• 대한자원환경지질학회:학술대회논문집
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• 대한자원환경지질학회 2007년도 춘계 지질과학기술 공동학술대회
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• pp.249-251
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• 2007

• 공업화학
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• 제24권1호
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• pp.10-17
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• 2013

중질탄화수소를 부가가치가 높은 경질탄화수소로 전환하는 업그레이딩 공정은 기존 정유공정에서 사용되고 있는 기술이다. 최근 석유자원의 한계로 비재래형 에너지(Non conventional energy)기술 개발의 중요성이 증가하고 되었고, 그 생산기술이 점차 상용화되어 기존 정유제품의 수요를 대체하고 있다. 향후 자원 부국과의 경쟁입지를 확보하기 위해서는 이러한 비재래형 에너지를 이용하기 위한 기술개발이 매우 중요하다. 대표적인 비재래형 에너지로는 오일샌드 (oil sands), 초중질유(extra heavy oil), 셰일가스(shale gas) 등이 있으며, 이 중 오일샌드 및 초중질유는 원유를 대체할 수 있는 비재래형 에너지원으로, 이들 이용기술은 캐나다 및 베네수엘라에서 상업적으로 개발되었다. 특히, 비튜멘 (bitumen) 및 GTL (Gas-To-Liquid) 합성공정의 중간산물인 FT (Fischer-Tropsch) wax는 업그레이딩(upgrading) 혹은 정제 (refining) 공정을 거쳐 가솔린이나 디젤유과 같은 고부가가치 정유 제품으로 생산된다. 이러한 업그레이딩 공정은 기존 원유 정제공정에서 이루어지고 있는 저급 중질탄화수소의 고도화 공정에 해당되는 기술이다. 비튜멘은 상온에서도 유동성이 없는 고점성의 초중질유와 비슷한 물성을 가진 물질로 기존 정유플랜트에서 처리하기 어려운 성분들이 다량 포함되어 있어, 원유 정제 기술의 고도화 설비와는 차별화된 기술의 적용이 필요하다. 또한, 생산, 수송 및 판매에 많은 비용과 기술적 제한 사항이 존재하며, 특히 비튜멘 생산과 고부가화 합성원유 생산을 위해 필요한 많은 에너지 비용과 플랜트 건설 투자비용은 오일샌드 개발의 큰 장애 요소로 작용되고 있다. 그러나 비튜멘의 생산, 수송, 고부가화 부문의 기술적, 사업적 발전 방향에 대한 연구, 검토가 기존 정유사업 고도화와 연계하여 활발히 진행 중에 있다. 오일샌드의 경우, 비튜멘의 일반적인 시장 판매 방법으로 단순히 희석제와 혼합하여 판매하는 방법이 있고, 업그레이딩을 통하여 합성원유의 형태로 판매하는 방법이 있다. 전자의 경우엔 원유가 대비 희석 비튜멘의 가격차가 커지고, 희석제의 가격이 올라가는 시장상황에서는 불리하다. 또한, 플랜트의 용량이 증가하면, 더욱 경제성이 없어진다. 그래서 처리용량에 맞는 업그레이딩의 적용은 이러한 시장 환경 변화에 대한 대비라 할 수 있다. 이러한 비재래 에너지원의 고부가화(upgrading) 기술에 대하여 알아보고자 한다.

• 한국석유지질학회지
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• 제14권1호
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• pp.36-44
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• 2008

비재래형 탄화수소 자원의 하나인 치밀저류층 내의 천연가스는 중요한 탐사개발 대상이 되고 있다. 치밀가스 저류층은 가스를 배태하고 있는 저류암으로서 투수율이 0.1 md 미만인 저류층을 말한다. 치밀가스 저류층은 광범위하게 두꺼운 층으로 산출되며, 재래형의 가스 집적체와는 달리 과대압력이나 저압력의 비정상적인 압력상태로 나타나는 것이 특징이다. 재래형 가스가 구조트랩이나 층서트랩에서 산출되는 것에 비하여 치밀가스는 이들 트랩들과는 무관하게 산출되고 있다. 치밀저류층에서 가스를 생산하기 위해서는 수압파쇄(hydraulic fracturing)와 같은 인공 자극법에 의해서만 가능하다. 치밀가스 저류층의 최적 생산지역을 스위트 스폿이라고 하며, 생산성을 높이기 위해서는 지질학적 자연균열 상태를 이해하여야 한다. 친환경 연료자원으로 주목을 받고 있는 치밀가스는 탐사기술과 회수방법이 발전함에 따라서 상업적으로 생산되고 있다. 자연균열대를 가로지르는 방향으로 수평시추나 경사시추를 수행할 때 생산성을 극대화할 수 있다. 실제로 미국과 캐나다 등에서는 치밀저류층에서 많은 양의 가스를 생산하고 있으며, 생산량은 해마다 증가하고 있다. 특히, 미국의 치밀사암층에서 생산되는 가스의 경우 1990년에 미국의 총 가스 생산량의 11.1%를 차지하였지만 2005년에는 총 가스 생산량의 24.1%를 차지하고 있다. 국내 대륙붕에서도 치밀가스의 존재 가능성이 제시되고 있으며 이를 개발하기 위해서는 기존의 재래형 가스자원의 탐사 및 개발의 파라다임을 완전히 바꾸는 것이 필요하다.

• 한국지구과학회:학술대회논문집
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• 한국지구과학회 2010년도 춘계학술발표회 논문집
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• pp.106-106
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• 2010

오일샌드는 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합체로 이루어진 비재래형 탄화수소 자원으로 세계적인 고유가 시대에 큰 관심을 받고 있는 석유자원 중 하나이다. 오일샌드는 대부분이 캐나다 앨버타주에 분포하고 있으며 주요 저류층으로는 아스바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake) 지역의 멕머레이층(McMurray Formation), 클리어워터층(Clearwater Formation), 그랜드래피드층(Grand Rapid Formation)과 피스리버(Peace River) 지역의 블루스카이층(Bluesky Formation), 게팅층(Gathing Formation)이 있다. 오일샌드 저류층은 고생대 탄산염 기반암 위에 하성-에스츄어리에 이르는 다양한 퇴적환경에서 형성되어 매우 복잡한 지질특성이 나타난다. 오일샌드 저류층의 효율적인 개발을 위해서는 저류층의 복잡한 지질학적 특성의 이해가 반드시 필요하다. 본 연구에서 캐나다 오일샌드 시추코어 분석 DB, 물리검층 자료, 현장 및 현생 시추코어를 통하여 오일샌드 저류층의 지질특성화 정보의 도출을 시도하였다. 우선 캐나다 앨버타 전역에 분포하는 시추공의 기본 정보(표고, 위경도, 층서별 최상부 심도, 생산광구명, 광구개발업체)를 제공하는 AccuMap DB 프로그램을 이용하여 광역적인 오일샌드 저류층의 분포 특성을 이해하고자 주요층서에 대한 고지형도 및 층후도를 생산광구별로 도면화하여 분석하였다. 또한 캐나다 ENCANA사와 국제공동연구의 일환으로 확보된 크리스티나 레이크(Christina Lake)광구의 현장 시추코어를 이용하여 코어의 상세기재, 비파괴 물성측정, 입도/비투멘 함유량 분석과 같은 다양한 실내 시추코어분석 실험을 수행 중이다. 비파괴 물성측정은 현장 시추코어의 물리적/화학적 특성을 파악하고자 MSCL(Multi sensor core logger)과 XRF 코어 스캐너(X-ray fluorescence core scaner)를 통해 이루어지며, 분석결과로 시추코어의 감마밀도(gamma density), P파 속도(P-wave velocity), 전기비저항(resistivity), 대자율(magnetic susceptibility) 및 색지수의 물성과 정량적 화학조성을 측정한다. 현장 시추코어의 일부는 유기용매를 이용하여 퇴적물 내의 비투멘을 완전히 추출하고 퇴적물 입도와 저류층 비투멘 함유량 측정에 이용되었다. 현장 시료 분석 결과들은 물리검층 자료와 대비를 통하여 저류층의 지질특성을 규명하는 연구에 이용될 예정이다. 마지막으로 오일샌드의 현생 유사 퇴적환경으로 알려진 서해 경기만 조간대에서 시추코어 퇴적물을 획득하여 상세 기재하였으며, 이를 통해 오일샌드 저류층의 퇴적 모델을 제시하고자 퇴적층서 연구를 진행 중이다. 향후 오일샌드 관련 시추코어의 분석 결과들이 종합되면 기존 보다 비투멘 회수효율을 향상시킬 수 있는 정밀한 오일샌드 저류층 지질모델을 수립할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국석유지질학회지
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• 제14권1호
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• pp.1-11
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• 2008

오일샌드는 비재래형(unconventional) 석유자원의 하나로서 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합물이다. 오일샌드 비투멘은 API 비중이 $8-14^{\circ}$이고 점도가 10,000 cP 이상인, 매우 무겁고 점성이 큰 탄화수소 자원으로서 일반적으로 지표나 천부퇴적층에서 유동성을 갖지 않는다. 오일샌드 비투멘은 주로 캐나다 앨버타주와 사스캐추완주에 분포하고 있으며, 캐나다에만 원시부존량이 1조 7천억 배럴, 확인매장량이 1천 7백억 배럴에 달한다. 대부분은 앨버타주 포트 멕머레이(Fort McMurray) 인근의 아사바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake), 피스리버(Peace River) 지역에 매장되어 있다. 캐나다 오일샌드 저류지층은 아사바스카 지역의 멕머레이층(McMurray Fm)과 클리어워터층(Clearwater Fm), 콜드레이크 지역의 멕머레이층(McMurray Fm), 클리어워터층(Clearwater Fm), 그랜드래피드층(Grand Rapid Fm), 피스리버 지역의 블루스카이층(Bluesky Fm)과 게팅층(Gething Fm)이다. 이들 지층은 하부 백악기 지층으로서 중생대 초-중기에 발생한 북미판과 태평양판의 충돌과 그로 인한 대륙전면분지(foreland basin)의 형성과정에서 퇴적되었다. 분지의 기반암은 복잡한 지형을 갖는 고생대 탄산염암이며, 그 위에 북미대륙 북쪽의 보레알해(Boreal Sea)로부터 현재의 북미대륙 서부를 남북으로 관통하는 전기백악기내해로(Early Cretaceous Interior Seaway)를 따라 해침이 발생하면서 오일샌드 저류지층이 형성되었다. 세 개의 주요 오일샌드 분포지역 가운데 80% 이상의 오일샌드를 매장하고 있는 아사바스카 지역의 저류지층인 멕머레이층과 크리어워터층의 최하부층원인 와비스코 층원(Wabiskaw Mbr)은 전기 백악기 시기의 해침층서를 잘 반영하고 있다. 멕머레이층 하부에는 하성기원의 퇴적층이 발달하고, 상부로 가면서 점차로 조석기원의 천해 퇴적층이 우세해지며, 와비스코 층원에 와서는 의해 세립질 퇴적층이 광역적으로 분포한다. 이러한 해침기원의 상향 세립화 경향은 아사바스카 오일샌드 부존지역에서 일반적으로 관찰된다. 오일샌드 부존지층은 일반적으로 불균질 저류층이며, 주요 저류층은 하성퇴적층이나 에스츄어리(estuary) 기원의 퇴적층에 발달한 하도-포인트 바 복합체(channel-pont bar complex)이다. 이러한 하도-포인트바 복합체는 범람원 및 조수평원 세립질 퇴적층이나 만-충진(bay-fill) 퇴적층과 함께 멕머레이층을 형성한다. 멕머레이층 상부에 오는 와비스코 층원은 주로 외해 세립질 퇴적층으로 이루어져 있으나, 멕머레이층을 대규모로 침식하는 하도사암층이 지역적으로 발달하기도 한다. 캐나다에서 오일샌드는 주로 노천채굴(surface mining)과 심부열회수(in-situ thermal recovery) 방식으로 생산한다. 50 m 미만의 심도에 묻혀있는 오일샌드는 노천채굴 방식으로 회수하여 비투멘 추출(extraction)과 개질(upgrading)과정을 거쳐 합성원유(synthetic crude oil)로 생산된다. 반면에 150-450 m 심도에 묻혀있는 오일샌드는 주로 심부열회수 방식으로 비투멘을 회수하여 비교적 간단한 비투멘 블렌딩(blending)과정을 통해 유동성을 증가시켜 정유시설로 운반한다. 심부열회수 방식으로 오일샌드를 개발할 경우 주로 스팀주입중력법(SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage)이나 주기적스팀강화법(CSS: Cyclic Steam Stimulation)이 사용된다. 이러한 방법들은 저류층에 스팀을 주입하여 저류층 내의 온도를 상승시킴으로써 비투멘의 유동성을 증가시켜 회수하는 기술을 사용한다. 따라서 오일샌드 저류층 내부의 스팀전파효율을 결정하는 저류지층의 주요 지질특성에 대한 이해가 선행되어야 효과적인 생산설계와 효율적인 생산을 수행할 수 있다. 오일샌드 생산에 영향을 미치는 저류층의 주요 지질특성에는 (1)비투멘 샌드층의 두께(pay) 및 연결성(connectivity), (2) 비투멘 함량, (3) 저류지역 지질구조, (4) 이질배플(mud baffle)이나 이질프러그(mud plug)의 분포, (5) 비투멘 샌드층에 협재하는 이질퇴적층의 두께 및 수평연장성(lateral continuity), (6) 수포화층(water-saturated sand)의 분포, (7) 가스포화층(gas-saturated sand)의 분포, (8) 포인트바의 성장방향성, (9) 속성층(diagenetic layer)의 분포, (10) 비투멘 샌드층의 조직특성 변화 등이 있다. 이러한 지질특성에 대한 고해상의 분석을 통해 보다 효과적인 오일샌드 개발이 달성될 수 있을 것이다.