셰일 오일 이야기

SCIENCE WAVE

 

 

셰일 오일은 개펄의 퇴적물이 만든 화석연료

 

 

원유와 천연가스 자원이 바닥나는 것을 염려하고 있을 때, 엄청난 양의 셰일 오일(shale oil)이 세계 도처에 매장된 것을 알게 되었다. 더구나 그 동안 채유가 불가능했던 셰일 오일과 셰일 가스를 경제적으로 채굴할 수 있는 기술을 개발하면서 석유자원의 고갈에 대한 우려가 크게 줄었다.

 

일반적인 원유(原油 crude oil)는 암반 아래에 우물처럼 고여 있어 시추공을 꽂아 물리적으로 뽑아낸다. 그러나 셰일 오일은 '셰일'(shale 혈암)이라 부르는 퇴적암(堆積巖)의 입자 틈새에 스며들어 있다. ‘셰일 오일’이라는 명칭은 ‘셰일에 포함된 오일’이라는 뜻이다. 셰일 오일의 화학적 성분은 생산지에 따라 다소 차이가 있지만 원유와 마찬가지 성분(케러전 kerogen)이다. 그리고 거기에는 천연가스도 함께 존재한다.

 

 

 

케러전이 포함된 퇴적암(셰일)에 불을 붙이면 기름 성분이 탄다. 셰일은 바로 '불타는 돌'이라 할 것이다.

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셰일 오일은 원유와는 다른 원인으로 생겨났다. 흙탕물이 흐르는 큰 강이 바다로 흘러들면 그 속에는 막대한 양의 진흙과 함께 생명체가 포함되어 있다. 이들이 바다에서 죽으면, 그 사체는 깊은 곳에 진흙과 함께 차곡차곡 침전하게 된다.

 

서해안의 개펄에 바닷물이 들어오고 나가는 것을 보면 마치 강물이 흐르는 듯하다. 썰물이 되어 넓은 개펄과 해안의 바위가 드러나면, 수많은 미생물과 작은 동식물이 햇빛을 받으며 번성하는 기회가 된다. 개펄은 태양이 그대로 비치고, 산소에 노출되며, 영양이 풍부하여 식물성 플랑크톤을 비롯하여 조개, 게, 새우 등의 얕은 물에 사는 하등동물과 해조류(海藻類) 등이 번성하기 좋은 환경이 된다. 이런 개펄에 살던 생명체가 죽으면 진흙과 함께 해저에 쌓이게 된다.

 

​진흙 속에 퇴적한 동식물의 사체들은 수억 년 전 대규모 지각변동이 일어났을 때, ‘셰일’이라 부르는 검은색 퇴적암이 되었다. 생명체(사체)로 가득한 진흙이 셰일로 될 때, 그 속에 있던 유기물은 열과 압력의 작용으로 분해되어 케러전(kerogen 원유 성분)으로 되었다.

 

 

셰일 속의 케러전을 뽑아내는 신기술

 

 

셰일 속에 원유 성분이 있다는 것은 이미 14세기에 알고 있었고, 이탈리아에서는 17세기에 그 기름으로 가로등을 밝히기도 했다. 1800년대에는 프랑스와 스코틀랜드에 셰일 오일을 추출하는 회사가 설립되기도 했으며, 그들이 생산한 기름은 연료와 윤활유로 이용되기도 했다. 그러나 셰일은 대개 깊은 지층에 있어 잘 발견되지도 않고, 또 거기서 기름을 경제적으로 추출할 방법이 없었다.

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셰일 오일을 머금고 있는 오일 셰일 지층. 지하자원 탐사 기술의 발달로 세계 전역의 매장지가 밝혀지고 있다.

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19세기와 20세기 초가 되자, 셰일 오일을 생산하려는 회사들이 각국에 생겨났지만 기술적인 발전은 별로 이루어지지 않았다. 그러나 21세기에 들어와 원유 가격이 오르자, 셰일 오일을 경제적으로 생산하는 방법이 크게 발전하기 시작했다.

 

셰일 오일을 채취할 수 있는 첨단기술은 셰일(오일 셰일)이 가장 많이 매장된 나라의 하나인 미국에서 발달했다. 그 기술은 일반 원유 채굴 방법과는 전혀 다른 첨단의 화학 및 공학적 기술과 센서, 로봇, 빅데이터, 인공지능까지 이용하고 있다.

 

2008년 이전까지는 셰일(암석)을 지상으로 파내어 파쇄(破碎)한 뒤에 열증류(熱蒸溜 retort) 방식으로 기름을 뽑아냈다. 그러나 새로운 열해리법(熱解離法 thermal dissolution)에서는 셰일 층에 수평으로 파이프를 넣고 그 속으로 고온(450-500℃)의 기체를 보내 오일 성분을 가스화 시킨 후 다시 냉각시켜 오일과 가스로 만든다.

 

 

 

일반 유전과 셰일 오일 유전의 구조를 비교한 그림이다. 일반 유전에서는 수직으로 천공(穿孔)을 하지만, 셰일 오일 유전에서는 수직으로 천공한 후에 지층을 따라 옆으로 천공하여 기름과 가스를 추출한다. tight sand gas : 사암층의 셰일 가스, oil or gas rich shale : 기름과 가스가 다량 포함된 셰일 지층 land surface ; 지표면, coalbed methane : 석탄층의 메탄가스, conventional gas ; 일반 천연가스, conventional oil : 일반 원유, confining layer : 피압(被壓) 지층, sandstone : 사암(砂巖), tight sand oil : 사암층의 셰일 오일 (* tight oil 은 shale oil을 지칭하는 다른 이름)

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셰일에서 추출할 수 있는 기름(가스 포함)의 양은 암석층에 따라 다른데, 암석 무게의 4.5% - 13% 정도까지 차이가 있다. 또한 케러전의 화학적 성분도 지역에 따라 다르다. 따라서 생산된 오일을 수송하고 정유(精油)하는 방법이 복잡하다.

 

첨단의 셰일 오일 생산기술을 개발하면서 미국은 세계 1위 산유국이 되었으며, 당분간 최대 생산국을 유지할 것으로 전망되고 있다. 셰일 오일 생산 기술은 계속 발전한다. 더구나 셰일은 세계 전역에 광범위하게 대량 매장되어 있다. 화석연료의 고갈을 염려하는 때에 셰일의 존재는 인류를 위해 참으로 다행한 일이다. - YS

 

 

독립영양생물, 종속영양생물, 혼합영양생물 어떻게 다른가?