이 글에서는 해양 유・가스 개발에 있어서 국내외적으로 관심이 증가하고 있는 해저 시스템을 포함한 해양플랜트의 기술개발 동향에 대해 소개하고자 한다.
김 영 주 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 우 남 섭 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 박 종 명 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 김 상 식 경상대학교 나노신소재공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
해양플랜트 기술개발 동향
최근 해양의 석유와 가스의 개발을 위한 시추 및 생 산 작업이 급진적으로 심해로 옮겨가고 있으며, 작업 가능 수심이 3,000m에 이르고 있다. 심해저 해양플랜 트에 관련된 기술은 수심 3,000m 이하의 극한 환경에 서 유전 및 가스전의 개발을 위한 탐사, 시추 기술과 시 추 후의 상용 생산을 위해서 원유나 가스의 해저 생산, 이송 및 해상 생산 기술 등으로 구성된다.
이 글에서는 해양에 부존하는 유・가스 개발을 위한 대표적인 해양플랜트 시스템들을 소개하고 국내외 기 술개발 동향을 분석하여 기계공학을 포함한 다양한 분 야에서 해양플랜트에 관심을 가질 수 있는 기회를 제공 하고자 한다.
해양플랜트산업 정의 및 현황
해 양 플 랜 트 (Offshore Plants 또 는 Offshore Installations)는 해양에 부존하는 원유나 천연가스의 공 급사슬(Supply Chain)에 참여하는 구성 설비 중, 해양 에 설치되는 설비들을 일컫는다. 해양 유・가스의 개발 을 위한 대표적인 해양플랜트 및 시스템을 그림 1에 보 여주고 있다.
해양플랜트는 여러 방식으로 구분할 수 있지만 일반
적으로 용도에 따라 시추용과 생산용, 형태에 따라 고 정식과 부유식으로 구분할 수 있다. 이 글에서는 여기 에 해저(Subsea) 시스템을 추가하여 설명하고자 한다.
최근 해양유전 개발이 연안에서 심해로 확대되면서 심 해 해양플랜트의 수요가 증가하고 있는 추세이다.
형태별 특성을 살펴보면, 고정식은 하부가 해저면에 고정되어 자체 중량과 환경하중을 이겨내도록 설계된 방식으로 연안에 주로 사용되며 부유식은 개발해역이 깊어짐에 따라 수심에 영향을 받지 않게 설계된 방식으 로 부유상태에서 계류시스템으로 위치를 고정한다.
해 저 시 스 템 은 크 게 생 산 (production), 처 리 (processing) 및 운송(transportation) 시스템으로 구분
그림 1유・가스 개발 해양플랜트(그림 제공: Fluor Offshore Solutions)
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해양플랜트 기술개발 동향
할 수 있다. 특히 최근에는 행상장치를 단순화하여 해 저 설비화하면서 원유와 가스의 생산 효율을 극대화함 과 동시에 친환경 생산을 위해서 해저 프로세싱 시스템 기술 개발 및 상용화 연구가 많이 이루어지고 있다.
해양플랜트산업은 석유, 천연가스 등 해양 자원을 발 굴・시추・생산하는 자원개발 활동에 필요한 장비를 설계・건조・설치하는 산업을 총칭한다. 해양플랜트산 업에 있어 우리나라가 건조 부문에서는 세계 수준의 기 술력을 보유하고 있지만, 고부가가치의 핵심 기술 부문 은 오랜 사업경험으로 해양에 특화된 전문기업들이 국 제석유기업(IOC)들과 확고한 친분관계를 유지하고 있 어 진입장벽이 매우 높은 사업특성이 있다.
최근 해양플랜트산업의 환경이 다음과 같이 급변하 고 있는데 크게 세 가지 정도로 정리해보면 첫째, 육상 에너지자원의 부족과 해양자원 탐사 및 시추 기술의 발 전으로 해양자원 개발이 심해까지 확대되고 있다. 두 번째로 심해, 원양, 북극해 등 깊고 험한 바다에 해양플
랜트를 설치해야 하기 때문에 사업 난이도가 증가하고 있으며 안전이 더욱 중요시되면서 해양플랜트의 품질 기준이 강화되고 있다. 세 번째로 브라질, 노르웨이, 나 이지리아, 중국, 말레이시아 등 주요 해양유전 보유국 들이 자국의 이익을 추구하면서 국영석유기업(NOC)이 부상하고 있다.
해양플랜트 기술개발 동향
해양플랜트산업 전반의 기술에 대해서 기술개발 동 향을 설명하기에 이 글에서는 분량상의 제한도 있고 하 여, 최근 국내・외 R&BD 분야에서 관심을 받고 있는 기술들을 중심으로 간단하게 설명하고자 한다.
시추선: Drillship
최근 유・가스의 개발이 점점 심해와 극지로 옮겨가 면서 극한 환경에서 작업이 가능한 6세대 및 그 이상의
그림 2국내에서 생산되는 대표적 해양플랜트
Drillship Semi-submersible FPSO
그림 3대표적인 해저 유・가스 생산 시스템
Subsea tree Subsea manifold Umbilical
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시추선이 등장하고 있다. 이러한 시추선의 경우 수심 12,000ft에서 작업이 가능하며 시추 깊이는 40,000ft에 이른다. 일반적으로 점점 깊은 바다에서 시추작업을 수 행하기 위해서는 시추선의 크기가 커져야 하며, 지금까 지 시추선의 크기는 계속 커져왔다.
하지만 최근에는 시추선의 설계와 제작에 있어 초기 제작비(CAPEX : Capital expenditure)와 운영비(OPEX : Operational expenditure)로 대표되는 비용을 절감하기 위한 노력으로 시추선의 효율을 높일 수 있는 기술 개 발과 설계를 통해서 시추선의 크기가 증가하는 것을 완 화시키는 기술이 많이 도입되고 있다.
기계공학 관점에서 더욱 관심이 있을 것으로 생각되 는 시추선에 탑재되는 핵심 기자재인 시추 시스템 분야 의 최신 기술들을 살펴보면, 압력제어시추는 유정을 시 추하는 동안 시추공 내부의 압력을 좀더 정교하게 조정 하여 시추 과정에서 발생할 수 있는 문제를 최소화시켜 시추효율을 향상시키는 기술이다. 방향성시추는 고정 된 플랫폼에서 지하의 목표지점에 도달하기 위해서 의 도적으로 수직이 아닌 궤도로 시추하는 기법으로 최근 에는 RSS(Rotary Steerable System) 기술이 도입되어 더 욱 효율적으로 작업을 수행할 수 있다. 케이싱시추는 시추 비트를 연결하는 장치로 시추 파이프 대신 케이싱 을 사용하여 시추하는 방법으로 기존 시추작업에서 발 생하는 문제점들을 최소화하여 시추 시간과 비용을 절 감할 수 있는 기술이다. Seabed 시추는 석유 개발이 심 해로 이동하면서 시추 라이저 등의 사용량이 증가됨에
따라 시추선의 크기도 증가하여야 하는 문제점을 해결 하기 위해 개발되고 있는 기술로 시추작업을 아예 해저 에서 진행하는 기술이다.
시추선: Dry tree Semi-submersible
최근 해양 석유・가스 개발 업계에서는 시추와 생산 작업을 모두 수행할 수 있는 시추선으로서 해저에 설치 되는 Subsea tree(유정의 유・가스 흐름 제어) 외에 Wellhead와 Tree가 시추선 상에 탑재되는 Dry Tree Semi-submersible(DTS)에 대한 관심도 증가하고 있다.
DTS는 시추작업이 진행되는 동안 유・가스의 생산을 시작할 수 있고 또는 유・가스를 생산하면서 유정의 유 지보수 작업을 수행할 수 있게 해준다.
이 러 한 기 능 을 수 행 하 기 위 해 서 는 Wet tree system(유정을 제어하는 Tree를 해저 Wellhead에 설 치)과 Dry tree system(Tree를 해상의 시추선 상에 설 치)이 혼합된 하이브리드 형태의 Tree 시스템이 Semi- submersible에 설치되어야 한다.
Dry tree 시스템을 사용하는 가장 큰 이유 중의 하나 는 비용 때문에 수시로 움직이기 힘든 시추선에서 잦은 개보수가 필요한 유전(Reservoir)에서의 생산 작업에 매우 유리하기 때문이다. 반면에 Wet tree 시스템은 해 상의 단일 플랫폼에서는 접근할 수 없는 넓은 범위에 걸쳐있는 유전에 접근할 수 있기 때문이다.
기존에는 Dry tree 시스템이 탑재된 TLP(Tension leg platform)나 Spar가 주로 사용되었으나 최근 유・가스
그림 4시추시스템 분야 신기술
방향성 시추 케이싱 시추 Seabed 시추
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해양플랜트 기술개발 동향
의 개발이 심해로 옮겨가면서 Dry tree 시스템이 탑재 된 Semi-submersible이 많은 관심을 받고 있다. 특히 Dry tree system은 시추선 상에 설치되기 때문에 유지 관리가 용이하여, 저류암(Reservoir rock)의 특성에 따 라 유지보수작업이 많은 유・가스전에 유리하다.
GTL-FPSO
세계적으로 에너지 수요가 꾸준히 증가하고 있는 상 황에서, 최근 개발 경제성이 떨어지는 외딴 가스전에 대한 친환경적이고 경제성 있게 개발할 수 있는 해법에 대한 관심이 증가하고 있다. 왜냐하면 세계 가스 매장 량의 약 반 정도가 이러한 상황에 있는 것으로 알려져 있기 때문이다.
최근 GTL(Gas-to-Liquids)과 FPSO 관련 기술이 지속 적으로 발전하면서 GTL-FPSO가 앞에서 언급한 문제의 해법 중의 하나로 개발이 진행되고 있다. 천연가스액화 정제시설인 GTL은 천연가스를 디젤이나 제트유와 같 은 액체연료나 화학물질로 전환시키는 기술이다. 이를 통해서 천연가스의 운송 경제성이 떨어지는 가스전의 경제성을 확보하고자 하는 것이다.
GTL과 FPSO를 결합하는 데 있어 핵심적으로 고려하 여야 할 설계변수로는 GTL 프로세스 장비들의 선체 운 동에 대한 견고성(robustness), 설치 공간의 제한, 제한 된 무게와 높이, 자족성(self-sufficiency) 및 안전성 등 이다. 국내에서는 대우조선해양이 GTL-FPSO 개발을 진행하고 있는데, 한국과학기술연구원의 주관으로 지
식경제부(현 산업통상자원부), 한국가스공사, 대우조선 해양, 전남대 등이 GTL-FPSO 공정 사용화를 위한 기반 기술 개발 사업을 진행하였다.
해저 프로세싱 시스템
메이저 석유 회사들은 유・가스의 생산은 증가시키 면서도 CAPEX와 OPEX를 줄이고자 하는 그들의 요구 를 만족시켜줄 수 있는 새로운 기술을 계속해서 찾고 있는데, 해저 프로세싱 기술이 이러한 해법 중의 하나 로 관심을 받고 있다.
해저 프로세싱 시스템(Subsea Processing System)은 기존 해상 설비에서 진행하던 원유・가스・물 분리 공 정을 해저에서 수행하여 원유만을 해상으로 이송하고, 분리된 물은 유정에 재주입하여 유정의 회수율을 향상 시킬 수 있는 시스템으로 Subsea Separator와 다상 유 체를 이송할 수 있는 Subsea Multiphase Pump 등으로 구성된다. 해저 프로세싱 기술이 결합된 해저생산플랜 트는 유정의 회수율(EOR : Enhanced Oil Recovery) 향 상과 저에너지 및 환경 친화적인 대표적 저탄소 녹색기 술로 대두되고 있다.
해저 시스템 중에서 Separation 시스템의 최근 기술 개발 동향과 향후 기술개발 방향을 살펴보면, 분리 기 술은 기-액 2상 분리와 유전 재주입을 위한 물 분리 기 술 개발에 집중되고 있다. 또한 심해 적용을 위한 Compact한 원유・물리 분리시스템 개발도 활발하게 진행되고 있지만 아직까지 현재 현장에서 필요로 하는
그림 5Wet and dry tree 시스템 및 GTL-FPSO
Wet tree system Dry tree system GTL-FPSO
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용량에는 대응하지 못하고 있다.
향후 계속해서 기술 개발이 필요한 분야로는 계측 및 모니터링 기술, 시스템의 용량 증대, 고체 입자 제거 및 Hydro-cyclones 기술, 제어시스템, 심해의 붕괴압력을 견디기 위한 설계기술 등이 언급되고 있다.
지능적 유전 관리시스템
세계적으로 에너지 사용량이 지속적으로 증가하는 상황에서 새로운 유・가스전의 탐사, 개발 및 생산은 심해와 극지 등 점점 험난한 환경조건으로 이동하고 있 다. 또한 경험이 많은 전문가를 구하기도 점점 어려워 지고 있다. 따라서 석유 산업계는 이러한 문제들을 해 갈할 수 있는 혁신적인 방법들을 지속적으로 찾고 있 다.
이러한 문제의 해결 방법 중의 하나로 유・가스전을
원격으로 모니터링하고 제어하는 지능형 유전 관리시 스템(Smart Field)의 개발 및 적용이 진행되고 있다.
Smart Field, Digital Oil Field, Intelligent Field, Smart Wells 등으로 명명되는 지능적 유전관리시스템이 최근 많이 적용되고 있으며, 이 글에서는 Smart Field로 설명 하겠다. Smart Field의 목적은 단기적 관점에서는 원유 나 가스의 생산을 최적화할 수 있는 능력을 제공하는 것이며, 장기적 관점에서는 유전의 전 생애주기 가치를 최대화하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 Smart Field는 일반 적으로 실시간 유정 모니터링 및 최적화, 데이터 수집 및 모델 기반 최적화, 가상 계량 및 생산량 배분, 통합 생산시스템 모델링 등의 기능으로 구성된다.
Smart Field 기술의 발전 전망을 살펴보면 많은 전문 가들이 해저 분야로의 확대를 예상하고 있다. 현재 해 상에서 진행되는 프로세싱 작업(Compressors, sepa rators, and boosters)이 향후 10년 이내에 해저에서 이 루어질 것이며, 여기에 Smart Field 기술이 결합되어 해 저 유전의 생산 최적화 기술이 개발될 것으로 전망된 다. 또한 4-D Seismic 기술에 기반 한 유전 개발 최적화 기술이 적용되어 현재 최대 40% 수준에 머물고 있는 원 유의 회수율을 70%까지 높이는 것을 목표로 하고 있다.
이러한 기술은 또한 업무 프로세스도 개선하여 인력난 도 해결할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
그림 6대표적인 해저 프로세싱 시스템
Subsea Separator Subsea Multiphase Pump Subsea Compressor
그림 7Smart field 운영을 위한 업무 프로세스(그림 제공:
Shell)
