북중국 셰일가스 주요분지 특징 및 개발동향 분석
이종윤1)· 소영석1),3)· 박대진1)· 윤왕중2)· 신창훈1)*
Geologic Characteristics and Development Trend of North China Shale Gas Basins
Jongyun Lee, Youngseok So, Daejin Park, Wangjung Yoon and Changhoon Shin*
(Received 9 March 2015; Final version Received 8 April 2015; Accepted 17 April 2015)
Abstract : The prospects and trends of Chinese shale resources development are very important issues for us in terms of economic and geopolitical influences, and long term potentials. In this study, geologic characteristics and progresses of major North China shale basins such as Tarim, Junggar and Songliao basins were investigated as the follow-up to the previous study on South China shale basins. As a result, it was shown that Tarim and Junggar basins are better than Sichuan basin in the aspects of geology and geochemistry. However, it was also reconfirmed that each basin has individual defects with current shale development technologies. Tarim shows good reservoir quality and mineralogies, but not good basic infrastructure conditions owing to the water supply problem and high degree of formation depth. Junggar and Songliao basins are also good in reservoir quality but it was also noticed that the high degree of formation depth and low fracability due to land deposit environment would be major obstacles.
Key words : North china shale basins, Tarim basin, Junggar basin, Songliao basin
요 약 : 중국의 셰일자원 개발동향과 전망은 장기적인 관점에서의 유망성이나 우리 경제, 지정학적 영향력 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 이에, 본 연구에서는, 선행된 남중국 분지의 특성분석에 후속하여 타림 분지, 쑹라오 분지 등 북중국지역의 주요 셰일분지에 대한 특성과 동향을 조사, 분석하고자 하였다. 결과적으로, 지질/
지화학적 측면에서, 북중국 타림 분지 및 준가얼 분지는 남중국의 쓰촨 분지보다 뛰어난 것으로 조사되었다.
그러나 이미 알려진 바와 같이, 각 분지별로 현재의 셰일자원 개발기술을 기준으로는 상업적 개발에 각각의 저해요소들이 존재하는 것도 확인되었다. 타림 분지는 셰일가스 저류층으로서의 품질은 뛰어나며, 파쇄에 유리 한 광물을 많이 함유하여 셰일가스 개발 대상지역으로 손색이 없다. 반면에 기본적인 인프라 조건이 불리하고, 수자원 공급 및 매장심도에 한계가 있는 지역으로 분석되었다. 준가얼 분지와 쑹라오 분지는 셰일가스 저류층
품질은 역시 뛰어난 것으로 평가되었지만, 셰일가스 대상층의 매몰심도가 깊고 육상퇴적환경에 따른 파쇄품질이
낮다는 점이 핵심적인 걸림돌로 조사되었다.
주요어 : 북중국 셰일분지, 타림 분지, 쑹라오 분지, 준가얼 분지
1) 한국가스공사 연구개발원 2) 전남대학교 에너지자원공학과 3) 충북대학교 지구환경과학과
*Corresponding Author(신창훈) E-mail; [email protected]
Address; 1248, Suin-Ro, Sangnok-Gu, Ansan-City, Gyeonggi-Do, 426-790, Korea
ISSN 2288-2790(online) Vol. 52, No. 2 (2015) pp. 239-250, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.2.239
서 론
셰일가스는 전 세계에 걸친 막대한 부존자원량과 북미 를 중심으로 한 관련기술 개발로 인하여 비전통에너지자 원(unconventional resources)을 대표하는 차세대 에너지 자원으로 주목받고 있다. 미국의 경우, 50년 전부터 천연
가스산업에서 비전통 가스전을 개발하여 왔으며 북미지 역의 비전통가스 생산의 성공은 전 세계 가스시장에 변화 를 가져왔다(Shin, 2012a). 이러한 비전통가스 특히, 셰일 가스 시장 확대에 발맞추어 세계 최대의 셰일가스자원을 보유하고 있는 것으로 알려진 중국은 독자적인 셰일가스 개발사업 추진 및 관련기술 확보에 많은 노력을 기울이 고 있는 것으로 알려져 있다(Shin, 2012b). 2013년 미국 에너지 정보국 EIA(Energy Information Administration) 와 ARI(Advanced Resources International)의 평가 자 료에 따르면 중국의 셰일가스 가채자원량(Technically Recoverable shale gas)은 총 1,115 Tcf(Trillion cubic feet)로 평가되었다. 이는 셰일가스 평가지역 중 기술적 해 설
Fig. 1. Major Shale gas and Shale oil basin in china(modified after EIA&ARI, 2013).
으로 개발 가능한 것으로 평가된 지역의 셰일자원의 양 으로, 중국의 대표적인 셰일가스 매장지역은 쓰촨(626 Tcf), 타림(216 Tcf), 준가얼(36 Tcf), 쑹라오(16 Tcf) 분 지로 알려져 있다.
이러한 중국의 셰일자원 개발동향과 전망은 장기적인 관점에서의 유망성이나 우리 경제, 지정학적 영향력 측 면에서 매우 중요한 이슈로 생각된다. 이에, 본 연구진들 은 향후 중국 셰일가스의 개발현황 및 가능성과 우리기 업이나 정부의 적극적인 대응과 협력 모색을 위한 기초 자료를 제공하고자 중국 주요 셰일분지의 지질학적 특성 과 개발동향에 대한 조사를 시행하고 있다. 이의 일환으 로 중국 셰일개발의 대표적인 지역인 쓰촨 분지를 비롯 한 남중국 주요분지의 특징과 동향에 대한 조사, 분석결 과를 정리하여 제시한 바 있으며, 본 연구에서는 이에 후 속하여 타림 분지, 쑹라오 분지 등 북중국지역의 주요 셰 일분지에 대한 특성과 동향을 조사, 분석하여 제시하고 자 하였다.
Fig. 1은 중국의 대표 셰일가스/오일 분지현황(EIA&
ARI, 2013)을 도시한 그림으로, 셰일가스 개발에 가장 유망한 지역인 남중국 분지(쓰촨, 장안, 수베이, 양쯔 플 랫폼 일대)와 북중국 분지(타림, 준가얼, 쑹라오 분지)의 위치를 확인할 수 있다(Gao, 2012). 사실, 언급된 북중국 주요분지 이외의 오르도스, 차이다무, 투하 등의 분지에 서도 셰일가스 부존은 확인되었으나 분지의 위치가 사막 화 지역이며 개발지역의 지표상태/인프라 미흡등과 같은 문제가 제기되었고, 아직까지 정확한 자료조사가 불충분 하여 셰일가스 개발 고려 대상에서 일반적으로 제외되고
있음을 고려하여, 이 지역들은 대상에서 제외하였다. 결 과적으로, 본 연구에서는 북중국 판 내의 대표적인 셰일 분지인 타림, 준가얼, 쑹라오에 대한 지질특징 및 핵심기 술 동향을 파악하여 우리의 관련사업 협력 및 대응전략 수립에 기여하고자 하였다.
북중국 셰일가스 주요분지 특성 및 개발동향
타림 분지(Tarim basin)
타림 분지는 중국에서 가장 큰 육상분지(약 600,00 km2)로 중국의 북서쪽 신장(Xinjiang) 지역에 위치하고 있으며, 현재 PetroChina와 Sinopec이 타림 분지 중심부 오르도비스기와 쥐라기의 전통 저류암 층에서 261,000 B/D(Barrel/day)의 오일과 1.6 Bcfd(Billion cubic feet a day)의 천연가스를 생산하고 있는 것으로 알려져 있다.
타림 분지의 주요 셰일지층은 고생대의 캄브리아기와 오 르도비스기에 퇴적된 셰일이며, 해상기원의 유기물이 풍 부하여 개발이 유망한 지층이다. 기후는 건조한 편이나 지하지층이 평탄하고, 지하수가 존재하여 수압파쇄가 가 능한 지역으로 알려져 있다. 현재 타림 분지 생산량의 절 반은 수평시추 기술의 적용을 통하여 달성된 것으로 알 려져 있으며, 이는 향후에 셰일가스 개발을 위한 중요한 기술적 기반이 될 것으로 사료된다. 그러나 타림 분지의 경우 셰일가스 부존 지층의 심도가 깊어, 현재까지 셰일 가스 개발을 위한 별도의 시추계획은 없는 것으로 알려 져 있다(Scott et al., 2013). 그럼에도 불구하고, 타림 분 지가 쓰촨 분지 다음의 유망지역으로 손꼽히는 이유는
Fig. 2. Faults, structural units and well locations in the Tarim basin(modified after Zhao et al., 2008).
Fig. 3. North-south profile through the Tarim basin shows that the Cambrian sequence is thick and laterally extensive (Zhu et al., 2014).
분지 내 셰일 저류층의 구조와 유기물 품질이 뛰어나고 자원량이 풍부하기 때문이다.
Fig. 2는 타림 분지의 지구조를 도시한 그림으로, 단층 과 습곡에 의해 Kuqa Depression, North Depression, Southwest&Southeast Depression 4개의 함몰지와 Tabei (North) Uplift, Central Uplift, Tanan(South) Uplift 3개 의 융기 지역으로 나눠질 수 있다. Fig. 3은 타림 분지의 남북방향의 지질단면도로 셰일가스 개발이 진행 중인 남 중국 판 중심의 분지들(쓰촨, 양쯔 플랫폼)에 비해 지층 경사가 완만하고, 단층이 적은 특징이 확인된다. 뿐만 아 니라 타림 분지는 유기물이 풍부한 해상 기원의 환경에 서 퇴적이 이루어진 것으로 확인되었다. 이러한 장점에 도 불구하고 개발의 걸림돌로 제기되는 문제는 셰일가스 개발 대상지층인 캄브리아기와 오르도비스기 셰일지층 의 매몰심도가 5∼10 km에 달할 정도로 매우 깊다는 점 이다. 또한, 불행히도 상대적으로 개발이 가능한 낮은 심
도에 융기된 셰일지층은 TOC 함량이 낮고(1∼2%), 질 소 오염도가 높으며(1∼20%) 카르스트 발달로 인해 붕 괴위험이 있어 상업적 개발이 쉽지 않은 것으로 분석되 고 있다(EIA&ARI, 2013).
지질학적 측면에서, 타림 분지 내 셰일가스 주요 대 상 지층은 캄브리아기의 Yuertusi 층과 오르도비스기의 Heituao, Queerqueke, Lianglitage 층으로, 주로 Awati Sag-Aman Transitional Zone-manjaer Sag 지역에 위치 하며 수직적 층서를 비교하면 근원암이 되는 퇴적상의 퇴 적환경은 다양하게 변화된다(platform margin, intraplatform depression, deepwater shelf) (Zhang et al., 2012). 이 지 층들의 지질특성은 주로 시추코어와 노두에서 획득한 샘 플, 그리고 탄성파 자료 퇴적모델과의 상관관계를 고려 하여 분석되었다. Table 1은 타림 분지 내 셰일가스 개 발 대상층에 대한 시기적, 지리적 지질 특성을 비교한 표 로 지리적 특성 비교를 통해 동－서방향의 환경변화,
Table 1. Comparisons of the Cambrian-Ordovician source rocks in the Awati Sag-Aman Transitional Zone-manjaer Sag in the Tarim Basin(Zhang et al., 2012)
TOC, 두께변화 등을, 시기적 특성 비교를 통해 해수면 변동, 환경 변화 등을 확인할 수 있다.
하부 캄브리아기 Yuertusi 층은 유기물이 풍부한 심해 기원의 셰일지층으로 타림 분지 동쪽에 주로 퇴적되었으 며, TOC 함량이 0.5∼5.0% 수준으로 상당히 높은 편이 다(최대 14%). 셰일지층의 평균 두께는 약 120 m(400 ft)이며, 열적 성숙도는 건성가스 생성구간(Ro > 2.5%) 에 도달해 있다. 오르도비스기 하부 Heituao 층은 TOC 함량이 0.50∼7.62 범위를 보이고, 평균적으로는 2% 미 만이나 분지 내 넓게 분포하고 있어 유망한 지층으로 평 가받는다. 층후는 48∼200 m이며, 광물성분은 탄소질 셰일 및 규산질 이암으로 구성되어 있어 취성이 좋고 수 압파쇄에 유리한 것으로 알려져 있다. 오르도비스기 셰 일지층의 열적 성숙도는 대부분 건성가스 생성구간(Ro
2.0∼2.6%)에 도달해 있다. 그러나 Heituao 층은 최대 심 도가 10 km에 해당할 만큼 심도가 깊다는 점이 상업적 개발에는 큰 걸림돌로 제기되고 있다. 오르도비스기 중 부층은 타림 분지 서부 Keping uplift, Awati depression 지역에 노두형태로 해상기원의 흑색이암 형태로 나타난 다. 층후는 약 10∼30 m이며, TOC 함량은 0.56∼2.86%
(평균 1.56%)로 그리 높지 않은 지역으로 분석되고 있다 (EIA&ARI, 2013). 매장깊이는 약 8 km이며, 시추코어
가 없기 때문에 노두에서 획득한 샘플을 통해 물성 분석 이 실시되었다(Zhang et al., 2012). 오르도비스기 상부 Lianglitag 셰일지층은 주로 타림 지역 중심부 Bachu, Tabei 지역에 20∼80 m 두께로 확인되며, 탄산염이 풍 부하나 TOC 함량(평균 0.93%)이 낮은 것으로 확인되었 다. 그 밖의 타림 분지내의 중생대와 신생대 셰일가스층 들은 질소 오염도(5-20%)가 높은 것으로 조사되었다.
결과적으로, 타림 분지의 주요 셰일개발 대상지층은 캠브리아기와 오르도비스기 지층으로, 저류층의 구조가 평탄하고 근원암층의 품질이 뛰어나며 자원량이 풍부하 다는 점에서 쓰촨 분지 다음의 유망광구로 지목되고 있 다. 그러나 주요 셰일지층의 매몰심도가 5∼10 km 수준 으로 상당히 깊은 지역에 분포하고 있어 셰일가스 생산 에 어려움이 있다. 또한 주변에 주요 수요처가 될 수 있 는 대도시 등이 부재하여, 장거리 수송 등의 인프라 의존 이 높다는 단점이 있는 것으로 보인다. 다행스러운 점은 타림 분지는 지난 수십 년간 석유와 천연가스 생산을 위 한 다양한 개발활동이 이미 진행된 바 있으며, 수평시추 등의 상업적 적용이 이루어지고 있어, 향후 셰일개발 등 에 기술적 기반은 상당하다는 점이 있다. 아울러, 사막화 지역으로 분류되어 수자원의 공급이 불가능할 것이라는 관측에 비하여서는 지하 대수층의 활용을 통한 제한적
Fig. 4. (a) Isopach map showing the isopach for the Permian to the Quaternary succession and location of oil fields(Li, 1993), (b) The North-south cross-section of the Junggar basin (modified after Li, 1993).
적용이 가능할 수 있다는 점도 긍정적인 부분이다. 종합 하면, 타림 분지의 셰일가스 개발에는 추가적으로 고려 되어야 할 요소가 상당하며, 인프라 구축과 고심도 시추 등의 기술개발이 우선적으로 필요하다. 또한, 지하수는 있지만 사막화 지역이라는 점을 감안하여 수압파쇄에 필 요한 수자원 문제를 해결하거나 수압파쇄를 대처할 수 있는 추가적인 파쇄기술에 대한 개발이 필요할 것으로 판단된다. 그러나 방대한 분지의 규모와 천연가스 배관 망 구축 등과 같은 중국정부의 정책적 지원이 동반되고 있어, 지속적인 관심과 모니터링이 필요한 지역으로 사 료된다.
준가얼(Junggar) 분지
준가얼 분지는 타림분지의 동쪽지역에 인접하고 있으 며, 중국 북서부 신장 주에 위치하고 면적은 약 160,000 km2에 달한다. 중국에서 가장 큰 셰일분지는 아니지만 상당한 면적에 걸쳐있고 저류층 품질이 타 분지에 비해 뛰어나고, 접근성 및 인프라가 타림 분지보다 양호하여 셰일가스 개발에 유망한 분지로 알려져 있다(EIA&ARI, 2013). 신장의 수도는 우루무치(Urumqi)시로 준가얼 분 지 남부 중앙에 위치하고 있으며, 현재 풍부한 자원으로 인하여 산업과 인구 유입이 급속도로 증가하고 있는 지
역이다. 중국의 주요 오일 생산지역으로 알려진 준가얼 분지는 지난 수십 년간 26개의 전통 석유, 가스 광구를 발견, 개발하였으며, 특히 준가얼 분지 커라마이 (kelamay)시 북서주변부에 전체분지의 40% 이상의 가 스와 오일이 매장된 것으로 알려졌으며 2015년까지 최 대 400,000 B/D의 오일과 1.0 Bcfd의 천연가스를 생산 할 목표를 가지고 있다(Cao et al., 2005). 이러한 주요 전통자원 광구의 근원암들은 주요 셰일가스 개발 대상층 이 되기 때문에 중국 내에서도 근원암의 지질특성 연구 가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 준가얼 분지는 산업 초기 복잡한 지형으로 가스층에 대한 조사 및 분석이 원 활하게 이루어지지 않았으며, 일차적인 분석결과가 유망 지역으로 선정될 만큼 좋지 않았던 것으로 알려져 있다.
그러나 실제 지질학적 특성분석을 통해 지질구조가 상당 히 단순하고 TOC 및 열적성숙도가 높아 유망성이 상당 한 지역으로 평가받아, 추가적인 관심과 조사가 필요한 분지로 평가되고 있다(EIA&ARI, 2013).
Fig. 4(a)는 준가얼 분지의 등층후선 및 지리적 위치로, 분지는 크게 Wulungu Depression, Central Depression, Central depression, Luliang Uplift, Western Uplift, Eastern Uplift로 크게 3개의 depression과 3개의 uplift 지각영역으로 구분되며 전반적으로 불규칙한 강괴상 분
Table 2. Stratigraphy of source rock shale targets in the Junggar basin (modified after EIA&ARI, 2013) 지구조를 지닌다. (b)는 준가얼 분지의 남북방향 지질단
면도로 지층구조가 완만하며 단층발달이 적음을 확인할 수 있다. Table 2는 준가얼 분지의 층서표로 주요 석유 근원암은 석탄기, 페름기, 트라이아스기, 쥐라기 근원암 이다(Qiu et al., 2008). 석탄기 근원암은 회색 이암으로 TOC 함량이 0.5∼2.4%이며, 층후는 300∼400 m(1000
∼1300 ft)이다. 페름기 근원암은 TOC 함량(5∼20%)만 을 보면 가장 우수한 셰일가스개발 지층으로 평가받을 수 있으나, 타림분지와 같이 매장 심도가 깊고, 호성환경 에서 퇴적된 셰일지층으로 인해 파쇄성에 제약이 있을 수 있다(EIA&ARI, 2013). 셰일가스 저류암의 경우 일반 적인 저류암과 다르게 파쇄균열이 발달할 수 있는 정도, 즉 파쇄성을 판단하는 것이 가장 중요(Lee et al., 2013) 한데, 준가얼 분지의 경우 퇴적환경에 따른 파쇄성이 낮 은 분지로 파악되었다. 이는 수압파쇄를 비롯한 지층자 극을 위한 파쇄기술의 적용에 제약으로 연성지층에 대한 추가적인 자극기술의 개발이 필요한 것으로 보인다.
준가얼 분지 동쪽 톈산 부근에는 트라이아스기 퇴적층 이 넓게 분포하고 있으며, 250 m까지 흑색 이암과 석탄 이 퇴적되어 있다. 쥐라기 근원암은 케로젠(kerogen) Ⅱ/
Ⅲ 유형이며, TOC 함량이 0.77∼1.99%로 높지 않고 육
상기원에서 퇴적되었다. 결과적으로 준가얼 분지의 주요 석유 근원암층인 석탄기부터 쥐라기 근원암은 취성이 낮 아 셰일가스 파쇄에 불리한 층으로 분류된다(EIA&ARI, 2013). 반면에, 구조지질적 측면만 놓고 보면 쓰촨 분지 및 양쯔 플랫폼 지역에 비해 상당히 단순하고 내부구조 가 완만하며 상대적으로 단층이 적어 셰일가스/오일 개 발에 매우 유리한 지역으로 분류될 수 있다. 결과적으로, 셰일가스 개발의 측면에서 준가얼 분지는 구조지질적 측 면과 저류암 규모 및 근원암 유기물 특성은 상당히 우수 한 지역으로 평가될 수 있다. 또한 인근 대도시 등의 인 프라는 상대적으로 타림 분지 등에 비하여는 우수한 편 이다. 반면에, 호성기원의 육상퇴적환경에 따른 암석의 취성도가 낮아 수압파쇄 등의 기존 파쇄공법의 적용을 통한 상업적 개발에는 제약이 있는 것으로 보인다. 이에, 현재까지 셰일가스 개발에 대한 구체적인 시추계획은 없 는 것으로 파악되고 있으며, 셰일오일, CBM 등과 같은 다른 종류의 석유자원 생산을 위한 개발이 진행되고 있 는 것으로 조사되었다. 2012년 Shell과 Hess는 셰일오일 을 평가하기 위해 신장시 산탄주(Santanghu)에서 Petro China와 계약을 체결하여 35개의 시추공을 시추하였으 며, 2013년 CNPC는 Hess와 Santanghu 분지 협력계약
Fig. 5. Location map showing the Songliao Basin and its structure units. Shown are the location of seismic profile and borehole. Generalized stratigraphic column is modified from Feng et al.(2010). Regional seismic section shows structural elements of rift strata. Ep.=epoch, Mem.=member, TE=tectonic evolution.
을 맺으며 기술력과 인프라를 구축하려는 전략을 펼치고 있다. 뿐만 아니라 준가얼 분지 내 CBM 생산을 위하여 다양한 기업들이 참여하여 개발을 진행하는 것으로 알려 지고 있다(EIA&ARI, 2013).
쑹라오(Songliao) 분지
북중국판 내에서 유일하게 동쪽에 위치한 쑹라오 분지 는 주로 석유와 같은 전통자원이 생산되는 지역이나, 역 시 셰일가스/오일의 잠재유망성도 상당한 지역으로도 평 가받고 있다. 이 분지의 총 면적은 275,000 km2로 중국에 서 가장 큰 오일 생산지역으로 알려져 있으며, 2013년에 800,000 B/D를 생산한 것으로 조사되었다. Fig. 5는 쑹라 오 분지의 지구조적 및 특성을 나타낸 것으로 이 지역은 Northern plunge, Northeast Uplift, Southeastern Uplift, Southwestern Uplift, Western Slope, Central Downwarp
6개의 지각영역으로 구분된다. 쑹라오 분지는 쥐라기 후 기부터 신생대까지 육상기원의 퇴적암이 7 km 두께로 퇴적되어 있다. 백악기 Shahezi, Qingshankou, Yaojia, Nenjiang 층은 쑹라오 분지의 주요한 셰일가스 개발 대 상층으로 셰일, 실트암이 교호하는 특징을 가지며 Nenjiang 층은 70∼240 m의 두께를 보이고 있다.
Qingshankou 층은 80∼240 m의 두께로 두껍게 퇴적되 었으나 육상기원의 퇴적환경 영향으로 점토광물 성분이 우세하고 실트암과 교호하여 파쇄특성에 불리한 편이다. Jia et al.(2013)은 Southeastern Uplift 영역과 Central Downwarp Zone에 위치한 시추정 Zk3389에서의 코어 샘플을 이용하여 이 지역의 지화학적 분석을 실시하였 다. 그 결과, 셰일지층의 TOC는 1∼5% 수준으로 최대 11%를 보였으며, Qingshankou 층의 열적 성숙도(Ro)는 0.7∼1.5% 수준으로 보고한 바 있다. Nenjiang 층의 주
Table 3. The lithology and TOC content of all samples from the Nenjiang Formation (Modified after Jia et al., 2013)
Sample Depth (m) Lithology TOC (wt, %)
X 51 584.8 Gray mudstone 1.99
X 47 619.6 Dark gray mudstone 1.89 X 46 626.9 Dark gray mudstone 2.21 X 44 638.3 Dark gray mudstone 1.98 X 38 657.1 Gray-brown oil shale 6.33 X 37 657.9 Gray-black oil shale 5.29 X 34 659.5 Gray-black oil shale 8.09 X 31 661.2 Gray-black oil shale 11.34 X 30 662.1 Gray-black oil shale 11.86 X 29 662.5 Gray-brown oil shale 7.16 X 28 663.1 Gray-black oil shale 7.99 X 26 666.5 Dark gray mudstone 2.00 X 21 675.9 Dark gray mudstone 1.55 X 17 683.0 Dark gray mudstone 2.89 X 15 690.3 Dark gray mudstone 1.62 X 14 693.3 Dark gray mudstone 3.36 X 08 704.9 Dark gray oil shale 5.71 X 07 707.0 Dark gray oil shale 8.75 X 05 710.8 Dark gray oil shale 6.98
X 01 717.6 Gray mudstone 2.24
요 암상분포와 TOC 분포는 Table 3에 요약 정리된 바와 같다.
쑹라오 분지는 중국 내에서 전통적인 석유의 생산이 가장 많은 지역이라는 점에 부가하여, 북중국지역에서 유일하게 동쪽에 위치한다는 점이 우리에게는 특별한 관 심이 요하는 부분이다. 중국과의 여러 가지 복잡한 정치, 외교, 산업적 측면에서의 역학적 관계를 차제한다면, 실 제 우리나라에 셰일가스를 중심으로 한 에너지자원의 수 급에 가장 유리한 지역 중의 하나이기 때문이다. 그 첫 번째 이유는 남중국지역의 수베이 분지나 양쯔 플랫폼과 더불어 지리적으로 우리나라와 가장 근접한 지역으로 실 제 천연가스 배관망을 통한 직접적인 생산자원의 공급이 가능하다는 측면이다. 이러한 부분은 단지 천연가스의 수급에만 있는 것이 아니라, 중국 주요도시나 인프라 기 반 측면에서도 상대적으로 매우 유리한 입지가 있고, 우 리의 입장에서는 다양한 이득과 관심의 대상임에 분명하 다. 아울러, 이러한 점을 제외하더라도 이미 중국의 주요 한 오일 생산지역으로써, 관련된 인프라나 기술적 접근
등의 조건에서 상대적으로 유리한 지역이라는 점에서 우 리의 각별한 관심이 필요한 지역으로 생각된다.
그러나 이미 살펴본 바와 같이, 쑹라오 분지는 기본적 으로 육상기원 퇴적층으로 취성에 불리한 점토질 광물을 많이 함유하고 있다. 이로 인해, 현재 중국 내에서 셰일 가스 개발에 대한 진행은 물론 관심도 낮은 편이다. 이러 한 점은 반대의 시각에서는, 중국과의 협력이나 진출을 모색하는 우리에게는 중요한 단초를 제공하는 부분일 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 즉, 현재 중국의 주요 셰일분지들 중 국영기업이나 세계 메이저 석유기업들에 게 관심을 받지 못하는 일부 분지들의 개발을 어렵게 하 는 근본적인 원인들이 궁극적으로 중국 셰일개발의 향방 을 결정하는 핵심인자가 될 것은 자명하고, 이러한 측면 에서 시사점에 대한 우리의 대응과 준비가 결과적으로 매우 중요한 관건이 될 것으로 생각된다. 다른 측면에서 우리가 상대적으로 셰일자원개발의 유망성이 낮은 쑹라 오 분지나 준가얼 분지에 관심을 가져야 하는 이유는 셰 일가스/오일은 물론 치밀오일과 같은 다른 석유자원의 개발 또는 관련기술 개발에 대한 투자가 활발히 진행되 고 있다는 점이다.
2010년 Hess와 PetroChina는 쑹라오 분지의 석유개발 광구에서 셰일/치밀 오일 잠재지역에 대한 공동연구를 수 행하기로 하였으며, 그에 따라 연구지역을 점차 추가할 계획이라고 밝혔다(EIA&ARI, 2013). 그 외 Jilin Oilfield 회사는 쑹라오 남쪽 분지 Changling 가스 광구의 치밀사 암(타이트) 저류층에 최소 10개 이상의 수평정을 시추하 고 파쇄를 시행한 바 있다. 시추 대상은 백악기 Denglouku 셰일/치밀 오일 저류층으로, 투과도가 낮고 매장깊이는 3,600 m이나 파쇄를 통해 유동을 증진하고자 시도한 것 으로 조사되었다. Jilin 시추공은 1,200 m 길이의 수평정 과, 11번(stage)의 파쇄 자극을 시행하였다. 이때, 파쇄유 체는 slickwater가 아닌 Guar gel을 사용하였고, 프로판 트는 resin-coated sand를 적용하였다. 이러한 부분은 우 리가 상대적으로 연성인 지층을 대상으로 효과적인 파 쇄, 자극 방법 등에 대한 접근과 다른 종류의 비전통, 전 통자원에 대한 복합적인 개발 등의 접근에 대한 시각과 유사한 것으로 보인다. 즉, 중국 역시도 자국 셰일자원의 개발에 대한 문제점을 이미 충분히 파악, 경험하였고 기 술 개발을 진행 중인 것으로, 기술적 측면의 협력을 기반 으로 중국 셰일자원 개발을 고려하는 국내 기관에서는 시기적 측면의 적절성을 우선 고려할 필요가 있다. 결과 적으로, 이 지역의 10개의 시추공 모두가 성공적인 결과 를 얻었으며, 이를 통해 셰일가스 외 신석유자원의 연구 가 추가적으로 수행되는 것으로 알려지고 있다(EIA&ARI, 2013).
Table 4. The characteristics of major basin in North-china Major
basin
Geologic Quality Completion Quality Production Quality Geologic age Geologic
structure
Deposition
Environment Brittleness Water
Resource Development status
Tarim basin (234,200 mi2)
∙Paleozoic (Xiaoerbulake, Lianglitage, Yijianfan, Hetuao)
∙Simple
∙Few fault
∙Surface elevation flat
∙Buried depth too deep
∙Marine origin (Paleozoic)
∙Non marine origin (Upper mesozoic)
∙High (Quartz-rich)
∙Poor (Only ground-water, Desertifi- cation area)
∙Origin oil production area
∙Horizontal fracturing area (oil production)
∙Infrastructure needs
Junggar basin (62,100 mi2)
∙Paleozoic (Fengchen),
∙Mesozoic (Badaowan, Xishanyao)
∙Non marine origin (Lacustrine environment)
∙Low (Clay-rich)
∙Oil production area
∙Population/Infra growth
∙Developing of shale oil&
CBM
Songliao basin (108,000 mi2)
∙Mesozoic (Shahezi, Qianshankou, Yaojia, Nenjiang)
∙Simple
∙Few fault
∙Low (Clay-rich)
∙Naturally fractured
∙China's largest oil production area
∙Developing of shale/tight Oil
∙Adjacent to Korea 중국의 이러한 시도들은 취성이 낮은 저류층 개발을
위한 개념을 이해하고 접근하고 있는 상황으로 보여지 며, 우리가 앞으로 중국의 셰일가스 산업과 관련된 협력 체계를 구축하기 위해서는 무엇보다도 중국의 기술적 한 계를 깨닫고, 장기적 측면에서 기술개발을 위한 적극적 인 자세가 필요할 것으로 생각된다.
결 론
세계 최대의 셰일가스자원을 보유하고 있는 것으로 알 려진 중국은 셰일가스 시장 확대에 발맞추어 독자적인 셰일가스 개발사업 추진 및 관련기술 확보에 많은 노력 을 기울이고 있다. 중국의 셰일자원 개발동향과 전망은 장기적인 관점에서의 유망성이나 우리 경제, 지정학적 영향력 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 이에, 중국 셰일 가스의 개발에 따른 우리의 대응과 협력을 위한 기초자 료를 제공하고자, 중국 셰일개발의 대표적인 지역인 쓰 촨 분지를 비롯한 남중국 주요분지의 특징과 동향에 대 한 조사, 분석결과를 정리하여 제시한 바 있다. 본 연구 에서는, 이에 후속하여 타림 분지, 쑹라오 분지 등 북중 국지역의 주요 셰일분지에 대한 특성과 동향을 조사, 분 석하여 제시함으로써 우리의 관련사업 협력 및 대응전략 수립에 기여하고자 하였다. 결과적으로 본 연구에서 조 사, 분석된 북중국판에 위치한 셰일가스 주요분지에 대 한 지질학적 및 암석역학적 특성과 주요 개발동향을
Table 4에 요약, 정리하여 제시하였으며, 분지별 주요 물 성은 Table 5에 요약하였다.
중국은 셰일가스에 대한 관심증가와 다양한 규획과 재 정을 바탕으로 셰일가스 개발을 진행하였다. 하지만 성 공적인 개발이 진행되고 있는 지역은 쓰촨 분지에 국한 된다. 이는 중국 내 쓰촨 분지가 개발에 가장 적합한 요 소를 갖춘 지역으로, 타 분지의 경우 각각의 개발에 제한 적인 요소들이 존재하기 때문이다. 이러한 현실적 측면 으로, 실제 쓰촨 분지의 개발은 중국 국영기업이나 기술 력과 자금력 측면에서 우위를 보이는 일부 석유 메이저 기업들에 의해 선점되어 있는 것이 현실이다. 또한 쓰촨 은 우리와는 상대적으로 지리적으로 멀리 떨어져 있어, 개발에 따른 국내 에너지안보의 영향은 크게 기대하기 어렵다는 단점도 있다. 이에 본 연구와 선행연구에서는 우리와 지리적 여건이 양호한 북중국 쑹라오 분지, 남중 국의 수베이 분지와 양쯔 플랫폼 등에 대한 지질학적 조 건과 동향에 관심을 기울이고자 하였다.
결과적으로, 최근까지 중국 셰일가스의 상업적 개발과 생산은 남중국 쓰촨 분지를 중심으로 진행되고 있으나, 실제 지질/지화학적 측면의 결과는 북중국 판에 위치한 타림 분지 및 준가얼 분지가 더욱 뛰어난 것으로 조사되 었다. 그러나 이미 알려진 바와 같이, 각 분지별로 현재 의 셰일자원 개발기술을 기준으로는 상업적 개발에 각각 의 저해요소들이 존재하는 것도 확인되었다. 우선, 타림 분지의 경우는 셰일가스 저류층 품질이 매우 뛰어나며,
Table 5. China shale gas Resources and Geologic Properties (selection from EIA&ARI, 2013)
Basic data
Basin/Gross area Tarim Junggar Songliao
Form. Xiaoerbulake Lianglitage Yijianfan Hetuao Pingdiquan
/Lucaogou Trissic Qingshankou Geologic Age L.Cam L.Ordo. M.Ordo. U.Ordo Permian Triassin Cretaceous
Deposition
Environment Marine Marine Marine Marine Lacustrine Lacustrine Lacustrine
PE
PA (mi2) 6,520 19,420 10,450 10,930 7,400 8,600 6,900
Thickness (ft)
OR 380 300 300 390 820 820 1,000
Net 240 170 160 240 410 410 500
Depth (ft)
Interval 11,000-16,400 10,000-16,400 8,610-12,670 9,840-16,400 6,600-16,400 5,000-16,400 3,300-8,200
Average 14,620 13,690 10,790 12,180 11,500 10,000 5,500
RP
Reservoir Pressure Normal Normal Normal Normal Highly Overpress
Highly Overpress
Mod.
Overpress Average TOC
(wt, %) 2.0 2.4 2.1 2.5 5.0 4.0 4.0
Thermal Maturity
(%) 2.0 1.8 0.9 2.0 0.85 0.85 0.90
Clay Content Low Low Low Low Medium Medium Medium
Gas Phase Dry gas Dry gas Dry gas Assoc. gas Assoc. gas Assoc. gas Assoc. gas PE : Physical Extent, RP : Reservoir Properties, PA : Prospective Area, OR : Organically Rich, L.Cam. : Low Cambrian, L.Silu. : Low Silurian, L.Ordo. : Low Ordovician, U.Ordo. : Upper Ordovician, M.Ordo : Middle Ordovician
파쇄에 유리한 광물을 많이 함유하여 셰일가스 개발 대 상지역으로 손색이 없다. 그러나 기본적인 인프라 조건 이 불리하며, 수자원 공급 및 매장심도에 한계가 있는 지 역으로 분석되었다. 또한 타림 분지와 준가얼 분지의 경 우는 우리와는 지리적인 제약이 크게 있다는 것도 주요 한 고려사항이다. 북중국 판의 또 다른 유망분지로 알려 진 준가얼 분지와 쑹라오 분지는 셰일가스 저류층 품질 은 역시 뛰어난 것으로 평가되었지만, 셰일가스 대상층 의 매몰심도가 깊고 육상퇴적환경에 따른 파쇄품질이 낮 다는 점이 핵심적인 걸림돌로 조사되었다.
그러나 이러한 부분은 우리가 중국 셰일개발 협력과 대응에 시사하는 바가 있으며, 우리의 지속적 관심과 노 력이 요구되는 이유라 할 수 있다. 즉, 준가얼 분지나 쑹 라오 분지의 경우 상대적으로 연성지층의 자극기술의 개 발에 대한 시도가 요구되고, 타림이나 수베이 등의 경우 수자원 활용성 개선에 대한 노력과 중국 대부분의 셰일 분지에서 고심도의 시추기술 경쟁력 확보 등이 핵심적인 관건일 것으로 분석되었다. 본 연구의 대상이 된 중국 셰 일자원의 개발은 단지 석유가스 산업측면에서의 협력이 나 대응의 문제를 넘어서, 향후 우리의 국가 경쟁력과 에 너지 안보 측면에서 매우 주요한 변수로 우리의 지속적
인 관심과 준비가 절실한 부분으로, 보다 적극적인 중국 셰일개발의 협력과 대응을 모색할 필요가 있어 보인다.
사 사
본 연구는 2013년도 산업통상자원부의 재원으로 한국 에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20132510100060).
References
Cao, J., Zhang, Y., Hu, W., Yao, S., Wang, X., Zhang, Y.
and Tang, Y., 2005, “The Permian hybrid petroleum system in the northwest margin of the Junggar Basin, northwest China,” Marine and Petroleum Geology, Vol.
22, pp. 331-349.
Energy Information Administration and Advanced Resources International, Inc, 2013, “Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States,” U. S. Department of Energy, Washington, D.C.,
USA, June, 760P.
Feng, Z.Q., Jia, C.Z., Xie, X.N., Zhang, S., Feng, Z.H. and Timothy, A.C., 2010, “Tectonostratigraphic units and stratigraphic sequences of the nonmarine Songliao basin, northeast China,” Basin Research Vol. 22, pp. 79-95.
Gao, F., 2012, Will there be a Shale Gas revolution in China by 2020?, The OXFORD INSTITUTE FOR ENERGY STUDIES.
Jia, J., Bechtel, A., Liu, Z., Strobl, S.A.I., Sun, P., Reinhard F. and Sachsenhofer, 2013, “Oil shale formation in the Upper Cretaceous Nenjiang Formation of the Songliao Basin(NE China): Implications from organic and inorganic geochemical analysis,” International Journal of Coal Geology, Vol. 113, pp. 11-26.
Lee, G.H., Shin, C.H., Kim, Y.W. and Kwon, Y.I., 2013,
“Seismic Characterization of Shale-Gas Reservoirs: A Review,” The Journal of Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, Vol. 50, pp. 156-169.
Lee, J.Y., So, Y.S., Kim, Y.W., Lee, J.H. and Shin, C.H.,
“Geologic Characteristics and Development Trend of South China Shale Gas Basins,” The Journal of Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, Vol.
52, No. 2, pp. 234-249.
Li, T.M., 1993, “The tectonic evolution and hydrocarbon accumulation in the Junggar basin,” Report for the Geological Survey of Xinjiang, pp. 129(in Chinese).
Qiu, N., Zhang, Z. and Xu, E., 2008, “Geothermal regime and Jurassic source rock maturity of the Junggar basin, northwest China,” Journal of Asian Earth Sciences, Vol.
31, pp. 464-478.
Scott, H.S., Keith D.M. and Vello, A.K., 2013, “China Shale Gas and Shale Oil Resource Evaluation and Technical challenges,” SPE 165832 presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, Jakarta, Indonesia, October 22-24.
Shin, C.H., Lee, S.M., Kwon, S.I., Park, D.J. and Lee, Y.S., 2012a, “A Classification and a Survey on the Core Technology for Shale Gas Development,” The Journal of Korean Society for Geosystem Engineering, Vol. 49, No.
3, pp. 395-410.
Shin, C.H., Lee, Y.S., Lee, J.H., Jang, H.C. and Baek, Y.
S., 2012b, “Global Distribution of Shale Gas and its Industrial Trend,” The Journal of Korean Society for Geosystem Engineering, Vol. 49, No. 4, pp. 571-589.
Zhang, S., GAO, Z., LI, J., ZHANG, B., GU, Q. and Lu, Y., 2012, “Identification and distribution of marine hydrocarbon source rocks in the Ordovician and Cambrian of the Tarim Basin,” Petroleum Exploration and Develop- ment, Vol. 39, pp. 305-314.
Zhao, M., Wang, Z., Pan, W., LIU, S., Qin, S., and Han, J., 2008, “Lower Paleozoic source rocks in Manjiaer Sag, Tarim basin,” Petroleum exploration and development, Vol. 35, pp. 417-423.
Zhu, D., Meng Q., Jin Z., Liu Q., and Hu, W., 2014,
“Formation mechanism of deep Cambrian dolomite reservoirs in the Tarim basin, northwestern China,” Marine and Petroleum Geology, Vol. 59, pp. 232-244.
이 종 윤
2012년 전남대학교 공과대학 에너지자 원공학과 공학사
2015년 전남대학교 공과대학 에너지자 원공학과 공학석사
현재 한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터 전문연구원 (E-mail; [email protected]/[email protected])
박 대 진
1992년 연세대학교 공과대학 화학공학 과 공학사
1995년 연세대학교 공과대학 화학공학 과 공학석사
현재 한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터 책임연구원 (E-mail; [email protected])
신 창 훈
1992년 부산대학교 공과대학 기계공학 부 공학사
1997년 부산대학교 공과대학 기계공학 과 공학석사
2003년 부산대학교 공과대학 기계공학 과 공학박사(전산유체)
현재 한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터 책임연구원 (E-mail; [email protected])
소 영 석
2009년 충북대학교 지구환경과학과 이 학사
2011년 충북대학교 지구환경과학과 이 학석사
2013년 충북대학교 지구환경과학과 박 사수료
현재 한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터 연구원 (E-mail; [email protected])
윤 왕 중
1981년 서울대학교 공과대학 자원공학 공학사
1983년 서울대학교 공과대학 자원공학 공학석사
1991년 서울대학교 공과대학 자원공학 공학박사
현재 전남대학교 에너지자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])
