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1984년 8월 2일 오전 인도네시아 제2의 도시인 수라바야 공항을 이륙한 헬리콥터는 해협 건너의 마두라섬 상공을 지나 잔잔한 열대 바다 위를 날고 있었다. 곧 이어 시야에는 빨갛고 노란 불꽃을 내뿜고 있는 시추선이 나타났다. 이 곳이 우리나라가 처음으로 해외에서 석유개발 사업을 벌이고 있는 서(西)마두라 해저광구 시추 현장.

석유가 발견되어 필자가 현장을 찾았을 때는 벌써 생산시험이 진행되고 있었다. 인류 최후의 지상 낙원으로 불리는 발리섬으로 부터 그리 멀지 않은 이곳에서 우리 기술자들의 숨결을 느꼈을 때 필자의 가슴 속에 커다란 흥분이 일었다. 서마두라유전은 우리나라의 코데코에너지회사와 인도네시아 국영석유회사인 페르타미나가 공동으로 1981년부터 석유개발에 착수. 1985년부터 석유를 생산하고 있다.

서마두라 해저유전 개발을 시발로 우리나라 기업체들은 해외유전 개발에 활발히 나섰다. 지금까지 세계 여러 곳에서 석유탐사 활동을 벌이고 있는데 그중 반 정도는 해저광구를 대상으로 하고 있다. 가까이는 말레이시아의 사라와크 근해에서부터 멀리는 적도 아프리카 서안의 가봉연안에 이르기까지 우리 기업의 활동무대는 범세계적으로 확대된 것이다.

한편 국내에서의 해저석유 개발은 1969년에 시작되었다. 곧이어 우리나라 연안 대륙붕에 해저 석유광구가 설정되었다. 우리나라 주변 바다는 동해를 제외하고는 전지역이 수심 2백m 미만인 대륙붕이다. 때문에 우리나라 대륙붕 면적은 남한 면적의 3배를 넘는다.

이처럼 광활한 국내의 대륙붕에 7개의 해저석유광구가 설정되었다. 그 뒤 국제 석유재벌회사(메이저)들이 광구를 얻어 그 동안 14개 구멍의 시추를 하는 등 꽤 적극적인 석유탐사 활동을 벌였다. 그러나 석유 발견에는 실패하고 말았다.

1987년 동해 제6광구에서 국영기업체인 한국석유개발공사가 시추한 돌고래 3호공에서 가스가 발견되고 1988년에는 다시 인근 돌고래 2호공에서 가스가 발견되자 국내의 해저 석유개발 산업은 다시 활기를 띠기 시작하였다. 또 연초에는 북한이 서해에서 석유발견에 성공했다는 뉴스가 전해지자 일반의 석유개발에 관한 관심은 어느 때 보다도 고조되어 있는 것 같다.
 

해저에서 28%가 생산돼

인류가 석유를 사용하기 시작한 것은 아주 오랜 일이다. 구약성서에 보면 노아가 방주에 역청(아스팔트)을 칠했다는 내용이 있는데 이는 석유 사용에 관한 가장 오래된 기록이다.

이렇게 오래 전부터 인류는 석유를 사용해 왔지만 석유를 산업적으로 채굴하기 시작한 것은 그리 오래 전의 일이 아니다. 미국인들은 현대 석유산업의 시작을 1859년으로 본다. 그해 미국의 ‘드레이크’대령이 역사상 처음으로 석유 채굴 목적으로 펜실베이니아주 타이터스빌에서 시추하고 같은 해 8월 27일 석유 채굴에 성공하였기 때문이다.

이로 부터 석유산업은 눈부신 발전을 거듭하여 오늘날에 와서는 석유 없는 현대문명은 상상조차 할 수 없게 되었다. 세계 10대 회사중 6~7개가 석유회사일 정도로 석유산업의 비중은 막대하게 된 것이다.

초기에는 석유가 지표에 저절로 흘러나오는 곳 근처에 시추하여 생산하는데 그쳤다. 그러나 점차 석유지질학의 발달로 배사구조(지층의 구조가 가운데가 높고 양쪽이 낮아 엎드려 있는 사람의 등과 같은 구조)를 찾아 시추하게 되었다. 또 석유가 발견되는 깊이도 점점 깊어졌다.

마침내 석유개발의 무대는 바다에까지 확대되었다. 현재는 세계 총 석유생산량의 28%가 해저에서 생산되고 있으며, 앞으로 해저에서의 생산량은 더욱 늘어날 전망이다.

특히 우리나라의 경우는 육상에 석유부존에 적당한 지층의 발달이 미약하다. 반면 바다 밑에는 이러한 지층이 넓게 그리고 두껍게 발달되어 있기 때문에 석유탐사 활동이 자연히 바다에 집중되고 있다.

인공적으로 지진을 일으켜

해저에 묻혀 있는 석유를 발견하여 이를 채굴하기 위한 방법은 근본적으로 육상에서의 석유탐사 및 채굴방법과 차이가 없다. 다만 탐사시에 육상에서와는 달리 선박을 이용해야 하고, 발견된 석유를 채굴하기 위해서는 수중에 인공적으로 섬을 만들어야 하는 점등이 다를 뿐이다. 그러므로 육상에서보다 비용이 훨씬 많이 들고 기술적으로도 어려운 점이 많다. 따라서 같은 규모의 유전이라도 육상에서는 개발이 가능하지만 해저에서는 경제적인 이유로 개발이 불가능한 경우가 많다.

해저유전을 개발하기 위해서는 우선 주변 육지의 지질조사를 벌여야 한다. 이 조사를 토대로 석유가 부존될 수 있는 암석, 즉 퇴적암이 발달되어 있는 퇴적분지가 존재하는지를 알아야 한다. 바다밑에 퇴적분지의 존재가 예상되면 바다밑의 암석 시료를 채취한다. 채취된 암석 시료를 통한 해저지질조사와 지구물리학적 방법을 이용하여 퇴적분지의 크기 깊이 생김새 퇴적층의 시대와 퇴적 당시의 환경등을 밝힌다.

이같은 지구물리학적 탐사방법을 흔히 물리탐사라고 부른다. 물리탐사에는 자력(磁力) 중력(重力) 탄성파탐사방법 등이 있는데 석유탐사에는 이들중 탄성파탐사방법이 가장 많이 사용된다.

탄성파탐사는 인공으로 지진파를 발생시켜 지하의 지층구조를 밝히는 방법이다. 지진이 일어날때 그 파동을 기록한 뒤 이를 분석, 지구 내부의 구조를 알아내는 것과 같은 원리이다.

폭약 전기스파크 압축공기 등으로 소규모 인공 지진을 일으키면 이때 발생한 지진판(탄성파)는 땅속을 지나면서 지층의 경계등 탄성적 성질이 다른 경계면에서 반사하거나 굴절하게 된다. 따라서 탄성파가 어떻게 전파했는가를 알게 되면 지하의 지층 경계면의 모양을 판단할 수 있게 된다. 탄성파는 지진계와 마찬가지의 원리를 이용한 수진기로 기록하며 이 기록을 해석하여 지하의 지층구조를 알아낸다.

석유와 가스는 물보다 비중이 작다. 다시 말해 물보다 가볍다. 따라서 부력을 받은 석유와 가스는 물로 가득 차 있는 암석의 공간을 따라 윗쪽으로 이동한다. 그러다가 윗쪽이 막혀 더이상 이동할 수 없게 되면 그곳에 머무르게 된다. 바로 이 윗쪽이 막힌 구조를 탄성과 탐사방법으로 찾아 이곳에 시추를 하게 되는 것이다.

물론 이러한 구조라고 해서 모두 석유가 들어있는 것은 아니다.

시추는 바위에 구멍을 뚫어 암석 시료를 채취하거나 석유와 가스 또는 지하수와 온천수등을 퍼올리기 위하여 깊은 우물을 파는 작업이다. 이 작업은 긴 파이프 끝에 비트(bit)라 불리는 특수강철로 된 회전식 송곳날을 부탁, 그 회전력에 의하여 구멍을 뚫는 것이다. 철판에 구멍을 뚫는 드릴과 같은 원리이다.

초기 시추방법은 광산이나 토목공사에서 쓰이는 착암기나 콘크리트에 구멍을 내는 드릴과 같이 충격에 의하여 구멍을 뚫었지만 오늘날에는 회전력을 이용한다.
 

두성호에 기대를 걸고

육상에서와 달리 바다에서 시추를 하기 위해서는 시추기를 바지(바닥이 평평한 짐배)나 선박 등에 장치해야 한다. 바다에서 시추할 수 있도록 선박등에 시추기를 갖춘 장치를 이동식 해양굴착장치라 하는데 착저식 잭업(Jack-up)식 반잠수식 시추선등으로 구분할 수 있다.

착저식은 바지라고도 한다. 이동할 때는 물위에 떠서 움직이지만 시추할 때는 바지 밑부분에 물을 채워 바다 밑바닥에 닿게 한 채로 작업을 하는 것이다. 이 장치로는 수심이 24m 미만인 해역에서 시추가 가능하다.

잭업(Jack-up)식은 갑판승강형 이라고도 불리워진다. 유전지역으로 이동할 때는 갑판을 내려 물위에 뜨게 하지만 시추할 때는 다리(보통 3~5개)를 바다 밑바닥까지 내린다. 그리고 갑판을 올려 다리를 제외한 대부분의 장치가 물밖에 나오게 한다. 이 장치로는 보통 60m 미만의 수심을 갖는 해역에서 시추가 가능하다.

반잠수식은 굴착장치의 밑부분에 물을 채워 반쯤 물속에 잠기게 한 채 시추를 한다. 이 방법으로는 수심이 3백~4백50m까지의 바다에서 시추가 가능하다.

마지막으로 시추선은 보통의 선박에 시추기를 장치한 것이다. 시추선의 시추가능 수심은 반잠수식과 비슷한 3백~4백50m이나, 이보다 훨씬 깊은 바다에서도 시추가 가능하다.

현재 우리나라가 가지고 있는 이동식 해양굴착장치인 두성호는 국내에서 건조되었으며 반잠수식이다.

탄성파 탐사에 있어서 기록처리의 전산화 등 많은 기술진보를 보았다. 그럼에도 불구하고 아직 시추에 의하지 않고는 석유가 들어있는 곳을 직접 알아내는 방법이 없다. 그러나 시추에 의하여 석유를 발견할 수 있는 확률은 10% 미만으로 매우 낮은 실정이다.

석유를 담는 그릇

그러면 석유는 어떻게 만들어진 것이며 어떠한 곳에 들어있는 것일까?

석유는 지질시대(지구의 역사중 역사시대를 제외한 기간)동안 바다나 호수에서 진흙 벌 등이 물 밑에 가라앉아 쌓일 때 잉태된다. 이 퇴적물에 물 속에 살던 플랑크톤의 유해 또는 육지에서 강을 따라 운반된 식물조각들이 함께 묻히면서 성장한다. 그후 이들이 오랜 기간동안 열에 의하여 분해되어 석유로 변하는 것이다.

진흑 벌 등의 퇴적물과 함께 묻힌 프랑크톤 식물파편 등 유기물은 그 위에 다른 퇴적물이 쌓이게 되면 점차 땅속 깊게 묻히게 된다. 그런데 지하로 깊이 들어갈수록 온도가 증가한다. 보통 1백m 들어갈 때마다 3℃씩 높아지는 것이다.

유기물을 많이 포함한 어떤 지층이 3천m의 깊이로 땅속에 묻혔다면 이 깊이에서의 온도는 지표에서의 온도 보다 90℃ 가량 높을 것이다. 이 지방의 연평균 기온이 10℃라면 3천m 깊이에서의 온도는 1백℃에 이르게 된다.

유기물이 이 깊이에서 몇천만년을 지나게 되면 주로 탄소 수소 산소 및 질소로 이루어진 유기물은 열에 의하여 분해된다. 그 결과 처음에는 탄산가스와 물이 생겨나고 나중에는 탄화수소가 생겨난다.

탄화수소 중에는 분자량이 큰 액체 탄화수소, 즉 석유와 분자량이 작은 기체 탄화수소인 천연가스가 있다. 만들어지는 순서는 석유가 먼저이고 천연가스는 나중이다.

이렇게 원래의 유기물로부터 탄산가스 물 석유 및 가스가 만들어져 빠져 나가게 된다. 그러면 원래의 유기물에는 탄소만 남게 되어 결국은 흑연으로 변하게 된다.

석유가 만들어진 암석을 근원암이라 부른다. 이 암석은 석유가 만들어지기에 알맞는 유기물을 많이 포함하고 있다. 또한 상당한 깊이로 묻혀 있어 충분하게 열을 받은 암석이다.

근원암에서 만들어진 석유는 저류암이라 불리는 암석으로 이동하게 된다. 저류암은 모래와 같이 굵은 퇴적물로 이루어진 암석으로 시멘트 벽돌이나 블럭처럼 생겼다. 또 이 암석은 작은 구멍이 많아 물이나 석유 가스등이 통과하거나 저장될 수 있는 공간을 많이 가지고 있다. 또 저류암은 덮개암, 즉 치밀하여 석유나 가스가 도망가지 못하도록 덮어주는 역할을 할 수 있는 암석으로 덮여 있다.

저류암과 덮개암으로 이루어진 암층이 위가 막힌 구조, 즉 일반인들이 흔히 낙타등 모양이라고 부르는 배사구조를 이룰 때 석유의 부존가능성은 매우 커진다. 여기에다 단층에 의하여 윗쪽이 치밀한 암석으로 막혀있는 구조를 이루면 석유가 저장될 수 있는 조건을 완벽하게 갖추게 된다.
 

석유가 내는 압력을 이용해

시추에 의하여 땅속에 구멍을 뚫어 석유가 들어있는 것이 확인되면 석유 채굴에 앞서 매장량이 얼마인지를 알아내는 작업이 이루어져야 한다. 처음 석유가 발견된 지점 주위에 시추를 하여 석유가 들어있는 지층 즉 저류암의 넓이와 두께, 저류암의 구멍 뚫린 정도등을 알게 되면 석유가 들어있는 구조, 석유를 담고 있는 그릇의 크기를 알 수 있게된다.

이때 저류암의 구멍들 속에 석유와 물이 각각 어느 비율로 들어있는가를 알고 이 지층의 압력까지 알게 되면 그릇 안에 들어 있는 석유의 양을 계산할 수 있게 된다. 이렇게 하여 매장량이 계산되면 이중 얼마 정도가 채굴 가능한가를 예측해야 한다.

현재의 기술로는 매장된 석유의 평균 30% 정도를 채굴할 수 있는데 이를 가채매장량이라고 한다. 가채매장량이 계산되면 석유를 찾는데 지출한 비용과 앞으로 석유 채굴에 필요한 공사비등 총투자비를 선정한다. 그 결과 투자비를 회수하고도 이익을 남길 정도의 규모인 것으로 밝혀지면 생산을 위한 공사에 들어가게 된다.

해저석유의 생산을 위해서는 석유 채굴용 시추공을 뚫고, 채굴에 필요한 장치와 채굴된 석유의 분리장치를 가설해야 한다. 또 작업인원들의 숙소등이 들어설 인공섬이나 플랫폼을 만들어야 한다. 또한 채굴된 석유를 운반하기 위해서 해저유전과 육지를 파이프로 잇는 파이프라인(pipe-line) 공사를 해야 한다.

수심이 얕은 경우에는 그리 큰 어려움이 없으나 수심이 깊거나 기상조건이 나쁜 곳에서는 비용도 많이 들 뿐아니라 기술적으로도 어려움이 많다.

해저석유 생산은 석유가 발견된 지층으로부터 파이프를 통하여 해상으로 석유를 끌어 올리면서 시작된다. 이어 석유속에 들어있는 물 퇴적물 등 불순물과 천연가스를 분리한다. 그 뒤 석유만을 파이프라인을 통하여 저장소로 보내는 과정을 거친다.

석유는 지하 깊은 곳에 들어있기 때문에 매우 높은 압력상태로 존재한다. 따라서 석유를 채굴할때는 이 압력을 이용하여야 한다. 석유가 스스로 지상이나 해상까지 분출하게 하는 것이다. 될 수 있는대로 스스로 분출하는 상태가 오래 지속될 수 있도록 압력을 조절하고, 지층내의 압력이 알맞게 유지될 수 있도록 해야 한다.

초기에는 육상 유전의 바다쪽 연장부를 쫓아 바다위에 다리를 놓아 시추를 하는 식으로 바다밑 유전 개발이 이루어졌다. 그러나 오늘날에는 이동식 해양굴착장치를 사용하기 때문에 시추가능 영역이 점점 넓어지고 있다. 기상조건이 혹독한 극지방에서도 석유개발이 가능하게 된 것이다.

알래스카와 캐나다 북쪽의 북극해에서도 석유가 개발되고 있으며, 멀지 않은 장래에는 남극 대륙 주변의 바다밑에 있는 석유도 개발될 수 있을 것이다.

시추가능 깊이도 점점 깊어지고 있다. 지금까지는 주로 수심 2백m 미만의 대륙붕을 대상으로 해저유전을 개발해 왔다. 그러나 최근에는 수심이 3백m 되는 곳에서도 석유가 많이 발견되고 있으며 수심 1천m 이상의 깊은 바다에서도 석유개발이 이루어지고 있다.

2개의 시추공에서 가스발견

우리나라에서는 한국석유개발공사가 국내 대륙붕의 석유탐사를 담당하고 있다. 여기에 정부출연 연구기관인 한국동력자원연구소가 기술적인 뒷받침을 하고 있다.

1983년부터 국내 대륙붕에 대한 정밀물리탐사를 실시해오고 있다. 1987년부터는 한국석유개발공사의 자(子)회사인 한국시추선주식회사가 보유하고 있는 두성호를 사용하여 시추작업을 벌이고 있다.

지금까지 우리나라 대륙붕에서 석유탐사를 목적으로 시추한 것은 모두 18개 구멍이다. 서해에 2개공, 남해에 2개공, 동해에 5개공을 뚫었고, 제주도 남쪽의 동지나해에는 9개공을 시추했다. 이들중 가장 깊은 시추공은 동지나해에서 뚫은 것으로 4천4백86m의 깊이를 갖는다. 땅속을 수직으로 십리 이상 뚫고 들어간 셈이다.

18개중 두개의 시추공에서 가스를 발견하였다. 이를 계기로 해저석유 탐사활동이 활성화되어 금년에도 국내 대륙붕에서의 시추가 계속될 전망이다. 금년에는 주로 서해와 동지나해를 대상으로 석유탐사작업이 진행될 것이다.

1개공 시추에 1천만 달러

석유개발 특히 해저의 석유를 찾아내서 채굴하는 일은 첨단기술과 막대한 자본이 필요한 사업이다. 땅속 3천~4천m 깊이의 지층구조를 알아내야 하고 정해진 위치에 틀림없이 구멍을 뚫는 일등 고도의 기술이 필요하다. 또 1개공 시추비만 해도 미화로 1천만 달러가 소요된다. 이렇게 고도의 기술과 막대한 자본을 투입하고도 시추에 의한 석유발견 확률은 10% 미만이다. 석유개발사업은 위험부담 또한 높은 사없인 것이다. 요컨대 석유개발 특히 해저석유개발은 기술적 능력 자본 인내심 없이는 성공할 수 없는 사업이다.