비전통 석유(Unconventional Oil)- 셰일오일, 오일샌드

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

오늘의 EnergyTok은 '비전통 원유 셰일오일, 오일샌드, 셰일가스'입니다.

원유 생산/시추 등 E&P(Exploration & Production) 사업이 궁금하신 분들은 아래 이전 글을 참조해주세요.

2024.05.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 석유는 어떻게 만들어졌을까, 석유 생성과정, 유전 형성 조건

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2023.04.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream

원유 생산, E&P 사업, 석유 산업 Upstream

2024.05.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)

석유 탐사 개발 및 생산 방식, 설비, 리그(Rig)

 

 비전통석유자원의 종류 

1) 오일샌드 (Oil Sand)

중질유가 10% 이상 함유되어 있는 모래 또는 사암

 

2) 초중질유 (Extra Heavy Oil)

물보다 무거운 기름(API 10 이하)이며, 점성이 강한 원유로 역청과 같이 반고체로 존재.  발전용 연료로 사용됨

 

3) 가스액화연료 (Gas to Liquids) 

천연가스를 물리적, 화학적으로 가공하여 상온에서 사용할 수 있는 액체 상태의 가스 연료

 

4) 석탄액화연료 (Coal to Liquids)

석탄의 가스화 및 화학반응을 통해 생산하거나 석탄에서 직접 원유 성분을 추출한 액체 상태의 석탄

 

5) 셰일오일 (Shale Oil)

원유 성분이 들어있는 퇴적암에서 추출한 연료

 

현재 상업적 생산이 이뤄지고 있는 대표적인 비전통석유자원은 캐나다의 오일샌드, 베네수엘라의 초중질유, 미국의 셰일 및 치밀 가스/오일 등이 있는데요. 비전통석유자원이란 기존의 전통석유자원과 비교하여 탐사 위험도가 없고 대량으로 부존 하지만, 개발 및 생산비용이 높아 저유가 시기엔 개발을 하지 못하던 석유자원이었습니다. 이후 지속된 고유가와 기술의 진보로 점차 감소되는 전통석유자원의 생산량을 보조할 수 있는 자원으로 부상하여 더 이상 비전통자원이 아닌 자원으로 세계 석유 공급의 한 축을 맡고 있습니다. 특히, 세계 제일의 석유 소비국이며 수입국이던 미국이 중동의 사우디아라비아를 제치고 세계 최대 원유 생산 국가로 자리매김하게 될 수 있게 된 원인도 대표적인 비전통자원인 셰일 오일의 개발 덕분인 만큼 국제 원유 시장에서도 엄청난 영향력을 행사하고 있습니다.

 

미국 석유평가공학회(SPEE)에서는 아래의 특징으로 석유자원을 비전통 석유자원으로 정의하고 있습니다.

• 인근 유정의 정보와 상관성이 매우 약함
• 한 유전 내에서는 통계적으로 의미 있는 경향을 보임
• 수리동역학적 평형이 아닌 상태에서도 석유가 부존
• 넓은 지역에 연속적으로 분포

 

 셰일오일 

‘셰일오일’의 등장으로 전 지구적인 원유 고갈 우려 해소 및 국제유가에 대한 미국의 영향력 강화를 우리는 흔히 "셰일 혁명"이라고 부릅니다. 사실 셰일오일은 1800년대에 발견됐지만 당시 추출 기술의 한계로 경제성이 낮아 오랫동안 개발이 진행되지 못했으나,  2010년대에 들어오며 채굴기술의 발달로 셰일오일이 다시 주목받기 시작했고, 현재 셰일오일은 향후 60년 넘게 전 세계 인류가 사용할 만큼 매장량이 풍부하다고 평가받고 있습니다. 그렇다면 도대체 셰일오일이란 무엇이며, 왜 셰일오일이 국제유가에 국제유가에 상당한 영향력을 미치는지 알아보겠습니다. 셰일오일은 전통적인 원유보다 훨씬 더 깊은 지하 3,000m의 암석층에서 뽑아내는 원유로, 모래와 진흙 등이 단단하게 굳어진 퇴적암층인 셰일 중 석유를 품은 셰일에서 뽑아낸 원유를 셰일오일이라고 합니다.

 

* 수압파쇄법: 강력한 수압(500~1000기압)으로 물을 주입하여 지하의 암석을 파쇄하는 기술

* 수평시추법: 수직 시추후 셰일층에 도달하면 철근 콘크리트 관을 수평으로 삽입하여 밀면서 굴착

 

2010년대 이전 셰일오일은 단단한 셰일층까지 뚫고 들어가는 비용이 너무 많이 소요되어 외면받았지만, 상기 그림과 같이 수압파쇄법과 수평시추법이라는 혁신적인 채굴 방법이 등장하며 경제성이 높아졌고 결국 오늘날 기존의 중동 중심의 원유 패권을 위협하는 수준에 이르렀습니다. 흥미로운 점은 기존의 원유가 중동지역을 비롯한 일부 지역에 집중되어 있었던 것에 반해 셰일오일은 비교적 전 세계에 골고루 분포돼 있다는 것입니다. (그 중에서도 미국, 중국에 매장량이 집중되어 있습니다.)

 

 셰일가스 

수압파쇄 기술의 혁신에 따른 생산성 증가 및 국제유가 상승 등으로 북미지역을 중심으로 셰일 가스 개발도 확대되었는데요. 셰일 가스는 진흙이 굳어진 퇴적암석층(sedimentary rock formation) 안에 갇혀있는 메탄가스이며 혈암가스 라고도 불립니다. 기존의 전통적인 방식으로는 경제적인 생산이 어려워 수평시추 및 수압파쇄 등의 신기술을 적용하여 생산하며,전통 천연가스와 달리 셰일가스는 전 세계에 분포하고 있으며, 북미지역의 부존량이 전 세계 부존량의 약 30%를 차지하고 있습니다. 현재까지 북미지역 특히 미국이 가장 활발하게 셰일가스 개발이 진행되어 상업생산이 시작됨에 따라서 석유 및 가스시장의 주도권이자 패권이 기존 전통 수출국인 중동, 러시아에서 미국 이동하는 결정적인 계기가 되었다는 평가가 많습니다.

 

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 오일샌드 

오일샌드는 액체상태의 원유가 매장되어 있는 일반 유전과 다르게 석유가 돌이나 모래에 달라붙어 있는 유전을 의미하는데요. 지하에서 생성된 석유가 지표면 근처까지 올라오면서 수분은 증발되고 원유 성분만 모래에 굳는 원리입니다. 보통 2t의 오일샌드에서 1배럴 정도의 원유를 생산할 수 있으며 오일샌드에는 비튜멘(bitumen), 모래, 물, 점토가 혼합되어 있는데요. 이 중 비튜멘은 검은색의 끈적끈적한 점성질 중질유로 오일샌드에 약 5~15% 정도 포함되어 있으며 오일샌드가 연료로서 가치를 갖게 해주는 핵심 성분입니다. 

 

오일샌드에서 석유를 채굴하기 위해서는 흙에서 원유를 추출하고 정제할 수 있는 별도의 기술이 필요한데요. 자연 상태의 비튜멘은 특유의 점성질로 인해 송유관을 통과할 수가 없어 열을 가하거나 희석제와 혼합해 점성도와 비중을 낮춰야만 수송이 가능하여 생산 과정이 훨씬 까다로운 편입니다. 이러한 이유로 기존의 전통적 석유와 달리 개발 및 생산 비용이 비싸 오일샌드는 지금까지 연료로 상용화되지 못하고 방치되어 있었으나, 2010년대 이후 대규모 분리 기술이 활발하게 도입되며 각국의 개발 및 투자가 집중되고 있습니다. 

 

 주요 국가별 오일샌드 매장량 추정 

국가명	매장량
캐나다	1,736억 배럴
카자흐스탄	420억 배럴
러시아	284억 배럴
나이지리아	6억 배럴
앙골라	5억 배럴

 

전 세계적으로 가장 많은 양의 오일샌드가 매장되어 있는 캐나다 앨버타 주의 매장량뿐만 아니라 최근에는 다른 나라에 매장된 오일샌드도 경제성 및 생산성이 높아져 캐나다는 본격적인 개발에 착수해 생산량이 크게 증가하고 있습니다. 

 

 오일샌드 마이닝(채굴)공법 

 

오일샌드 채굴 공법은 크게 노천채굴과 지하채굴 2가지로 분류되는데요. 오일샌드가 약 75m 이내 지하에 매장되어 있는 경우 노천채굴 방법을 이용하며 더 깊이 매장되어 있을 때는 지하채굴 방법으로 석유를 생산하게 됩니다. 

 

1) 노천채굴법

① 노천광산에서 오일샌드 채굴

② 파쇄기에 넣어 오일샌드 분쇄

③ 오일샌드와 물을 혼합한 후 파이프를 통해 추출공장으로 이송

④ 분리기에서 물, 거품, 모래로 분리하고 거품 제거

⑤ 솔벤트와 혼합 후 원심 분리기를 이용하여 물과 모래를 제거한 비튜멘으로 원유 생산

 

노천채굴 방법은 중장비로 채굴한 오일샌드를 분리 장치에 넣어 원유를 생산하는 방식이며 오일샌드를 중장비가 채굴할 수 있을 정도로 지표면 가까이에 노출되어 있을 때 사용하게 됩니다.

 

2) 지하채굴법 (증기주입) 

① 고압의 증기를 오일샌드 광구로 주입

② 파이프에서 뿜어져 나온 뜨거운 증기가 오일샌드를 희석

③ 오일샌드가 유동화되면서 모래와 분리된 비튜멘을 하단 파이프로 채집

④ 회수장치를 통해 지상으로 비투멘(역청) 운송 

 

지하채굴 방식은 지하로 주입하는 수증기의 압력을 이용하여 원유를 생산하는 방식인데요. 주로 땅 속 깊이 묻혀있을 때 사용되며 현재 오일샌드 추정 매장량의 약 80%는 지하채굴 방식으로 생산되고 있습니다.

 

오늘은 '비전통 석유 셰일오일, 오일샌드'에 대하여 알아보았습니다!
다음 글에서는 '비전통 석유자원 개발 영향, 문제점, 국제유가'를 정리해보겠습니다.

 

2024.05.15 - [EnergyTok/에너지·정유·화학] - 비전통 석유자원 개발 영향, 문제점, 국제유가

비전통 석유자원 개발 영향, 문제점, 국제유가