[동해 포항 유전 발견] 석유와 천연가스 생성 원리와 유망 구조 - 유전의 필수 요소

 

 

 

1. 석유와 천연가스 생성 원리

 

석유 및 천연가스의 생성은 바다나 호수의 플랑크톤과 같은 유기물이 썩지 않고 지하로 매몰되어 지열과 지압, 토양의 촉매 작용으로 인해 단백질이 분해되어 석유 및 천연가스의 원료인 탄화수소(CHx)로 변했다는 유기성인설(Organic Theory)이 정설로 받아들여지고 있습니다.

이런 석유나 천연가스는 주로 쥐라기 및 백악기가 있던 중생대 시대 퇴적암 지층에서 많이 발견되어, 한때 공룡 등의 육상 생물이 석유의 기원이라고 여겼을 때도 있었습니다.

그러나 육상에서는 유기물 사채가 산소와 결합하여 지하로 매몰되기 전에 부패되기 때문에 석유로 변할 확률이 극히 미미합니다.
이에 석유의 기원 물질은 90%가 식물성 플랑크톤, 10%가 동물성 플랑크톤일 것으로 추정되고 있습니다.

 

 

판게아(초대륙) 시절 대륙별 위치 (출처 : DinoAnimals.com)

 

 

중생대 시대에 석유가 많이 발견되는 이유는 당시 기후와 관련이 있습니다.

중생대 시기에는 활발한 화산 활동으로 대기 중 산소 농도가 적었고, 온도가 높았습니다.
또한 해수면이 높아 얕은 바다나 호수가 많아 유기물들이 썩지 않고 퇴적되는 데 좋은 환경이었기 때문입니다.

현재 유전이 대부분 중동지역에서 발견되는 이유도 중생대 시기 중동지역은 바다였다가 이후 육지가 된 지역이기 때문에 상대적으로 접근이 쉽기 때문입니다.

 

 

유전의 생성 요소가 되는 암석 및 지질 구조 (출처 : SK에너지 블로그)

 

 

유기물이 부패하지 않고 쌓인 지층을 근원암 (Source Rock)이라고 합니다.
이 근원암이 오랜 기간 퇴적되어 수압과 지압에 의해 유기물이 케로젠이라는 석유 기원 물질로 바뀌게 됩니다.

이 케로젠(kerogen)은 고온의 지열로 인해 액체나 가스로 변하게 되는데, 온도 및 깊이에 따른 압력에 따라 ▲중질유, ▲경질유, ▲천연가스로 나뉘게 됩니다.

온도가 100℃ 이상이 되면 케로젠이 긴 체인 형태의 수소, 탄소 분자로 변하면서 왁스 성분이 많아 점도가 높은 중질유가 생성됩니다.

100℃ ~ 160℃가 되면 좀더 가벼운 경질유가, 160℃ 이상에서는 천연가스가 형성됩니다.

 

지층 깊이와 온도에 따른 원유의 변화 (출처 : Applications of Light Hydrocarbon Molecular and Isotopic Compositions in Oil and Gas Exploration)

 

 

 

2. 유전 생성의 필수 요소와 구조

 

유기물이 퇴적된 기원암에서 탄화수소가 생성되더라도 이들이 모여서 유전이 만들어지기 위해서는 석유와 가스가 모일수 있는 지질학적 환경이 만들어져야 합니다.
석유와 가스가 집적되기 위해서는 저류암, 덮개암이 존재하고 집유구조(트랩)가 형성되어야 합니다.

 

 

유전 형성의 필수 요소

- 근원암
- 저류암
- 덮개암
- 집유 구조(트랩)

 

 

유전이 생성되기 위한 암석 종류와 집유 구조 (출처 : GS칼텍스 미디어허브)

 

 

기원암에서 생성된 석유나 가스는 암석 내부 압력에 의해 암석 내 틈새나 미세 공극(Pore)을 따라 압력이 낮고 공간이 큰 주변 암석으로 이동하게 됩니다.

주로 사암이나 석회암 등으로 이루어진 지층이 투과율이 높아 쉽게 스펀지 처럼 원유가 스며들 수 있으며 이를 저류암(Reservoir Rock)이라고 합니다.
저류암에 스며든 석유와 가스는 투과율이 낮은 점토, 암염 등으로 이루어진 지층인 덮개암(Cap Rock)을 만날 때까지 이동하게 됩니다.

이때 저류암과 덮개암 사이에 트랩이라는 구조적 빈 공간이 형성되어야 석유와 가스가 고여있는 유전이 형성되게 됩니다.

 

 

다양한 트랩의 구조 (출처 : 에너지코리아뉴스)

 

 

트랩 구조로는 ▲배사 트랩, ▲단층 트랩, ▲관입 트랩, ▲층위 트랩 등 다양한 구조가 있으며 일반적으로 바가지를 뒤집어 놓은 모양인 배사 트랩에서 유전이 많이 발견됩니다.

이러한 트랩구조 안에서 저류층에 스며들어 있는 가스, 석유, 물이 밀도에 따라 순서대로 고이게 됩니다.

맨처음 유전을 파게되면 내부 압력에 의해 고여있던 가스와 석유들이 뿜어져 나오며, 이후 물과 수증기를 주입해 압력을 높여 저류층에 스며들어있는 원유와 가스들이 추가적으로 나올 수 있도록 합니다.

 

 

유전이 생성되는 다양한 집유 구조 (트랩) (출처 : 한국석유공사)