로부터 수소를 얻기 위한 기본적인 반응으로 수증 기와 고온의 촉매분위기에서 메탄과 수증기가 만나서 수 소와 CO로 변환되는 반응.

반응면 기법(RSM)

정해진 몇 가지의 실험점을 이용하여 설계공간을 모사하 는 기법

발열량(Heat Release Rate)

단위시간당 화재로부터 방출되는 에너지

병렬제어(Parallel Control)

두 개의 증발기를 가진 냉동시스템의 증발압력을 제어함 을 의미.

분리와모사(DES: Detached Eddy Simulation)

벽과 같은 경계조건에서 계산효율이 좋은 RANS 기법과 유동변화가 큰 영역에서 정확한 계산을 하는 대형와모사 (LES:Large Eddy Simulation) 기법의 장점을 이용하기 위 해 혼합한 계산기법.

분자천이영역

분자간 충돌이 없는 자유분자유동 영역과 미끄럼(Slip) 영 역과의 중간 영역

비선형표면반응모델(Non-linear Surface Reaction Model)

표면반응이 기상 화학종의 농도에 대해 1차반응이 아닌 반응모델.

상관계수법(Correlation Coefficient Method)

이미지간 유사성을 나타내는 상관계수를 이용한 초점면 결정 방법

상변환(Phase Transformation)

아나타제 결정구조를 가진는 TiO

나노입자를 700℃이상 의 온도에서 열처리하면 루타일 상으로 경정 상이 변화되 는 현상.

석탄가스(Coal Gas)

석탄을 고온 건류하여 얻어진 가스

수정진동자(Quartz Crystal Oscillator)

수정의 특징적인 진동특성을 이용하여 매우 작은 질량을

검출할 때 사용되는 정밀측정장치를 의미. 최근에는 바이

오 분야에서 바이오 물질의 검출에도 널리 적용되고 있으

며, 또한 질량뿐만 아니라 점탄성 유체의 점도나 전단탄

성계수의 측정에도 응용이 시도되고 있음.