해저 광물자원 시추는 광체(鑛體)의 하부구조를 규명하여 자원량을 평가하기 위해 반드시 수행해야 하는 작업으로, 기본 원리와 기술은 육상 시추기술과 같지만, 해양이라는 특수 환경에서의 어려운 점 때문에 다른 해양공학적 요소들이 첨가되기도 한다. 해저면을 시추하는 방법은 크게 선상(船上)에서 해저면으로 시추 파이프를 내려 시추하는 선상탑재식 시추방식과, 시추기를 해저면에 직접 안착시켜 시추를 수행하는 해저착저식 시추방식으로 나뉜다. 초기에는 주로 선상탑재식 시추방식을 이용하였으나, 최근 전자제어기술의 발전으로 해저착저식 시추방식을 이용하는 예가 늘어나고 있다. 하지만, 모두 비용과 효율면에서 서로 다양한 장단점을 가지고 있어 어느 한 방식으로 통합되지 않고, 각각의 장점을 발전시켜 다양한 해저지질환경에 적용하여 사용되고 있다. 우리 원은 통가에 있는 해저열수광상 개발 사업을 통해 선상탑재식 시추기의 실해역 사용 및 해저착저식 시추기의 실해역 테스트 운용 경험을 통해 현재 국제적인 시추기술 개발의 쟁점과 동향을 소개하고, 우리 원에 해저광물자원 시추기를 도입·운용할 필요성에 대하여 소개하고자 한다.

■ KIOST 관련 연구사업 소개

우리 원에서는 2000년대 초반부터 많은 탐사 기법을 확보하여 전 세계 공해 및 배타적 경제수역(EEZ) 내에 분포하는 다금속단괴3(망간단괴), 고코발트각4(망간각), 다금속황화광체5(열수광상) 등 해저광물자원에 대한 탐사를 수행하고 있다. 그 목적 중 하나는 대상 광체를 개발·생산하기 위하여 광체의 자원량을 평가하는 것으로, 방법은 해저시추로 지질시료를 획득·관찰하고 품위를 분석함으로써, 자원량 평가에 필수적인 광체 공간분포와 품위를 파악하게 된다. 현재 우리 원에서 수행하고 있는 해저광물자원 탐사 중, 자원량평가를 위한 해저시추가 필요한 사업은 통가 해저열수광상 개발사업, 남서태평양 및 인도양 해양광물자원(해저열수광상 · 망간각)개발 사업이다. 통가 EEZ에 분포하는 다금속 열수광체는 2008년 통가 정부로부터 배타적 탐사권을 획득한 이후, 2개의 해저산에서 5개의 광체를 확인하고 탐사 마지막 단계인 자원량 평가단계에 진입하여 있으며, 자원량 평가를 위해 해저시추를 준비 중이다. 해저열수광체에 대한 시추는 30~60여 개 공(시추 깊이는 최대 20m)의 시추를 목표로 주로 암추시료 획득을 목적으로 하나, 부존하는 광체의 강도에 따라 무암추 시료 회수를 계획하고 있다. 2013년도 1차 시추탐사에서는 선상탑재식 시추기를 이용하여 6개공에서 무암추 시료를 획득하였고, 2016년에는 일본 Fukada사에서 도입한 해저착저식 CRD-100 시추기의 해상 테스트 탐사에 승선하여 착저식 시추기의 운용을 관찰하기도 하였다. 피지 해저열수광상 탐사는 피지 정부로부터 2011년 배타적 탐사권을 획득하고, 3개 탐사권 지역에서 유망 광체 부존 지역을 확인하였으며, 2016년 해저면 정밀 표층탐사를 통해 광체의 표층 규모를 확인하고 시추 적지를 선정해 광체 하부구조 규명을 위한 해저시추를 수행할 예정이다. 인도양 해저 열수광상 탐사는 ISA6로부터 탐사권을 획득하였고, 현재 광체 부존 유망지역을 확인하였으며, 2017년도에 광체를 확인하는 것을 단계목표로 하여 열수광체가 확인되면, 표층구조 및 크기 확인, 광체 하부구조 규명을 위한 시추를 수행할 예정이다. 망간각의 경우 2016년 ISA로부터 남서태평양 괌 인근 공해상에 탐사권을 획득하였으며, 차후에 수행되는 탐사를 통해 망간각 두께 파악을 위한 시추를 수행할 것이다. 그러나 우리 원은 현재 해저광물자원 탐사 사업 관련 시추기와 운용기술, 시추 전문가들을 보유하고 있지 않다. 국내에서 해저시추가 가능한 시추기는 두성호 7이 유일하며, 일부 연안에서 수행되는 시추는 육상에서 사용하는 시추기를 바지(barge)위에 올려 작업하는 초보적인 방법으로, 해저 광물자원 시추를 위해 막대한 비용을 지출하여 해외 장비와 전문가를 임차하여 써야 하는 환경이다.

해저 광체는 대체로 하부 연장성이 매우 불규칙하기 때문에 시추탐사를 통해 획득된 구간별 광석시료의 광물 조직과 품위를 파악하여 전체 광체의 발달 범위를 추적하게 되는데, 선상탑재식의 경우 해저 시추기술은 석유가 부존하는 수심 별로 다양한 기술이 적용되며, 비교적 낮은 수심에서 사용되는 플랫폼(platform) 및 잭업(jackup) 방식의 고정식, 보다 깊은 수심대에서 사용되는 반잠수식(semisubmersible), 드릴쉽(drillship, 사진1) 등의 부유식 등이 있다. 해저광물자원은 비교적 깊은 수심대에 부존하며, 좁은 범위에서 여러 단공(short hole)을 시추하고 이동하여야 하기 때문에 이동이 쉬운 드립쉽 방식을 많이 사용한다. 이는 시추 동력부가 시추선에 존재하여, 해저에 동력부가 위치하는 착저식에 비해 장비 유지 보수에 효과적이다. 하지만, 시추 가능 깊이는 깊어도 대수심대에서 연결해야 하는 시추파이가 많아짐으로써 기술적 한계가 있고, 이러한 복잡성은 선상 운용과 안전사고 등에 있어 단점으로 인식된다.

해저면 착저식 시추기(사진 2)는 ROV10와 같이 원격제어가 가능한 시추기를 해저에 안착시켜 시추하는 방식으로, 원하는 지점을 비교적 정확히 시추할 수 있어 최근 이용이 증가하고 있다. 이는 시추파이프를 메거진 (Magazine)방식으로 장착한 후 투하되어 시추를 수행한 후 시추시료와 함께 선상으로 회수하는 방식을 사용하며, 메거진에 장착되는 시추파이프의 총 길이에 따라 시추 가능 깊이가 한정된다. 이론상으로 5,000m 이상의 수심대에서도 시추가 가능하지만, 대부분 약 3,000m 수심대에서 운용할 수 있도록 설계되어 있으며, 장비 준비 시간이 적고 장착 장비들이 간소화 되는 장점이 있다. 특히 1,000~2,000m 수심에서 20m를 시추하기 위해 사용해야 하는 시추파이프의 양은 선상탑재식보다 월등히 적으며, 시추선(모선)에서 투하되어 해저에 착저한 뒤 운용되기 때문에 시추선이 반드시 필요하지는 않다. 그러나 시추기를 적재하고 투하할 수 있는 공간이 있는 모선에서 운용되어야 하며, 투하와 회수 및 착저후 모선과 연결을 유지하도록 해주는 LARS12 시스템 혹은 ROV가 필요하다. 물론, 이동 및 모선장착/해체가 비교적 자유로워, 비용적 측면에서 탑재식보다 저렴하기는 하지만, 투하와 회수 및 유지/보수를 위해 여전히 많은 전문인원이 필요하여 비용을 증대시킨다는 단점이 있어 비용적 측면에서 탑재식과 비교하여 큰 차이가 나지 않는다.

■ 국제동향

시추기를 개발하는데 선상탑재식과 해저착저식 모두 시추 시료의 회수율을 높이는 방안이 주요 개발 동향이 되고 있다. 시추 수행 시, 시료가 들어있는 시추 파이프를 모두 회수하는 경우 파이프 내의 시료가 파쇄되어 있으면 회수 중에 소실 및 이탈하여 최종적인 회수율이 크게 낮아진다. 이 경우 암추 시료를 회수하기보다 파쇄된 시료를 구간별로 획득하는 무암추 회수방법이 효율적이다.

그러나 이를 위해서는 별도의 양광시설(riser)을 설치하여 시추 비트에 의해 파쇄되는 암편을 회수하거나, 해저에 회수용기를 설치하여 회수하는데, 이 과정에서 오염 및 소실되어 양질의 무암추 시료를 획득하기 어려운 단점이 있다. 따라서 최근에는 파쇄암편을 시추공을 통해 끌어올려 오염과 소실을 최소화하는 RC16기술이 적극 도입되고 있다. RC기술에서는 압축된 공기를 이용하여 시추공 끝단에서 생성되는 파쇄 암편을 inner tube를 통해 주변 퇴적물 또는 모암 등의 혼입 없이 구간별로 회수하여 깊이별 품위를 분석한다.

착저식 시추기를 해저에 안착하여 고정시키는 다리(outrigger)의 방식과 그 수는 또 하나의 쟁점이다. 해저 표면이 매우 부드러운 퇴적물로 덮여 있는 경우를 상정한 세 개의 다리방식, 안착지점의 높은 각도의 경사에 최대한 안정적으로 안착시킬 수 있는 네 개의 다리 방식이 있는데, 현재까지의 운용에 있어 두 방식의 장단점이 무엇인지 정확하게 보고되지 않고 있으므로 계속적인 모니터링이 필요하다.

■ KIOST 연구사업에 미치는 영향

현재 우리 원의 통가, 피지, 인도양 열수광체와 남서태평양의 망간각 광체, 수중 건설로봇연구센터의 연구사업 중 여러 사업 분야가 해저시추와 연계되어 있다. 현재 수행 중인 해저광물자원 탐사 사업 중 통가 해저열수광상의 경우 자원량 평가를 위한 시추가 필요한 단계이며, 인 도양 및 피지 해저열수광상 탐사에서는 광체의 표층 구조와 규모가 파악되면 시추를 수행해야 하는 단계이다. 그러나 심해 해저광물자원을 시추할 수 있는 장비와 인력은 전무한 상태로, 2015년 해양수산부 기획사업으로 '해저지질시료 획득을 위한 시추시스템 구축 기획연구'가 수행된 바 있으나 본 과제로 이어지지는 못하였다. 국내 기술을 바탕으로 해저광물자원 시추기가 개발된다면 현재 우리 원에서 수행 중인 해저자원 탐사사업을 비롯하여 해저지질조사 및 해양구조물 구축과 관련된 연구개발 사업 등과 연계하여 많은 시너지효과를 낼 수 있을 것이다.

■ 결론 및 정책 제언

현재까지 우리 원의 해저광물자원 개발 사업은 광역범위에서 해저광체를 발견하고, 표층구조와 규모를 파악하는 단계까지 수행되었다. 그러나 해저광물자원 개발 사업의 최종 목적 중 하나인 자원량 평가를 수행하기 위해서는 광체에 대한 해저시추가 반드시 수행되어야 한다. 해외에서는 이미 독자적인 기술을 확보하여 선상탑재식 또는 해저착저식 시추기 모두를 활용하여 다양한 해저환경에 투입하고 있다. 그러나 현재 국내 및 우리 원은 해저광물자원 시추를 위한 시추기가 확보되지 않아 관련 연구개발 사업의 원활한 진행이 쉽지 않다. 최근에는 심해 해저시추 작업이 해저광물자원뿐 아니라, 다양한 종류의 해양 구조물 설치를 위한 수요가 증대하고 있어 단기적으로는 해저착저식, 장기적으로는 선상탑재식 시추기 도입이 고려되어야 하며, 이를 운용할 수 있는 시추전문인력 양성이 현실적으로 매우 필요하다. 해저광물자원 자원량 평가를 위한 시급성을 고려하면 비교적 짧은 시간 내에 시추기와 시추인력을 확보하기 위해 해외로부터 시추기를 구입하거나, 기술합작의 형태로 단기간 내에 확보한 후, 이를 실해역에서 운용하여 현장경험을 두루 갖춘 시추전문인력을 양성 및 이러한 운용 경험을 토대로 시추기를 개선(upgrade)하여 국내의 독자적인 시추기술을 확보해야 할 것으로 생각된다.