Petroleum Geology of the Timan-Pechora Basin in Russia

전체 글

(1)한국지구시스템공학회지. Vol. 44, No. 4 (2007) pp. 342-356 해. 설. 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질 1). 2). 고재홍 * ․ 이은영. Petroleum Geology of the Timan-Pechora Basin in Russia Jaehong Ko* and Eun Young Lhee Abstract : The Timan-Pechora Basin in northwestern Arctic Russia contains about 20 BBOE recoverable reserves, which has been ranked 22nd according to the U.S. Geological Survey among 937 petroliferous sedimentary basins of the world other than those of the U.S. The major fields include Vuktyl, Usa, Vozey, Yarega, Kharyaga, and Toravey. The reserves consist of 66% oil, 30% gas, and 4% condensate, of which less than 8% of the initial oil and 15% of gas has been produced due to harsh environment and heavy nature of oil as of 1994. The basin was shelf areas of passive continental margin of the East European craton since Precambrian to Paleozoic that experienced recurrent subsidences and uplifts. The area was subjected to the Hercynian orogeny in Upper Permian forming foredeeps in front of the Uralian thrust-fold belts. The stratigraphy is dominated by Paleozoic platform and shelf edge carbonates succeeded by Upper Permian to Triassic molasse siliciclastics. The petroleum system consists of the Upper Devonian Domanik Formation as the source rock that served for Volga-Ural and North Caspian regions as well, and Paleozoic reservoirs and seals. The Domanik Formation is organic rich (total organic carbon up to 30%), black, siliceous shales and limestones containing Type II Kerogen. The major reservoirs are Middle and Upper Devonian sandstones and Lower Permian carbonates whose porosity and permeability average 16% and 154 md, and 13% and 208 md, respectively. Seals include marine shales of variable ages, Permian evaporites, and post-orogenic fine-grained siliciclastics. Major hydrocarbon accumulations occurred in structural traps, while sandstone pinchouts, carbonate buildups, and karst emerge as important stratigraphic traps. Key words : Timan-Pechora basin, Arctic Russia, Domanik-Paleozoic petroleum system 요 약 : 러시아 북극해 연안의 티만-페초라 분지는 미국 지질조사소에 의하면 200억 배럴에 달하는 가채 매장량을 부존하고 있으며, 이는 미국을 제외한 전세계 937개 분지 중 매장량 규모로 서열 22위이다. 대표적인 유전으로 뷱틸, 우사, 보제이, 야레가, 하랴가, 토라베이 등이 있다. 매장량은 석유 66%, 가스 30%, 콘덴세이트 4%로 구성되 는데, 가혹한 기후 조건과 무거운 유질 때문에 1994년 기준 석유는 초기 매장량의 8%, 가스는 15% 정도만이 생산되었다. 분지는 선캄브리아기에서 고생대 동안 침강과 융기를 반복한 유럽 육괴의 비활성 대륙 주변부의 비교적 안정된 대지 지역이다. 분지는 페름기 후기에 헤르시니안 조산 운동으로 우랄 충상 단층-습곡대 전단에 형성된 전면분지를 포함한다. 층서는 고생대의 대지와 대륙붕단에서 퇴적된 탄산염암이 주를 이루며, 페름기 후 기~트라이아스기 몰라세 쇄설암으로 이어진다. 티만-페초라 분지의 석유시스템은 근원암을 형성하는 데본기 후 기 도마닉 층과 저류암과 덮개암은 고생대층으로 구성된다. 도마닉 층은 볼가-우랄, 북 카스피해 지역에서도 주요 근원암이며, 유기물이 풍부하고, Type II 케로겐을 포함하는 흑색 규질과 석회질 셰일이다. 주요 저류암들은 데본 기 중/후기 사암과 페름기 전기 탄산염암이고, 공극율과 투과도는 각각 16%, 154 md와 13%, 208 md 이다. 덮개암 은 다양한 시대의 해성 셰일들과 페름기 증발암, 조산운동 후기의 세립질 쇄설암들을 포함한다. 티만-페초라 분지 의 대부분의 탄화수소 집적은 구조 트랩에서 일어나지만, 층서 소멸, 산호초, 카르스트 등도 주요 트랩 기구로 부각되고 있다. 주요어 : 티만-페초라 분지, 러시아 극지, 도마닉-고생대 석유시스템. 2007년 8월 2일 접수, 2007년 8월 27일 채택 1) 한국지질자원연구원, 석유해저자원연구부 2) 과학기술연합대학원대학교, 석유자원공학과 *Corresponding Author(고재홍) E-mail; [email protected] Address; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Gwahang-no 92, Yuseong-gu, Daejeon, 305-350, Korea. 342.

(2) 343. 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. 서. 론. 러시아 북극해 연안의 티만-페초라(Timan-Pechora) 분 지는 미국 지질조사소(USGS)에 의하면 200억 배럴에 달 하는 가채 매장량을 부존하고 있으며, 이는 미국을 제외 한 전세계 937개 분지중 매장량 규모 서열 22위로 개발･ 생산 여건이 비교적 양호한 지역이다(Lindquist, 1999). 최근 국내 기업들이 분지내 코미 공화국(Komi Republic) 소재 소스노고르스크(Sosnogorsk), 체드티(Chedty) 유전 등의 개발에 참여하여 관심이 높아지고 있어 분지의 형 성, 발달, 퇴적 층서, 함유 구조, 유기지화학 등에 대한. 종합적인 고찰이 필요한 시점이다. 본 논문은 한국지질 자원연구원이 수집, 소장하고 있는 문헌 및 정보 자료를 참고하여 작성되었으며, 본문에서 필요한 경우 외에는 따로 인용하지 않고 참고문헌에 포함하였다. 연구 결과 는 티만-페초라 분지의 석유시스템에 대한 이해를 제고 하고, 바렌츠해 등 인접 북극해 및 연안의 유망 퇴적분지 에서의 탐사 및 개발 사업에도 참고할 수 있을 것이다.. 지리 및 지형 티만-페초라 분지는 북위 61°-72°, 동경 44°-66°에 위치. Fig. 1. Location map for the Timan-Pechora Basin and major tectonic units (After Lindquist, 1999).. 제44권 제4호.

(3) 344. 고재홍 ․ 이은영. 하여 코미 공화국과 네네츠 자치구(Nenets Autonomous Okrug) 경내에 있으며, 동쪽으로는 우랄 산맥, 서쪽으로 는 티만 융기대(Timan Ridge), 북쪽으로는 바렌츠해의 남 바렌츠 분지와 경계한다(Fig. 1). 분지는 육상과 해상 에 걸쳐 있는데 전체 면적은 446,800 km2이며 이중 육 상 면적은 314,100 km2로 70%를 차지하고 나머지 해상 2 면적은 131,700 km 이다. 분지는 대부분 해발 200 m 이 하의 구릉성 평야지대이나 동쪽 우랄산맥 인접지역에는 1,800 m가 넘는 고산도 있다. 기후는 매우 한랭하고 긴 겨울과 짧고 서늘한 여름을 가지는 대륙기후로 1월 평. 균기온이 -20℃, 7월 평균기온이 10℃ 정도이다(인터넷, http://en.wikipedia.org). 북쪽으로는 넓게 습지가 분포하 는 툰드라이며, 남쪽으로는 대부분 침엽수림대인 타이가 이다. 주민은 백여 종족으로 구성된 120여만명으로, 주 요 민족은 러시아인 60%, 코미족 25% 등이다. 지역에는 석유･천연가스･석탄･목재 등의 자원이 풍부하여 연료 및 원자재 생산부문이 총생산(GNP)의 80%이상을 차지하 며, 주요 공업은 제재･식품공업 등이다. 주요 도시로는 식티프카르(Syktyvkar) ･인타(Inta)･페초라･소스노고르 스크･우흐타(Ukhta)･보르쿠타(Vorkuta) 등이 있으며, 교. Fig. 2. Oil and gas fields in the Timan-Pechora Basin (Source: Blackbourn Geoconsulting http://www.blackbourn.co.uk/databases/hydrocarbon/timanpechora.html).. 한국지구시스템공학회지.

(4) 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. 통은 페초라강･비체그다(Vychegda)강의 수운과 코틀라 스(Kotlas) 항에서 보르쿠타까지 연결하는 철도가 있다 (인터넷 네이버 백과사전, http://100.naver.com).. 탐사연혁 티만-페초라 분지는 러시아에서 가장 오래된 석유가 ․ 스 생산 역사(>75년)를 가진 분지 중의 하나이다. 분지 에서의 석유 부존은 16세기에 침윤(seepage) 유징으로 알려져 이미 1745년에 원시적인 방법으로 생산, 정제되 어 사용되었다. 1930년대 우흐타 부근 여러 곳에서 상업 성 있는 석유가 발견되어 본격적인 탐사가 시작되었으 며, 코미 공화국에서 집중되었던 탐사･시추는 1960년대 이후 네네츠, 1980년대 이후에는 해상으로 확대되어 총 257개의 석유가스전이 발견되었다(Petroconsultants, 1996; cited in Lindquist, 1999). 총 가채 매장량은 ~200억 배 럴로 추정되며, 석유 66%, 가스 30%, 콘덴세이트 4%로 구성되는데, 대부분은 우사(Usa), 보제이(Vozey), 야레가 (Yarega), 하랴가(Kharyaga), 토라베이(Toravey) 등 몇 개 의 대형 석유가스전에 집중 분포한다(Fig. 2). 가스의 경 우 70년대에는 현재 고갈 단계에 들어선 뷱틸(Vuktyl) 가 스전 등에서 구소련 전체 가스 생산의 6.4%를 차지할 만 큼 활발한 개발이 이루어 졌으나, 석유의 경우 가혹한 기 후 조건과 파라핀기의 무거운 유질, 볼가-우랄 및 서 시베 리아 석유지대에 개발우선순위에 밀려 1994년 기준 원래 발견량의 8% 정도만이 생산되었다(Sager, 1994). 개방 후에도 텍사코(Texaco)를 비롯한 서방 석유 메이저들과 합작이 이루어졌으나, 러시아 특유의 문화 및 정치･정책 특성으로 현재까지도 개발이 매우 부진한 편이다.. 345. 지(platform)를 구성하였다. 고생대 후기에 우랄해가 닫 히면서 유럽 육괴와 시베리아 육괴가 충돌하여 우랄 구 조대가 형성되고 전진하는 충상단층 블록(thrust block) 에 의한 하중으로 전면분지(foredeep)가 발달하였다. 티만-페초라 분지의 구조 구분은 퇴적 층서, 구조 등 지 질적 특성에 따라 대지에 속하는 이즈마(Izhma)-페초라, 페 초라-콜바, 코레이-베르(Khorey-Ver), 바란데이-아드즈바 지역과 전면분지에 속하는 페초라 상부(Upper Pechora), 볼쉐시나(Bolshesyna), 코슈-로고바야(Kosyu-Rogovaya), 코로타이카(Korotaikha) 곡분(trough)으로 나뉜다(Fig. 1). 이즈마-페초라 지역은 티만 융기대와 페초라-콜바 퇴 행성 열개분지 사이에 동서 200 km, 남북 800 km 연장 하는 소분지(Depression)로, 두께 1~4.5 km의 오르도비 스기~페름기 층과 얇은 중생대 층으로 구성된다. 페초라-콜바 지역은 폭 60~120 km, 연장 700 km의 지구･지루 구조 지대로 고생대 이후 퇴적층의 두께가 3~8 km에 달하는 페초라-코즈바(Kozhva) 및 콜바 융기. 조구조 티만-페초라 분지는 선캄브리아기~고생대 동안 유럽 육괴의 비활성 대륙 주변부(passive continental margin) 지역으로, 열개 기원의 지구･지루 구조 혹은 퇴행성 열개 분지(aulacogen)와 융기대가 시원대~원생대 변성암으로 이루어진 기반암의 지형을 형성한다(Fig. 3). 기반암은 선 캄브리아기 동안 단층 활동과 구조 역전을 수반한 수차례 에 걸친 조구조 운동으로 융기와 침강을 반복하였으며, 현재는 융기부를 형성하는 티만, 페초라-콜바(Kolva) 및 바란데이-아드즈바(Varandey-Adzva) 지역에 매우 두꺼 운 리페안~벤디안(Riphean~Vendian) 층이 고생대 층 하 부를 채운다(Fig. 4). 선캄브리아기의 마지막 구조 운동 인 바이칼 구조 운동(Baikal Orogeny) 이후 대부분 고생 대 기간 동안 분지는 비활성 대륙 주변부에서 안정된 대. Fig. 3. Structure map of pre-Paleozoic basement of the Timan-Pechora Basin (After Dedeev et al., 1994). 1=prePaleozoic basement exposed at surface; 2=structure contours, km; 3=faults; 4=eastern limit of the Timan-Pechora Basin beneath frontal thrusts of Northern Ural and Pay-Khoy thrust belts.. 제44권 제4호.

(5) 346. 고재홍 ․ 이은영. 부(Swell)와 데니소브(Denisov) 저지대로 구성된다. 페 초라-코즈바 융기부는 폭 30~40 km, 연장 400 km이며, 퇴적층의 두께는 북쪽 4~5 km에서 남쪽 8~9 km로 증가 하는데 다수의 배사 구조가 존재한다. 데니소브 저지대 는 폭 80 km, 연장 350 km, 퇴적층의 두께 5~7.5 km이 며, 지역적으로 고지대를 형성하고 있는 샤프키노-유랴 카(Shapkino-Yuryakha) 및 라야(Laya) 구조를 따라서 석 유가 부존한다. 콜바 융기부는 폭 30~35 km, 연장 350 km이며 안행(en echelon)으로 분포하는 아치(arch) 구조 를 따라서 야레유(Yareyu), 하랴가, 보제이, 우사 등 대 규모 유전들이 밀집해 있다. 코레이-베르 지역은 폭 140 km, 연장 230 km의 볼쉐 제멜 융기대(Bolshezemelskaya Arch)에 위치하는 소분 지로 퇴적층의 두께는 4~7 km이다. 바란데이-아드즈바 지역은 소로킨(Sorokin) 및 감버트세 브(Gamburtsev) 융기부를 포함하며 페초라-콜바 지역과 비. 슷한 지구지루 ․ 구조 지대로 퇴적층의 두께는 5~7 km이다. 우랄 전면분지는 유럽 육괴 동단의 대지와 우랄 습곡 대 사이에 위치하는데, 대륙붕단 또는 사면이었던 지역 으로 두께가 10 km 이상에 달하는 고생대 이후 퇴적층 이 페름기 전기 말 우랄 구조 운동으로 충상단층과 습곡 에 의한 변형을 받았다.. 층. 서. 티만-페초라 분지의 현생누대(Phanerozoic eon) 층서 는 크게 네 구분으로 구성된다: 오르도비스기~데본기 전 기, 데본기 중기~트라이아스기, 쥐라기 중기~백악기 전 기, 신생대(Fig. 5). 오르도비스기~데본기 전기는 티만페초라 분지의 재활성화로 형성된 지구에 2.5 km 두께 의 탄산염암과 쇄설암이 퇴적되었다. 데본기 중기~트라이 아스기는 가장 중요한 퇴적시기로 분지의 ~2/3를 충진하. Fig. 4. Schematic cross-section along line I-II in the Timan-Pechora Basin (After Clarke, 1994). See Figure 3 for position. A=top of Paleozoics; I=top of Lower Permian carbonates; II-III=base of Lower Carboniferous; IIId=base of Domanik sediment; MZ=Mesozoic; P2=Upper Permian; P1=Lower Permian; C=Carboniferous; D=Devonian; S=Silurian; O=Ordovician; C=Cambrian; V=Vendian; R=Riphean; PR=Proterozoic; AR=Archean; Th=Timan high; IPd=Izhma-Pechora depression; PKa=Pechor-Kolva aulacogen; Ba=Bolshezemelskaya Arch; ChR=Chernishov Swell; Sis-U=Sis-Ural pericratonic areas of subsidence; FU=Ural foldbelt; Pec=Pechora River; 1=Koynas; 2=Nizev; 3=Verkhnelodmin; 4=Bagan field.. 한국지구시스템공학회지.

(6) 347. 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. 전기에는 쇄설암이 증발암-쇄설암-탄산염암으로 변한다. 오르도비스기~데본기 전기 층은 코레이-베르 지역에서 양 호한 저류암을 형성하며, 특히 바란데이-아드즈바 지역의 감버트세브 융기부에서는 95%의 석유가 여기서 발견된다.. Fig. 5. General lithostratigraphy of the Timan-Pechora Basin (After Lapointe, 2002).. 는데, 데본기에는 구조역전에 의한 융기로 광역적 삭박 이후 쇄설암과 주요 근원암을 형성하는 도마닉(Domanik) 층이 퇴적되었으며, 석탄기에는 탄산염암, 페름기 이후 에는 우랄 구조 운동으로 동쪽으로부터 유입되는 쇄설암 위주 퇴적이 일어났다. 쥐라기~백악기에는 쥐라기 중기 의 광역 부정합면 위로 1.5 km 두께의 육성 및 천해성 쇄설암이 퇴적되었으며, 신생대에는 350 m 두께의 연안 및 빙하 상(facies) 쇄설암이 퇴적되었다. 오르도비스기~데본기 전기 원생대 말 바이칼 구조운동 이후 티만-페초라 지역은 육 괴가 서-남서, 우랄해가 동-북동 방향으로 위치하는 비활 성 대륙 주변부로 초기에는 쇄설암이 주로 퇴적되었으나 차츰 탄산염암이 우세해진다. 퇴적상은 오르도비스기에는 서에서 동으로 증발암-탄산염암이 증발암-백운암, 실루리 아기 하부는 증발암-쇄설암-백운암이 석회암-백운암, 실루 리아기 상부는 탄산염암-쇄설암이 석회암-백운암, 데본기. 데본기 중기~트라이아스기 데본기 중기 광역적 삭박 이후 쇄설암과 도마닉 층이 200~500 m 의 두께로 퇴적되는데, 페초라-콜바에서는 1,800 m에 달하며 볼쉐제멜 융기대인 코레이-베르 지역 에서는 결층된다. 데본기 중기 층은 동 티만 융기부(East Timan Swell)의 야레가, 치뷰(Chibyu) 유전, 이즈마-페 초라 지역의 남부(West Tebuk, Michayu, Dzhebol), 페 초라-콜바 지역의 콜바 융기부(Usa, Vozey, Kharyaga) 에서 주요 저류층을 형성한다. 데본기 후기에는 대륙붕(carbonate bank) 및 보초(barrier reef) 퇴적상의 탄산염암이 주로 퇴적되었으며, 산호초 전면(forereef)에서는 도마닉 유형으로 분류되는 역청질 석회암, 이회석(marl), 흑색 셰일, 규질암이 퇴적되었다. 산호초, 화석 밀집층(bioherm), 어란상(oolitic) 석회암 등 이 주요 저류층을 형성한다. 석탄기~페름기 전기에는 수차례에 걸친 해침과 해퇴 로 근해 쇄설암, 탄산염암, 증발암 등의 다양한 퇴적상이 1.0~1.5 km의 두께로 쌓였다(Fig. 6). 분지 내 매장된 석 유 50%, 가스 30%가 이 층에 분포하며, 우사와 뷱틸 (Vuktyl) 유전이 대표적인 대규모 유전으로 꼽힌다. 페름기 전기로 들어서면서 우랄 구조 운동의 영향으로 분지 는 서부 대지와 동부 곡분으로 구분되고 대지에서는 탄산염암 의 퇴적이 지속되나 곡분에서는 퇴적 양상이 플리쉬(flysh) 및 몰라세(molasse)로 바뀌어 3~4 km 두께가 퇴적된다. 트라이아스기에는 우랄 조산대로부터 유입된 육상 기 원의 쇄설성 퇴적물이 고생대층들 위로 부정합으로 쌓이 며, 두께가 남쪽에서 북쪽으로 증가하는데 코로타이카 곡분에서는 4 km에 달한다. 쥐라기~ 쥐라기 이후에는 쇄설성 퇴적물이 연안으로부터 남 바 렌츠해 방향으로 천해 퇴적상을 형성하며 두께도 해상으 로 증가한다. 백악기 후기~신생대 층은 대부분 결층되 고, 플라이오세에 이르러 현재와 비슷한 환경의 빙하 및 늪지(swamp) 퇴적상이 나타난다.. 석유지질 티만-페초라 분지의 석유시스템은 도마닉-고생대층으 로 구성된다(Fig. 7). 근원암을 형성하는 데본기 도마닉 제44권 제4호.

(7) 348. 고재홍 ․ 이은영. Fig. 6. Facies distribution of Carboniferous-Lower Permian rocks in the Timan-Pechora Basin (After Zhemchugova and Schamel, 1994). A. Upper Visean, B. Serpukhovian, C. Middle Carboniferous, D. Upper Carboniferous, E. Asselian-Sakmarian, F. Artinskian. 1=margins of deposit outcrops, 2=absence of deposits, 3=margins of facies zones, 4=isopachs, 5=margins of carbonate build-ups, 6-14=facies zones; 6-11=shallow shelf: 6=shelf plateaus or plains, 7=depressions within the shelf, 8=shoals and barriers on the shelf, 9=nearshore shoals, 10=gulfs, 11=lagoons; 12-13=deep-shelf: 12=deepwater depressions with condensed sedimentation, 13=deepwater depressions with clastic sedimentation; 14=land.. 한국지구시스템공학회지.

(8) 349. 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. Fig. 7. Total petroleum system events chart of the Timan-Pechora Basin (After Lindquist, 1999).. 층은 고생대 동안 유럽 육괴 동남단 대륙 주변부를 형성 했던 볼가-우랄, 북 카스피해 분지 등에서도 주요 근원암 이다. 저류암과 덮개암은 고생대 대륙 주변부의 연안 및 비교적 얕은 바다에서 퇴적된 쇄설암과 탄산염암, 증발 암 등이 형성하고 있다. 석유･가스의 분포는 공간적 경 향성을 띄는데 석유는 서부의 비교적 안정적인 대지, 가 스는 동부의 우랄 전면분지에서 주로 발견된다. 석유는 경질, 저유황, 저수지의 파라핀족으로부터 중질, 고유황, 점성질의 나프텐-방향족까지 다양한 성분을 보이는데, 하부 층에서는 경질유가 주성분을 구성하고 층서 상부로 가면서 비중이 높아지고 아스팔트분, 수지 및 잔여물 함 량이 증가한다. 근원암 도마닉 층은 대륙붕내 열곡(intrashelf rift valley) 또는 대륙붕단 너머 보초 전면의 심해에서 퇴적된 흑색 규질 또는 석회질 셰일로 두께는 수 10~500 m이다. 유기물 함 량은 1~30%(평균 ~5%)이며 유형은 부니질(sapropelic) 의 Type I, II이다. 수소지수(Hydrogen index)는 500~700 mg/gC이며 석유생성 경향(oil-prone)을 띤다. 도마닉 층 은 이즈마-페초라 지역의 북부 및 코레이-베르 지역 등 의 대지에는 분포하지 않으며, 적절한 두께와 성숙도에 도달한 지역에서는 대부분 석유가 부존한다. 도마닉 층 상부의 자중암(overburden)의 두께는 2~8 km이며, 대체적으로 동쪽 우랄 방향으로 증가하는데 페 초라-콜바 등 지역적 구조로 인하여 경향이 불규칙해진 다. 현재 지온구배는 19~35℃/km이며 과거에는 훨씬 높 은 구배를 보였을 것으로 추정되는데, 동 티만 융기부,. 페초라-콜바 지구대, 코슈-로고바야 및 코로타이카 전면 분지 등에서 비교적 높은 지온구배를 보인다. 도마닉 층 은 분지 대부분의 지역에서 높은 유기물 성숙도를 나타 내는데, 탄화수소 생성 시기는 지역에 따라 차이를 보인 다(Fig. 8). 페초라-콜바 지역 및 우랄 전면분지 등 깊은 매몰이 일어났던 지역에서는 페름기 초 또는 석탄기에 석유 생성 단계, 페름기 말~트라이아스기 초에 가스 생 성 단계에 도달했으나, 이즈마-페초라 지역 등 안정된 대 지에서는 쥐라기 초에도 석유 생성이 시작되지 않았으며 가스 생성 단계에는 도달하지 못했던 것으로 보인다. 도마닉 층에서 생성된 석유는 다음과 같은 특성을 보인다: Pristane/phytane>1 and <2, smooth n-alkane distribution with a maximum at C11-C15, Saturates/aromatics 13 < or =1, Abundant C28+, δ C saturates and aromatics≒ -29, Sulfur content=1~4.5 wt%, Normal to low tricyclics with C24>C26, C29 hopanes < or =C30 hopanes, Generated at conditions less than peak oil for typical type II kerogens(Abrams et al., 1999). 도마닉 층 외에 아드즈바-바란데이 및 코슈-로고바야 동부 지역에 실루리아기~오르도비스기 근원암, 바렌츠 해에 트라이아스기~쥐라기 근원암이 존재하는 것으로 추정된다. 실루리아기~오르도비스기 근원암은 유기물 함 량 0.5~1.5 wt%, 수소지수 302~457 mg/g, 유기물 유형 Type I, II이며, 여기에서 생성된 석유는 다음과 같은 특성을 보인다: Pristane/phytane=1, sawtooth n-alkane distribution with a predominance up to C19, odd preference, and a maximum near C15, δ13C saturates and aromatics=-31, hopanes C29>C30, high tricyclics (Requejo 제44권 제4호.

(9) 350. 고재홍 ․ 이은영. Fig. 8. Burial history charts for several tectonic units in the Timan-Pechora Basin (After Lindquist, 1999; cited from Pairazian, 1993). A. Izhma-pechora depression, B. Malaya Zemlya monocline, C. Pechora-Kolva aulacogen, D. Khoreyver depression, E. Varandey-Adzva zone, F. Uralian foredeep. Note that maturation ages are earlier than those generally accepted.. et al., 1995; Abrams et al., 1999). 바렌츠 해의 중생대 근원암으로부터 생성된 석유는 북부 해상에서 일부 혼합 되어 분포하며 다양한 지화학적 및 동위원소 특성을 보 인다. 저류암 티만-페초라 분지의 저류암은 오르도비스기 후기로부 터 트라이아스기 층을 망라하는데, 데본기 중/후기 쇄설 암과 페름기 전기 탄산염암이 주요 저류암을 형성한다 (Fig. 7). 한국지구시스템공학회지. 오르도비스기 기저 쇄설암은 페초라 상부 및 코슈-로 고바야 전면분지 등의 심부에 분포하는데 본격적인 시추 목표로서의 탐사는 이루어지지 않고 있다. 오르도비스 기~데본기 전기 저류암은 대부분 탄산염암으로 저류층 준의 두께가 10~30 m이며 코레이-베르, 아드즈바-바란 데이, 코슈-로고바야 지역에서 트랩을 형성한다. 데본기 중기 저류암은 서쪽 기원지를 갖는 사암으로 페초라 상부 전면분지와 페초라-콜바 지구대에 주로 분 포하는데 데본기 후기 이전의 삭박으로 저류층준은 평균 13 m, 최대 114 m의 두께 변화를 보인다..

(10) 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. 고생대 상부 저류암은 서부의 데본기 후기 이후 사암, 동부 코레이-베르 지역의 대륙붕단 산호초를 형성했던 탄산염암과 이즈마-페초라 및 페초라 콜바 지역에서 혼 합 형태로 분포하는 탄산염암과 쇄설암으로, 분지 매장 량의 반 가량을 함유하는데 탄산염암과 사암에서의 매장 량 비가 2:1이며 저류층준의 평균두께가 9~19 m이다. 석탄기~페름기 전기 저류암은 대지 및 전면분지에 걸 쳐 가장 광범위하게 분포하는데 특히 동부 우랄 전면분 지 및 구릉(foothill), 아드즈바-바란데이, 페초라-콜바 지 역의 탄산염암이 비교적 규모가 큰 석유가스전의 ․ 트랩 을 형성한다. 페름기 후기~트라이아스기 저류암은 우랄 조산대로부 터 유입된 몰라세로 페초라-콜바 지구대, 소로킨 융기부, 코로타이카 전면분지, 그리고 콜규예브(Kolguyev) 섬에 서 구조 및 층서 트랩을 형성하며 저류층준의 평균 두께 는 7~9 m이다. 저류암의 공극율과 투과도는 각각 평균이 쇄설암에서 16%와 154 md이며, 탄산염암에서 13%와 208 md이다. 공극율은 하부에서 상부로 증가하는데 사암의 경우 고생 대 하부 평균 11.5%, 트라이아스기 22.5%이며, 탄산염 암도 고생대 하부 9%, 석탄기 15%이다. 투과도도 마찬 가지로 사암의 경우 고생대 하부 평균 15 md, 데본기 상 부 372 md이고, 비슷한 시기의 탄산염암의 경우도 63 md에서 930 md로 증가하며 최대 투과도가 데본기 후기. 351. 산호초에서 1,200 md에 달한다. 그러나 트라이아스기 몰라세 사암은 암편이 많아 고생대 저류암들에 비해 낮 은 투과도를 보이는데 평균 75 md, 최대 340 md이다. 덮개암 데본기 후기(Lower Frasnian)의 전구적 해침에 의한 해성 셰일인 키노브(Kynov)와 사르게이(Sargay) 층이 기 반암 및 다양한 시대의 하부 층들과 부정합 관계로 수십 m 두께로 분포하여 광역적 덮개암을 형성한다(Fig. 7). 상부의 근원암인 도마닉 층도 수백 m의 두께로 오르도 비스기~데본기 전기 저류암들에 대해 덮개암 역할을 겸 한다. 페름기 전기(Artinskian~Kungarian)의 해성 셰일과 증 발암이 이즈마-페초라 지역을 비롯한 분지의 남서부에 분포하는데 특히 상부 페초라 전면분지의 수백 m의 두 께의 암염대는 거대 가스전인 뷱틸에서 치밀한 덮개암을 형성한다. 페름기 후기~트라이아스기 저류층에 대해서는 차카보 즈(Charkabozh) 층 등 동시대의 세립질 쇄설암과 수백 m 두께의 쥐라기~백악기의 해성 셰일이 지역적 및 광역 적 덮개암을 형성한다. 트랩 티만-페초라 분지의 트랩의 대부분(~90%)이 구조 트랩. Fig. 9. Typical carbonate reservoirs of the Timan-Pechora Basin (After Lapointe, 2002).. 제44권 제4호.

(11) 352. 고재홍 ․ 이은영. 으로 알려져 있다. 하지만 이는 층서 트랩에 대한 탐사가 미진한 결과이며, 일부 구조 트랩은 산호초 등 층서 트랩적 요소를 포함하고 있고 중기 데본기 이전 및 이후 부정합면, 카르스트 등 층서 트랩이 주요 트랩 기구(mechanism)로 부각되고 있다. 분지의 육상에만 200개 이상의 구조가 있는데 페초라콜바 및 아드즈바-바란데이 지역의 구조 역전, 전면분지 의 우랄 구조 운동에 의한 융기부 및 충상단층-습곡 구 조를 따라 분포하며, 이즈마-페초라 등 비교적 안정적 대 지에 분지 형성 시의 정단층, 지루, 아치 구조(볼쉐제멜, 라야 등)의 영향을 받은 고생대~중생대 전기의 구조층 ․ 서 혼합 트랩이 분포한다. 층서 트랩은 오르도비스기 쇄 설암이 소멸(pinch-out)하는 상부 페초라 전면분지의 서 부, 데본기 전기 층이 소멸하는 코레이-베르 지역 동부, 데본기 중기 사암이 소멸하는 이즈마-페초라 지역 서부, 페름기 쇄설암이 소멸하는 코레이-베르 지역과 페초라-. 콜바 지구대 북부 등에 분포한다. 탄산염암에 의한 층서 트랩은 데본기 후기의 대륙붕단 지역인 아드즈바-바란 데이를 비롯한 동부에서 산호초 및 화석 밀집층이 트랩 을 형성한다(Fig. 9).. 주요 석유･가스전 틸 1964년 발견된 뷱틸 가스-콘덴세이트전은 상부 페초라 전면분지의 충상단층대 전단에 위치하는 길이 85 km, 폭 3~5 km의 배사구조로 확인 및 추정 매장량이 17.5 Tcf 이다(Fig. 10). 저류층은 1,500 m 두께의 석탄기~페름기 전기의 천해성 탄산염암으로 석회암과 백운암이 교호하 는데, 공극율은 0.1~27.3%의 범위를 보이며 평균은 0.2~13%이고, 투과도는 대부분 <0.1 md로 매우 낮으나 단열대에서 최대 8,000 md로 높은 값을 보인다. 저류층. Fig. 10. Structure map and cross-section of the Vuktyl gas field, Timan-Pechora Basin (After Meyerhoff, 1980; cited from Krems et al., 1974). Structural datum is the top of the Artinskian.. 한국지구시스템공학회지.

(12) 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질 2. 초기압력은 2,200 m 깊이에서 342 kg/cm , 3,000 m 깊 이에서 368 kg/cm2이었으며, 초기 가스 포화율은 77.5%, 온도는 2,700 m에서 50℃, 3,376 m 깊이에서 92℃이다. 가스는 다음과 같은 성분 구성을 보인다: 비중 0.648; C1 74.6~84.5%, C2 7.4~9.2%, C3 2.0~4.2%, C4 0.6~2.0%, C5+ 0.3~6.5%; CO2 0~0.1%; N2 4.4~6.0%. 석유는 비중 0.826~0.841, 황 함량 0.02~0.22%, 파라핀 0.5~8.1%, 아. 353. 스팔트분 48~57%이다. 우사 1968년 발견된 우사 유전은 콜바 융기부 상의 완만하 게(<1°) 경사하는 길이 25 km, 폭 5 km의 단사 구조로 확 인 매장량이 3 Bbbl이다(Fig. 11). 저류층은 ~3,000 m 깊 이의 데본기 전기 사암, 데본기 중후기 사암, 석탄기 후기~. Fig. 11. Structure map and cross-sections of the Usa field, Timan-Pechora Basin (After Meyerhoff, 1980; cited from Krems et al., 1974). Structural datum is the top of the Middle Devonian.. 제44권 제4호.

(13) 354. 고재홍 ․ 이은영. 페름기 초기 탄산염암으로, 공극율과 투과도는 사암에서 각각 12~18%, 75~200 md이며 탄산염암에서 10~32%(평 균 18%), 최대 1,800 md, 평균 38.5 md이다. 가장 생산적 인 데본기 중기 아포민-스타루스콜(Afomin-Starooskol) 층준은 2,920~3,456 m 깊이에 위치하며 순 저류층 두께(net pay thickness) 10~44 m, 저류층 압력 337~379 kg/cm2, 온도 76℃이다. 석유는 각 저류층준 별로 다음과 같은 성분 구성을 보인다: 아포민-스타루스콜 비중 0.83~0.85, 황 함량 0.61%, 코크 2.21%, 파라핀 10.8%, 타르 12.1%, 아스팔트분 0.68%; 데본기 후기(Famennian) 비중 0.832~ 0.878, 황 함량 0.93%, 파라핀 2.0~4.21%, 타르 12.4%; 석 탄기 후기~페름기 전기 비중 0.954~0.968, 황 함량 2.07%, 코크 12.02%, 파라핀 0.08~0.6%, 타르 17~21%, 아스팔 트분 1.89~11.25%. 하랴가 1977년 발견된 하랴가 유전은 콜바 융기부 상에 위치 한 산호초와 상부의 감싸는(drape) 형태로 발달한 퇴적 층에 의해 형성된 길이 44 km, 폭 13 km의 돔 구조로 확인 매장량이 1.18 Bbbl이다(Fig. 12). 저류층은 깊이 1,250~3,700 m 사이에 위치하는 데본기 중기~트라이아 스기의 6개 층준으로 구성되며 주 저류층준은 Object 2 로 불리는 데본기 후기(Frasnian)의 탄산염암 카르스트 로 상부면이 ~2,450 m에 위치한다. Object 2는 조류 기. 원의 은정질(cryptalgal) 석회암의 카르스트화로 크고 작 은 규모의 공동이 발달하여 공극율 <0.1~16%, 투과도 0.03~수천 md를 보인다.. 결. 론. 티만-페초라 분지는 200억 배럴의 가채매장량을 부존 하고 있어 텍사코, 토탈(Total), 엑슨(Exxon), 코노코-필 립스(Conoco-Phillips) 등 서방의 거대 메이저들이 개방 이후 가장 먼저 접근하여 사업을 벌였으나 계약 재협상 요구, 광권 회수 위협 등 러시아 특유의 문화 및 정치･정 책 특성으로 어려움을 겪고 있는 지역으로 최근 국내 기 업들이 개발에 참여하여 관심이 높아지고 있다. 티만-페초라 분지는 선캄브리아기~고생대동안 유럽 육괴의 비활성 대륙 주변부에서 침강과 구조 역전으로 인한 융기를 반복하였으나 비교적 안정된 대지와, 대륙 붕단 또는 사면 지역으로 우랄 습곡대 전단에 위치하여 두꺼운 플리쉬･몰라세가 쌓인 전면분지로 구성되며, 퇴 적 두께는 각각 최대 7~8 km, 10~12 km에 달한다. 근원암은 볼가-우랄, 북 카스피해 분지 등에서도 주요 근원암인 데본기 도마닉 층으로 유기물 유형 Type I, II, 함량 1~30%(평균 ~5%), 수소지수 500~700 mg/gC이며, 고생대 후기~트라이아스기에 석유･가스 생성 단계에 도 달하였다. 저류암은 오르도비스기로부터 트라이아스기 층. Fig. 12. Schematic cross-section of the Kharyaga field, Timan-Pechora Basin (After Lapointe, 2002).. 한국지구시스템공학회지.

(14) 러시아 티만-페초라 분지의 석유지질. 을 망라하는데, 특히 데본기 중/후기 쇄설암과 페름기 전 기 탄산염암이 주로 저류암을 형성한다. 저류암의 평균 공극율과 투과도는 쇄설암에서 각각 16%와 154 md, 탄 산염암에서 13%와 208 md이다. 덮개암은 다양한 시대의 해성 셰일, 페름기 증발암, 조산운동 후기(post-orogenic) 의 세립질 쇄설암 등이 형성하고 있다. 트랩은 대부분이 구조 트랩이나, 산호초, 쇄설암 소멸, 카르스트 등도 주 요 층서 트랩기구로 부각되고 있다. 티만-페초라 분지의 석유자원은 석유 66%, 가스 30%, 콘덴세이트 4%로 구성되는데, 대부분이 뷱틸, 우사, 보 제이, 야레가, 하랴가, 토라베이 등 몇 개의 대형 석유가 스전에 집중 분포한다. 개발 부진으로 전체 매장량 중 1994년 기준 석유 7.9%, 가스 14.5%가 생산되었을 뿐 현재까지도 상당부분 미개발 상태로 남아 있다.. 사. 사. 본 연구는 한국지질자원연구원의 산업자원부 출연사 업인 ‘해외 석유가스 자원협력 및 기술정보 구축’ 과제 의 일환으로 수행되었다.. 참고문헌 Abrams, M.A., Apanel, A.M., Timoshenko, O.M., and Kosenkova, N.N., 1999, “Oil Families and Their Potential Sources in the Northeastern Timan Pechora Basin, Russia”, AAPG Bull., Vol. 83, No. 4, pp. 553-577. Belyakov, S.L., 1994, “Lower Permian Paleostructural Units of the Timan-Pechora Region”, Geotectonics, English Translation, Vol. 28, No. 1, pp. 33-43. Clarke, J.W., 1994, “The Timan-Pechora Oil-Gas Basin: A Geological Review”, International Geology Review, Vol. 36, pp. 3-14. Dedeev, V., Aminov, L., and Schamel, S., 1994, “Stratigraphic Distribution of Oil and Gas Resources of the TimanPechora Basin”, International Geology Review, Vol. 36, pp. 24-32. Ismail-Zadeh, A.T., Kostyuchenko, S.L., and Naimark, B.M., 1997, “The Timan-Pechora Basin (Northeastern European Russia): Tectonic Subsidence Analysis and a. 355. Model of Formation Mechanism”, Tectonophysics, Vol. 283, pp. 205-218. Kaufman, J. and Jameson, J., 2002, “Sequence Stratigraphy, Facies, and Reservoir Quality of Lower Devonian Carbonates in Roman Trebsa Field, Timan-Pechora Basin, C.I.S”, In: Zempolich, W.G. and Harry, E.C. (Eds.), Paleozoic Carbonates of the Commonwealth of Independent States (CIS): Subsurface Reservoirs and Outcrop Analogs, SEPM Special Publ., No. 74, pp. 43-68. Lapointe, P.A., 2002, “Kharyaga, Komi Republic, Example of a Late Devonian Karstified Field: Consequences for the Reservoir Characteristics”, In: Zempolich, W.G. and Harry, E.C. (Eds.), Paleozoic Carbonates of the Commonwealth of Independent States (CIS): Subsurface Reservoirs and Outcrop Analogs, SEPM Special Publ., No. 74, pp. 69-79. Lindquist, J.L., 1999, “The Timan-Pechora Basin Province of Northwest Arctic Russia: Domanik-Paleozoic Total Petroleum System”, U.S. Geological Survey Open-file Report 99-50-G, U.S. Geological Survey, Reston, VA, U.S.A., 40p. Meyerhoff, A.A., 1980, “Petroleum Basins of the Soviet Arctic”, Geological Magazine, Vol. 117, No. 2, pp. 101-210. O'Leary, N., White, N., Tull, S., Bashilov, V., Kuprin, V., Natapov, I., and MacDonald, D., 2004, “Evolution of the Timan-Pechora and South Barents Sea Basins”, Geological Magazine, Vol. 141, No. 2, pp. 141-160. Requijo, A.G., Sassen, R., Kennicutt, M.C.II, Kveduchuk, I., McDonald, T., Denoux, G., Comet, P., and Brooks, J.M., 1995, “Geochemistry of Oils from the Northern Timan-Pechora Basin, Russia”, Organic Geochemistry, Vol. 23, No. 3, pp. 205-222. Sagers, M.J., 1994, “Observations on Oil and Gas Production in the Timan-Pechora Basin”, International Geology Review, Vol. 36, pp. 33-41. Skinner, B.J. 1994, “The Importance of Russia’s TimanPechora Basin”, International Geology Review, Vol. 36, pp. 1-2. Zhemchugova, V.A. and Schamel, S., 1994, “CarboniferousLower Permian Carbonate Reservoirs of the Timan Pechora Basin”, International Geology Review, Vol. 36, pp. 15-23.. 제44권 제4호.

(15) 356. 고재홍 ․ 이은영. 고 재 홍. 이 은 영. 현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 책임연구원 (本學會誌第43卷第6号參照). 2007년 고려대학교 이과대학 지구환경과학과 이학사. 현재 과학기술연합대학원대학교 석유자원공학과 (E-mail; [email protected]). 한국지구시스템공학회지.

(16)