해양 구조물의 선택
Concept Soluction
현재까지 가장 많이 설치된 해양 구조물의 형태는 jacket으로 대표되는 fixed platform이다. 하지만, 발견되는 광구의 수심이 깊어짐에 따라
- Jacket 형 구조물을 설치하게 되면, 비용이 기하급수적으로 상승하게 되고 - 상대적으로 부유체 platform은 개발 기간이 짧아지게 되고 - 광구의 특성이 잘 알려져 있지 않은 경우에는 부유체 구조물을 설치하는 것이 위험이 적고 - 부유체 구조물은 oil을 저장할 있는점들 때문에 부유체 구조물을 설치하는 것이 이점이 많다. 부유체 구조물의 또 다른 장점은 이동이 가능하기 때문에 생산 수명 5 ~ 10년 사이의 중간급 규모의 광구의 개발에는 더욱 적합한 방법이 된다. 하지만, 부유체 구조물은 아래에서 보는 바와 같이 장점과 단점을 가진다.
- 부유체 구조물의 장점중의 하나는 광구 시험 단계가 늘어나거나 혹은 생산 단계와 겹치는 것이 가능하기 때문에, 특정 광구에 맞는 platform을 결정하지 않고 장기간에 걸친 생산 관련 data를 확보할 수 있다. - 하지만, 단점으로는 큰파에 의한 움직임이 매우 크기 때문에 종종 시추나 생산을 중지하여야 한다.
최근에 이르러서 해양 광구의 개발에 부유체가 차지하는 비중은 나날이 높아만 가는 것이 주지의 사실이다. 아래의 표에는 여러가지 해양 Platform의 특성을 정리하여 두었다.
해양 Platform의 형태에 영향을 미치는 해양 광구의 특성
해양 platform은 개발하고자 하는 해양 광구의 특성에 부합되어야 하며, platform의 선택에 영향을 주는 광구의 주된 특성은 다음과 같다.
- Production volumes - Environment - Water depth - distance to shore or infrastructure - the number of drilling centers required to drain the reservoir - reservoir fluid - the well intervention frequency - risk to personnel
Production volume:
생산 가능한 oil 및 gas의 양은 platform의 형상에 영향을 준다. 소규모 광구를 개발하게 되는 경우에는 subsea tie-back을 선책하는 것이 일반적인 반면에, 일정한 규모 이상의 광구를 개발하기에는 host platform에 가해지는 부하가 너무가 크기 때문에 다른 platform의 종류를 선택하여야 만 한다. 또한 대규모 광구에는 platform 를 설치하는 것 외에 pipeline을 설치하는 것을 고려하여 볼수 있다. 즉, 광구의 규모가 커지면 선택할 수 있는 platform의 형태는 다양하다. Gas 의 양이 많은 경우에는 export riser가 중요한 역할을 하기 때문에 FPSO 보다는 TLP 혹은 Compliant Tower가 유리한다. 분명한 사실은 하루 생산량이 200,000 bbl/day 이상인 경우에만 부유체 구조물을 설치하는 것이 유리하다.
Environmental conditions:
해양 구조물은 파에 의한 극심한 하중을 견뎌야 한다. 그리하여, 이러한 구조물을 설계함에 있어 환경 하중을 적절히 평가하는 것은 매우 중요한 일이며 platform의 종류를 결정짓는데 있어 결정적인 요소가 된다. 하지만, 고정식 구조물의 설계에 있어서 중요한 인자 중의 하나인 지진에 대한 응답은 부유체의 설계에는 그다지 중요하지 않다. 간혹, 빙하중의 크기 및 빙의 출현 빈도 등이 platform의 종류를 결정함에 있어 중요한 요소로 작용하기도 한다. 일례로, 캐나다 지역의 해양 구조물은 큰 빙하중의 크기에 손상을 입지 않는 구조물을 설계하는 것 뿐만 아니라 큰 빙하중이 작용하는 경우에는 신속히 그 지역을 벗어날 수 있는 장비를 갖춘 FPSO가 있는 형편이다.
아래의 표는 수심이 깊은 지역의 환경 조건을 보여 주고 있다. 설계 능력이 개발됨에 따라 환경 조건의 극심하다는 것이 Platform의 설치가 가능하다 아니다 하는 문제에는 영향을 미치지 않고, 다만 경제성에 크게 영향을 주게 된다. 예를들어, West Africa와 같은 상당히 잔잔한 해역 혹은 북해와 같은 상당히 거친 해역에 TLP를 설치하는 것은 가능하다. 하지만, TLP의 건조 비용은 상당히 많은 차이가 나게 된다. 또 한가지, 해상이 잔잔한 경우에는 여러가지 형태의 구조물 또한 가능하다.
Water Depth:
수심은 Platform의 선택 및 가능성에 크게 영향을 끼친다. 현재까지 가장 깊은 수심에 설치된 고정식 해양 구조물은 Bullwinkle 이었는데, 수심은 412 m 였다. 하지만, 이보다 더 깊은 수심에 설치될 고정식 구조물은 더 이상 출현할 가능성이 없다. 경제성이 없기 때문이다. Gravity Base Platform의 설치 가능 수심은 이보다 더욱 더 낮다. 반대로, 부유체 구조물의 경우에는 너무 깊이가 낮은 경우에는 설치가 불가능 하다. 하지만, 아직 설치 가능한 최대 수심은 정해지지 않았다. 아래의 그림은 시간이 경과하면서 시추 및 생산이 가능한 수심의 변천을 보여주고 있다.
위의 그림을 살펴보면 시추 가능한 깊이와 생산 가능한 깊이는 약 10 -15년의 차이가 있음을 알 수 있다.
Distance to shore:
원유를 생산한 지접으로 부터 소비지까지의 거리는 Platform의 선택에 매우 큰 영향을 끼친다. 소비지까지로의 운송은 대개 pipeline을 사용하지만, 너무 거리가 먼 경우에는 원유 운반선에 직접 싣는 것이 더욱 저렴한 방법이다. 하지만, 최종적인 방법의 선택은 유정의 개발 과 유지 보수 및 운영에 투입되는 비용을 최소화 하는 방법을 선택하여야 한다. 이 문제에 대해서는 뒤에 다시 이야기 하여야 할 것이지만, 눈앞의 당장 투입되는 비용을 최소화를 이루는 것이 아니라 전체 광구의 개발에 소용되는 비용을 선택하는 것이 중요한 것은 말할 필요조차 없다. 대부분의 해양 광구를 개발함에 있어 생산된 원유를 저장하는 것은 지속적인 선적이 가능하게 하여 주고, 생산 설비의 작동을 원활히 하기 위해 필요하다. 생산된 원유를 저장하는 방식에 따라 Platform의 형태가 결정된다.
The Number of drilling Center:
아래의 그림은 Angola Kizomba Field의 광구 개발의 모습을 보여주고 있다.
전부 4개의 drilling center가 보이고 있다. 실제로 광구의 개발에 필요한 drillng center의 수는 전적으로 광구의 지질학적인 특성에 달려 있다. Kizomba field은 4개의 drilling field가 아주 광범위한 지역에 결쳐서 발견되는데, 이는 석유 및 개스를 함유하고 있는 지칭이 아주 넓게 형성되었다는 것을 의미한다. 만약에 위의 광구 개발을 TLP에 의존한다고 가정하자. 이 경우에는 각각의 drilling center마다 별도의 TLP를 설치하여야 한다. 즉, 이 경우에는 상당히 낭비 요소가 많다.
최근에는 시추 기술의 개발에 따라, 지하 10 km까지 시추가 가능하여 졌으며 옆으로도 상당한 거리까지 시추가 가능하여 졌지만 여전히 하나의 drilling center로는 전체 광구를 담당하기에는 역부족인 경우가 많다. 위의 그림처럼 여러개의 drilling center가 있는 경우에는 중심이 되는 위치에 생산 설비를 갖춘 platform (이 경우는 FPSO)을 설치하고, 각 center와 FPSO사이에는 flexible riser로 연결하는 경우가 일반적이다.
Drilling center가 하나만 있는 경우에는 시추 및 work-over 작업이 필요한 경우가 많아져 platfrom에 시추 및 work-over를 담당하는 장비를 설치하는 경우가 많다.
Reservoir Fluid Parameters:
광구에서 채굴되는 석유 및 개스의 유체적인 특성, 화학 조성, 온도 및 압력등이 Platform의 종류를 결정하는 데 큰 영향을 미친다. 다음과 같은특성을 고려하여야 한다. l CO2 l H2S (naturally occurring as well as from reservoir souring) l Asphaltene deposition l Wax deposition l Scale precipitation l Hydrate formation l Sand production l Slugging flow in multiphase flowlines l Reservoir pressure and drive mechanism
이러한 특성들은 얼마나 자주 well을 유지 보수하기 위한 work-over의 주결정 지을 뿐만 아니라, 생산 시설의 설계에도 영향을 끼친다. Well의 유지 보수는 최적의 성능을 유지하는 데 필요할 뿐만 아니라, 부식 및 마도의 정도는 Platform의 shut-down의 주기에 영향을 미친다.
Risk to personnel:
Platform의 종류에 따라 미치는 영향이 다르다. 주로, 영향을 미치는 사항은 정수압 상태의 특성, 역학적인 특성 및 구조적인 거동의 특성이다. 잘 설계된 Platform은 다음과 같은 사항에 의한 위험을 최소화 한다.
l adequate reserves of intact and damaged stability l adequate ultimate and fatigue strength l constructed from good toughness steel
이러한 risk 사항은 Platform의 다음과 같은 장치 및 기기의 설계 및 사용에 영향을 준다. l Oil and gas export and import l The process system l The layout of the topside equipment l The position of the accommodation l Collision with errant vessels (trading vessels, shuttle tanker, supply boat, safety boat) l The provision of adequate evacuation systems (free fall lifeboats or other systems) l Preparations for inclement weather (riser/turret disconnect etc.)
Platform의 개념은 인명 및 장비의 안전에 영향을 미치지만, Process 및 기기 그리고 배관등 다른 분야와의 연계등을 고려하여야 한다. 단순히, 조선 기술자 혹은 구조 공학자들의 영역만은 아니다.
해양 Platform의 갖추어야 할 특성
시추 혹은 생산에 사용되는 부유체 구조물은 다음과 같은 특성을 지녀야 한다.
- 충분한 작업 공간을 가져야 한다. 이는 deck load capacity로 평가된다. - 외부 환경하중에 대한 응답이 적절하여야 한다. - 충분한 안정성을 평가하여야 한다. - 외부 환경에 충분히 견딜 수 있는 강도를 유지하여야 한다. - 피로 하중에 견딜 수 있는 적절한 내구성을 가져야 한다. - 시추 및 혹은 생산등의 복합적인 기능을 보유하여야 한다. - 이동이 가능하여야 한다.
위의 모든 기능을 모두 최적인 상태로 만족시키는 구조물은 존재하지 않는다. 그래서, 임의의 광구를 개발하어나 탐사 시추하는 경우에는 주어진 목적을 최적으로 만족 시키는 구조물을 선택하여야 한다. 예를들어, 임의의 구조물이 복원성이 좋으면 운동 특성은 나쁜 경우가 대 부분이다. 여러가지 상황을 고려하여 최적으의 구조물을 선택하여야 한다는 필요성이 결과적으로 다양한 Platform의 형태로 발전하게 되었다.
해양 Platform의 선택
해양 Platform의 종류는 매우 다양하며, 적정한 해양 platform의 선택은 광구의 특성을 고려하여 결정되어야 한다. 심해의 해양 광구 개발에 적용되는 방법은 매우 다양하지만, 해안으로 부터의 거리, drilling center의 수, 그리고 well의 보수 빈도등을 고려 아래의 표와 같이 정리할 수 있다. 물론, 아래의 표와 같이 항상 개발이 되는 것은 아니다.
OLS= Offshore Loading System, DTL = direct tanker Loading FSU= Floating Storage Unit, SWP= Shallow Water Platform
위의 표는 다음과 같은 기준으로 작성되었다. 해양 Platform은 광구에서 생산되는 oil 과 동반되어 생산되는 gas의 특성에 따라 결정된다. 생산되는 개스는 보통 소비지로 팔리기 위해 육지로 운송되거나, 광구의 생산 압을 유지하기 위하여 재 주입되거나, 또는 생산과 동시에 바로 태워지는 등, 광구의 특성별로 쓰임새가 다르다. 기능별로 Platform의 형태를 결정하는 것은 당연한 사항이다.
육지까지의 거리가 가까운 경우에는 대개 pipeline을 통해서 생산된 원유를 이동시킨다. 이것이 통상적으로 저렴하고 신뢰성이 높은 방법이다. 하지만, 너무 멀리 떨어진 경우에는 offshore loading platform을 사용한다.
해양 광구의 특성상, 유지 보수가 자주 행할 필요가 없는 경우에는 subsea system을 채용하는 편이 가장 경제적이다.
Drilling center가 하나뿐이고, well의 유지보수가 빈번하게 필요한 경우에는 surface tree 를 채택하는 편이 좋다. 이런 경우에는 TLP, Compliant Tower 혹은 Spar를 채택하는 것이 일반적이다. 물론, work-over 기능을 갖춘 Semi-submersible을 채택하는 것도 가능하다.
수심이 낮고, Drilling Center가 여러군데 나누어서 분포하고, well의 유지-복수가 빈번하게 수행하여야 하는 경우에는 well-head jacket을 채택하는 것이 좋다. 하지만, 수심이 깊어지면 TLP 혹은 Compliant Tower 를 채택하는 편이 경제적으로 유리하다. 수심이 깊은 지역에서, Drilling center가 여러군데로 나뉘어져 있으며, 게다가 빈번하게 well의 유지 보수가 필요한 경우에는 여러개의 platform을 설치하여, 각각 그 기능을 나누는 것이 필요하다. 각각의 drilling center마다 work-over의 기능을 수행하는 무인 TLP 혹은 mini-TLP를 설치하는 방법이 가장 일반적으로 적용되는 방법이다. 이러한 TLP에는 대개 원유를 생산하는 시설을 두지 아니한다. 이는 이웃하는 semi-submersible 혹은 FPSO에서 담당하는 것이 일반적이다. 하지만, 이 같은 경우에도 TLP대신에 subsea well을 설치하는 경우도 있다.
또 한가지 흥미로운 사실은 여러대의 subsea well, flowline 그리고 riser를 설치하여 연결하는 것 보다 여러대의 surface completed well을 가지는 TLP를 설치하는 것이 더욱 더 경제적인 경우가 많다. 이는, 최근에 이르러 깊은 수심에서 시추가 매우 비용이 많이 들기 때문이며, 상대적으로 저렴한 mini-TLP를 설치하는 것이 더욱 더 경제적이기 때문이다. 다시 한번 더 이야기 하건데, 이러한 system을 채택하는 경우에는 근처에 원유 생산을 담당하는 FPSO가 있다는 점이다.
수심이 150 m 이내인 옅은 바다에서는 고정식 구조물이 채택될 가능성이 많다. 특히, 다음과 같은 경우엔는 더욱 더 유리하다.
- single drilling center - local pipeline infrastructure - long field life (greater than 10 years) - frequent work-over requirements
하지만, 얕은 지역에서도 FPSO를 채택하는 것은 좋은 방안이 될수 있다. 다음과 같은 경우에는 특히, 유리하다.
- multiple drilling center - no pipelines - short field life - infrequent work-over requirements
요약
기술적인 측면을 살펴보면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 수심이 1000m 까지 투입할 수 있는 platform의 종류는 많으며, 기술적으로 입증이 되었다. - 향후, 10년 동안에는 수심이 1000 - 2000 m 에 이르는 지역의 유전도 개발될 전망이다. - 더욱 더 기술의 발전이 이루어져, 개발 가능한 광구의 수심은 더욱 더 깊어지고, 비용을 줄이기 위해 설비를 간략히 하는 일련의 행동이 계속될 것이다. - 향후, 해양 광구의 개발에 가장 걸림돌이 되는 것은 riser system의 기술 개발 여부이다.
해양 platform의 종류를 선택에는
- 각 해양 광구의 특성을 고려하여 전체적인 광구 개발 계획을 작성하여야 한다. 보편적인 법칙이 존재하지 않는다. - 개발 초기의 계획이 광구 개발에 있어서 매우 중요하다. 하지만, 초기 계획시는 알려진 자료가 판단을 하기에는 부적절한 자료가 많다. - 올바른 결론을 내리기 위해 불확실성을 잘 관리하는 것이 광구 개발계획에 성공적인 열쇠가 된다.
Spar Platform TLP, Semi submersible,FPSO등에 멋지 않게 최근에 많이 설치된 Platform이 Spar 이다. 그 기본적인 원리는 다른 구조물에 비해서 상대적으로 흘수가 크기 때문에, 파에 의한 흘수의 변화에 대비하여 구조물의 거동이 적게끔 고안된 구조물이다. Heave 운동 특성이 적다는 이점은 Platform에 surface tree 및 rigid riser가 설치가 가능하게 되었고, 별도의 drilling rig의 도움 없이 시추 혹은 work-over의 작업을 수행할 수 있다. 실제로, Spar platform은 surface tree가 설치 가능한 부유체 구조물의 하나이다. (또 다른 하나는 TLP 이다) 게다가, rigid riser를 채택할 수 있는 이점은 보다 깊은 지역에도 설치가 가능하다는 점이다. 아래의 그림은 classical Spar Platform의 구성을 보여 주고 있다. 위의 그림에서 보듯이, 전형적인 Spar Platform의 형상은 기다란 원통형의 모습을 하고 있으며 원통의 바같에는 Vortex에 의한 진동을 방지하는 Helical Spiral이 붙어 있는 구조물이다. 내부에는 rigid riser가 Platform 자체의 구조물에 의하여 guide 되기 때문에 riser tensionner는 필요 없다. 해저광구 개발의 이해 지구 상의 다른 구조물에 비해 해양 구조물은 상대적으로 역사가 매우 짭다. 기껏해야 약 100년전에 처음으로 육지에서 보이는 위치에 해양구조물이 처음 설치되었으며, 1947년대에 이르러 해안가에서 보이지 않는 위치에 해양 구조물이 설치되기에 이르렀다. 아래의 그림은 1900년 summerland에 설치된 최초의 해양 구조물의 모습을 보여 주고 있다. 수심이 깊은 곳에서 석유와 가스가 점점 더 많이 발견됨에 따라, 부유체를 사용하는 것은 일반적인 일이 되고 있다. 해저 광구글 개발하기 위해 필요한 중요 작업은 다음과 같다. - Exploration drilling - Well testing - Pre-production drilling - Early production - Production - Export - Storage - Work-over Exploration drilling: 석유 및 가스를 찾기 위해 drilling platform에서 시추하는 것을 말한다. 이 때 사용되는 platform에는 self-elevating platform (Jack-up), semi-submersibles, 그리고 drill ship등이 있다. 물론, 호수 및 늪 지대에는 barge를 동원하기도 한다. Well Testing: 발견된 광구의 일일 생상량 및 매장량을 평가하기 위해 광구를 평가하는 것을 말한다. 처음에는 대개 drilling platform에서 하지만, 이후 본격적으로 광구 개발이 시작되면 production tanker에서 수행하기도 한다. Pre-production drilling: 통상적으로 하나의 광구 내에 시추되는 유정은 상당히 많다. 하나의 유정이 test가 끝나면, 본격적으로 생산되기 전에 Completion(installation of valves, filters, valves, 등) 을 수행하는데, 이는 주 생산 platform이 설치 됨과 동시에 생산이 가능하게끔 하는 예비 조치이다. Production: Well로 부터 석유 및 가스를 받아들여 pipeline 및 tanker로 전달하기 위해 물과 Hydrocarbon 그리고 다른 gas로 분리하는 것을 말한다. 또는 유정에 물 및 가스를 주입, 유정의 압력을 유지하여 생산을 지속하게 한다. 과게에는 통상적으로 광구는 20년 정도 매장량을 가지고 있는 것이 일반적이어서, 투입되는 platform은 이동성을 고려하지 않았다. 하지만, 최근에 이르러 광구의 수명이 짧아져 이동 가능한 platform이 투입되기도 한다. 현재의 많은 심해 광구는 상당한 양의 가스를 동반하는 경우가 많아 platform의 설치가 상당히 까다로워 지고 있으며, 비용 또한 많이 증가하게 되었다. 또한 최근에는 환경에 미치는 영향을 최소화 하기 위해 생산시 발생하는 가스를 태워 없애는 것을 금지하고 있다. Early production: 현금 유입을 빠르게 하기 위하여 유정이 발견되지 마자, 생산하는 것을 말한다. Export: 새로이 발견되는 유전이 해안에서 점점 더 멀리 떨어지게 되고, 생산 매장량이 적은 경우에는 소비지로 생산된 원유를 pipeline을 통해 운반하는 것은 경제적으로 어려워 지고 있다. 대신에, shuttle tanker를 사용하는 경우가 늘어나고 있다. Storage: 생산된 원유를 일시적으로 보관하는 것을 말한다. 통상 다음 방법을 사용한다. - a permantly moored storge vessel - a combined prodution and storage platform - multiple storge/shuttle tankers Work-over: 석유의 생산이 원하는 비율대로 계속되기 위해 유정 및 광구를 유지 보수하는 것을 말한다.
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