석유 발견, 그리고 부흥의 100년
현대의 필수 에너지 자원으로서 전 세계 에너지 소비량의 50% 이상을
차지하는 석유는 1850년대 세계 여러 지역에서 동시다발적으로
개발되기 시작했다. 본격적인 석유시대는 1859년 8월 27일 미국
펜실베이니아 타이터스빌(Titusville) 인근 오일 크리크(Oil Creek)
지역에서 Seneca Oil Company의 Edwin L. Drake가 이끄는 시추팀이
케이블 시추리그를 사용해 21m 깊이에서 원유를 발견하면서
시작되었다.
오일 붐은 오하이오, 켄터키, 뉴욕주로 전파되었고 이후 중부지역인
캔자스, 오클라호마, 루이지애나, 텍사스, 콜로라도, 캘리포니아 등
미국 전역으로 확대되었다. 텍사스의 오일 붐은 보몬트(Beaumont)
남쪽의 스핀들톱 힐(Spindletop Hill)에서 Antony F. Lucas가
어미형(魚尾型, fishtail) 비트로 Lucas 분유정(噴油井, gusher)을
시추한 이후 시작되었는데, 1901년 1월 유층에 도달한 후 9일 동안
유전은 매일 약 100,000배럴의 오일을 분출하였다. 스핀들톱의 대규모
오일 발견을 기점으로 미국은 석유를 에너지원으로 사용하는 본격
석유시대로 접어들었다.
1910년대 이후에는 세계 곳곳에서 신규 유전이 발견되면서 석유는
세계 경제를 지지하는 주요 연료로 석탄을 대체하기 시작했다.
1909년 회전식 비트(roller cone bit) 특허가 출원되면서 시추
속도와 안정성이 급격히 향상되었고, 이후 상당한 수의 유전이
발견되면서 1926년에는 프랑스의 지구물리학자와 석유공학자인
콘래드 슐럼버거(Conrad Schlumberger)와 마르셀 슐럼버거(Marcel
Schlumberger) 형제가 유선검층(wireline logging) 회사,
슐럼버거(Schlumberger Ltd.)를 창립하며 석유개발에 필요한 서비스
회사의 출현이 시작되었다.
1940년대에는 수평정 시추와 수압파쇄 기술이 개발되었으며,
1947년에는 커맥기(Kerr-McGee)가 루이지애나 근해에서 해양 시추,
1961년 쉘(Shell)이 멕시코만 심해에서 해저
유정완결1을 최초로 수행하기도 했다.
1) 시추를 마친 생산정에 생산 설비를 설치하는 작업
루이지애나 근해에서 해양 시추
전통적으로 석유산업은 유가스 매장지를 탐사하고 추출하기 위해 시추 및 지질 조사와 같은 방법에 의존해 왔다. 1980년대까지만 해도 탐사 성공률이 10% 정도로 성공률이 낮았으나 탐사 장비의 발달과 슈퍼컴퓨터의 등장으로 심부 지층의 지질구조를 파악할 수 있게 되었다. 이에 따라 탐사 성공률이 30~40% 수준에 이를 정도로 석유 발견 가능성이 커졌다.
시대의 도전에 맞서는 석유개발 기술들
이러한 신기술에 힘입어 심해 유전 또는 한계 유전도 점차 개발의
기회를 갖게 되었다. 시추작업 과정에서 석유가 발견되면 개발?생산
단계로 전환된다. 지상의 정두에는 크리스마스 트리라 불리우는
생산장치를 설치하고 해상에는 플랫폼을 설치하여 원유를 생산한다.
지하에서 지표로 올라온 오일에는 가스와 물이 혼합되어 있으므로 먼저
오일에서 가스와 물을 분리한다. 가스는 오일과 물을 분리하고
황화수소와 이산화탄소 같은 불순물을 제거하여야 한다. 오일과 가스는
유전에서 일시적으로 탱크에 저장된 후 파이프라인에 의해 목적지로
운반된다.
전통적인 탐사 및 생산 방법은 그 효과에도 불구하고 높은 탐사 비용,
지속적인 시추의 필요성, 탐사?개발?생산과 관련된 환경문제 등 여러
가지 도전에 직면해 있다. 이러한 도전 과제들은 혁신적인 탐사 및
생산 기술의 개발로 이어지고 있으며 현재 개발 및 적용 중인 주요
유망 석유개발 기술을 소개하고자 한다.
탄성파 영상화(seismic imaging) 기술은 음파를 사용하여 지층의 상세 이미지를 생성하는 첨단 기술이다. 지난 수십 년 동안 석유탐사의 초석이 되었던 탄성파 기술의 발전으로 탄화수소 매장량을 찾고 추출하는 방식에 혁명이 일어나고 있다. 인공지능(artificial intelligence, AI) 알고리즘과 결합된 고해상도 3D 및 4D 탄성파 영상화 기술을 통해 지하 구조를 보다 정밀하게 영상화함으로써 탐사 위험을 줄이고 시추 성공률을 높일 수 있다. 상업적으로 이 기술을 사용하면 기업은 자원 할당을 최적화하고 유가스 자원의 회수를 극대화할 수 있다.
수평시추 및 수압파쇄와 같은 비전통 유가스 추출 기술의 상업화를 통해 기업들은 이전에는 접근하기 너무 어렵거나 비싸다고 여겨졌던 중질유, 치밀 사암 내 유가스, 셰일 유가스, 탄층가스 등의 탄화수소 자원을 회수할 수 있게 되었다. 이러한 기술은 특히 미국, 캐나다 등 북미 지역에서 산업 성장에 크게 기여하고 있다.
디지털 유전 개념이 등장함에 따라 전통적인 오일 및 가스
운영이 상호 연결된 데이터 기반 생태계로 변화하고 있다. 센서,
사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 장치 및 첨단 분석
플랫폼을 통합함으로써 생산의 모든 측면을 실시간으로
모니터링하고 최적화할 수 있다.
유정, 폭발 방지 장치 및 초크 밸브에 내장된 센서는 온도,
압력, 유량, 장비 진동 등의 실시간 데이터를 연속적으로
수집하는데, 이 데이터는 중앙 집중식 시스템으로 전송되어 장비
고장 예측, 생산 일정 최적화, 안전 조치 강화를 위하여 정밀
분석된다. 디지털 유전 솔루션은 장비 성능의 미세 조정, 작업자
안전을 우선 고려, 접근 불가능한 지역에 대한 원격 모니터링
등을 통하여 비용 절감, 운영 효율성 향상 등의 상업적 이점을
제공한다.
인공지능을 활용하면 복잡한 데이터 세트를 기존 방법보다 훨씬
더 효율적으로 처리할 수 있어 더 우수한 운영 결정을 내리는 데
필요한 통찰력을 얻을 수 있다. AI의 하위 집합인
기계학습(machine learning, ML)에는 과거 데이터에 대한 모델
훈련이 포함되어 미래 결과를 예측하고 프로세스를 최적화한다.
석유산업에서는 AI와 ML을 사용하여 장비 오작동이 발생하기
전에 예측하여 예방적 유지 관리를 지원하고 가동 중지 시간을
줄인다. 또 시추 작업의 데이터를 분석하여 시추 매개변수를
최적화하고 시추 활동의 효율성을 향상시킬 수도 있다.
기존 석유 매장량이 점점 고갈됨에 따라 회수증진(enhanced oil
recovery, EOR) 기술을 통해 기존 유전의 회수율을 극대화하는
방향으로 초점이 옮겨지고 있다. 화학공법, 열공법, 가스공법,
미생물 증진회수와 같은 혁신 기술을 적용하여 생산 속도를
높이고
성숙 저류층2의 경제 수명을 연장하고 있다.
이러한 기술은 석유 자산의 전체 생산량을 증가시킬 뿐만 아니라
기존 투자 가치를 극대화하려는 기업에 상업적 기회를 제공한다.
오일 수요 증가와 생산율 감소로 인해 저류층에서 오일을 보다
효율적으로 추출하는 것을 목표로 하는 EOR 신기술 개발이
가속화되고 있다.
2) 땅속 지질 구조에서 석유와 가스가 고여 있는 저류암, 그 속의 지층
로봇 기술은 시추 및 검사에서 유지보수 및 해체에 이르기까지 유가스 운영의 다양한 측면을 변화시키고 있다. 고해상도 카메라가 장착된 자율 드론은 해양 플랫폼, 파이프라인 및 시설에 대한 공중 검사를 수행하여 수작업의 필요성을 줄이고 안전성을 향상시킬 수 있다. AI 알고리즘이 탑재된 로봇 시추 시스템은 시추인자들을 실시간으로 최적화하여 효율성과 정확성을 향상시킬 수 있다. 이러한 혁신은 운영 비용을 절감할 뿐만 아니라 안전 위험도 완화하여 강력한 상업적 이점을 제공한다.
석유산업에서는 빅데이터 플랫폼(big data platform)을 활용하여
방대한 양의 데이터를 수집, 분석하고 있다. 센서, 시추 작업,
지질 조사 등에서 얻은 정보를 이용하여 현명한 의사 결정을
위한 통찰력을 제공한다.
클라우드 기반으로 데이터 저장 및 처리하여 확장성, 접근성 및
실시간 분석 기능을 제공한다. 이를 통해 공동 작업이 촉진되어
이해관계자가 전 세계 어디에서나 중요한 데이터에 액세스할 수
있다.
리그 및 유정과 같은 물리적 자산의 가상 복제본(virtual
replica)을 통해 업계에서는 다양한 시나리오를 테스트하고
운영을 최적화하며 성능을 예측할 수 있다. 디지털 트윈(digital
twin)은 효율성을 향상하고 위험을 최소화하는 데 중요한 역할을
한다.
증가하는 환경문제와 규제 압력에 대응하여 오일 및 가스
산업계는 점점 더 많은 재생 에너지원을 운영에 통합하고 있다.
기업은 태양 에너지로 구동되는 정두로부터 풍력으로 구동되는
해양 플랫폼에 이르기까지 탄소 배출량을 감축하고 지속
가능성을 향상시키는 혁신적인 방법을 모색하고 있다.
기존 에너지원과 재생가능 에너지원을 결합한 하이브리드 에너지
시스템은 온실가스 배출을 감축할 수 있을 뿐만 아니라 잉여
전력을 전력망에 판매하여 새로운 수익원을 창출하고 있다.
석유산업에서 개발된 기술은 다양한 환경문제에 적용할 수 있다.
탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage, CCS) 기술은
다양한 배출원에서 CO2를 포집하여 지중에
저장함으로써 탄소 배출량을 감축하는데 기여한다.
최근에는 석유 생산 중 누출되는 메탄(CH4)을
포집하고 활용하여 환경에 미치는 영향을 완화하는 데 중점을 둔
신기술도 개발되고 있다. 이는 업계에서 가장 강력한 온실가스인
메탄 배출 문제를 해결하는 데 도움이 된다. 미생물은 유류
유출과 오염된 장소를 정화하기 위한 생물학적 처리 기법에
사용된다. 이 지속가능한 복원 기법은 환경적 책임에 대한
업계의 수요와 필요에도 맥을 같이 한다.
나노기술, 증강현실 등의 잠재적 신기술은 향후 석유업계를 더욱
혁신하고 효율성을 개선하며 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가지고
있다. 이러한 발전으로부터 증가하는 글로벌 에너지 수요를 충족하며
보다 지속가능하고 수익성이 높은 산업을 예상할 수 있다. 하지만
업계는 변화에 대한 저항, 고비용, 사이버 보안 문제, 기술적 한계 등
새로운 기술을 채택하는 데 어려움을 겪고 있다.
석유업계는
기술 채택과 관련된 과제를 극복하고 석유산업의 미래를 위해 탐사
및 생산 기술의 지속적인 혁신을 달성해야
한다. 신기술을 적극적으로 수용하고 도전 과제를 극복하며 보다
지속가능하고 수익성 있는 미래를 위해 노력하는 것이 중요하다.
