Produced Water Treatment: 생산수 처리 기술

1. 생산수의 개념과 관리 필요성

생산수(Produced Water)는 유정을 통해 생산되는 석유 및 가스에 동반되어 배출되는 물로, 통상적으로 저류층에 존재하던 지하수, 주입수, 응축수 등이 혼합된 형태로 나타납니다. 이 물에는 염분, 유분, 미세 입자, 용해 가스, 화학 처리제가 포함되어 있으며, 지역과 저류층의 특성에 따라 조성이 크게 달라집니다. 생산수는 석유·가스 생산 과정에서 가장 많은 부피를 차지하는 부산물이자, 처리 및 배출 규제가 가장 엄격하게 적용되는 대상이기 때문에, 이를 체계적이고 효율적으로 관리하는 것이 필수적입니다. 적절히 처리하지 않은 생산수는 해양 생태계와 지하수 오염을 유발할 수 있으며, 법규 위반 시 상당한 벌금과 생산 차질이 발생할 수 있습니다. 따라서 운영자는 생산 초기부터 생산수 처리 방안을 계획하고, 저류층 압력 관리와 환경 규제를 함께 고려하여 생산 설비를 설계해야 합니다.

 

2. 1차·2차 분리와 기초 처리 절차

생산수 처리는 유정에서 유체가 분리되는 첫 단계에서부터 시작됩니다. 유정에서 생산되는 혼합 유체는 초기 Separator에서 1차로 기체와 액체가 구분되며, 액체는 다시 오일과 물로 분리됩니다. 1차 분리에서는 주로 중력과 밀도 차이를 이용해 비교적 큰 액적과 기포를 구분합니다. 이후 2차 Separator나 Free Water Knock Out(유수 분리기)에서는 보다 미세한 유화 상태의 물방울이 분리됩니다. 이 단계의 핵심은 유수분리기의 체류 시간을 충분히 확보하여 물과 유분이 안정적으로 층을 이루도록 유도하는 것입니다. 2차 분리까지 완료되면 상부의 원유는 저장 및 처리 라인으로, 하부의 생산수는 별도의 처리 공정으로 이송됩니다. 이때 분리 효율을 높이기 위해 내부에 Weir Plate, Coalescer, Demister 등의 구조물이 설치되어 있으며, 생산 유량과 유체 조성에 따라 설계 기준이 달라집니다.

 

3. 고도 처리 및 재주입 기술

1·2차 분리 후에도 생산수에는 유분, 미세 부유물, 화학 약품, 염분이 상당량 잔류합니다. 이를 제거하기 위해 여러 단계의 고도 처리가 필요합니다. 첫 번째로 사용되는 방법은 유분 제거 장치(Oil Removal Equipment)입니다. Hydrocyclone은 원심력을 이용해 오일 방울을 제거하며, Compact Floatation Unit(CFU)은 가스 미세 기포를 주입해 유분을 부상시킵니다. 이 과정을 통해 오일 함량을 수백 ppm 이하로 낮춥니다. 이후 미세 입자 제거를 위해 Cartridge Filter나 Multimedia Filter를 통과시키며, 필요 시 나노여과나 역삼투압 설비(RO)로 염분 농도를 감소시킵니다. 생산수는 처리 후 재주입(Produced Water Reinjection)되거나 해양 방류됩니다. 재주입 공정은 지하 저류층 압력을 유지하고, 생산 유정의 압력 저하를 방지하는 효과가 있습니다. 다만 재주입 시에는 박테리아 성장, 스케일 생성, 잔류 화학물의 반응을 방지하기 위해 추가 소독과 화학 처리제가 주입됩니다. 고온·고압 유정에서는 처리된 물이 재주입에 적합한지 물리화학적 분석을 거쳐야 하며, 표준에 미달할 경우 추가 처리 절차가 시행됩니다.

 

4. 배출 절차와 환경 규제

생산수의 최종 배출은 해당 국가와 지역의 환경 규제에 엄격하게 따라야 합니다. 해양 방류를 허용하는 경우에도 오일 함량, 총 용존 고형물(TDS), 중금속 농도, pH 등의 배출 기준이 명확하게 규정되어 있습니다. 예를 들어, 북해(North Sea)에서는 평균 오일 농도가 30 ppm을 초과할 수 없으며, 미국과 캐나다 해역은 유럽보다 더 엄격한 기준이 적용됩니다. 육상에서는 생산수를 증발지(Evaporation Pond)에 저장하거나, 주입정을 이용해 심부 지층으로 압입하는 방식이 사용됩니다. 주입정 운영에는 주기적인 무결성 평가와 지하수 오염 방지 대책이 반드시 필요합니다. 또한 규제기관에 주기적으로 생산수 배출량과 수질 분석 결과를 보고해야 하며, 위반 시 과징금과 시설 운전 중지가 부과될 수 있습니다. 이러한 규제 준수를 위해 자동 샘플링 시스템과 실시간 모니터링 장치가 도입되고 있으며, AI 기반 데이터 분석 플랫폼이 생산수 품질을 상시 검증하는 체계로 발전하고 있습니다.