유정 (석유)
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1. 개요
유정은 석유 또는 가스를 채취하기 위해 시추된 구멍을 의미한다. 최초의 유정은 347년 중국에서 발견되었으며, 8세기에는 중동 지역에서 석유 채굴이 시작되었다. 19세기에는 근대적인 유전 개발이 이루어졌고, 현재는 로터리식 굴착법, 경사 시추 및 수평 시추 등 다양한 시추 기술이 사용된다. 유정은 생산하는 유체, 위치, 목적에 따라 분류되며, 생산, 완료, 폐쇄 단계를 거친다. 유정 개발은 환경 오염과 야생동물 서식지 파괴 등의 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
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분유정은 19세기 말과 20세기 초 석유 탐사 과정에서 단순한 시추 기술과 방폭 장치의 부재로 인해 발생한 통제 불능의 유정 분출 현상이며, 작업자 사망, 장비 파괴, 환경 오염 등 심각한 피해를 야기했고, 기술 발전으로 발생 빈도는 줄었지만 다양한 유형의 분출 사고가 여전히 발생한다. - 석유 - 석유화학
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| 유정 (석유) | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 시추공 |
| 목적 | 원유 추출 천연 가스 추출 |
| 깊이 | 수백 미터에서 수 킬로미터 |
| 수명 | 수십 년 |
| 환경 영향 | 메탄 누출 지하수 오염 지진 유발 가능성 |
| 기술적 측면 | |
| 시추 방법 | 회전 시추 충격 시추 |
| 주요 장비 | 데릭 시추 파이프 드릴 비트 펌프 |
| 생산 방식 | 자연 유출 펌핑 가스 리프트 |
| 모니터링 | 압력 유량 온도 |
| 경제적 측면 | |
| 투자 비용 | 수백만 달러 ~ 수천만 달러 |
| 운영 비용 | 지속적인 유지 보수 및 에너지 비용 발생 |
| 수익 | 원유 및 천연 가스 판매 수익 |
| 경제적 수명 | 생산량 감소 시 폐쇄 결정 |
| 환경 및 안전 | |
| 안전 문제 | 폭발 위험 유해 물질 누출 작업자 안전 |
| 환경 규제 | 폐기물 처리 오염 방지 토지 복원 |
| 안전 관리 | 철저한 안전 교육 및 장비 점검 필수 |
| 환경 보호 | 환경 영향 최소화를 위한 노력 필요 |
| 역사 | |
| 초기 유정 | 손으로 파거나 간단한 장비 사용 |
| 산업 혁명 | 증기 엔진 및 기계 장비 도입 |
| 현대 유정 | 고도의 기술과 장비 사용 |
| 기술 발전 | 심해 시추 기술 수평 시추 기술 셰일 가스 개발 |
| 관리 및 폐쇄 | |
| 관리 | 정부의 규제 및 감독 |
| 폐쇄 절차 | 유정 봉쇄 환경 오염 방지 조치 토지 복원 |
| 사후 관리 | 지속적인 모니터링 및 유지 보수 필요 |
2. 역사
최초의 유전은 347년 중국에서 발견되었다.[3] 당시 깊이는 약 240m였고 대나무에 날을 달아 굴착했으며, 생산된 기름은 소금을 생산하기 위해 소금물을 끓이는 데 사용되었다.[3] 10세기까지, 광범위한 대나무 파이프라인이 유정과 염천을 연결했다. 중국과 일본의 고대 기록에는 조명과 난방을 위해 천연 가스를 사용했다는 많은 언급이 있다고 전해진다. 석유는 7세기에 일본에서 '불타는 물'로 알려졌다.[4][5]
중동지방의 경우 본격적인 석유 채굴은 8세기에 시작되었다. 이 시기 바그다드의 거리는 주변에서 자연적으로 채취가 가능한 원유에서 얻은 타르를 이용해 포장되었다. 9세기 페르시아의 연금술사 라지는 원유를 증류하여 얻은 케로신을 이용해 등불을 밝혔다는 기록도 있다.[6][7] 또한 당시 이슬람의 연금술사들은 무기로 사용하기 위해 원유를 증류하여 인화 물질을 만들기도 하였다. 이러한 기술은 12세기 이슬람 스페인을 통해 서유럽으로 전파되었다.[8]
일부 자료에 따르면 9세기부터 현대 바쿠, 아제르바이잔 주변 지역에서 석유 산업에 사용되는 석유 나프타를 생산하기 위해 유전이 개발되었다고 한다. 이 장소들은 13세기에 마르코 폴로에 의해 묘사되었는데, 그는 이 유정의 생산량을 수백 척의 배로 묘사했다. 1264년 카스피 해 연안의 바쿠를 방문한 마르코 폴로는 샘에서 석유가 수집되는 것을 보았다. 그는 "게르기네로 향하는 경계선에는 한 번에 백 척의 배를 채울 수 있을 정도로 많은 양의 석유가 솟아나는 샘이 있다"고 적었다.[9]
2. 1. 고대와 중세의 유정
최초의 유전은 347년 중국에서 발견되었다.[3] 당시 깊이는 약 240m였고 대나무에 날을 달아 굴착했으며, 생산된 기름은 소금을 생산하기 위해 소금물을 끓이는 데 사용되었다.[3] 10세기까지, 광범위한 대나무 파이프라인이 유정과 염천을 연결했다. 중국과 일본의 고대 기록에는 조명과 난방을 위해 천연 가스를 사용했다는 많은 언급이 있다고 전해진다. 석유는 7세기에 일본에서 '불타는 물'로 알려졌다.[4][5]중동지방의 경우 본격적인 석유 채굴은 8세기에 시작되었다. 이 시기 바그다드의 거리는 주변에서 자연적으로 채취가 가능한 원유에서 얻은 타르를 이용해 포장되었다. 9세기 페르시아의 연금술사 라지는 원유를 증류하여 얻은 케로신을 이용해 등불을 밝혔다는 기록도 있다.[6][7] 또한 당시 이슬람의 연금술사들은 무기로 사용하기 위해 원유를 증류하여 인화 물질을 만들기도 하였다. 이러한 기술은 12세기 이슬람 스페인을 통해 서유럽으로 전파되었다.[8]
일부 자료에 따르면 9세기부터 현대 바쿠, 아제르바이잔 주변 지역에서 석유 산업에 사용되는 석유 나프타를 생산하기 위해 유전이 개발되었다고 한다. 이 장소들은 13세기에 마르코 폴로에 의해 묘사되었는데, 그는 이 유정의 생산량을 수백 척의 배로 묘사했다. 1264년 카스피 해 연안의 바쿠를 방문한 마르코 폴로는 샘에서 석유가 수집되는 것을 보았다. 그는 "게르기네로 향하는 경계선에는 한 번에 백 척의 배를 채울 수 있을 정도로 많은 양의 석유가 솟아나는 샘이 있다"고 적었다.[9]
2. 2. 근대 유전 개발
최초의 유전은 347년 중국에서 발견되었으며, 당시 깊이는 약 240m였다. 대나무에 날을 달아 굴착했고 생산된 기름은 소금 생산을 위해 소금물을 끓이는 데 사용되었다.[3] 10세기까지, 광범위한 대나무 파이프라인이 유정과 염천을 연결했다. 중국과 일본의 고대 기록에는 조명과 난방을 위해 천연 가스를 사용했다는 많은 언급이 있다고 전해진다. 석유는 7세기에 일본에서 '불타는 물'로 알려졌다.[4][5]중동지방의 경우 본격적인 석유 채굴은 8세기에 시작되었다. 이 시기 바그다드의 거리는 주변에서 자연적으로 채취한 원유에서 얻은 타르를 이용해 포장되었다. 9세기 페르시아의 연금술사인 라지는 원유를 증류하여 얻은 케로신을 이용해 등불을 밝혔다는 기록이 있다.[6][7] 또한 당시 이슬람의 연금술사들은 무기로 사용하기 위해 원유를 증류하여 인화 물질을 만들기도 하였다. 이러한 기술은 12세기 이슬람 지배 하의 스페인을 통해 서유럽으로 전파되었다.[8]
일부 자료에 따르면 9세기부터 현대 바쿠, 아제르바이잔 주변 지역에서 석유 산업에 사용되는 석유 나프타를 생산하기 위해 유전이 개발되었다고 한다. 이 장소들은 13세기에 마르코 폴로에 의해 묘사되었는데, 그는 이 유정의 생산량을 수백 척의 배로 묘사했다. 1264년 카스피 해 연안의 바쿠를 방문한 마르코 폴로는 샘에서 석유가 수집되는 것을 보았다. 그는 "게르기네로 향하는 경계선에는 한 번에 백 척의 배를 채울 수 있을 정도로 많은 양의 석유가 솟아나는 샘이 있다"고 적었다.[9]
1846년, 바쿠(정착지 비비-헤이바트)에서 최초의 유정이 유전 탐사를 위해 타격 도구를 사용하여 21m 깊이로 시추되었다. 1846~1848년에는 러시아 기술자 바실리 세묘노프가 니콜라이 보스코보이니코프의 아이디어를 적용하여 바쿠 북동쪽 압세론 반도에서 최초의 현대식 유정을 시추했다.[10]
폴란드인[11][12] 약사이자 석유 산업의 선구자인 이그나치 루카시에비치는 1854년 폴란드의 보브르카, 크로스노 군 마을에서 세계 최초의 현대식 유정 중 하나를 시추했으며,[13] 1856년에는 세계 최초의 정유 공장 중 하나를 건설했다.[14]
북아메리카에서는 1858년 온타리오주 오일 스프링스에서 최초의 상업용 유정이 가동되었고, 1896년에는 캘리포니아 해안의 서머랜드 유전에서 최초의 해상 유정이 시추되었다.[15]
현대 시대의 가장 초기의 유정은 케이블 툴 드릴링 방식으로 시추되었다. 20세기에는 케이블 툴이 회전 드릴링으로 대체되었으며, 이를 통해 훨씬 더 깊고 짧은 시간 안에 구멍을 뚫을 수 있었다.[16] 기록 깊이의 콜라 시추공은 12000m 이상 깊이에 도달하기 위해 시추하는 동안 머드 모터를 사용했다.[17]
1970년대까지 대부분의 유정은 본질적으로 수직이었지만, 현대적인 방향 시추 기술을 통해 수평 유정이 가능하게 되었다. 이는 탄화수소를 포함하는 저류층 암석이 일반적으로 수평 또는 거의 수평이기 때문에 매우 중요한데, 생산 구역에 배치된 수평 유정은 수직 유정보다 생산 구역에서 표면적이 더 넓어 생산 속도가 더 높다.
21세기 초 현재, 일반적인 유정 굴착에 사용되는 로터리식 굴착법은 19세기부터 20세기에 걸쳐 그 이전의 충격식 굴착 방식이 로터리식으로 대체되었다. 1901년 미국인 캡틴 루카스가 텍사스주 스핀들탑에서 처음으로 유전 굴착에 사용해 대량의 원유를 얻은 후 미국을 시작으로 세계 각국에서 사용하게 되었다.
3. 유정의 생애주기
3. 1. 계획
유정을 시추하기 전에 지질학자 또는 지구물리학자가 유정의 목표를 충족하기 위해 지질학적 목표를 식별한다. 생산정, 탐사정, 주입정 등 목적에 따라 목표 지점을 설정하고, 지표 위치와 목표 지점을 연결하는 궤도를 설계한다. 이때 인접 유정과의 간격, 향후 유정 경로 등을 고려해야 한다.[27]
유정 경로가 식별되면 지구과학자 및 엔지니어 팀은 목표에 도달하기 위해 시추될 지하 경로의 추정 특성 (예: 암상, 공극 압력, 파쇄 기울기, 유정 안정성, 공극률, 투과율)을 개발한다. 이러한 특성을 바탕으로 유정 엔지니어링 팀은 유정의 케이싱 및 완료 프로그램을 설계하고, 드릴 비트, 저공구, 시추 유체 선택 등을 포함한 세부 계획을 수립한다. 유정 설계는 여러 번의 반복 과정을 거쳐 최종 확정된다.[27]
최신 과학적 지견과 데이터 분석, 전기 검층, 인공위성을 이용한 지질 사진, 인공 지진 탐사, 지상 육안 탐사, 해상 음향 탐사 등을 통해 유전 존재 가능성이 높은 사이트를 특정한다. 3차원 지진 탐광 기술은 인공 지진 탐사 및 음향 탐사의 데이터를 컴퓨터의 고속 연산을 통해 분석함으로써 지하의 입체적인 내부 구조를 파악하여 유전을 찾아낸다. 석유 채취 후에도 지속적인 3차원 지진 탐광을 통해 지하 원유 이동 상황을 파악하고, 지하에 남아있는 원유를 줄이는 4차원 지진 탐광 기술도 활용된다.[27]
3. 2. 시추
유정은 지름 12cm에서 1미터(5인치에서 40인치)의 구멍을 뚫어 만들어지며, 굴착에는 비트가 부착된 드릴 스트링을 회전시키는 시추 장비가 사용된다. 공정 중 깊이에 따라 강철 파이프(케이싱)가 구멍에 설치되고, 시멘트 슬러리가 내부로 펌핑되어 구멍과 케이싱 외부 사이의 환상 공간에서 상승한다. 케이싱은 구조적 무결성을 제공하고 고압 구역을 격리하는 역할을 한다.
현대 유정은 일반적으로 여러 개의 연속적으로 더 작은 구멍 크기를 가지며, 각각 케이싱으로 시멘트 처리된다. 유정 굴착 방법은 다음과 같다.
- 회전하는 드릴 비트는 암석을 절단하며, 드릴 스트링의 무게가 이를 돕는다.
- 시추 유체("머드")는 드릴 파이프 내부로 펌핑되어 비트를 냉각하고, 암석 절단물을 표면으로 들어올리며, 유정 내 암석의 불안정화를 방지하고, 유체 압력을 제어한다.
- 생성된 암석 절삭물은 드릴 유체와 함께 순환하며 셰일 셰이커를 통해 걸러진다.
- 드릴 스트링은 유정이 깊어짐에 따라 파이프 조인트를 추가하여 길어진다. 비트 교체를 위해 "트리핑" 작업이 수행된다.
머드 로깅 과정, 유정 굴착 시 암상을 연구하는 일반적인 방법
이 모든 과정은 시추 장비에 의해 이루어진다.
탐사 결과 유전 존재 가능성이 높은 지역에서 시험 굴착을 실시한다. 시험 굴착으로 유층이 발견되면 다음 단계로 진행되지만, 발견되지 않으면 탐사를 계속한다. 시험 굴착정 근처에 여러 개의 탐광정을 굴착하기도 한다.
유층에 도달하여 내부 압력이 높으면 원유나 천연 가스가 스스로 분출(자분)한다. 고압 분출(폭분, Blowout)에 대비하여 블로우아웃 프리벤터(Blowout preventer, '''BOP''', 방분 장치)를 설치하고, 비상시 밸브를 닫아 분출을 막는다.
채산성이 있는 경우, 시추정과 별도로 여러 개의 생산정을 굴착하고, 집유·송유·저유 시설을 건설한다.
3. 3. 완료
유정을 시추하고 케이싱을 설치한 후에는 '완료'해야 한다. 시추 완료는 유정을 석유 또는 가스를 생산할 수 있도록 준비하는 과정이다.[27]케이싱 홀 완료에서는 생산 구역을 가로지르는 케이싱 부분에 작은 천공을 만들어 석유가 주변 암석에서 생산 튜빙으로 흘러 들어갈 수 있는 경로를 제공한다. 오픈 홀 완료의 경우, 종종 '샌드 스크린' 또는 '자갈 팩'이 마지막으로 시추되었지만 케이싱이 없는 저류층 구역에 설치된다. 이들은 케이싱이 없는 상태에서도 유정의 구조적 무결성을 유지하면서 저류층에서 유정으로의 흐름을 허용한다. 또한, 스크린은 형성 모래가 생산 튜브로 이동하는 것을 제어하는데, 이는 특히 비고결 모래 지층에서 세굴 및 기타 문제를 일으킬 수 있다.[27]
흐름 경로가 만들어지면 산과 파쇄 유체를 유정에 펌핑하여 수압 파쇄를 하거나, 정화하거나, 기타 방법으로 저류층 암석을 준비하고 자극하여 탄화수소가 유정으로 최적으로 생산되도록 한다. 일반적으로 유정의 생산 구역 위쪽은 케이싱 내부에서 밀봉되고 튜빙이라고 하는 더 작은 직경의 파이프를 통해 표면과 연결된다. 이 배열은 탄화수소 누출에 대한 중복된 장벽을 제공하고 손상된 부분을 교체할 수 있도록 한다. 또한 튜빙의 더 작은 단면적은 저류층 유체에 증가된 속도를 제공하여 추가적인 배압을 생성하는 액체 역류를 최소화하고 부식성 유체로부터 케이싱을 보호한다.[27]
많은 유정에서 지하 저류층의 자연 압력은 석유나 가스가 표면으로 흐르기에 충분히 높다. 그러나 특히 다른 생산 유정에 의해 압력이 낮아진 고갈된 유전이나 투과성이 낮은 석유 저류층에서는 항상 그런 것은 아니다. 더 작은 직경의 튜빙을 설치하는 것만으로도 생산에 도움이 될 수 있지만 인공 양수 방법도 필요할 수 있다. 일반적인 해결책으로는 지상 펌프잭, 심정 수압 펌프 또는 가스 리프트 보조가 있다. 최근 몇 년 동안 유정 시추 완료를 위한 많은 새로운 시스템이 도입되었다. 올인원 시스템의 프랙 포트 또는 포트 칼라가 있는 여러 개의 생산 패커 시스템은 시추 완료 비용을 절감하고 생산량을 향상시켰으며, 특히 수평 유정의 경우에 그러했다. 이러한 새로운 시스템을 통해 케이싱을 적절한 패커/프랙 포트가 배치된 측면 구역으로 연결하여 최적의 탄화수소 회수를 할 수 있다.[27]
생산정 시추에서는 유층 바로 위 불투수층까지 통상적으로 시추하고, 시추관을 뺀 다음, 선단이 열린 '수지관' 또는 '케이싱'이라고 불리는 철관을 다시 넣고, 관 주변을 콘크리트로 굳힌다. 이 관 내부에 더 가는 '튜빙'이라고 불리는 시추관을 통과시켜 불투수층을 뚫고, 목표 유층에서 다시 시추관을 빼고, 그 선단부에 작은 구멍이 많이 뚫린 채유관을 넣어 생산정을 완성한다[27]。
생산정 및 압입정의 지상부에는 '크리스마스 트리'라고 불리는 갱구 장치가 설치된다. 크리스마스 트리는 밸브, 압력계, 온도계, 유량계, 유량 제어 초크 등으로 구성되어 있다. 유층 상부 부근의 케이싱과 튜빙 사이에는 '패커'라고 불리는 폐쇄부가 설치된다[27]。
3. 4. 생산
생산 단계는 유정의 수명에서 가장 중요한 단계로, 석유와 가스가 생산되는 단계이다. 이 시점에는 유정을 시추하고 완공하는 데 사용된 석유 시추 장비와 유정 보수 장비는 유정을 떠나고, 유정 상단에는 크리스마스 트리 또는 생산 트리라고 하는 일련의 밸브가 장착된다. 이러한 밸브는 압력을 조절하고, 흐름을 제어하며, 추가적인 완공 작업이 필요한 경우 유정에 접근할 수 있도록 한다. 생산 트리의 출구 밸브에서 흐름은 제품을 정유소, 천연 가스 압축소 또는 석유 수출 터미널에 공급하기 위해 파이프라인 및 탱크의 유통망에 연결될 수 있다.
저유층의 압력이 충분히 높게 유지되는 한, 생산 트리가 유정을 생산하는 데 필요한 전부이다. 압력이 감소하고 경제성이 있다고 판단되면 인공양수 방법을 사용할 수 있다.
유정 보수 작업은 종종 구형 유정에서 필요하며, 더 작은 직경의 튜빙, 스케일 또는 파라핀 제거, 산 매트릭스 작업 또는 더 얕은 저유층의 새로운 관심 구역 완공이 필요할 수 있다. 이러한 개선 작업은 튜빙을 빼고 교체하기 위해 유정 보수 장비 (''인양 장비'', ''완공 장비'' 또는 "서비스 장비"라고도 함)를 사용하거나 코일 튜빙을 활용하는 유정 개입 기술을 사용하여 수행할 수 있다. 양수 시스템 및 유정 헤드의 유형에 따라 로드 리그 또는 플러시비를 사용하여 튜빙을 빼지 않고 펌프를 교체할 수 있다.
유정 회수 증진법으로는 저유층의 압력을 높이고 탄화수소를 저유층 밖으로 밀어내는 "쓸어내기" 효과를 제공하기 위해, 물 주입, 증기 주입 또는 CO2 주입과 같은 방법이 사용될 수 있다. 이러한 방법은 주입정 (종종 신중하게 결정된 패턴으로 오래된 생산정에서 선택됨)의 사용을 필요로 하며, 저유층 압력 감소 또는 높은 석유 점도와 관련된 문제에 직면할 때 사용되며, 때로는 유전 수명 초기에 사용되기도 한다. 특정 경우 - 저유층의 지반 역학에 따라 - 저유층 엔지니어는 유전 개발 초기에 물 주입 전략을 적용하는 것이 나중에 적용하는 것보다 최종 회수 가능 석유를 증가시킬 수 있다고 결정할 수 있다. 이러한 유정 회수 증진 기술은 종종 2차 또는 "3차 회수"라고 불린다.
유층의 압력이 높은 상태에서는 원유가 스스로 분출(자분)되지만, 유층의 압력이 낮은 상태에서는 자분되지 않고 펌프에 의해 원유를 끌어올린다. 이러한 방법을 1차 회수(Primary recovery)라고 한다.[27] 천연 가스가 유층의 상부에 모여 있는 경우에는, 원유의 펌핑으로 이 가스 캡이 팽창하여 원유를 밀어내므로 1차 회수에 의해 회수할 수 있는 원유는 총량의 대략 40%가 된다. 가스 캡이 없는 경우에는, 원유 속에 녹아 있는 천연 가스가 거품이 되어 팽창할 뿐이며, 1차 회수에 의해 회수할 수 있는 원유는 총량의 대략 20%가 된다.[27]
1차 회수로 회수할 수 있는 것은 유층에 포함된 원유의 일부에 불과하며, 1차 회수로는 생산이 불가능해진 유정에서는 원유를 분리한 후의 물과 천연 가스를 유층에 주입하여 남은 원유를 가압하여 회수한다. 이것을 2차 회수(Secondary recovery)라고 한다.[27] 물을 주입하는 방법을 "수공법"(Water flooding), 가스를 주입하는 방법을 "가스 압입법"(Gas injection)이라고 하며, 통칭하여 회복법(Improved Oil Recovery)이라고 부르기도 한다.[27] 21세기 초 현재, 그것에 의해 종합적으로 회수량이 증가할 것으로 예상되는 경우에는, 1차 회수의 처음부터 물이나 가스를 주입하게 되었다.[27] 수공법의 "수압 효과"로 회수할 수 있는 원유는, 내부에서 물이 이미 자연적으로 접해 있는 경우로, 1차 회수분을 포함하여 총량의 대략 60%가 된다.[27] 가스 압입법은 물 주입만큼 효과적이지는 않지만, 압입하는 천연 가스는 원유의 회수에 따라 산출되는 가스이며, 종래에는 가스 플레어에 의해 소각 처분되었을 정도이다.[27] 21세기 초 현재에는 천연 가스가 LPG로 유효하게 이용되기 때문에 소각 처분은 그다지 행해지지 않지만, 어쨌든 유정의 현장에 풍부하게 있으며 원유를 충분히 펌핑해 낸 후에도 다시 꺼낼 수 있기 때문에, 가스 압입법으로 이용되는 경우가 많다.[27]
2차 회수에서도 남은 원유를 회수하기 위해 3차 회수(Enhanced Oil Recovery, '''EOR''') 또는 강제 회수법이라고 불리는 기술의 개발, 실용화가 진행되고 있다. 이는 수증기, 탄산 가스, 계면 활성제 (세제) 등을 주입하여 원유의 유동성을 개선하는 방법이다.[27] 수증기를 압입하는 방법을 "수증기 공법"(Steam floods)이라고 하며, 수증기에 의해 침전된 점성이 높은 석유를 데워 파라핀과 아스팔트를 데워 녹여, 응결된 물과 함께 유동화시키는 방법이다.[27] 수증기를 회수정과는 다른 정에서 압입하는 경우와, "허프 앤 퍼프법"(Huff and puff)이라고 불리는 수증기의 주입과 석유의 회수를 하나의 회수정에서 교대로 행하는 방법이 있다.[27]
이산화 탄소를 압입하는 방법을 "탄소 가스 공법"(Carbon dioxiside floods)이라고 하며 기체 또는 물에 녹인 이산화 탄소를 압입하는 방법이다.[27] 이산화 탄소는 물에도 녹지만, 석유에는 더 잘 녹기 때문에, 이산화 탄소를 압입하면 석유에 녹아들어가 석유가 팽창하기 때문에 회수가 용이해진다.[27] 회수한 석유에서는 이산화 탄소를 분리하여 다시 압입에 사용한다.[27] 계면 활성제(세제)를 압입하는 방법을 "세제 공법"(Detargent floods)이라고 하며, 물에 소량의 세제를 녹여 압입한다.[27] 세제가 기름을 작은 입자로 감싸기 때문에 암석이나 모래와의 접착이 떨어져 유동성이 증가한다.[27] 얕은 유층에 대해 효과가 높고, 깊은 층에서는 고온 때문에 세제가 분해되어 사용되지 않는다.[27]
"미시블 공법"(Miscible floods)이라고 불리는 방법을 사용하면 회수율이 100%에 가까워진다.[27] 이는 부탄, 프로판과 같은 액화 가스를 주입함으로써 유층에서 원유를 씻어내는 방법이다.[27] 다만 부탄, 프로판과 같은 가스는 비교적 고가이기 때문에, 유층에 누출이 없고 물도 포함되어 있지 않은 경우에 한하여, 원유의 회수 후에 이러한 가스도 회수할 수 있을 전망이 있으면 실시된다.[27] 공기를 불어넣어 불을 붙이는 "화공법"(Fire floods)이라고 불리는 방법도 있다(공기의 양을 조절하므로, 유층 내의 석유가 모두 타거나 하는 일은 없다).[27] 열을 가하여 석유의 유동성을 높이는 방법이다.[27]
thumb
자분하지 않는 유층에서 오일을 퍼올리는 방법 중 하나는 펌프를 사용하는 것이다.[27] 채유를 위한 펌프에는 여러 종류가 있다.[27] 지상에 왕복 운동을 하는 장치를 설치하고, 새커 로드를 경유하여 파이프 바닥의 피스톤을 구동하여 원유를 퍼올리는 새커 로드 펌프는 펌프 잭, 빔 펌프라고도 불린다.[27] 1800년경부터 등장하여 2008년 현재에도 사용되고 있지만, 점차 다른 더 효율적인 방법으로 바뀌어 가고 있다.[27] 물용 우물과 마찬가지로 파이프 바닥에 펌프를 담가 원유를 퍼올리는 잠수정 펌프,[27] 이중으로 된 내부 파이프에서 파이프 선단으로 가스를 불어넣어 가스의 압력과 상승력을 이용하여 외부 파이프로 바닥에서 원유를 밀어 올리는 가스 리프트 펌프가 있다. 가스는 재사용된다. 일본에서는 일반적인 방법이다.[27] 지상에서 원유를 이중으로 된 내부 파이프에 압력을 가해 보내고, 이 힘으로 선단부의 피스톤 펌프를 상하로 구동하여 외부 파이프로 바닥에서 원유를 밀어 올리는 유압 펌프가 있다.[27]
3. 5. 폐쇄
원유와 가스가 모두 채취된 후에는 유정이 폐쇄되고, 장비는 모두 제거되어 지상인 경우 평지로 정비된다.4. 유정의 종류
4. 1. 생산 유체에 따른 분류
유정은 생산하는 유체에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- 원유를 생산하는 유정
- 원유 ''및'' 천연 가스를 생산하는 유정
- ''오직'' 천연 가스만 생산하는 유정
부생 가스라고 알려진 원유 형태의 천연 가스는 거의 항상 원유 생산의 부산물이다.[18] 짧고 가벼운 가스 탄소 사슬은 저류층에서 지표면으로 압력이 낮아질 때 용액에서 빠져나오는데, 이는 탄산 음료 병뚜껑을 열 때와 유사하다. 의도적으로 대기 중으로 빠져나가면 방출 가스로, 의도하지 않게 빠져나가면 미세 가스로 알려진다.
원치 않는 천연 가스는 원유 생산을 위해 개발된 유정에서 처리 문제가 될 수 있다. 유정 헤드 근처에 천연 가스 파이프라인이 없으면 소비자 시장에 도달할 수 없어 유정 소유주에게는 가치가 없을 수 있다. 이러한 원치 않는 가스는 생산 플레어링으로 알려진 방식으로 유정 현장에서 태워질 수 있지만, 에너지 자원 낭비 및 환경 피해 문제로 인해 이러한 관행은 점점 덜 일반화되고 있다.[19]
종종 원치 않는 (또는 시장이 없는 '고립된') 가스는 저장 또는 생산 지층의 재가압을 위해 '주입' 유정을 통해 저류층으로 다시 반환된다. 또 다른 해결책은 천연 가스를 액체 연료로 변환하는 것이다. 가스 액화 (GTL)는 제2차 세계 대전 독일에서 개발된 피셔-트롭쉬 공정을 통해 고립된 천연 가스를 합성 가솔린, 디젤 또는 제트 연료로 변환하는 기술이다. 원유와 마찬가지로, 이러한 밀도가 높은 액체 연료는 정유소 또는 사용자에게 운송하기 위해 기존 유조선을 사용하여 운송할 수 있다. GTL 연료는 비슷한 석유 연료보다 더 깨끗하게 연소된다고 알려져있다. 대부분의 주요 국제 석유 회사는 GTL 생산의 선진 개발 단계에 있으며, 2011년에 가동될 예정인 카타르의 펄 GTL 플랜트가 그 예시이다. 미국과 같이 천연 가스 수요가 높은 지역에서는 일반적으로 유정에서 최종 소비자까지 가스를 운송하기 위해 파이프라인이 선호된다.
4. 2. 위치에 따른 분류
유정은 다음 위치에 있을 수 있다.- 육상
- 해상
해상 유정은 해저 유정두와 '건식' 유정두로 세분될 수 있다. 해저 유정두는 유정의 상단이 해저에 위치하며 종종 해저 파이프라인에 연결되어 있다. '건식' 유정두는 유정의 상단이 플랫폼 또는 재킷 위에 물 위에 있으며 종종 생산된 유체의 처리 장비를 포함한다.[20]
유정의 위치는 유정 시추에 사용되는 장비 유형에 큰 영향을 미치지만, 유정 자체에는 실제로 구멍 안쪽의 차이가 거의 없다. 해상 유정은 우연히 바다 아래에 있는 저류층을 목표로 한다. 물류 및 특수 장비가 필요하기 때문에 해상 유정을 시추하는 것은 유사한 육상 유정보다 훨씬 더 비용이 많이 든다.[20] 이러한 유정은 남부 및 중부 대평원, 미국 남서부에 흩어져 있으며 중동에서 가장 흔한 유정이다.[20]
4. 3. 목적에 따른 분류
유정(석유 시추공)은 자원 개발에 기여하는 목적에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
- '''탐사 유정'''은 지질 정보가 거의 또는 전혀 알려지지 않은 지역에 시추된다. 이 부지는 제안된 위치에서 어느 정도 떨어진 곳에 시추된 유정이지만 제안된 부지와 유사한 지하 구조에 있기 때문에 선택되었을 수 있다. 탐사 유정을 시추하는 사람들을 '야생 시추업자'라고 한다.
- '''탐사 유정'''은 새로운 지역에서 순전히 탐사(정보 수집) 목적으로 시추된다. 부지 선정은 일반적으로 지진 데이터, 위성 측량 등을 기반으로 한다. 이 유정에서 수집된 세부 정보에는 시추 위치에 탄화수소의 존재, 존재하는 유체의 양, 석유 또는 가스가 발생하는 깊이 등이 포함된다.
- '''평가 유정'''은 입증된 탄화수소 축적의 특성(예: 유량, 저장량)을 평가하는 데 필요할 수 있다. 이러한 유정은 현장에 존재하는 탄화수소의 특성 및 속성에 대한 불확실성을 줄여준다.
- '''생산 유정'''은 생산 구조와 특성이 결정되면 주로 석유 또는 가스를 생산하기 위해 시추된다.
- '''개발 유정'''은 평가 시추를 통해 이미 개발에 적합하다고 입증된 석유 또는 가스 생산을 위해 시추되는 유정이다.
- '''폐공'''은 기술적인 이유로 시추 단계에서 영구적으로 폐쇄되거나 상업적으로 가치 있는 탄화수소를 찾지 못한 유정이다.
생산 유정 현장에서 활성 유정은 다음과 같이 추가로 분류될 수 있다.
- '''원유 생산정'''은 주로 액체 탄화수소를 생산하지만 대부분은 약간의 부생 가스를 포함한다.
- '''가스 생산정'''은 거의 전적으로 천연 가스로 구성된 기체 탄화수소를 생산한다.
- '''수주입정'''은 수주입하여 유류 저류층 압력을 유지하거나, 처리 후에도 해상에서 버릴 만큼 기름기가 많고 염분 농도가 높거나 육상 유정의 경우 담수 자원에 버릴 수 없기 때문에 탄화수소와 함께 생산된 물을 처리하기 위해 유정에 물을 주입한다. 생산 구역에 물을 주입하는 것은 종종 저류층 관리에 도움이 된다. 그러나 종종 생산된 물은 깨끗한 물 구역 아래의 얕은 구역으로 안전하게 폐기된다.
- '''대수층 생산정'''은 압력을 관리하기 위해 의도적으로 물을 생산하여 재주입한다. 가능하다면 이 물은 저류층 자체에서 나올 것이다. 대수층에서 생산된 물을 다른 수원에서 가져온 물 대신 사용하는 것은 저류층을 막는 침전물을 생성할 수 있는 화학적 비 호환성을 배제하기 위한 것이다. 이러한 유정은 일반적으로 석유 또는 가스 생산정에서 생산된 물이 저류층 관리 목적에 충분하지 않은 경우에만 필요하다.
- '''가스 주입정'''은 종종 폐기 또는 나중에 생산을 위한 격리 수단으로 저류층에 가스를 주입하지만, 저류층 압력을 유지하기도 한다.
'''라히 분류'''
- '''신규 유전 탐사''' (NFW) - 다른 생산 유전에서 멀리 떨어져 있으며 이전에 생산되지 않은 구조에 위치한다.
- '''신규 풀 탐사''' (NPW) - 이미 생산 중인 구조의 새로운 풀.
- '''심부 풀 테스트''' (DPT) - 이미 생산 중인 구조 및 풀에 있지만 더 깊은 유료 구역에 위치한다.
- '''천부 풀 테스트''' (SPT) - 이미 생산 중인 구조 및 풀에 있지만 더 얕은 유료 구역에 위치한다.
- '''아웃포스트''' (OUT) - 일반적으로 가장 가까운 생산 지역에서 두 개 이상의 위치에 있다.
- '''개발 유정''' (DEV) - 유료 구역의 연장선상에 있거나 기존 유정 사이에 있을 수 있다(''내부 채우기'').
5. 시추 기술
5. 1. 로터리식 굴착법
지상에서 석유를 굴착하는 로터리 방식은 크게 "야구라", "굴착관", "머드"의 세 가지로 구성된다.[27]
- 유정 야구라: 로터리 장치, 크레인류, 엔진류(전동, 증기, 디젤)를 포함한다.
- 굴착관: 드릴 비트를 포함한다.
- 머드: 머드 조정제(물, 기름, 벤토나이트, 바라이트, 크롬, 화학 약품), 펌프와 필터, 머드 피트, 호스와 배관류를 포함한다.
드릴 비트와 머드 조정제는 소모품이다.[27]
엔진의 힘은 드로우워크(회전륜)를 거쳐 야구라 기부 중앙의 로터리 테이블 회전 기어를 회전시킨다. 이 기어는 로터리 테이블을 분당 50-300회 회전시키고, 사각형 중앙 구멍을 통과하는 켈리 파이프를 회전시킨다. 켈리 파이프의 회전은 굴착 파이프를 통해 선단의 드릴 칼라, 드릴 비트에 전달된다.
크레인으로 매달린 파이프 전체는 지하 깊숙이 연결되며, 이를 "드릴 스트링"이라고 한다. 크레인으로 매달린 부분은 트래블링 블록, 훅, 로터리 스위블로 이어진다. 로터리 스위블은 자유롭게 회전하여 상부에 연결된 호스로 회전이 전달되지 않도록 한다. 스위블 아래에는 사각형 단면의 켈리 파이프가, 그 아래에는 다수의 드릴 파이프가 연결된다. 선단부에는 드릴 칼라라고 불리는 파이프가 있으며, 가장 끝에 드릴 비트가 부착된다.
굴착 파이프 선단에 부착된 드릴 비트는 지층을 깎아 나간다. 지층의 경도에 따라 강철, 텅스텐 카바이드, 다이아몬드 등의 날 끝이 사용된다.
- 드래그 비트
- 로울링 쓰리콘 커터 비트
- 텅스텐 카바이드 버튼 비트
- 다이아몬드 비트
진흙은 유정 옆의 머드 피트에서 머드 조정제로 조제되어 펌프를 통해 유정 상부에서 굴착관 내부로 보내진다. 굴착관을 통과한 진흙은 드릴 비트에서 분출되어 마찰열을 제거한다. 진흙은 굴착 찌꺼기와 함께 굴착관 바깥쪽을 통해 지상으로 올라와 필터를 거쳐 큰 굴착 찌꺼기가 제거된 후 머드 피트로 되돌려진다. 진흙은 굴착공 내부 벽 붕괴와 지층 내 물 침투를 방지한다.[27]
5. 2. 탑 드라이브 방식
로터리 테이블과 켈리 파이프를 사용하지 않고 로터리 스위블 아래에 감속기 부착 전동 모터를 갖춘 탑 드라이브 방식이 사용된다. 이 방식은 기존에 굴착 파이프를 한 개씩 추가할 때마다 굴착이 중단되었지만, 굴착 파이프를 3개 정도씩 연결하여 작업의 수고와 시간을 3분의 1로 줄일 수 있다.5. 3. 경사 시추 및 수평 시추
21세기 초 현재 경사 시추와 수평 시추는 당연하게 사용되는 시추 기술이다.[27]기존 방식에서는 굴곡을 만들고 싶은 곳에 도달하면 시추 팁에 강철 쐐기형 블록을 놓고 드릴의 방향을 바꿨지만, 21세기 현재는 원래 10도 정도 굴곡진 드릴 팁 부분을 사용하여 굴곡부를 뚫고 나아간다. 이 드릴은 가압된 흙탕물의 흐름에 의해 회전력이 만들어지는 다운홀 터빈이기 때문에, 직선 시추를 하고 싶을 경우에는 지상에서 팁을 포함한 파이프 전체를 천천히 회전시킴으로써 굴곡 시추를 피할 수 있다. 시추 중에 굴곡부를 만듦으로써 경사 시추가 되며, 더 굴곡을 주면 드릴이 뚫고 나아가는 방향이 수평 방향이 되어 수평 시추가 된다.[27]
경사 시추와 수평 시추를 통해, 목적하는 유층 바로 위에 주택지가 있거나, 타국의 영토라 할지라도, 가까운 지상에서 시추를 시작하여 지하에서 수평 방향으로 뚫고 나아갈 수 있다. 하나의 수직공에 여러 개의 구멍을 뚫는 「멀티 래터럴」이라고 불리는 방법에도 사용된다.[27]
5. 4. 특수 굴착 기술
새로운 "다이아몬드 컴팩트 비트"(Diamond compact bit)가 등장하고 있다. 기존의 드릴 비트는 분할된 원추 기어가 회전했지만, 신형 비트는 내마찰성이 높은 16분의 1인치 두께의 합성 다이아몬드로 코팅된 첨단 부분이 고정되어 있다. 기존 비트가 약 1만 달러인 데 비해 신형 비트는 약 10만 달러이지만, 하나의 비트로 6000피트를 한 번에 굴착할 수 있기 때문에 기존 비트 교체를 위한 시간과 인건비를 절약할 수 있어 경제적이다[27]。코일 튜빙 리그(Coil-tubing rig) 또한 비교적 새로운 기술이다. 지금까지처럼 곧은 강철 파이프를 여러 번 이어서 지하로 뻗어가는 수고를 한 번에 없앴으며, 굴착관은 큰 릴에 감겨 있는 길고 굴곡진 형태이다. 기존의 "로터리 방식"에서는 지상에서 이어진 장대한 파이프 전체가 강력한 모터에 의해 회전했지만, 본 방식에서는 튜브 자체는 회전하지 않고, 지상에서 압송된 머드(mud)의 흐름에 의해 다운홀 터빈을 돌려, 이것으로 선단에 있는 비트만 회전한다. 21세기 초 현재, 모든 굴착에 사용할 수 있을 정도로 개량이 진행된 것은 아니지만, 이미 일부 유정에서의 이용에서 좋은 결과가 나오고 있다고 한다.[31]
6. 유정별 생산량
산유국에서는 일반적인 유정에서 하루에 3,000 - 4,000배럴의 원유가 채취된다.[27] 생산량은 유전마다 다르며, 지역별 차이도 크다.[27] 일본에서는 하루 생산량이 10배럴 정도인 반면, 알제리나 나이지리아에서는 1,000 - 2,000배럴, 사우디아라비아에서는 10,000배럴 이상을 생산한다.[27]
7. 환경 및 사회적 영향
석유 탐사 및 시추의 영향은 특히 야생동물에게 종종 돌이킬 수 없는 결과를 초래한다. 시추는 야생동물 서식지를 파괴하고, 야생동물에게 스트레스를 유발하며, 넓은 지역을 작고 고립된 지역으로 분할하여 환경을 변화시키고, 동물들이 다른 곳으로 이동하도록 강요한다. 또한 기존 동물과 경쟁하거나 이를 잡아먹는 새로운 종을 유입할 수도 있다. 석유 및 가스 장비가 차지하는 실제 면적은 작을 수 있지만 부정적인 영향은 확산될 수 있다.
연구에 따르면 알래스카의 순록은 유정 및 지진선 인근 지역을 방해로 인해 뚜렷하게 회피하는 경향을 보인다. 뮬사슴 및 엘크와 같은 동물들은 시추 현장의 소음과 활동을 피하려 하며, 때로는 평화를 찾기 위해 수 마일을 이동하기도 한다. 이러한 이동 및 회피는 이러한 동물들의 공간을 줄여 개체 수와 건강에 영향을 미칠 수 있다. 사스래|사스래]]는 시추 지역을 피하려는 또 다른 동물의 예시로, 생존 및 번식 개체 수 감소로 이어질 수 있다. 다양한 연구에 따르면 서식지 내 시추는 사스래 개체군에 부정적인 영향을 미친다. 와이오밍에서 1984년과 2008년 사이에 연구된 사스래는 수컷의 연간 개체 수 감소가 약 2.5%로, 석유 및 가스 유정 밀도와 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 사초 덮개 및 강수량과 같은 요인은 개체 수 변화에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보였다. 이러한 결과는 석유 및 가스 개발이 사스래 개체군에 미치는 해로운 영향을 강조하는 다른 연구와 일치한다.
7. 1. 환경 오염
7. 2. 야생동물 서식지 파괴
석유 탐사 및 시추는 야생동물에게 돌이킬 수 없는 결과를 초래한다. 시추는 야생동물 서식지를 파괴하고, 스트레스를 유발하며, 넓은 지역을 작고 고립된 지역으로 분할하여 환경을 변화시키고, 동물들이 다른 곳으로 이동하도록 강요한다. 알래스카의 순록은 유정 및 지진선 인근 지역을 뚜렷하게 회피하는 경향을 보인다.석유 및 가스 장비가 차지하는 실제 면적은 작을 수 있지만, 그 부정적인 영향은 확산될 수 있다. 뮬사슴 및 엘크와 같은 동물들은 시추 현장의 소음과 활동을 피해 수 마일을 이동하기도 하며, 이는 개체 수와 건강에 영향을 미칠 수 있다.
사스래|사스래]]는 시추 지역을 피하는 경향이 있으며, 이는 생존 및 번식 개체 수 감소로 이어진다. 와이오밍에서 1984년과 2008년 사이에 연구된 사스래는 수컷의 연간 개체 수 감소가 약 2.5%로, 석유 및 가스 유정 밀도와 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 이는 석유 및 가스 개발이 사스래 개체군에 미치는 해로운 영향을 강조하는 다른 연구와 일치한다.
7. 3. 한국의 유정
일본에서는 니가타현 니가타시의 닛쓰 유전을 소개하는 박물관인 석유의 세계관에 펌프식 유정의 유구가 남아있다. 유전 목록#일본도 참조할 것.8. 기타
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