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석유와 천연가스 생성 원리, 유망구조 - 유전의 필수 요소
석유 산업 개발 프로세스 분석, 유전 탐사 기술, 시추 및 매장량 계산 방법
1. 포항 앞바다 석유 발견 가능성
■ 석유 생성 원리와 구조
석유와 천연가스의 생성 원리는 주로 바다나 호수에 존재하던 해조류나 플랑크톤 등의 유기물의 사채가 썩지 않고 가라앉아 땅속에 퇴적된 후 수압, 지압과 지열에 의해 탄화수소(CHx) 복합물인 석유 원류 물질로 변하게 됩니다.
케로젠(Kerogen)이라는 이 원류물질은 온도와 압력에 따라 석유가 되거나 천연가스로 변하게 됩니다.
석유와 천연가스 생성 원리, 유망구조 - 유전의 필수 요소
유기물이 썩지 않고 퇴적되어야 하기 때문에 산소와 접촉되지 않고 빠르게 땅 속으로 매몰되어야 하는데, 따라서 육지보다 주로 바다나 호수였던 지역에서 유전이 발견되기 쉽고, CO2 비중이 컸던 중생대 (쥐라기, 백악기) 시대 퇴적 지층에서 많이 발견됩니다.
(실제 석유 매장 비중은 신생대 지층에서 60%, 중생대 지층이 25%, 고생대 지층에 15% 존재 한다고 합니다.)
유기물이 땅속에 퇴적된 지층을 근원암이라고하며, 여기서 발생된 석유와 가스는 주변의 다공성 재질 혹은 틈새가 많은 암석층인 저류암으로 이동하게 됩니다.
이러한 저류암의 여러 구멍과 틈새를 공극이라고 하고, 공극의 비율인 공극률이 15% 이상이 되면 경제성이 있는 저류암으로 판단합니다.
저류암 공극 사이사이의 석유와 가스는 모세관 현상 등에 의해 계속 주변과 지층쪽으로 분산되어 이동하는데, 이러한 이동을 막고 한 곳에 고여있을 수 있도록 하는 투과성 없는 치밀한 암석층(덮개암)이 저류암 주변을 감싸고 있어야 합니다.
이렇게 덮개암이 저류암 주변을 둘러 막고 있는 구조를 트랩이라고 하며, 트랩 구조의 종류로는 배사구조, 층서구조, 단층구조, 트러스트 구조 등이 있습니다.
이 중 바가지를 뒤집어놓은 형태의 배사트랩 구조가 전세계 유전의 약 75%를 차지하고 있어 이 배사 트랩 구조의 지형을 찾는 게 핵심입니다.
■ 한반도 동해 지형과 석유
아쉽게도 우리나라는 중생대 말기까지 바다가 없이 중국 및 일본과 대륙으로 이어져 있었으며, 특히 일본과는 육지가 거의 붙어 있어 석유가 발견될만한 중생대 시기의 퇴적 지층이 거의 없습니다.
우리나라의 바다는 약 2,300만년전 신생대 3기 때 태평양판이 유라시아판 아래로 섭입되면서 생긴 압력으로 인해 내부의 맨틀이 상승하면서 울릉분지 및 일본분지를 만들어냈고, 지각이 양쪽으로 밀려나는 인장력에 의해 한반도와 일본이 양 옆으로 밀려나고 밑으로 침강되면서 동해와 태백산맥이 형성되게 됩니다.
따라서 동해에 있는 퇴적지층은 주로 신생대 3기에 생성된 젋은 지층이라고 볼 수 있습니다.
신생대 3기는 바다 생물이 특히 급증하던 시기로 그에 따른 유기물 퇴적이 활발하게 이루어져 석유가 가장 많이 묻혀있는 지층이라고 합니다.
특히 포항 앞바다인 영일만은 국내에서 신생대 3기 지질층이 가장 넓고 두텁게 분포하는 지역이고, 퇴적층이 만들어지기 쉬운 분지 구조로서 지속적으로 석유 및 천연가스 매장 가능성이 제기되어 왔습니다.
2. 동해 가스전 개발 및 탐사 현황
해양 유기물이 많았던 신생대 3기의 퇴적분지로 구성된 동해에서의 초반 석유 탐사는 석유가 있을 확률이 높은 배사트랩구조를 찾기 위해 집중했었습니다.
1970년대부터 1990년대까지 한국석유공사와 네덜란드 석유 에너지 기업인 쉘(Shell)과 함께 6-1광구 동부 지역의 습곡과 단층이 발달해있는 돌고래구조대에서 배사 구조를 탐사했으나 배사 구조 규모가 작고 석유가 스며들어 있을 저류암의 두께가 얇아 경제성이 떨어졌고, 실제 시추 결과 석유 및 가스가 발견되었으나 상업성 미달로 개발까지 이어지진 않았습니다.
이후 탐사 기술이 발전하면서 배사 트랩 구조 뿐만 아니라 층서 구조의 해석 기술이 도입되어, 기존 쉘 사와 탐사했던 돌고래 구조대 외에 6-1 광구 남서부 지역 비변형대 (지각운동이 없었던 지역)에서 층서트랩으로 구성된 5개의 유망구조를 발견하게 됩니다.
이 5개의 유망구조를 고래1~고래5로 명명하고 이중 고래 5 지역에서 가스전이 발견돼 400만톤 규모의 동해-1 가스전 개발로 이어지게 되었습니다.
동해-1 가스전 개발까지 총 28년, 13개의 시추공 탐사가 소요되었습니다.
이후 동해-1 가스전 주변의 고래 지역에서 집중적인 물리 탐사와 시추탐사를 진행하면서 여러개의 추가적인 유망구조를 도출했고, 이중 고래-8, 고래-14 구조에서 추가적인 천연가스가 발견돼 동해-2 가스전 개발로 까지 이어집니다.
이렇게 동해 6-1 광구 남부지역의 고래 구조대에서 여러 가스전들이 발견되면서 동해 대륙붕 지역 관심도가 높아졌고, 호주의 석유 에너지 기업인 우드사이드가 6-1광구 북부와 8광구에 대한 조광권을 획득해 울릉 분지 지역 심해 대륙붕 탐사가 다시 이어지게 됩니다.
2008년부터 우드사이드와 한국석유공사, 한국가스공사는 6-1광구 북부와 8광구 지역 심해에서 2D, 3D 탄성파 탐사와 평가 작업을 통해 총 세 개의 시추공(홍게, 주작, 방어)을 뚫었으며, 천연가스 발견과 양질의 저류층을 발견하게 됩니다.
3. 대왕고래지역 7개 유망구조 발견
최근 가장 논란이 되고 있는 액트지오(Act-Geo)사가 포항 앞바다 영일만의 심해 분지인 대왕고래지역 (6-1광구 북부와 8광구)의 2D, 3D 탄성파, 지진파 데이터, 기존 3개의 시추공(홍게, 주작, 방어) 데이터 등을 종합 해석한 결과, 35억 배럴~140억 배럴 규모의 석유 및 가스 매장 가능성이 있는 총 7개의 새로운 유망구조를 발견했다고 발표했습니다.
해석에 활용된 데이터들은 석유공사와 호주의 우드사이드사가 2008년부터 함께 해당 분지지역을 탐사한 데이터 및 석유공사가 내부에서 광개토 프로젝트팀을 꾸려 탐사한 데이터가 포함되어 있습니다.
(우드사이드는 2021년 측정한 2,000㎢ 규모의 3D 데이터에 대해 해석을 진행하지 않고 철수)
액트지오 팀은 데이터 해석과 함께 기존 3개의 시추공인 홍게, 주작, 방어의 실패 원인을 분석했습니다.
- 홍게 (우드사이드, 석유공사)
석유가 생성될 수 있는 유기물 퇴적층인 기반암 및 저류층이 충분하게 존재하고, 양질의 덮개암으로 덮여있는 트랩구조가 발견되었습니다.
이 트랩구조 내부에는 400m의 기둥 형태로 액체를 저장할 수 있는 공간과 CO2(이산화탄소)가 발견되었으나 상업성이 없다고 판단되었습니다. - 주작 (우드사이드, 석유공사)
2D, 3D 평가 데이터로는 돔 구조의 트랩이 존재할 것으로 추측했으나, 실제로는 존재하지 않음이 확인되었습니다. - 방어 (석유공사 단독)
동해가스전 10배 수준의 매장량을 보유할 것으로 추정된 방어 유정에서는 석유 매장 가능성이 매우 높았지만, 내부 압력이 너무 강해 시추에 실패했습니다.
이러한 데이터를 기반으로 새로 도출된 7개의 유망구조(대왕고래)는 대륙사면부터 대륙붕까지 이어진 대규모 구조로 수심 1.2km의 분지 지역으로 표층이 진흙으로 덮여 석유를 가둘 수 있는 덮개암이 존재하고 그 아래 트랩 구조가 존재한다고 합니다.
석유 산업 개발 프로세스 분석, 유전 탐사 기술, 시추 및 매장량 계산 방법
석유공사는 이를 토대로 7월 중에 첫번째 시추공 위치를 결정하고 12월 부터 시추 탐사를 진행할 예정입니다.
또한 현재의 8광구 및 6-1광구 북부 지역을 새로 도출된 7개의 유망구조 (대왕고래 구조)에 맞춰 개편하여 해외 투자 유치를 추진한다고 밝혔습니다.
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