해양시추공학(Offshore Drilling Engineering)

석유를 찾기 위한 최초의 성공적 시추는 J.M. Williams에 의해 캐나다 온타리오주에서 이루어졌고(1858년) 미국에서는 E. Drake에 의해 펜실베니아주에서 이루어졌다(1859년). 그 당시에는 현재적인 석유탐사 기술이 없었기 때문에 기름이 유출되는 지점(seepage)이나 경험에 비추어 가능성이 있어 보이는 지역을 시추하였다.

최초의 해상시추는 1945년 미국 루이지애나주에서 해상광구에 대한 광구권 판매가 이루어짐으로써 시작되었다. 초기에는 목재를 사용하여 해상작업을 위한 플랫폼을 설치하였기 때문에 얕은 설치수심과 부식문제로 성공적인 시추가 힘들었다. 1950년대가 되면서 Jack-up, Semi-submersible, DrillShip 등이 개발되어 사용되기 시작하였고, 1960년대에 동적위치보정시스템(Dynamic Positioning System), 해저유정 폭발 방지장치(Blowout Preventer) 원격 운전장치(ROV) 등이 개발되면서 해상시추가 크게 발전하였다.

Drillship (삼성중공업)

Drillship (삼성중공업)

심해시추의 문제점

Oil의 가격상승과 기술의 발전으로 인하여 시추수심이 점점 깊어지게 되면서 여러 가지 문제들이 발생하게 되었다. 우선 해양 시추에서는 해양라이저(Marine Riser)를 사용하여 시추선과 해저면을 연결하며 장비와 유체를 이동시키고 유정의 압력을 제어하는 중요한 역할을 한다. 수심이 깊어짐에 따라 해양라이저의 길이와 크기가 증가하여 해양라이저 안에 존재하는 시추액의 양이 급격히 늘어난다. 이는 펌프용량 증가, 중량증가, 비용증가의 문제점을 동반한다.

또한 심해에서는 해류, 기상조건, 시추장비들의 상호연관성 등 복합적인 영향으로 인하여 계획했던 시추위치를 벗어나는 경우가 발생하고 정확한 위치 유지와 제어가 힘들다. 지역적으로 발생하는 와류나 허리케인 역시 시추선에 직접적인 손상을 주거나 라이저의 꼬임 등을 유발할 수 있다.

시추과정에서 유정압력은 지층유체의 유입을 방지하기 위해 공극압 보다는 커야하고, 유정이 파쇄되는 것을 막기 위해 파쇄압 보다는 낮아야 한다. 해저지층의 공극압과파쇄압은, 해수와 미고결 천부 해양지층의 영향으로, 육상에 비하여 낮고 그 차이가 작은 특징이 있다. 따라서 케이싱(Casing)을 많이 설치해야 하고, 이로 인하여 유정의 크기가 감소하여 일일 생산량이 또한 감소하게 된다.

신기술

확장가능 케이싱(Solid Expandable Tubular)

시추 심도가 깊어지면 유정의 안정성 확보와 효과적인 압력관리를 위해 케이싱을 설치한다. 확장 가능 케이싱은 기존에 설치되어 있는 케이싱의 내부 지름보다 작은 케이싱을 삽입한 후, 그 케이싱을 팽창시키는 기술이다. 따라서 추가적인 케이싱 설치에 의한 유정직경감소를 극복하고 목표 심도까지 도달함으로써 일일 생산량의 증대 효과를 가져온다. 심해지층에서 협소한 공극압과파쇄압 차이에 의한 문제를 극복할 수 있으며 불안정한 지층을 격리하는데도 유용하다. 또한 처음부터 소직경의 유정 시추가 가능하므로 친환경적이다.

Expandable openhole liner system (SET Technology)

Expandable openhole liner system (SET Technology)
이중기능 시추선(Dual Activity Drilling Rig)

이중기능 시추선은 2개의 독립된 시추시설을 갖추고 있어 병렬작업을 가능하게 하여 작업효율을 향상시키고 시추 시간을 줄일 수 있다. 심해시추비용 중 시간에 관련된 비용의 비율이 60~80%로 가장 높기 때문에 시추시간의 절약은 총 비용절감으로 직결된다. 따라서 이중기능 시추선은 심해 시추선의 필수조건이 되고 있다.

Dual Activity Drilling Rig (Drilling Ahead, World Oilfield Network)

Dual Activity Drilling Rig (Drilling Ahead, World Oilfield Network)
압력제어시추

심해시추를 위한 잠재력을 가진 기법 중의 하나가 압력제어 시추법으로 유정압력을 실시간으로 관측하고 제어하며 시추하는 기법이다. 이는 정보통신 기술의 발달로 많은 발전가능성이 있다.

이중구배 시추(Dual Gradient Drilling)는 수면에서 해저면까지의 압력 구배와해저면에서 목표심도까지의 압력 구배를 다르게 함으로써 심해시추를 가능하게 하는 기술이다. 이 기술의 개념은, 해수면에 시추선이 위치하는 것이 아니라 해저면 압력상태에서 육상시추의 원리를 이용하는 것이다. 이중구배시추법을성공적으로 확립하고 적용하면 수심의 영향을 현저히 저감하여 작은 용량의 시추선을 이용하여 경제적으로 심해시추를 할 수 있다.


이 외에도 RFC(Return Flow Control), 방향성 시추, 다가지시추, 코일튜빙 시추, 케이싱 시추 등의 새로운 시추 방법들이 있다. 뿐만 아니라 심해 시추의 경우 고온, 고압을 비롯한 여러 가지 위험요소들이 많기 때문에 신뢰성 공학 측면에서 시추 및 생산과정에 대한 위험도 분석도 일어나고 있다.


(인용, 심해시추 및 개발 기술에 대한 연구, 최종근)
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