석유가 세상에 나오기까지! 시추 과정 들여다보기

수많은 상품의 원료로 사용되는 석유는 전 세계가 소비하는 에너지의 35%를 차지합니다. 석탄, 천연가스 등의 다른 에너지원에 비해 에너지 효율이 높고, 운반과 보관이 용이해 교통수단과 난방 등의 연료로 사용할 뿐만 아니라 플라스틱, 화장품, 옷 등 석유 화학 제품을 만들어내죠. 

이렇게 우리 생활에 가장 중요한 기초 에너지원인 석유는 어떻게 만들어지고 어떤 과정을 걸쳐 세상에 나오는 걸까요? 석유의 생성과 탐사, 시추 과정에 대해 알아보겠습니다!

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석유의 생성

석유의 생성에는 다양한 설이 있는데, 수억 년 전 생물의 사체로부터 만들어진다는 ‘유기성인설’과 지구 내부의 탄화수소 등이 지각 틈새로 고여 유∙가스전이 된다는 ‘무기성인설’이 대표적입니다. 학계에서는 ‘유기성인설’에 더 무게를 두고 있는데요, 그 내용에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

유기성인설에서의 석유는 수억 년 전에 살았던 생물체의 사체가 바다 밑이나 호수 밑에 퇴적되고 그것이 지압과 지열의 작용을 받으며 오랜 세월 동안 생물의 유해가 분해되고 변화하며 탄화수소로 변성되면서 생긴 것입니다. 이렇게 만들어진 석유는 지하의 압력에 밀려 위로 올라오다가 땅 속의 암석층에 가로막히고 암석층 내 미세한 공간에 고이는데, 이런 공간을 저류층이라고 해요. 

지하 깊은 곳의 빈 공간에 액체 상태로 있는 석유는 원유, 기체 상태로 있다면 가스로 분류합니다. 대부분의 원유는 퇴적분지의 깊이가 2천~3천 미터 되는 지층에 존재하며, 틈이 많고 침투성이 높은 암석 ‘저류암’ 내에 물과 함께 고여 있어요. 역암, 사암, 원래 구멍이 많은 탄산염암 등이 저류암 역할을 한답니다. 

 

 

석유를 찾아라!  1단계 ‘지질조사’

석유 탐사 작업은 석유의 생성, 이동, 집적 가능성이 높은 유망 구조를 파악한 후 시추 탐사를 통해 석유 부존 여부를 확인하는 과정입니다. 

첫 번째 단계는 지표를 통해 지질 구조와 퇴적층을 확인하여 석유의 존재 가능성을 예측하는 지질조사를 하는 것! 지질조사는 지질학자들의 현장 답사로 확보된 지질 정보와 각종 조사 보고서, 도면 등을 활용해 충분히 지표 지질을 탐사합니다. 

▲ 석유의 보전을 위한 4대 필수 조건

 

 

석유를 찾아라!  2단계 ‘물리탐사’

석유 탐사 2단계는 탄성파, 중자력 등을 이용한 물리 탐사! 이 중에서 가장 많이 사용하는 방법은 탄성파 탐사(Seismic Survey)입니다. 

매질의 밀도에 따라 음파의 속도가 다른 점을 이용하는 탄성파 탐사는 지표에 얕은 구덩이를 파고 화약을 넣어 폭파시키면 그 음파가 땅 속으로 내려가다가 매질이 서로 다른 암석층을 만나 반사되어 돌아오는 탄성파를 지표에 설치한 수진기로 받아서 그 진동을 기록하는데요, 이 기록을 해석해 지하지질구조와 암석의 물리적 특성을 파악한 후 석유 부존 가능성이 높은 유망 구조를 찾아내는 것이죠. 공극이 크고 푸석한 퇴적암에서는 음파의 속도가 느리고, 반대로 단단한 암석에서는 속도가 빠르기 때문에 음파 수신으로 지하의 암석 구조를 확인할 수 있답니다.

탄성파 탐사는 2D 탐사 기법과 3D 탐사 기법이 있어요. 2D 탄성파 탐사는 탄성파 음원으로부터 일정방향으로 동일 간격의 수진기가 달린 1개 라인의 스트리머를 설치해 자료를 획득하는 기법으로, 수직 방향의 지층 단면도를 만드는 데 쓰입니다. 주로 광역 탐사에 이용한답니다. 

반면 3D 탄성파 탐사는 탄성파 음원으로부터 여러 개 라인의 스트리머를 설치해 자료를 얻는 기법으로, 수직과 수평 단면도를 만들어 낼 수 있어요. 주로 정밀 탐사를 위해 실시하고, 탐사 측선의 간격이 최대 50m를 넘지 않습니다.

 

 

석유를 찾아라!  3단계 ‘시추탐사’

석유를 찾는 마지막 단계! 바로, 시추 탐사입니다. 본격적으로 석유를 채굴하기에 앞서 유전이 있다고 예상되는 저류층에 직접 시추합니다. 탄성파 탐사의 자료가 아무리 완벽해도 시추를 하지 않고는 석유 부존의 유무는 물론, 매장량과 생산 가능성 등을 알 수 없어요. 탄성파 탐사에서 획득한 자료를 통해 저류층의 깊이, 두께, 면적 등을 종합해 시추위치를 정하고, 직접 지면에서 저류층까지 구멍을 뚫어 석유의 존재 여부를 확인하고, 산출 능력을 평가하는 것이죠.

시추 탐사는 시추관에 물, 모래, 화학약품 혼합액을 고압으로 분사해 암석에 균열을 일으켜 채굴하는데요, ‘I’자 형태의 수직 시추와 ‘L’자 형태의 수평 시추 방법이 있습니다. 

시추 장비는 예상되는 저류층의 깊이와 압력에 따라 달라집니다. 대체적으로 최소 1~2km는 시추해야 하는데요, 육지의 경우에는 이동성과 접근성을, 해저 대륙붕의 경우에는 수심 깊이를 고려해 시추 장비를 선택합니다.

암석에 구멍을 뚫고 내려가는 기구인 ‘착암기’ 끝에는 작업 지점의 온도와 압력을 측정하는 장치가 달려있습니다. 이를 이용해 그 지점에 전기 저항이 있는지 없는지도 파악합니다. 석유는 전기가 통하지 않는 물질이기 때문에 석유가 있으면 전기 저항이 높게 나타나겠죠. 시추 시에는 시추관을 통해 물과 점토를 혼합한 ‘시추 이수’라는 물질을 시추공에 주입합니다. 시추 이수는 시추관의 열을 식혀 주고 유정 내 압력을 일정하게 유지하는 역할을 해요. 유정의 압력이 너무 낮으면 외부 압력 때문에 유정이 무너지고, 반대로 유정의 압력이 너무 높으면 유정 내벽의 틈새가 벌어지는데, 시추 이수가 이것을 막아준답니다.

SK이노베이션의 석유 개발 사업 ‘E&P(Exploration & Production)’ SK이노베이션에서도 석유를 개발하고 생산하는 사업을 하고 있습니다. 석유 산업 중에서 최상류 부문에 해당하는 E&P 사업인데요, 지하에 부존 하는 원유나 천연가스 등을 탐사를 통해 찾아내고 이를 개발, 생산, 판매까지 하는 사업 영역입니다. 현재 15개국에서 22개 광구 및 4개 LNG 프로젝트를 통해 활발한 석유개발 사업을 진행하고 있는데요, 페루, 베트남 등에서 우리나라 전체가 약 9개월 가량 쓸 수 있는 6억 3백만 배럴의 지분 원유를 확보하고 있답니다. 또한, 지난해에는 미국 석유개발회사로부터 석유 생산광구 2곳의 지분을 인수하고 운영권을 확보! 세계 3위 산유국, 미국에서 직접 석유광구를 운영하면서 최신 개발기술을 습득하고 사업역량을 끌어올릴 뿐 아니라 E&P사업 성장의 교두보 역할을 하고 있습니다. SK이노베이션의 석유개발사업이 더 궁금하다면? Click!

 

 

이제 석유를 추출할 때! 석유 생산 과정

석유 탐사 과정을 거쳐 유전이 있다고 확인되면 실제 그 유전의 가치를 알아보기 위해 시추공을 여러 개 더 뚫습니다. 유전 평가를 통해 생산할 가치가 있는 유전인지 매장된 유전에 비해 생산비가 더 소요되는지 등을 파악한 후 생산할 가치가 있다고 판단되면 본격적인 원유 생산에 들어가는 거죠~

탐사정	▶	평가정	▶	생산정
석유의 존재 여부를 확인하기 위해 처음으로 뚫은 구멍		탐사정에서 얻은 유전의 가치와 구조를 파악하기 위해 뚫는 구멍		본격적인 석유 생산을 위해 뚫는 구멍

석유 생산하면 가장 흔히 떠오르는 장면은 석유가 분수처럼 솟구치는 모습일 텐데요, 지하 깊은 곳에 압축된 상태로 고여 있던 원유가 기름층에 구멍이 뚫려 지하보다 압력이 낮은 지표를 향해 나오는 것을 ‘자분채유’라고 하고, 이렇게 원유를 직접 추출하는 것을 ‘1차 회수’라고 합니다.

1차 회수로 얻어지는 원유량은 유전 매장량의 20~30%에 불과해요. 원유가 지상으로 뿜어나오면 매장돼 있던 원유가 줄어드는 것과 동시에 땅 속의 가스도 지상으로 뿜어져 나오기 때문에 압력이 줄어들어서 원유의 분출은 오래지 않아 멈추기 때문입니다.

이후에는 인공적인 방법을 사용해 계속 원유를 퍼 올리는데, 이를 ‘2차 회수’라고 하며 주로 물 주입법을 활용합니다. 기름층에 물을 넣어 땅 속의 압력을 높이고, 그 압력에 의해 원유를 끌어 올리는 것이죠. 

수증기를 이용한 ‘3차 회수’는 수증기를 땅 속으로 집어넣어 기름층을 따뜻하게 한 후 온도가 높아지면 원유의 점성이 약해져 더 쉽게 분출되게 합니다. 데워지면서 부피가 팽창하거나 기화하는 성분이 나오기 때문에 다시 원유 분출이 시작된답니다.

석유를 생산할 때 ‘진흙물’이 필요하다? 원유를 뽑아 올릴 때 꼭 필요한 것이 바로 ‘진흙물’입니다. 시추를 하는 동안 많은 열이 발생하고 다량의 암석 부스러기가 생기는데, 진흙물을 이용하면 냉각 효과와 암석 부스러기를 제거할 수 있습니다. 여기서 진흙물은 지질특성에 맞게 화학약품과 물을 섞어 특수 제작된 진흙을 말하는데요, 진흙물이 시추관 끝에서 강한 압력으로 분사되고, 분사한 후에는 유정의 벽과 시추관 사이 틈을 통해 다시 위로 밀려 올라오면서 암석 부스러기까지 함께 지표로 운반하는 것입니다. 또한 진흙물은 땅 속의 압력 균형을 지키는 데에도 도움이 됩니다. 땅속에는 큰 압력이 가해지고 있기 때문에 애써 뚫은 구멍이 이 압력에 눌려 없어질 가능성이 큰데, 진흙물을 주입함으로써 구멍 내외의 균형을 유지하는 것이죠.

 

 

한 방울도 소중히! 석유 운반과 정제

유정에서 채굴한 석유는 송유관 시설을 통해 연안에 있는 집유소로 보내졌다가, 거대한 탱커 선박 등을 이용해 각 나라로 배달됩니다. 유전에서 퍼 올린 원유는 갖가지 불순물이 섞인 상태이기 때문에 어떤 용도로 사용하든 그대로는 쓸 수가 없어요. 반드시 정제 과정을 거쳐야 합니다.

우선 가열로에서 약 350도로 끓여 원유를 석유 증기 상태로 만든 다음, 상압증류장치로 보냅니다. 원유에는 다양한 성분이 들어 있고, 각 성분의 끓는 점이 다른데요, 이를 이용해 증류 분리를 시키는 것이죠. 끓는 점이 높은 순으로, 잔유, 경유, 등유, 휘발유 ∙ 나프타, 석유가스 등의 종류로 나뉘고, 각각의 성질에 따라 석유 제품으로 가공됩니다. 휘발유와 경유는 교통수단을 움직이는 연료, 등유, 잔유는 중유로, 액화석유가스는 LP가스(LPG) 등으로 쓰인답니다.

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지금까지 현재 우리에게 가장 중요한 에너지원인 석유가 어떻게 만들어지고, 어떤 과정을 통해 발견하고 추출하는지 살펴봤습니다. 석유가 만들어진 오랜 시간과 비례해 많은 사람들의 노력과 결실로 얻어지고 있는 석유의 소중함을 다시 한 번 생각해보면 어떨까요?