석유에너지는 우리 일상생활에 크나큰 비중을 차지하고 있다. 모든 교통수단의 연료이고 석유화학제품의 원료이며, 농업생산, 공업생산, 의약품 등의 원료와 동력으로서 오늘의 인류문명을 발전시켰다. 그뿐만 아니라 1, 2차 세계 대전을 연합군의 승리로 이끈 주역이기도 하다. 현대인 한 사람이 사용하는 석유 에너지를 인간노예의 숫자로 환산하면 174명에 해당된다고 한다. 우리는 현재 174명의 노예를 부리는 셈이다.
석유는 미국에서부터 본격적으로 생산됐고 한때는 세계 최대 생산국이었다. 그러나 2차 대 전 후 세계 각국은 경제 성장과 더불어 석유 수요가 급증했고, 중동이 그 공급의 주요 위치를 차지하여 OPEC을 구성한 후 석유시장을 조정해 오고 있다. 현재 미국의 석유생산량은 세계 3위이지만 머지않아 제1의 석유생산국이 될 전망이다. 미국은 천연가스, 원유, 오일 셰일 등 그 매장량이 풍부할 뿐만 아니라 자본과 기술력을 두루 갖추고 있어 석유 가스 증산이 가시화되면 2025년경에는 자급자족이 가능할 것이라고 한다.
최근 미국은 셰일가스 개발을 위한 지층 파쇄, 수평적 시추 내지 문어발식 시추(시추한 공에서 여러 갈래로 나누어 시추) 등 새로운 기술이 크게 발전되어 상업적으로 이용 가능한 생산량을 증대 시키고 있다. 그 결과 미국의 가스 가격은 유럽 보다 2.5배나 싸다. 따라서 저렴한 미국 석탄이 유럽으로 수출되어 공기 오염이 증가되고 있는 실정이다. 그뿐 아니라 석유가격도 미국이 유럽보다 저렴해 캐나다 동북부의 정유공장들은 문을 닫게 됐다.
미국 대통령은 2012년 연두교서에서 '총력을 기울여 모든 전략을 다해 가능한 미국의 에너지원 개발을 필요로 한다.' 고 피력한 바 있다. 미국은 엄청난 에너지 자원을 보유하고 있으며 이를 개발할 능력과 선진 기술을 가지고 있다. 이 기술 중 하나가 이산화탄소를 이용한 한층 강화된 석유회수 방법이다. (CO2-Enhanced Oil Recovery)
CO2-EOR은 주요 석유회수방법 중 하나로서 미국 육상 유전 생산량의 6%인 하루 35만 배럴을 생산한다.
이 기술은 산업의 부산물 또는 자연으로 발생하는 이산화탄소(CO2)를 이용하여 기존의 유전에서 생산량을 증대시킨다. 이미 이 방법이 생산의 주요 요인으로 자리를 잡고 있어 상당한 생산량 증대의 잠재적력을 갖고 있다. 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)는 이 방법으로 1370억 배럴까지 생산할 수 있으며 유가 87달러 선에서 670억 배럴까지 경제성이 충분하다고 분석하고 있다. 이 숫자는 현재 미국의 확인 매장량의 3배에 해당된다.
경제성과 에너지확보라는 관점에서 볼 때 수십억 불의 투자가 미국 내에서 일어나고 기존 유전에서 50년간 일산 400만 배럴의 원유생산이 가능하다. 경제적 이득은 1조 4000억불의 새로운 수입이 주정부와 연방정부에 흘러 들어가고, 이 추가적인 원유 생산에 사용된 기술은 미국이 석유생산 기술의 세계적인 리더지위를 계속해서 유지하는데 도움이 될 것이다. 그리고 미국 석유회사는 세계 유전지대에서 이 기술을 수출하게 될 것이다.
또한 CO2- EOR은 직접적으로 환경 개선에 기여한다. 대대적인 CO2-EOR의 확장은 약 200억 톤의 CO2를 필요로 한다. 그러나 자연발생 CO2만으로는 상당히 부족하기 때문에 산업시설 또는 발전시설에서 수집하여 땅속에 넣어야 갇혀있던 원유나 가스를 수십억 배럴을 추가적으로 생산할 수 있게 된다. 또 이와 같이 수집된 CO2는 대기 속으로 배출되지 않아 환경에 도움을 주게 된다. 일단 EOR이 끝나면 이에 사용됐던 CO2는 폐광 속에 그대로 영원히 남게 된다. 기존 유전 시설에서 추가로 원유를 생산해내기 때문에 오염문제가 더 발생되지 않는다. CO2-EOR은 에너지 생산을 증대시키고, 에너지안보와 지속적인 환경보호를 가능케 한다.
석유의 생성과 트랩(Trap)
석유는 수백만 년 전 동식물의 잔해로부터 생겨난 물질이기 때문에 화석연료라 한다. 대양환경에서 살던 동식물이 죽어(유기물질) 모래, 진흙 등 퇴적물과 혼합되어 바닥에 가라앉았다. 수년천이 지나는 동안 계속해서 퇴적물들이 층층이 쌓여 사암, 석회석, 혈암 등의 퇴적암으로 변했다. 이렇게 저장된 유기물질은 고압과 고온 하에 시간이 흐름에 따라서 석유, 가스와 같은 탄화수소(Hydrocarbons)로 변질됐다.
이렇게 형성된 석유와 천연가스는 암석층의 성근 공간 사이에 존재하게 된다. 성근 공간이란 암석을 이루는 단단한 입자들 사이의 틈을 말한다. 예를 든다면 사암에 물을 부으면 사암을 이루고 있는 모래 알갱이 사이로 스며든다. 이와 같은 암석 가운데 성근 정도를 나타내는 수치를 공극률(孔隙率)이라 한다. 또 암석 입자 사이의 공간들이 얼마나 잘 연결되어 있어 액체가 잘 흐를 수 있는가를 측정 단위를 침투률(浸透率)이다.
석유와 가스는 생성된 암석층(근원암)으로부터 자연적으로 흘러나와 침투률이 낮은 암석층을 만날 때가지 흘러간다. 이렇게 되면 더 이상 흐를 수 없어 갇히게 된다(Trapped). 이와 같이 갇혀 있는 석유와 천연가스를 생산하여 지난 150년 동안 경제발전의 에너지로 사용한 것이다.
석유와 가스는 모암(帽岩 석유와 가스를 빠져나가지 못하게 덮고 있는 암석) 밑에서 수천 년 동안 갇혀있던 것과 같이 석유 증산을 위해여 주입한 CO2 또한 같은 지질학적 메커니즘에 따라 갇혀 있게 된다. 여기서 CO2-EOR가 이용되며 지난 10년간 새로운 기술의 발전으로 셰일 오일이나 가스처럼 근원암 자체에서도 석유 생산이 가능해졌다.
유전의 생산주기(周期)
석유는 재생 불가능한 자원이다. 지구는 석유 한 분자를 만드는데 수백만 년이 걸렸다. 석유는 생산공에서 생산이 시작되면 첫 번 몇 주간 또는 한 달 내 최대 생산율을 기록한다. 지층으로부터 석유만 이동되는 것이 아니라 지층의 환경 또한 변한다. 특히 액체인 석유가 빠져나가면 지층의 압력이 감소되고 이로 인하여 석유 생산이 줄어든다.
유전 생산의 첫 번째 주기를 초기 생산시기라고 한다. 이때는 석유가 들어 있는 지층에 아무런 조치 없이 자체 압력으로 뿜어 나온다. 즉 지구의 자연 압력으로 석유가 시추공으로 흘러 들어와 지표로 나오게 된다. 지층의 특성에 따라서 저유암 속에 있는 석유(원시 매장량)의 20% 이상이 생산된다. 회수를 증대시키고자 기술적인 조치를 취하지 않는 한 80%의 석유가 땅속에 그대로 남아 있게 된다.
2차 회수 후에도 상당한 량의 석유가 지층에 남게 된다. CO2-EOR은 3차 회수의 일종으로 기존의 유전에서 더 많은 석유를 생산 할 수 있다. 이 방법은 15-20% 추가생산의 잠재력을 가지고 있다.
CO2와 석유가 상호작용을 하는 CO2-EOR 공법
생산유전에서 1차 및 2차 증산을 감행하드라도 저유층의 석유는 65%이상 남게 된다. EOR 공법은 석유의 물리적 특성을 변화시켜 보다 많은 석유생산을 가능하게 한다.
최초의 CO2-EOR은 1972년 텍사스의 한 유전에서 시작됐다. 이 공법이 성공적으로 시현됨으로써 투자가 시작돼 CO2의 대량생산과 수송의 길이 열려 유전으로 공급됐다. 초기에는 주로 서부 텍사스에 있는 Permian Basin에서 사용됐다. CO2는 콜로라도, 뉴멕시코 아리조나 등지에서 가지고 왔다. CO2를 생산하기 위하여 시추를 해야 하고 수송을 위한 파이프라인도 부설해야 서부 텍사스 유전지대로 옮길 수 있었다. 1970년대 유가 상승은 이러한 기반시설 발전에 큰 도움이 됐다.
미국에서 가장 오랜 역사를 가진 CO2-EOR 시행지역은 서부 텍사스와 동부 뉴멕시코 지역의 페르미안 베이슨(Permian Basin; 지질연대 299-256백만 년 전에 생긴 向斜 構造)이다. 현재 페르미안 베이슨 56개 유전에서 사용 중 인바 일산 약 20만 배럴을 생산하며 전체 CO2-EOR의 85%를 차지한다. 이런 유전은 CO2-EOR을 지속하지 않으면 경제성이 없다.
옥시덴탈 석유사가 운영하는 덴버의 왓선유전의 예를 든다면 다음과 같다. 석유 생산은 1938년에 시작돼 1940년대 중반에 생산 절정기에 이르렀다. 압력을 유지하기 위해 1965년 수공법을 실시했다. 1983년에 EOR(3차 회수)을 시작하고 2년 후 안정됐다. 2008년 동안 1억2000만 배럴을 생산했다. 이 유전의 원시 매장량은 20억 배럴이다.
덴버 왓선 유전의 생산주기를 보면 1차 회수는 원시매장량의 17.2%이고, 2차 회수는 30.1%, CO2-EOR은 19.5%로서 도합 66.8%를 이룩했다. CO2-EOR에 의한 추가 생산량은 3억9000만 배럴이며 유가 $85로 계산하면 3331억불이다.
이 방법에 의한 실제 회수 가능한 추가 생산량은 미국 전역에서 670억 배럴로서 상당한 경제적 이득을 가져온다. 미국은 2011년도에 원유수입을 위하여 3300억불을 지출했으며 이는 무역 적자에 60%에 해당한다.
무궁무진한 CO2-EOR의 증산 잠재력
미국은 30개 주에서 석유를 생산하고 있다. 미국에는 오래된 유전이 상당히 많다. CO2-EOR 적용 대상 유전이 풍부하다. 에너지부(DOE)는 2006년 이 공법의 적용 지역을 조사하여 10개 지질구조를 찾아냈다. 2011년에 최종보고서는 아래와 같다.
- 차세대 CO2-EOR은 1,370억 배럴의 석유를 기존 유전에서 추가 적인 생산이 기술적으로 가능하다.
- 1370억 배럴 중 670억 배럴은 유가 $85 선에서 경제성이 충분하다.
- 670억 배럴은 50년간 일산 400만 배럴 생산이 가능하며 수입원유의 1/3에 해당한다.
- 기술 개선 또는 유가 상승으로 경제적인 생산량은 늘어날 수 있다.
잠재적인 생산량의 현실화는 경제성이 있는 CO2가격이 확보돼야 한다. 그 가능성은 발전소, 산업시설 등에서 배출되는 CO2를 효과적으로 수집해야 한다.
추가적인 석유 생산은 미국에 큰 이익을 가져온다. 2011년 일당 890만 배럴 수요의 60%를 수입했다. 이 가운데 550만 배럴을 북미 이외 지역에서 들여왔다. 만약 미국이 CO2-EOR을 성공적으로 추진한다면 일산 400만 배럴을 얻을 수 있어 북미 이외 지역의 수입원유를 10% 수준으로 줄일 수 있다. CO2-EOR은 다른 어떤 선택보다 크나큰 에너지 확보에 승산이 있다.
미국 내에서 발생하는 이익 외에 완벽한 CO2-EOR 기술을 습득한 미국회사들은 해외 지적재산권을 수출하면서 이 기술의 선도자 역할을 하게 될 것이다. 이미 미국의 석유회사는 석유를 찾아내고 개발하는 기술을 선도하고 있는바 세계의 셰일가스와 셰일오일산업을 이끌고 있다.
엄청난 환경보호 혜택까지
에너지 확보측면에서 볼 때 CO2-EOR 믿기지 않을 정도로 훌륭하다. 그러나 환경차원에서 보면 그 보다 더 훌륭하다. CO2-EOR은 새로운 땅을 거의 필요로 하지 않는다. 그리고 그대로 놓아두면 대기로 퍼져나가 지구 온난화를 일으키는 CO2 배출을 감소시킨다.
가장 큰 환경혜택은 지구 온난화의 주범인 CO2를 수집하여 대기로 배출되는 것을 방지한다는 점이다. CO2-EOR을 확대하는데 가장 큰 걸림돌은 충분한 양과 경제성을 좌우하는 가격이다. 에너지부(DOE)는 670억 배럴의 경제성 있는 석유를 생산하려면 200억 톤의 CO2가 필요하다고 추산한다. 이 중 90% 즉 180억 톤은 발전소나 산업시설에서 수집되는 인위적인 CO2이다. 따라서 CO2-EOR 설비생산은 수년 내지 수십 년간 지속될 것이다. 석유 회수시 사용된 CO2는 생산이 끝나면 그 지층 속에 영구히 격리되어 남게 된다. 유전의 생산 작업이 종료되면 모든 시설은 해체되어 옮겨지고 생산정은 영구적으로 시멘트로 막아버린다. 따라서 현장 부지는 원래대로 복구된다.
이러한 제반 과정은 어떻게 효과적으로 경제성 있는 CO2을 산업시설이나 발전소에서 수집하느냐 하는 문제이다. 즉 완전한 CO2-EOR을 현실화시키는데 가장 중요한 부분으로써 계속 연구 발전시켜야 할 것이다. 미국은 엄청난 지질에 관한 지식과 경험을 가지고 있으며 전국에 걸쳐 수천, 수만 개의 시추작업을 진행했다. 지난 40년간 미국은 1만3000개의 시추정에 8억 톤의 CO2를 주입했다. 이러한 경험을 토대로 CO2-EOR을 안전하게 경제성 있는 운용의 기준을 마련했고 땅속에 CO2를 영구히 격리시킬 수 있는 기술을 터득했다.
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