KIGAM 한국지질자원연구원

자원플랜트,

'다목적 시추시스템 핵심기술 실증' 성공 사업화를 이끌다

글. 김영주 실장 (자원개발플랜트연구실)

전 세계적으로 에너지 수요가 급증하면서 에너지 자원을 효율적으로 개발하고 활용하는 중요성이 부각되고 있다. 

특히 비전통 자원 개발과 깊은 해저에서의 시추 기술은 긴밀한 관심을 받고 있지만, 이 분야의 주요 기술은 해외 기업에 의존해야 하는 현실이다. 

이러한 상황에서 한국지질자원연구원은 국내 자원 플랜트 기술을 고도화하고 육상 시추 시스템 개발을 통해 기술 자립화를 추진하고 있다.

지난 수십 년 동안 가스 및 석유 산업에 대한 수요가 증가함에 따라, 사용할 수 있는 에너지원에서 더 많은 것을 생산하고 새로운 에너지 자원을 개발할 수 있는 새로운 설계와 개선된 시추 기술이 요구되었다. 비전통 자원의 경우, 대심도 활용 및 방향성 시추가 필수적이지만, 이 분야의 원천 및 핵심기술은 소수의 선진 외국 기업이 독점하고 있다. 이에 따라 자체 자원 플랜트 건설 및 개발을 위해서는 해외 의존도가 높아지고 있다. 

한국지질자원연구원은 국토교통부 국책과제의 하나로 자원 플랜트 핵심기술인 육상 시추 드릴링 시스템을 개발하는 ‘육상시추연구단’ 연구 사업을 수행한다. 이를 통해 육상용 시추 시스템 개발 기술 자립화의 길이 열렸다. 육상시추연구단은 「2013년 국토해양기술 연구개발사업 시행계획」에 따라 선행 기획 연구를 통해 발굴한 사업이다. 국토교통 분야 미래신성장동력 창출 및 국민의 삶의 질을 향상시키기 위해 수립된 사업계획은 2017년 6월부터 2023년 9월까지 6년간 총예산 약 312억 원의 연구사업으로 수행되고 있다. 

한국지질자원연구원을 주관기관으로 산·학·연 13개 기관·기업이 참여해 방향성 추진체와 이수순환기술(실시간 이수 혼합, 순환 후 배출된 혼합물의 분리·회수 기술)을 연구한다. 본 연구단은 한국지질자원연구원 포항지질자원실증연구센터와 캐나다 광구의 테스트베드 인프라를 활용한 시추 관련 연구 수행과 개발 장비의 실증을 통해, 향후 저개발 자원 부국의 시장 진출을 위해 활용할 계획이다. 본 연구단은 세계적 수준의 육상 시추용 방향성 추진체 및 이수 순환 기술 개발을 통하여 오일·가스 건설장비·기자재 및 서비스 시장 진 출 교두보 확보를 위해 아래와 같이 세계 최고 수준의 기술을 현장 실증을 통해 성능을 검증하였다. 

첫째, 방향 제어 시스템은 지하 목표 지점까지 시추 방향을 변경하고 제어할 수 있는 기술로서 활약한다. 일반적으로 추진체인 Mud Motor와 실시간으로 위치 파악을 가능하게 하는 MWD로 구성된다. 본 연구에서는 Bend Angle은 그대로 유지하고, Short Bit to Bend 기술을 개발하여 더욱 확장된 Dogleg를 확보한다. 이로써 Trip Out 하지 않고 지속적인 시추작업이 가능한 Mud Motor를 개발하였다. 또한, 기존의 2bps 통신 속도에 머무르고 있는 Mud Pulse 기술을 10bps까지 증대한다. 통신 시 요구되는 시추 정지 시간을 축소함으로써 실시간 위치 파악이 가능하게 하는 MWD 기술을 개발하였다. 개발된 Mud Motor와 MWD 성능검증을 위해 2022년 9월 캐나다 서스캐처원주에서 실증했다. 이날 실증에서는 시추 길이 총 1,354m의 방향 제어 시추 성능을 확인할 수 있었다. 캐나다 실증 완료로 본 연구단에 참여 중인 산동금속공업은 최종 시제품을 현지업체로 판매하여 사업화에 성공하였다. 

둘째, 이수 순환 시스템은 실시간 이수 혼합과 순환 후 배출된 혼합물의 분리, 회수 기술을 위한 시스템 개발이 필요하다. 육상용은 혼합 시스템(Mixing Equipment), 공급시스템(Additive Equipment), 처리 시스템(Treatment Equipment) 3개 시스템으로 구성된다. 본 연구단은 이수 순환경로 4km, 공급 유량 100m3 /h급 연속 이수 순환 및 공급시스템 개발과 연속 순환 시스템(Continuous Circulation System)을 통해 이수 순환/정지에 따른 문제점을 해결하였다. 또한, 육상용 이수 시스템으로는 국내 최초로 자동화 제어 로직을 적용하여 이수 혼합 및 이송 공정 자동화율 80%, 폐·이수 재처리 공정 자동화율 60%를 달성하였다. 해당 성능 검증을 위해 한국지질자원연구원 포항지질자원실증연구센터에 수직 40m급 다상 유체 유동(Multiphase flow) 모사 라인과 테스트베드를 구축하였으며, 현장 실증을 성공적으로 수행하였다. 

본 연구단은 육상 유전의 시추 장비 개발을 통해 국내 최초 해외 실증 까지 단계별로 수행하며 개발 목표를 달성하였다. 개발 단계에서 다양한 문제도 발생하였으나, 개선 사항을 수정 보완하여 실제 현장 실 증까지 진행했다. 국내에서는 최초로 시추 1km, 이수 순환경로 4km 등 방향성 추진체 및 이수 순환 기술 개발을 성공적으로 수행하였다. 향후 본 연구 외에 육상 시추 플랜트의 시추리그 및 유정 제어 시스템까지 차별화된 기술로 국산화가 진행될 수 있다면 육상 시추 플랜트 시장에 국내 기업들이 진출할 수 있을 것으로 기대된다.  

[맺음말]

러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 유럽에 에너지 위기가 발생하면서 에너지 문제가 전 세계로 확산되고 있다. 최근 에너지 가격이 세계 경제 전망을 어둡게 할 만큼 크게 상승하면서 가계와 산업계 모두 어려 움을 겪고 있다. 에너지 위기는 앞으로도 오랫동안 지속될 것으로 예상되며 '에너지 안보'에 대한 위협도 커지고 있다. 에너지 안보는 단순히 에너지에 대한 접근성을 유지하는 것뿐만 아니라 안정적이고 저렴 한 에너지 공급을 의미한다. 이러한 에너지 안보를 위해 국내 플랜트 산업은 다운스트림에서 업스트림 산업으로 진출해야 한다는 지적이 많이 나오고 있으며, 업스트림 산업 진출을 위해서는 시추 시스템의 핵심기술 확보와 장비 국산화가 필수적이라고 할 수 있다. 한국지질자원연구원은 자원플랜트 기술 개발의 고도화를 통해 국내외 플랜트 기술의 경쟁력을 강화하고 비전통오일 개발과 기술 자립화에 한 발 더 다가설 수 있도록 꾸준히 노력하겠다.