김 현 태 한국지질자원연구원 석유해저연구본부 책임연구원 ㅣe-mail : htkim@kigam.re.kr 박 정 규 한국지질자원연구원 미래정책연구실 선임연구원 ㅣe-mail : jxpark@kigam.re.kr 김 영 주 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 ㅣe-mail : kyjp7272@kigma.re.kr
이 글에서는 최근 북미지역을 중심으로 개발이 활성화되고 있는 셰일가스 및 유전의 기술개발 동향에 대하여 소개하 고자 한다.
최근 북미를 중심으로 셰일가스 및 오일의 개발이 활 성화되면서 전 세계 에너지 패러다임이 바뀌고 있다.
즉, 셰일가스가 석탄 및 원자력 중심의 에너지원을 대 체할 신에너지자원으로 에너지혁명을 일으키고 있다.
또한 셰일가스 및 오일 개발은 정제, 수송, 기계, 제조 등 전후방산업에 연쇄효과가 크기 때문에 침체된 세계 경제 회생의 돌파구가 될 것으로 예상된다.
셰일가스는 지하 셰일층에 생성되어 부존하는 천연 가스로 성분은 대략 메탄 80%, 에탄 5%, 프로판 및 부 탄 10%로 구성되어 전통천연가스와 유사하나 초경질 유가 함께 생산되는 것이 주요한 특징이다. 그러나 이 는 극도로 치밀한 셰일층에 장공의 수평시추나 수압파 쇄와 같은 특수기술을 적용하지 않고는 개발이 불가능
한 대표적인 비전통 에너지자원이다.
이 글에서는 셰일가스 및 오일의 생성과 부존의 형태 그리고 탐사 및 개발에 이르는 상류부문(upstream)에 한정하여 관련 기술 현황을 살펴보고, 향후 이슈가 되 는 점을 살펴보도록 하겠다.
지질학적 특성
셰일가스는 유기물이 풍부한 셰일층에서 열분해과정 으로 생성되어 셰일층 내에 흡착되었거나 치밀한 셰일 층에 갇혀 이동하지 못한 가스이다. 한편, 셰일오일은 셰일가스와 같이 셰일층에서 생성되어 층 내 발달된 자 연균열이나 공극 내 보존되어 있거나, 셰일층 상하부 혹은 셰일층 내에 분포하는 얇은 사암, 규질암, 백운암 이나 석회암층으로 이동되어 부존되어 있는 오일이다.
일반적으로 셰일층은 공극률이 10% 이내로 매우 작 으며, 투과도 또한 1md 이하로 매우 낮아 셰일층 내에 서는 가스나 오일의 유동성이 용이하지 못하다. 그러나 이 자원은 막대한 양이 한 지역에 담요형태(blanket type)의 연속체로 부존되어 있다는 것이 중요한 특징이 다(그림 1). 이 자원은 새로 찾아야 하는 탐사위험은 거 의 없는 반면, 경제적 회수를 위한 기술확보 문제가 내 포되어 있다. 즉, 이 자원을 상업적으로 개발하기 위해 선 장공 수평시추 기술이나 다단계 수압파쇄와 같은 회
그림 1미시간 분지의 Antrim 셰일의 층서(Rokosh et al, 2009)
수기술의 확보가 중요하다.
기술개발 현황
셰일가스 지층은 매우 치밀하여 유동성 개선을 위한 특수한 기술을 적용하지 않고서는 경제적 생산이 불가 능하다.
이 같은 자원을 개발하기 위해선 다음과 같은 기술을 확보해야 한다. 첫째, 셰일층 내에 가스나 오일이 많이 부존하는 부광대 파악을 위한 스크리닝 기술을 확보해 야 한다. 둘째, 한 유정에서 셰일가스 및 오일의 정량적 인 회수량을 계산하기 위한 감퇴곡선 해석기술을 확보 해야 한다. 셋째, 치밀한 지층 내의 유동성 개선을 위한 장공 수평시추나 다단계 수압파쇄 기술을 확보해야 한
다. 넷째, 수압파쇄 시 균열의 발달과정을 파악하기 위 한 미세탄성파(microseismic) 기술을 확보해야 한다.
다섯째, 물이 부족한 지역이나 수압파쇄 용액 사용에 따른 환경문제를 해결하기 위한 친환경적 수압파쇄 수 처리 기술을 확보해야 한다.
스크리닝 기술
셰일가스 및 오일이 부존하는 셰일플레이(Shale plays)에서 부광대 스크리닝 과정은 다음과 같은 과정 을 통해 이루어진다. 첫째, 탄성파 탐사자료를 이용해 셰일층의 부존깊이, 넓이, 두께 등을 파악해야 한다. 둘 째, 다수의 수직시추에서 코어를 샘플링한 후, 코어시 료를 이용하여 시료 위치에 따른 총 탄화수소함량 (TOC)을 산출하여 부광대 지역의 공간분포를 파악한 다. 셋째, 성숙도(Ro)를 측정하여 부광대지역 내에 오 일 부존지역과 가스부존 지역을 구분한다(그림 2). 이 때 성숙도가 1.4 이상이고 2.0 이하이면 오일 부존 지역 이고 2.0 이상이면 가스부존지역이다.
감퇴곡선 해석 기술
셰일가스 및 유전 개발은 발견양이 얼마인가 보다는 회수량이 얼마인가가 중요하다. 따라서 이 사업의 경제 성은 전통 유가스전에서 사용하는 매장량(Reserves) 산 출 기 법 보 다 는 회 수 량 (EUR: Expected Ultimate Recovery) 계산기법이 사용된다. 여기서 회수량은 지질 학적으로 동질성을 지닌 구역 내에서 임의의 면적 내에 수평시추와 수압파쇄 작업을 통하여 시추공당 최적으 로 생산할 수 있는 생산량을 말한다. 이때 시추공당 생 산량은 감퇴곡선에 의해 계산된다. 회수량은 파일럿 시 추공의 생산량에 시추공수를 곱하여 계산한다.(그림 3)
수평시추 기술
수평시추는 지상에서 수직으로 시추하다가 발기점 (KOP: Kick Off Point)을 만나면서 일정한 방향으로 방 향성을 시추한 후, 최종적으로 목표지점까지는 수평시
그림 3셰일플레이의 회수량 계산 방식(김현태, 2012)
그림 2셰일플레이에서 셰일가스 부존지역 스크리닝 절차(김현 태, 2012)
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추를 하는 것을 말한다(그림 4). 이 같은 수평시추는 투 과도가 매우 낮은 셰일/치밀 가스전이나 유전에서 저류 층의 유동능력을 개선하기 위해 시도 된다.
방향성 시추의 기술발전은 방향제어 기술의 발전과 그 궤를 함께하고 있다. 그림 5는 방향제어 기술의 발전 을 시간에 따라 도시한 것이다.
그림 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 방향성 시추가 석 유개발 산업에 처음 도입된 시기는 1920년대이다. 이때 도입된 방향제어 기술은 전향쐐기(whipstock) 방식과 굴곡자(bent sub) 방식이 있다. 전자는 시추공저장비의 방향을 변경시킬 수 있도록 역쐐기 모양의 강철기구를 수직시추공에 넣고 시추함으로써 방향성 시추가 되는 방식이다. 반면, 후자는 굴절각이 1~3°정도인 작은 시 추칼라를 연결하여 방향성 시추를 하는 방식이다. 이 방법들은 시추중간에 시추시 작업을 중단함으로써 발 생되는 비효율성 때문에 현재는 잘 사용하지 않는다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 1960년대에 도입 된 기술이 공저이수모터(bottom hole mud motor)를 이용하여 방향제어를 하는 것이었다. 초기에는 터빈모 터를 이용하였으나, 나중에는 효율이 좋은 용적형 이수 모터(positive displacement motor)가 사용되었다. 이 방식은 공저이수모터와 비트 사이에 위치하며 0~4°정 도 구부러질 수 있는 덮개관을 이용해 방향제어를 하게 된다. 이 방법은 연속적으로 방향성 시추를 할 수 있다 는 점에서는 앞선 기술의 단점을 보완하였으나 시추관
이 회전하지 않아 시추암편 제거가 용이하지 않으며 직 선구간이 나선형이 되어 장공시추에는 한계성이 드러 나고 있다.
1990년대에 도입된 방향제어 기법은 RSS(Rotary Steerable System)를 이용하는 방식이다. 이 방식은 지 상에서 실시간으로 시추위치를 파악할 수 있는 통신장 비와 방향제어가 가능한 장비를 갖춘 장비로써 획기적 인 방향성 시추를 가능케 하였다. 그러나 이 방식도 미 끄럼 시추의 경우 시추공 내에 시추암편 잔재물들이 시 추공에 쌓이게 되는 등 문제점들이 드러났다.
2000년대에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 도 입된 방식이 PRSS(powered rotary steerable system)를 이용한 방식과 Hybrid RSS 방식이다. 전자는 기존의 push-the-bit 타입의 RSS에 기존 공저이수모터를 결합 한 방법으로 회전력을 탑드라이브와 공저이수모터로부
그림 5 방향성 시추기술의 발전과정(박정규・김현태, 2014)
그림 6수압파쇄 개념도(Gidley et al, 1989) 그림 4셰일플레이에서 수평시추의 개요도(김현태, 2010)
터 동시에 전달받을 수 있는 방식으로 시추 효율성이 매우 좋다. 후자는 기존의 RSS 타입인 push-the-bit와 point-the-bit를 혼합한 방식으로 기존 RSS의 작동 메커 니즘을 혼합해 새로운 개념의 장비를 고안하여 방향각 의 자유도를 엄청 높인 것이 주요 특징이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 방향성 시추기술은 방향 각을 높일 수 있으며, 시추시간은 절약되고, 시추효율 은 증가되어 수평시추 길이가 수 킬로미터 이상 길어지 는 방향으로 발전하고 있다.
수압파쇄 기술
수압파쇄는 지상 설비의 블랜더에서 물, 모래, 화학 물질을 섞은 파쇄액을, 암석을 파쇄할 수 있는 압력보 다 높은 압력으로 지상에서 고압펌프로 지층에 주입하 여 균열을 내는 기술이다.(그림 6)
수압파쇄는 각 지층의 지질학적, 저류유체 유동학적 특성에 따라 설계되어야 한다. 수압파쇄의 핵심인자에 는 파쇄 압력, 지층의 응력분포와 암석역학적 특성에 따른 균열특성, 지층두께와 암석 투과도에 따른 파쇄 길이 및 넓이 등이 포함된다.
최근 이 분야 기술개발은 그림 7과 같이 하나의 장공 수평정을 여러 개의 단위 구역으로 나누어 수압파쇄를 연속적으로 시행하는 다단계 수압파쇄 기술로 발전하 고 있다.
미세지진탄성파 탐사기술
미세지진탄성파(microseismic)는 수압파쇄에 의해 균열이 생성되면서 발생하는 음파를 이용해 균열의 발 달 상태를 파악하는 기술이다. 이 기술은 지하 지층의 속도를 알게 되면 세 개 이상의 지진계에 동시에 기록 된 P파와 S파의 도달 시간차이로부터 삼각측량법으로 지진 진원의 위치를 파악하는 것처럼, 미소지진의 P파 및 S파를 기록하여 암석의 변형, 즉 파쇄균열이 생성된 곳을 추적하는 방법이다.(그림 8)
이 기술로는 미소지진의 진원을 평면 또는 3차원 이
그림 7다단계 수압파쇄 작업 개념도
그림 8A 미세지진탄성파 지상 모니터링 개념도(이광훈 외, 2014)
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미지로 구현하여 균열의 분포 및 균열의 높이, 길이, 폭, 방향, 경사, 대칭성 및 비대칭성 등과 같은 기하학적 특 성과 성장성 등을 파악할 수 있다.(그림 9)
수처리 기술
셰일가스 개발과 관련된 수처리 기술은 세 가지로 나 눌 수 있다(국토해양지식정보센터, 2013). 첫 번째 방식 은 수압파쇄 후 회수된 물을 지하 깊은 지층에 재주입 하는 방식이다. 이 방식은 싼 값으로 깊은 지하지층에 격리시킬 수 있다는 점이 장점이다. 그러나 물이 부족 한 지역에서는 회수된 물을 재이용하는 것이 불가능하 다는 점이 단점이 된다.
두 번째 방법은 수처리 후 재활용하는 방식이다. 이 방법은 총 용존고형물(TDS)의 제거에 중점을 두지 않 고 박테리아, 오일/그리스 등과 같은 시추공을 막을 위 험성이 있는 바륨, 칼슘, 철, 마그네슘 등을 제거하는 데 중점을 둔다. 이때 오염원을 제거하기 위해 응집/침전/
여과 염소소독 등 일반적인 수처리 공법을 조합하여 적 용한다. 셰일가스 부존지역별 회수수(flowback water) 의 성상이 다르고 기업의 수처리 요구조건이 다르기 때 문에 현장 조건에 따라 각기 다른 다양한 공법이 채택 된다.
마지막으로 세 번째는 회수수를 음용수 기준으로 처 리하는 방식이다. 이를 위해서 최근 개발하고 있는 방 식이 역삼투 공법이다. 이 공법은 처리 수질이 매우 우 수하고 증발법에 비해 에너지 소비가 적어 경제적이나,
소비되는 에너지가 물의 총 고체입자량에 비례하여 많 이 든다는 점이 단점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 역삼투 공법에 다른 기술을 접목하는 하 이 브 리 드 기 술 개 발 이 주 류 를 이 룬 다 . TDS가 260,000ppm 이상으로 농도가 매우 높은 회수수의 경우 는 결정화법(Crystalization)이 효율적인 것으로 알려지 고 있다. 이 방식은 결정화를 통해 총 고체입자량을 낮 추고 순수한 물을 얻을 수 있으나 공정비용이 매우 높 은 것이 문제이다. 따라서 이런 문제점을 해결하기 위 해 결정화법과 증류법을 결합한 하이브리드 방식에 대 한 연구가 시도되고 있다.
최근 셰일가스 및 오일 개발에 따른 환경문제가 주요 한 이슈로 대두되는 바, 수평시추, 수압파쇄 등 핵심기 술의 개발과 동시에 관련 수처리 기술개발이 활발히 이 루어지고 있다.
셰일가스 산업의 가치사슬
셰일가스 산업은 탐사에서 생산, 천연가스처리, 활용 및 수송에서 판매에 이르기까지 가치사슬로 연계되어 있는 산업으로 개발과 관련하여 전후방 산업으로 파급 효과가 큰 산업이다(그림 10). 따라서 미국은 셰일가스 개발 붐에 힘입어 막대한 경제적 가치를 창출할 것을 기대하고 있다. 미국의 경우 고용창출은 2015년 87만 명에서 2035년에는 160만 명으로 늘어날 것을 예상하 며, 천연가스가격과 제조업 경쟁력 강화로, 산업경쟁력
그림 9미세지진탄성파의 지도
(a) 수평면, (b) 측면(이광훈 외, 2014)
그림 10셰일가스 시장의 밸류체인 (Global, 2012)
은 2017년까지 2.9%에서 2035년까지 4.7% 상승될 것으 로 기대하고 있다.(국토해양지식정보센터, 2013)
시사점
셰일가스 개발기술은 현재 미국에서 선도하고 있지 만 지속적으로 기술개발이 이루어져야 하는 분야이다.
또한, 개발에 따른 환경문제가 발생하는 등 개선해야 할 점이 많다. 그럼에도 불구하고 석탄, 원자력 등에 비 해 가격이 저렴하고 친환경적인 측면에서 미래의 신 에 너지원으로서 주목받는 자원이다.
셰일가스 개발과 관련하여 가장 큰 이슈가 되고 있는 점은 환경이슈와 수압파쇄 기술의 한계성에 대한 것이 다. 환경적 측면에서는 수압파쇄에서 발생하는 회수수 의 방류에 따른 지하수원의 오염과 막대한 물 사용에 따른 물부족현상이 도래하는 것이다. 이를 해결하기 위 해선 수압파쇄 수의 화학물질을 친환경 화학물질로 대 체하는 방법과 회수수를 처리하여 재활용 하는 기술개 발이 이루어져야 한다. 막대한 물을 사용해야 하는 수 압파쇄 기술의 한계성을 극복하기 위한 방안으로는 물 을 사용하지 않고 질소, CO
2가스 또는 버블을 사용하
거나 LPG나 전기충격방식을 사용하는 방법들에 대한 기술개발이 이루어져야 한다.(그림 11)
셰일가스 및 오일 개발 산업과 연계하여 LNG 액화 및 수송, GTL/DME/올레핀 등 원료전환, 에탄올 기반 석유화학, 가스터빈 발전 및 가스엔진 등 가스 전환, 수 송 및 활용 기술개발이 중요하다. 또한 이 자원은 초기 생산이 5년 이내에 급격히 이루어지는 바, 고정식 플랫 폼보다는 이동이 가능한 이동식 시스템이 선호된다.(그 림 12)
결론적으로 셰일가스 및 오일 개발산업은 장공 수평 시추, 다단계 수압파쇄, 수처리 및 셰일가스 활용 기술 과 같은 최첨단 개발기술을 갖추어야 한다. 또한 개발 현장이 해외라는 점에서 접근하기 어려운 산업이다. 그 러나 우리나라는 IT, 기계, 조선, 발전, 철강 및 화공 산 업 등 기반산업이 발전되어 있어, 셰일가스 개발 기술 에 대한 정확한 이해를 기반으로 이들 기반기술을 융합 할 경우 셰일가스 개발관련 핵심기술의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 전후방산업의 연쇄효과가 큰 셰일가스 개발산업을 우리나라의 미래 신 성장동력산 업으로 발전될 수 있도록 정책마련이 필요하다.
그림 11물을 사용하지 않는 암석 파쇄기술들(한방우, 2013) 그림 12이동식 가스처리 시스템(한방우, 2013)
