심해시추 과정, 플랫폼 설치부터 모니터링까지!

심해시추는 플랫폼 설치로부터 시작한다. 그림 1과 같은 부유식 선박이나 반잠수식 리그 등의 시추 플랫폼은 심해에서 안정성을 유지하고 해류와 파도와 같은 가혹한 해양 조건을 견딜 수 있도록 설계되어 있다. 시추에 앞서 먼저, 해수면에 있는 플랫폼과 해저에 있는 정두(wellhead: 시추 장비와 유정 사이를 이어주는 장치)를 ‘라이저’로 연결한다. 라이저는 플랫폼과 정두를 잇는 역할 이외에도 시추액 순환, 도구 및 장비 이동을 위한 도관이다.

이제부터 본격적으로 시추 작업이 진행된다. 시추동(drill string)에 부착된 비트가 라이저를 통해 하강하여 해저면에 도달한다. 시추동은 비트의 회전운동과 시추액(mud) 전달의 역할을 하는 파이프이다. 시추액은 시추동을 따라 순환하고 다시 한 번 더 라이저를 통해 지표면으로 올라간다.

비트는 회전을 통해 해저면 하부의 암석층을 분쇄하면서 유정을 생성한다. 유정의 한 부분을 시추하면 강철 케이싱 파이프를 삽입하고 시멘팅하여 유정을 강화해 붕괴를 방지한다. 이 과정은 시추작업이 심부로 진행됨에 따라 반복된다. 유가스 생산을 위해 튜빙과 같은 추가 장비까지 설치를 마치면, 유정시험(well test)을 수행하고 생산작업을 준비한다.

작업의 안전성과 효율성을 높이기 위해, 시추 과정 전반에 걸쳐 압력, 온도, 시추액 물성과 같은 다양한 인자를 면밀히 모니터링해야 한다. 예상치 못한 유정제어 상황을 관리하기 위해 폭발방지장치(blow-out preventor, BOP)를 포함한 안전 프로토콜과 장비 또한 마련해야 한다.

왜! 심해시추는 어려운 것일까?

심해 저류층 시추 시 가장 중요한 문제 중 하나는 기존 굴착장비의 압력 허용치를 초과하는 고압이다. 유정 폭발 및 기타 안전 위험을 방지하려면 이 높은 압력을 관리하고 제어하는 것이 중요하다. 또한 얕은 바다나 육상 시추에 비해 심해시추는 수심을 비롯한 예측하기 어려운 해양 환경 등으로 시추 및 장비 유지 관리가 더욱 까다롭다. 이러한 복잡성으로 인해 전문 장비, 숙련된 인력 및 엄격한 안전 프로토콜이 필요하다.

또 하나, 심해 작업을 하면서 발생하는 여러 요인으로 인해 시추액 손실이 악화될 수 있다. 시추액 손실의 원인 중 하나는 공저압력(bottom hole pressure, BHP)에 있다. 공저압력은 공저로 흘러온 석유를 지표로 밀어 올리는 힘(수직 채유)이다. 심해시추에서는 하부에서 발생하는 높은 압력 구배(거리에 대한 압력의 변화율)로 인해 이 좁은 작업 범위(operating window)를 유지하는 것이 더욱 어렵다.

시추액 손실의 또 다른 요인은, 심해시추 작업의 경우 얕은 지하 퇴적물에서 나타나는 낮은 암석 강도이다. 이러한 지층은 시추 중에 파쇄되기 쉬우며 시추 유체가 다공성 연약 영역으로 빠져나가는 시추액 손실 문제를 야기한다. 또한 라이저는 유체 역학 및 압력 관리에 복잡성을 도입하여 시추 작업 중 시추액 손실 위험을 증가시킨다.

이 외에도 우발적인 원유 유출이나 누출은 해양 생태계와 해안 지역에 심각한 결과를 초래할 수 있다. 이러한 환경 영향을 예방하고 완화하려면 엄격한 규제, 유출 대응을 위한 첨단 기술, 시추 과정 전반에 걸친 환경 모니터링이 필요하다.

심해시추 주요 신기술, 효율과 안정성을 높이다!

시추 리그의 위치를 파악하는 데는 동적 위치유지 시스템(dynamic positioning systems, DPS)이 사용된다. DPS는 컴퓨터로 제어하는 추진기를 사용하여 선박의 위치와 방향을 유지하는 기술로 배를 고정시키는 앵커가 필요하지 않다. 이 시스템을 활용해 혹독한 해양 조건에서도 시추 리그의 정확한 위치를 유지하게 하므로 운영 효율성을 높이고 가동 중지 시간을 줄일 수 있다.

시추 과정에서 인명 및 환경 피해를 줄이기 위해서는 폭발에 대한 빠른 대처가 필요하다. 폭발방지장치(BOP)는 유정제어를 유지하고 치명적인 폭발을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. 최신 BOP에는 고급 센서와 실시간 모니터링 기능이 탑재되어 있어 운영자가 압력 이상 현상을 신속하게 감지하고 대응할 수 있다. 이러한 개선으로 심해시추 작업의 안전성이 크게 향상되었다.

시추 효율성과 유정 안정성을 향상시키는 시추액 개발도 활발하다. 고급 시추액은 유정 무결성 유지와 폭발 방지에 필수적인 최적의 점도, 냉각 및 윤활을 제공하도록 설계하고 있으며 시추 작업의 생태학적 영향을 줄이기 위해 환경친화적인 방향으로 개발되고 있다.

심해시추에서 또 하나의 관건은 깊은 바닷속 저류층에 대한 접근이다. 해저생산 시스템을 사용하면 해저에서 직접 탄화수소를 추출하고 처리할 수 있어 지표 시설의 필요성이 감소하며, 생산효율을 증대시킬 수 있다. 해저기술은 심해시추 작업의 범위를 확장하는 동시에 초심해에 위치한 저류층의 접근을 용이하게 한다.

무엇보다 첨단 기술의 핵심은 ‘데이터 활용’에 달려 있다. 실시간 데이터 분석의 통합은 심해시추의 의사 결정 프로세스를 변화시켰다. 고급 센서와 데이터 수집 시스템은 시추 작업에서 방대한 양의 데이터를 수집한 후 정교한 알고리즘을 사용하여 분석한다. 실시간 분석을 통해 운영자는 정보 기반의 결정, 시추 인자 최적화, 문제 확대 전 잠재적인 문제를 예측을 할 수 있다.

또한, 자율 수중 차량(autonomous underwater vehicles, AUV)은 심해시추에 없어서는 안 될 도구가 되었다. 이러한 원격작동 차량은 해저면 매핑, 파이프라인 검사 및 장비 유지 관리에 사용된다. AUV는 까다로운 수중 환경에서도 상세한 데이터를 제공하여 심해작업의 효율성과 안전성을 향상시킨다.