차세대 에너지시대 진입을 위한 비재래 에너지 자원
허대기1)* · 이재형1)
Unconventional Hydrocarbon Resources for the Next-generation Energy Era
Dae-Gee Huh
*and Jaehyoung Lee
2010년 12월 20일 접수, 2010년 12월 23일 채택 1) 한국지질자원연구원
*Corresponding Author(허대기) E-mail; [email protected]
Address; Petroleum and Marine Resources Division Korea Institute of Geoscience and Mineral Resoucres (KIGAM), 92 Gwahang-no, Yuseong-gu, Daejeon, 305-350 Korea
서 론
현대사회에서 석유의 중요성은 아무리 강조하여도 지 나침이 없을 것이다. 석유화학을 비롯한 다양한 용도와 사용의 편의성으로 인해 역사상 가장 중요한 에너지원으 로 자리매김하였다. 2번의 세계대전에서 결정적 역할을 한 것도 석유였으며 세계경제에 막대한 영향을 미치는 것도 석유이다.
천연자원의 고갈과 환경오염 등 지구에 닥친 위기를 타개하고 조언하기 위해 결성된 로마클럽이 1972년에 발간한 ‘성장의 한계’라는 보고서에서 언급한 지구상 자 원과 식량의 고갈 그리고 환경파괴 문제는 이후 지속적 인 관심의 대상이 되어 왔다. 최근엔 화석연료의 과다 사 용으로 야기된 온실가스에 의한 기후변화에 대한 경고가 화석연료시대의 종말을 예견하고 있다. 많은 사람이 현 재의 석유시대는 금세기가 가기 전에 끝나고 차세대에너 지인 수소에너지, 핵융합에너지, 또는 신재생에너지 시 대로 바뀔 것이라고 말하고 있다.
환경문제가 주된 관심사로 떠오른 이후 화석연료의 개 발은 지속가능발전의 테두리 안에서 이루어져야 한다는 주장이 설득력을 얻고 있으며, 이를 위해 선진국들은 신 재생에너지의 개발에 박차를 가하고 있다. 세계 10대 에 너지소비국인 우리나라도 저탄소 녹색성장을 국가 비전 으로 제시하고 친환경적 기술개발에 매진하고 있다.
그러나 국제에너지기구(IEA)에 의하면 2050년까지도 화석연료의 사용은 줄어들지 않고 원유와 가스의 사용은
오히려 증가할 것이라고 예측하고 있다. 과거 지질시대 에 생성되었던 석유자원은 지금까지 약 3.3조 배럴이 발 견되었으며 이중 1조 배럴은 과거 100여년에 걸쳐 인류 가 모두 소비하였다. 현재 확인매장량이 약 1.3조 배럴 수준이며 나머지 1조 배럴은 지하에 묻혀있어 생산되지 못하는 양으로 인식되고 있다. 현 소비추세라면 원유는 43년, 가스는 60년 정도 사용이 가능할 것으로 예상된 다. 주요 유가스전은 이미 생산피크 시기가 지났으며 향 후 지속적인 생산 감소를 가져올 것으로 예측되고 있다.
대규모 유가스전은 대부분 이미 발견되었으며 앞으로 는 극지, 오지, 심해에서의 유가스전 탐사가 주를 이룰 것이다. 그러나 탐사비용의 증가, 온실가스를 포함한 환 경문제 등으로 인해 매장량 확보는 날이 갈수록 힘들어 져 갈 것이다. 이러한 상황은 많은 메이저 석유회사들이 과거와 같은 재래석유자원의 신규탐사가 아닌 M&A와 비재래에너지자원의 개발에 역점을 두는 원인을 제공하 고 있다. 특히 중국, 인도 등 신흥 공업국가들의 경제발 전으로 인한 에너지 자원의 수요 증가와 고유가 시대의 지속으로 인해 비재래 석유자원에 대한 관심이 높아지고 있다.
막대한 부존량을 보이고 있는 오일샌드를 비롯한 비재 래에너지자원의 역할은 날이 갈수록 중요해질 것이며 전 체 석유자원 생산량에서 차지하는 비율도 한층 높아질 것으로 예상하고 있다. 이러한 시점에 비재래 에너지자 원의 현황에 대해 알아보는 것도 의미 있는 일이 될 것 이다.
비재래에너지는 현재의 석유시대에서 차세대 에너지 시대로 넘어가는 과정에 필요한 에너지를 공급하는 중요 한 에너지원(bridging energy resources)이 될 것이다. 물 론 차세대에너지시대에서도 화석연료의 사용이 완전히 없어지는 것은 아닐 것이다. 에너지자원으로서의 화석연 료의 역할은 끝난다 해도 석유화학의 주된 원료로서의 역할은 계속될 것이기 때문이다.
총 설
Fig. 1. Oil sand areas and initial in-place volumes of crude bitumen in Alberta.
비재래에너지 자원 (Unconventional Resources)
비재래에너지 자원은 기존의 석유개발 기술로 생산 가 능한 재래자원을 제외한 화석연료를 말하며 국제석유공 학회(SPE)에 의하면 비재래자원이란 대규모로 분포하며 유체역학적(hydrodynamic) 영향을 덜 받는 석유자원으 로 정의하고 있다. 원유에 있어서는 오일샌드, 오일셰일 을 지칭하며 가스의 경우는 tight gas, shale gas, 석탄층 메탄가스(CBM: coalbed methane), 가스하이드레이트 등 을 들 수 있다. 이들 비재래 자원은 특별한 회수기법을 사용하여야만 생산이 가능하며 생산이후에도 오일샌드의 경우처럼 상당한 처리공정을 거쳐야 판매가 가능하다.
이러한 비재래자원의 특징은 유체역학적 영향을 덜 받 기 때문에 기존 재래석유자원의 매장량 평가기법을 그대 로 사용할 수 없으며 전체 체적 계산을 위해 보다 많은 샘플링 밀도를 필요로 하게 된다. 또한 파일롯 생산이 비 재래자원의 매장량 계산에 중요한 과정이 된다.
비재래에너지자원 중에서 최근 국내기업들이 참여하 거나 관심을 보이는 오일샌드, 석탄층 메탄가스, 가스하 이드레이트에 대해 알아보고자 한다.
오일샌드(Oil Sand)
오일샌드의 경우 캐나다에서만 최소 1.5조 배럴이 매 장되어 있고 유가 상승과 더불어 생산공법의 발전으로 경제성이 확보됨에 따라 향후 석유나 천연가스를 대체할 수 있는 새로운 석유자원으로 각광받고 있다.
오일샌드란 API 비중 18° 이하의 비투멘(bitumen)과 미 고결(unconsolidated) 사암 함량 50% 가량이 혼재되어 있는 비재래 석유자원 중 하나로 타르샌드와 구분하여
서부 캐나다 지역의 비투멘을 오일샌드라 명명하고 있 다. 캐나다 알버타주에 주로 분포하고 있는 오일샌드는 비투멘 함량이 1∼18%, API 비중 8∼14°, 최대 점성도 가 5,000,000 cp인 특징을 가지고 있다. 비투멘이 가지 는 높은 점도로 인해 대부분 자연 상태에서 비유동 상태 로 존재하며 생산 시 열을 가하거나 채굴을 하여 회수하 게 된다.
오일샌드는 캐나다, 베네수엘라, 미국, 러시아 등 다양 한 국가에 부존되어 있으며 캐나다와 베네수엘라가 세계 최대 오일샌드 부존국가이자 개발 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 특히 캐나다 알버타주에 부존되어 있는 오 일샌드의 원시부존량은 1.7조에서 2.5조 배럴에 이르고 있으며 현재의 기술력과 경제성을 고려하여 생산 가능한 매장량은 약 1,749억 배럴로 알려져 있다(Alberta's Energy and Utilities Board, 2007). 특히 알버타주에 매장된 80%
이상의 오일샌드가 Athabascaa 지역에 집중되어 있는데 (Fig. 1), 이 지역에 위치한 2.5억 배럴 규모의 블랙골드 광구를 한국석유공사가 인수함에 따라 국내에서도 오일 샌드에 대한 관심이 고조되고 있는 상황이다.
생산기법
오일샌드 생산기술은 오일샌드층의 부존심도에 따라 노천채굴(surface mining)과 심부회수(in-situ recovery)로 구분할 수 있다. 노천채굴 방법은 석탄을 캐듯이 노천에 서 오일샌드를 채굴하고 이를 파쇄기에 넣어 분쇄한 뒤 추출기를 통해 중질유를 생산하는 기법이다. 이 방법은 회수율이 부존량의 90%를 상회하는 등 높은 회수율을 가지나 심도 75 m 이내의 오일샌드만을 회수할 수 있고 수천 헥타르의 땅을 파헤쳐야 하기 때문에 환경에 막대 한 영향을 미치게 된다. 반면, 심부회수는 심도 80∼300 m의 오일샌드를 회수하기 위해 사용하는 방법이다. 이 는 유･가스전과 같이 시추를 통해 생산이 이루어지는데, 비투멘의 점성도를 낮추기 위해 증기와 같은 열을 가하여 생산하는 방법이다. 대표적인 심부회수기법으로는 SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage), CSS(Cyclic Steam Stimulation) 등이 있다.
SAGD 공법은 두 개의 수평정을 사용하여 오일샌드를 회수하는 기법이다. 보통 주입정은 생산정의 5∼7 m 상 부에 위치하고 있으며(Fig. 2), 주입된 증기에 의해 비투 멘이 가열되고 이로 인해 낮아진 점성도의 비투멘은 중 력효과에 의해 생산정으로 이동하게 된다. 이 방법을 사 용할 경우 회수율이 50∼70%까지 이를 수 있으나 상이 한 물성 층이 존재할 경우 회수율에 막대한 영향을 미치 는 것으로 알려져 있다.
CSS 공법은 수직정 하나로 오일샌드의 비투멘을 회수
Fig. 2. Schematic of SAGD process.
Fig. 3. Schematic of CSS process.
Table 1. Comparison of in-situ production method (from Batycky, 1997)
CSS SAGD
Permeability (D) > 1 > 5
Net pay (m) 10 20
Oil saturation (wt%) 9 12
Viscosity (cp) bitumen (> 100,000) bitumen (> 100,000)
Depth moderate shallow
GOR High Low
Thief zone tolerance < 5 m little
Production rate 10 100
CSOR (cumulative steam oil ratio) 4 3∼4
Recovery factor 20∼25% 40∼50%
하는 방식으로 하나의 수직정을 스팀주입정과 생산정으 로 동시에 이용하는 방식이다(Fig. 3). 보통 1∼2개월 동 안 스팀을 주입하고 1∼2주 동안 잠김과정을 거친 후 수 개월동안 생산하는 과정을 반복한다(신현돈, 2007). 이
공법은 보통 5∼10 m이상의 저류층 두께와 1,000 m 이 하의 저류층 심도에서 사용하기 적합하다.
Table 1은 저류층 특성에 따라 적용되는 오일샌드 회 수기술을 정리한 도표이다. CSS 공법은 10 m 정도의 얇 은 두께와 1 darcy이하의 투과도를 갖는 저류층에 적합 하며, SAGD 공법은 두께가 20 m이상, 5 darcy 이상의 투과도를 갖는 사암 저류층에 효과적이다. 또한 CSS와 SAGD 공법은 점성도가 100,000 cp를 초과하는 중질유 생산에 적용될 수 있다. 일반적으로 심도가 깊은 저류층 에는 CSS 공법이 유리하고 심도가 얕은 저류층에는 SAGD 공법이 유리한 것으로 알려져 있다.
해외 기술동향
2003년 이후 국제 유가가 배럴당 30달러를 넘어서자 메이저 석유회사들은 안정적으로 석유를 공급하기 위해 캐나다 오일샌드에 대한 투자를 지속적으로 하고 있으며 메이저 석유회사를 제외한 대부분의 경우 지분을 인수하 는 방식으로 오일샌드 프로젝트에 참여하고 있다.
오일샌드 사업을 위한 회수기술은 캐나다를 중심으로 1960년대부터 지속적으로 개발되고 있다. 현재까지 노천 채굴과 심부회수가 주요 생산기법으로 사용되고 있으나, 최근 VAPEX(Vapor Extraction), ES-SAGD와 같은 신 기술이 연구 중에 있다. 혼합용매(miscible solvent)를 사 용하여 비투멘의 점성도를 낮추는 VAPEX의 경우 낮은 생산효율로 인해 실험단계에 머물고 있지만, SAGD 공 법과 VAPEX 공법을 혼합한 ES-SAGD의 경우 이미 몇 개의 광구에서 성공적으로 수행됨에 따라 조만간 상용화 가 이루어질 전망이다(신현돈, 2007).
국내 기술동향
2006년 7월 한국석유공사는 오일샌드 개발을 위해 캐
Fig. 4. Schematic of coal bed methane production (from ALL consulting).
나다 Athabasca에 위치한 2.5억 배럴규모의 블랙골드 광 구를 매입하였다. 블랙골드 광구의 상당부분은 박층(thin beds)과 탄산염암으로 이루어져 있으며 매장량은 2.16∼
2.18억 배럴로 추정되고 있다. 한국석유공사는 2012년 까지 일 생산량 1만 배럴 규모의 오일샌드 정제 및 생산 시설을 건설한 뒤, SAGD 공법을 사용하여 2013년부터 생산을 계획하고 있다. 이에 따라 한국석유공사는 2007 년부터 ‘오일샌드 지질특성화 국제공동연구’를 체결하 고 알버타 대학교에 현지 연구실을 개설하는 등 국제공 동연구의 초석을 마련하였으며 ‘박층 오일샌드 생산공법 최적화 연구’를 통해 오일샌드 개발생산 연구에 박차를 가하고 있다. 또한 세종대학교, 한국지질자원연구원, 한 국에너지기술연구원 등에서도 오일샌드의 채굴 기술부 터 개질기술(upgrading)까지 독자적인 기술을 개발하기 위해 노력하고 있다.
향후 전망
고유가 시대의 대체자원으로써 각광받고 있는 오일샌 드는 개발 과정에 있어 몇 가지 해결해야 할 과제들을 가지고 있다. 먼저, 오일샌드 추출 과정에 필요한 천연가 스의 사용 증가와 가격 상승이 향후 오일샌드 사업의 주 요 쟁점으로 부각될 전망이다. 지금까지 오일샌드를 추 출하기 위해 천연가스가 보편적으로 사용되어 왔으나, 1 배럴의 석유를 생산하기 위해 3.5∼3.7달러의 비용이 들 고 있으므로 보다 경제적인 대체수단이 강구되어야 할 것이다. 또한 최근 국제적으로 부각되고 있는 온실가스 의 배출을 저감하는 것도 오일샌드 개발 사업의 당면 과 제 중 하나이다. 실제로 원유 1배럴 생산당 온실가스 배 출량은 CO2 환산시 286 kg이 소요되는 반면, 오일샌드 의 경우 약 3배인 858 kg의 CO2가 배출되므로 이를 저 감할 수 있는 신기술이 개발되어야 할 것이다. 마지막으 로 비투멘 추출 시 다량의 물이 소비되고 이로 인해 발 생된 생산수는 환경에 막대한 영향을 미치게 된다. 따라 서 지속적이고 안정적인 물 공급원의 확보와 생산수 관 리방안이 필요하다.
향후 오일샌드가 미래의 에너지로서 그 역할을 하기 위해서는 위에서 언급한 문제들이 조속히 해결되어야 하 며 이에 따른 기술개발이 정립되어야 할 것이다.
석탄층 메탄가스(CBM)
석탄층 메탄가스(CBM; Coalbed Methane)는 석탄화작 용(coalification)시 석탄과 같이 생성되며 석탄층에 갇혀 있어 대기 중으로 방출되지 않는다. 이 석탄층 메탄가스 는 석탄층을 덮고 있는 대수층 지하수의 높은 압력에 의
해 석탄층 내에 흡착되어 있어 대수층의 지하수를 뽑아 주면 석탄층에 가해지는 압력이 감소해 석탄 속에 갇혀 있던 메탄이 탈착되어 빠져나와 석탄층 내에 시추된 생 산정의 파이프를 따라 지상으로 분출하게 된다(Fig. 4).
CBM은 석탄의 채탄 과정에서 폭발을 유발하는 유해 한 요소로 인식되어 왔으나 미국 가스연구소(GTI)가 석 탄층에 존재하는 메탄가스가 경제성 있는 친환경적 에너 지자원으로 실용화될 수 있다고 입증한 이후 각광받기 시작하였다.
석탄층 메탄가스를 개발하기 위해서는 주로 역청탄 탄 광을 대상으로 탐사해야 하며, 갈탄은 함유된 메탄의 양 이 적어 CBM 개발을 위한 경제성을 만족시키지 못한다.
일반적으로 CBM 개발을 위한 메탄의 최소 부존량은 석 탄 1톤당 약 7 m3 이상으로 알려져 있다.
전세계 석탄자원은 약 60여 개국에 약 25조 톤이 부존 되어 있는데, 이에 포함된 메탄가스 양은 LNG 환산 약 800억∼1,400억 톤으로 추정된다(Fig. 5).
해외 기술동향 미국
미국은 CBM 탐사 및 생산, 이용 기술의 선도적 역 할을 담당했으며, 현재도 미국이 독보적인 생산량과 개 발기술을 보유하고 있다. 1982년 미국의 가스연구소가 CBM 연구를 시작한 이후 1990년대부터 생산하기 시작 하여 2004년에는 약 500억 m3를 생산하여 총 가스생산 량의 9%를 차지하고 있다. 미국의 CBM 자원량은 약 11
Fig. 5. World CBM resources (after Craig Stewart).
Fig. 6. CBM basins and resources in USA (from ARI).
∼24조 m3이며, 주요 생산분지는 Sanjuan분지, Warrior분 지로 전 세계에서 가장 활발하게 CBM을 생산하는 국가 이다(Fig. 6).
현재 CBM의 조사 및 생산을 위한 각종 기술 역시 미 국의 가스연구소와 에너지성(DOE)에 의해 개발되었으 며 각국은 미국의 기술을 도입하여 CBM 자원을 조사, 생산하고 있다.
이와 같이 미국이 CBM개발에 성공할 수 있었던 이유
는 석탄 자원의 양, 질, 지질 조건 등 석탄자원의 조건이 양호하며, 파이프라인 네트워크와 같은 인프라가 구축되 어 있으며, 정부의 재정 지원과 인센티브 제도가 뒷받침 되었던 결과이다.
중국
중국의 석탄 매장량은 4조 톤이며, CBM 자원은 30∼
35조 m3로, 러시아, 캐나다 다음으로 세계 3위를 차지하
Fig. 7. Typical CBM production well in China.
Table 2. 중국 CUCBM과 외국 회사의 CBM 합작개발 현황
프로젝트 외국측 투자장소 투자면적
(km2)
CBM 부존량 (억 m3)
1 Texaco 淮北 2,662 60
2 PHILLIPS PETROLEUM 臨興 3,324 300
3 ARKE 三交
5,215 294
4 ARKE 三交北
5 ARKE 石樓
6 格瑞克 豐城 1,540 37.1
7 Lowell 柳林 198 30
8 Texaco 準格爾
6,897 1000
9 Texaco 神府
10 Texaco 保德
11 威振 橫山堡 1,708 23
자료출처 : 중국대체 에너지 발전현황 및 전망, 건흥리서치(2007.11) 고 있다. 중국은 1989년부터 CBM 탐사 및 개발을 위해 미국 기술을 도입 하였다.
중국정부는 1996년 China United CBM(CUCBM) 회 사를 설립하여 국내 CBM개발을 총괄토록 하고 있다.
2005년에는 산서성 Qinshui 탄전에서 미국의 Sanjuan 탄전보다 큰 대규모 CBM 부존량을 확인한 바 있다.
또한 CBM 개발을 위한 자체 기술과 자금력 부족을 보완하기 위해 2006년부터 외국자본의 합작개발 우대정 책을 실시하고 있으며 합작개발 현황은 Table 2와 같다.
몽골
몽골의 석탄자원은 약 223억 톤으로 국가에너지 소비 의 73%를 차지하는 주요 에너지원으로(EIA, 2007a), 2005 년에는 약 7.5 백만톤을 생산하였다. 석탄 생산시 폭발사
고가 보고되고 있어 몽골에서의 CBM 개발 가능성은 높 은 것으로 예상되나 아직까지 상업적 생산은 이루어지지 않고 있다.
2009년 한국가스공사는 몽골정부와 울란바토르 근교 에 있는 Nalaikh 탄전에서의 CBM 공동개발을 위한 협 약을 체결하고 CBM 탐사시추 작업을 수행하였다.
Fig. 8에 나온 바와 같이 동부 지역은 주로 갈탄이 분 포되어 있으나 서부 탄전은 주로 역청탄으로 되어 있어 동부 탄전지대 보다는 서부지역에 대한 CBM 탐사가 바 람직하다.
기타국가
호주의 석탄자원은 1조7000억 톤이며, CBM자원은 약 8∼14조 m3으로 예측된다. 호주 정부는 최근 10여 년간 호주의 동부 탄전지역에서 CBM 개발을 하고 있다. 인 도는 풍부한 CBM 자원을 보유하고 있으며, 2001년부터 7개의 CBM 탐사 구간을 선정한 후 개발을 진행 중이다.
러시아와 우크라이나의 CBM 자원은 매우 풍부하지만 러시아는 자금과 기술 부족으로 탐사작업이 미미하며, CBM 부존량 평가에만 치중하고 있으며, 우크라이나는 미국 석유회사의 기술과 자금을 빌려 CBM 개발을 시도 하고 있다.
국내 기술동향
국내에서는 2001년 석탄층 메탄가스의 개발 타당성 예 비조사를 시작으로 2005년부터 국내 무연탄에서의 CBM 개발 타당성 연구를 수행하였으나 상업적 개발이 가능한
Fig. 8. Mongolia’s Coal Basins (from Erdenetsogt et. al.).
Table 3. Results of gas content measurement (박석환, 2009)
sample # depth (m) total gas content (scf/ton) remarks
#1-7 596.7-597 0 도계 well #1
#1-8 601.0-601.3 0 도계 well #1
#2-6 979.0-979.3 4.20 도계 well #2
2-2 472.7 4.94 도계 coal mine
2-3 255.0 4.14 도계 coal mine
2-10 520.7 4.66 도계 coal mine
석탄층을 발견하지 못한 상태이다. 삼척탄전의 도계지역 무연탄에 대한 CBM 잠재력 평가를 위해 각각 630 m, 992 m의 2개 탐사시추를 수행하였다. 2개 시추공에서 채취한 3개의 석탄코아와 도계탄광 등 채탄 막장에서 채 취한 석탄시료 3개에 대한 가스함량 분석을 실시하였으 며 그 결과는 Table 3에 나와 있다. 시료분석 결과 메탄 가스 함량은 매우 적은 것으로 나타났으며 이는 복잡한 지질구조와 석탄생산시 사용되던 기존 석탄갱을 통한 가 스 유출이 그 원인으로 추정된다.
향후 전망
석탄층 메탄가스는 석탄이 부존되어 있는 곳이라면 어 느 곳이라도 개발 가능성이 있어 부존량이 풍부한 우리 나라 무연탄에서도 시도해 볼 가치가 있다. 다만 우리나 라 탄광은 이미 수많은 개발갱도가 설치되어 있어 흡착 되어 있던 메탄가스가 방출될 확률이 높아 기 개발된 탄 광에서 벗어난 지역에 대한 탐사가 중요하다.
CBM 개발은 기존의 천연가스 개발기술에 수력파쇄를 적용하고 대수층 수위를 적정하게 유지하면 비교적 생산 이 용이하기 때문에 해외에서의 CBM 개발 참여는 증가 될 것으로 예상된다. 현재 해외의 CBM 개발에 참여하 는 기업이 증가하는 추세로 미국, 호주, 인도네시아, 중 국에서의 CBM 개발을 고려해 볼 수 있다.
가스하이드레이트
전환기 청정 에너지원으로서 높은 잠재력을 가지고 있 는 가스하이드레이트(GH)는 상업적 개발기술이 미확보 상태임에도 불구하고, 우리나라에서 부존이 직접적으로 확인된 에너지원으로서 그 중요성이 부각되고 있다. 가 스하이드레이트의 개발 및 생산에 필요한 기술은 전 세 계적으로 연구개발 단계에 머물러 있으며 아직 상업적 목적의 산업화 단계까지 도달하지 못하고 있는 실정이 나, 일본 등의 선진국들은 가스하이드레이트 개발･생산
Fig. 9. Gas hydrate resource pyramid in-place resource distribution (USGS & NETL).
기술의 선점과 독점을 통해 미래 에너지자원의 확보에 있어서 주도권을 잡으려는 의지를 강하게 표출하고 있 다. 대부분의 석유․가스 자원을 해외에서 수입하는 우리 나라 상황에서 부존이 확인된 에너지원으로 각광받는 가 스하이드레이트의 개발을 통해 국내 에너지 자급률을 높 이는 일은 지속적인 국가산업발전과 국민경제에 매우 중 대한 문제라 할 수 있다.
기술개발 필요성 및 극복과제
Fig. 9는 전 세계적으로 부존하고 있는 육상 및 해상 등의 퇴적 위치와 사질/비사질(sandy/muddy) 등의 퇴적 층조성별 가스하이드레이트의 추정 부존량을 보여준다.
그림에서 보듯이 육상 및 사질 퇴적층이 현재 기술수준 및 개발상황을 고려할 때 개발 우선순위를 갖는다.
가스하이드레이트 개발의 단기적 상업화를 어렵게 만 드는 당면 문제는 첫째, 자연상태 가스하이드레이트 퇴 적층의 구조적 특성에 대한 충분한 지식 부족을 들 수 있다. 주로, 가스하이드레이트의 기원, 생성, 및 분포 정 보와 부존하는 퇴적층 특성화 기법 등이 이에 해당한다.
둘째, 생산과 직접 연관된 정보 및 기술 등으로, 가스하 이드레이트 해리 혹은 치환현상으로 발생하는 다상 유 동, 열전달(열역학), 해리의 동적 특성(kinetics) 이론모 형 및 실험자료 부족 문제이다. 마지막은 퇴적층 안정성 관련 문제로 생산에 따른 퇴적층의 골격구조 변화, 이에 따른 제반 물성의 동적 변화, 현장작업의 안정성, 친환경 문제까지 해결되어야 상업화 수준의 단계로 진입할 수
있다. 전술한 문제들은 생산 시 가스하이드레이트가 고 체에서 유체로의 상변화에 기인하는 복잡성으로 인해, 기존 석유가스 산업에서 체계적으로 개발된 기술들에 추 가적인 중장기 연구개발이 필요하다는 기술 장벽을 갖고 있다.
특히, 우리나라와 같은 해상 가스하이드레이트 자원의 경우, ① 심해저 천부 퇴적물인 관계로 생산에 따른 해리가 스의 누출을 방지할 수 있는 덮개암(Cap rock)역할의 지질 구조가 없으며, ② GH 생산이 비교적 용이한 사질(sand) 퇴적층이 풍부하지 않고, ③ 생산시 미고결(uncondolidated) 퇴적층 변형에서 발생할 수 있는 생산시설 안전 및 온실 가스 누출 등의 장단기적 안정성 문제가 육상 가스하이 드레이트 자원에 비해 더욱 심화되는 기술적 난제를 지 니고 있다. 해저 퇴적층에서의 가스하이드레이트 개발생 산 연구는 선진국에서도 최소 10년 이상의 중장기 목표 (일본 2018년, 미국 2025년 이후)하에 기초, 응용연구 및 현장자료 분석, 현장시추, 시험생산 등을 계획 및 수 행하고 있다.
그럼에도 불구하고, 일반 재래형 에너지원에 비해 지역 적 편재가 덜하며, 추정부존량 또한 막대하다는 점에 있어 서 신에너지 전환기 시대의 에너지원으로서 중요성이 부 각되고 있다. 특히, 현재까지 유일한 가스하이드레이트 현 장 생산사업이었던 2002 말릭(Malik) 프로젝트 및 2차 말 릭 프로젝트(2006-2008)에서는 감압법을 사용하여 실제 퇴적층의 가스하이드레이트 해리를 통한 단기 및 연속 가 스생산시험을 수행하였고, 상업적 단계와는 거리가 있으 나 천연 가스하이드레이트의 생산이 실질적으로 가능하다 는 것을 확인하였다. 말릭 프로젝트는 해상퇴적층에 비해 상대적으로 개발 난이도가 덜한 육상의 가스하이드레이트 를 대상으로 생산시험이 수행되었으나, 가스하이드레이트 가 많은 기술적 어려움에도 불구하고 현실적으로 생산될 수 있다는 가능성을 보여준 기념비적 시도라 할 수 있다.
해외 기술동향
국제적으로 가스하이드레이트 개발 사업들은 미국, 일 본, 캐나다, 중국, 인도, 러시아 등의 연구기관에서 실험 실 위주의 연구와 현장 시험생산 연구로 진행 중이다. 미 국은 정부주도의 MH연구개발로드맵(2006)을 작성하여 영구동토지역은 2015년, 심해지역은 2025년 상업생산 준 비를 목표로, 일본은 MH21(2001-2018년) 프로그램으로 2018년 상업생산 준비를 목표로 하여 관련 연구가 활발 히 진행 중이다(이성록, 2010).
미국의 경우, 전체 가스하이드레이트 개발 사업은 정 부주도하에, 육상시험생산에서는 BPXA(BP Exploration Alaska)와 공동으로 알라스카(ANS; Alaska North Slope)
Table 4. National Gas Hydrate Development Plan (이성록, 2010)
구 분 1단계 2단계 3단계
기간 2005～2007 2008～2011 2012～2014
예산(총 2,252억) 583억 889억 780억
사업내용
∙ 유망 지역(동해남부) 정밀조 사, 심부시추로 부존 확인
∙ 기초 생산기반기술 연구
∙ 동해울릉분지 종합정밀조사 및 심부 시추, 부존 평가
∙ 생산 기반기술 연구
∙ 생산모사실험시스템 구축
∙ 파일럿 생산 시설 구축 착수
∙ 생산 시험정 시추 및 시추 자 료 분석
∙ 시험생산 및 최적 생산기법 도출
프로젝트에서 수행해왔으며, 해상에서는 Chevron을 주 축으로 JIP(joint industry project)를 구성하여 멕시코만 (GOM; Gulf of Mexico)에서 가스하이드레이트와 관련 된 프로젝트를 수행하고 있다. 그러나 올해 4월 BP사의 멕시코만 원유누출사고로 인해 사업진행이 지연되고 있 는 상황이다.
미국의 육상 가스하이드레이트 사업의 목표는 크게 ‘ANS 에서 가스하이드레이트 자원의 구체화’와 ‘현장 및 실험 실 연구를 통한 동토지역 부존 가스하이드레이트의 에너 지원으로서 가능성 여부 결정’이라는 두 가지이며, 이 사 업은 BPXA, Chevron, ExxonMobile 등 광권 소유자의 탐사자료 제공 및 현물지원을 통하여 수행하고 있다. 미 국 지질조사소(USGS)는 ANS에서 천연가스 원시매장 량을 약 590 TCF으로 평가한 바 있고, 이중 가스하이드 레이트 추정매장량은 Eileen Trend에서 약 40 TCF, Tarn Trend에서 약 60 TCF로 추정하고 있다.
미국의 GOM에서 진행하고 있는 해상 프로젝트의 경 우, Chevron사 주관으로 JIP 형태로 수행되고 있다. 이 사업목표는 ① 심해저 GOM의 가스하이드레이트 특성화 를 위한 기술 개발 및 데이터 제공, ② 해저면 안정성, 기 후 변화 연구에 대한 인자 도출, ③ 천해 오일/가스 저류 층에 인접한 가스하이드레이트 메카니즘 평가로 사업초 기에는 기존 에너지 개발을 위한 자료 제공이고 향후엔 에너지원으로서 개발의지를 담고 있다. 현재 2001년부터 2012년까지 4단계 프로젝트를 수행하고 있고, 이전 연구 를 바탕으로 한 시추코어링을 2012년에 계획 중이다.
일본은 국가주도의 MH21 사업을 수행 중이며 최근 해리나 유동특성, 생산기법 등에 대한 기초 연구단계인 1단계의 최종시한을 기존의 2006년에서 2008년으로 2 년 연장하였다. 생산 관련 연구는 주로 일본산업기술종 합연구소(AIST)를 주축으로 일부기업과 동경대 등의 대 학에서 수행하고 있다. AIST 연구팀은 실험실 규모의 인공 및 천연 가스하이드레이트 퇴적층 물성 및 유동특 성 연구를 담당하고 있으며 전산모형연구는 동경대를 주 축으로 수행하고 있다. 생산기법과 관련해서는 AIST에
서 실험실 규모로 기 제안된 기법의 회수율 평가실험 등 이 수행되며, 기업에서는 새로운 생산기술의 적용 가능 성 연구가 진행 중인 것으로 알려져 있다. 일본은 2018 년 이후 일본 난카이해구(Nankai Trough)에서 상업생산 준비를 위하여 국내연구개발은 물론, 해상 시험생산에 앞서 미국, 캐나다 등과 주도한(5개국 10개 기관) 말릭 2002 프로젝트를 수행하였고 또한 캐나다와 독자적으로 말릭 2008 시험생산 프로젝트를 수행하는 등 가스하이 드레이트 개발에 적극적으로 나서고 있다.
미국과 일본의 생산기술개발의 특징은 실험실 규모 물 성과 생산기법 실험은 물론 가스하이드레이트 전산모형 (TOUGH-FX/Hydrate, MH-21 HYDRATES, STOMP-HYD 등) 개발 및 현장 적용성 검토를 통한 수정 보완 연구가 시추계획과 병행하여 수행중이라는 점을 들 수 있다. 또 한 전술한 바와 같이 기술적 난제가 훨씬 덜한 육상 가 스하이드레이트 퇴적층 연구를 통해 최종적으로 심해 가 스하이드레이트 퇴적층 개발로 나아가려는 전략적 특징 을 지니고 있다.
국내 기술동향
2000년대 들어 한국지질자원연구원, 한국석유공사, 한 국가스공사의 기초 탐사 및 협동연구를 통해 동해의 가스 하이드레이트 부존 가능성을 확인한 정부에서는 중장기 기본계획에 따라 2005년 한국지질자원연구원에 ‘가스하 이드레이트 사업단’을 발족시켜 가스하이드레이트 자원 개발을 위한 10개년 3단계의 국가연구개발사업을 착수하 였다. 가스하이드레이트 사업단은 청정 비재래 에너지원 인 가스하이드레이트를 국내에서 개발하기 위한 탐사, 분 석, 생산기술개발 연구 등을 추진하는 전담조직이다.
가스하이드레이트 사업단에 따르면, 1단계(2005∼2007 년)는 동해지역 2D 및 3D 탐사작업과 시추를 통해 가스 하이드레이트 부존을 확인하고, 생산기술연구의 기반을 확충한다는 목표로 수행되었다. 특히, 2007년 1차 현장 시추 탐사에서 가스하이드레이트 실물 채취에 성공함으 로써 미국, 일본, 인도, 중국에 이어 세계에서 5번째로 심
허 대 기
1977년 8월 서울대학교 자원공학과 학사 1981년 12월 Petroleum Engineering,
University of Southern California, 석사
1986년 5월 Petroleum Engineering, University of Southern California, 박사
현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 책임연구원 (E-mail; [email protected])
이 재 형
현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 선임연구원 (本 學會誌 第46卷 第1号 參照)
해저 가스하이드레이트 부존을 확인하였다. 2단계(2008
∼2011년)에서는 1단계 연구결과를 바탕으로, 동해 현장 에 적합한 가스하이드레이트 생산기술 개발과 시험생산 후보지역 선정에 역점을 두어 진행 중이다. 특히, 올해 수행된 2차 현장 시추 사업은 가스하이드레이트 생산가 능성이 상대적으로 높은 가스하이드레이트 함유 사질 퇴 적층의 발견을 위해 노력하였으며 취득자료 및 시료 분 석 작업을 수행 중이다. 3단계(2012∼2014년)는 선정된 시험 생산지역의 정밀 탐사 및 시추 통해 대상 가스하이 드레이트 퇴적층을 특성화하고, 시험생산 결과를 바탕으 로 해당구조에 적합한 생산기법을 도출하여 최종 생산 공정을 확립하는 것을 목표로 하고 있다.
향후 전망
우리나라와 같이 육상퇴적층이 아닌 심해저에서의 가 스하이드레이트 퇴적층은 암석이 아닌 토양 같은 미고결 퇴적층으로 생산 시 변형가능성이 높고, 누출방지 덮개암 부재 등 지질학적 조건이 열악하여 생산시 안정성 유지 및 가스누출 방지 등 기술적 문제가 많아 상업적 생산에 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하기 위한 방안은 현재 대 부분의 연구가 수행되고 있는 실험실 수준 연구 결과의 현장 적용을 추진하는 일이다. 현장 적용의 경우, 생산기 법의 개발뿐만 아니라, 시험생산 과정에서 필요한 모든 공정의 시행착오를 경험할 수 있는 필수적인 과정이다.
지금까지의 현장적용 연구는 가스하이드레이트 시험생 산이 수행된 말릭의 육상시험이 유일하다. 우리나라가 참 여 예정이었던 2010년의 알래스카 육상사업 및 2012년의 멕시코만 현장사업 등은 올해 발생한 멕시코만 원유 누출 사태로 인하여 사업추진이 지연되고 있다. 향후 국제 가스 하이드레이트 개발사업에 참여하여 해상 가스하이드레이 트 시험생산 관련 기술을 조기에 확보하는 것이 필요하다.
결 론
석유자원 개발과 관련된 최근의 화두는 자원고갈과 환
경위기 2가지로 요약될 수 있다. 석유자원은 금세기 내 에 고갈될 상황에 처해 있으며, 기후변화에 대한 전지구 적 관심사는 온실가스 주범인 화석연료 사용을 제한하는 방향으로 정책이 변화될 것으로 예상된다.
재래석유자원의 고갈이 진행되면 비재래 석유자원이 상 당기간 그 격차를 메워줄 것으로 예상되며 차세대 에너지 시대로 전환된다 하더라도 석유자원의 유용성은 사라지 지 않을 것이다. 따라서 해외 석유개발에 참여하는 기업 은 점차 비재래 석유자원의 참여를 증대시키는 동시에 환 경친화적인 석유개발기술 확보에 관심을 기울여야 한다.
특히 메이저 석유회사들이 가장 큰 관심을 보이는 오일샌 드와 Shale Gas에 대한 참여를 적극 추진하는 것이 필요 하며 이를 뒷받침할 기술개발연구가 선행되어야 한다.
참고문헌
박석환, 2009, “삼척탄전 도계지역 석탄층의 메탄가스함유 능력,” 지질학회지, 제45권 3호, pp. 249-259.
신현돈, 2007, 오일샌드 개발생산을 위한 지하회수법 및 사 업의 경제성, 석유, 23, pp. 99-122.
이성록, “가스하이드레이트 국내외 기술동향 및 전망,” 가스 연맹, 10월호, 2010.
Alberta Energy and Utilities Board (AEUB), 2007, Alberta’s Energy Reserves 2006 and Supply/Demand Outlook 2007- 2016, ST98-2007.
Batycky, J., 1997, “An Assessment of In Situ Oil Sands Recovery Processes,” Journal of Can. Pet. Tech., Vol. 36, No. 9, pp. 15-19.
Erdenetsogt, B., Lee I., Bat-Erdene, D., and Jargal, L, 2009,
“Mongolian coal-bearing basins: geological setting, coal characteristics, distribution and resources,” International Journal of Coal Geology, Vol. 80, pp. 87-104.
Shin, H, Experimental and Numerical Investigation of the Fast-SAGD, PhD thesis, UniversityofAlberta, Edmonton, Alberta, Canada, 2006
http://www.neb-one.gc.ca/clf-nsi/index.html
