석유 용기(저류암)에는 무엇이 담겨 있을까요? 상금 (The prize)

저류암이란?

물론 석유업계 사람들은 그것을 용기나 통이라고 부르지 않고 '저류암'이라고 부릅니다. 그러나 어떻게 부르든지 저류암은 그들이 관심을 갖고 있는 석유와 가스 같은 유체뿐 아니라 관심이 없는 물과 다른 가스들도 담고 있습니다.

저류암에 담겨 있는 유체의 성질을 보다 잘 이해하려면 먼저 저류암의 일생에 거쳐서 변하는 압력,온도, 시간과 같은 것에 대해서 먼저 알아야 합니다. 이것들은 탄화수소의 형성에 매우 중요할 뿐 아니라 저류암 내에 존재하는 탄화수소의 종류와 탄화수소를 생산할 때의 방법까지 결정합니다. 

 

결정요소

-압력

지표면의 한 지점에서 위로부터 작용하는 압력은 psi로 표시됩니다. 퇴적물이 퇴적된 후에 묻히면서 위의 지층으로부터 압력을 받거나 또는 지각이 변형 되면서 압력이 증가하게 됩니다. 퇴적물이나 암석에서는 일반적으로 30cm의 깊이마다 1psi 씩 증가하므로 1,500미터 깊이에서는 5,000Psi의 압력이 작용합니다. 이렇게 위에서 누르는 암석의 압력을 견디며 입자에서 입자로 압력을 전달합니다.

입자와 입자 사이의 공극은 독립적인 압력 기능을 갖고 있습니다. 공극 내에서의 압력을 정수압이라고 하는데, 기준면 위의 단위 면적 상부의  공간을 채운 염수층의 무게와 같습니다. 따라서 1,500미터의 깊이에서 정수압은 2,250psi 입니다.

상부압력이 너무 커지면 퇴적암 내의 입자들이 변형되거나 부서집니다. 보통 공극 내 유체들은 상부압력이 증가하면서 서서히 빠져나가지만 셰일과 같은 불투수층에 막혀서 공극 내에 갇히게 됩니다. 이럴 경우에는 압력이 크게 증가한 이상압력이 됩니다. 이러한 이상압력은 시추할 때 문제가 되어 드릴 비트가 이상압력층을 만나면 유정폭발의 위험이 있기 때문에 시추 기술자들에게는 항상 골칫거리입니다. 

-온도

대조적응로 지구의 표면은 대기만으로 보호되고 있습니다. 햇빛 덕분에 지구의 표면은 온화하고 살기에 적당한 것입니다. 지구의 표면과 핵 사이에서는 깊이가 증가하면서 온도가 증가합니다. 지열구배(깊이에 따른 온도의 증가율)의 세계 평균윤 300cm 당약 9도씨입니다. 지하의 지층의 실제온도는 지표면의 연평균 온도에 지열구배로 계산되는 온도를 더한 것입니다. 예를 들면 미국 와이오밍 주 파우더 리버 분지의 1,500m 깊이에 있는 저류암의 온도를 계산하면 지표면의 연평균 온도 즉 63도씨입니다. 바다에서는 해저면 가까이의 해수의 평균 온도가 약 0.5도씨 이므로 해저면 이하 3,000m깊이의 저류암의 온도는 약 90.5도씨 입니다.

지표면 이하의 온도가 이렇게 단순한 것만은 아닙니다. 예를 들면 미국 옐로스톤 국립공원과 같이 뜨거운 곳에서는 지하의 온도가 높습니다. 차가운 해양판이 가벼운 대륙판 밑으로 섭입되고 있는 온도가 대체로 낮습닌다.

 

-시간

실험실에서는 생물 기원의 퇴적물에 열을 가하여 탄화수소를 만들어낼 수 있습니다. 자연 상태에서는 퇴적물이 충분히 깊이 묻힌 후에야 탄화수소의 생성이 가능한 온도에 도달합니다. 생물 기원 물질들이 퇴적작용과 지구조 운동에 의한 지각의 변형으로 묻히면서 지구의 중심에 가까워지는 것만으로도 온도가 증가합니다. 자연현상은 실험실 조건과는 달라서 수백만 년 또는 그 이상의 시간이 필요합니다. 그러나 지구는 그보다 훨씬 오래된 45억 년 정도 됐습니다. 그리고 지구 과학자들은 지구에서 원시적인 생명체가 약 10억 년 전에 출현하였다고 믿고 있습니다. 이미 5억 년 전에 바다에 충분히 많은 생물이 살고 있었고 육상에도 식물들이 번창하여 탄화수소 생성의 근원 물질이 된 것입니다. 이러한 근원 물질들은 지질학적 작용으로 퇴적물과 함께 묻히고 숙성되어 탄화수소를 생산할 수 있는 기회를 기다리고 있었을 뿐입니다.

 

-구성물

지표면에서 3~20m의 깊이까지는 상대적으로 건조합니다. 깊어지면서 점점 습해져서 어느 깊이, 즉 지하수면에 이르면 물로 완전히 포화상태가 됩니다. 지하수면 아래에서는 물이 자유롭게 이동할 수 있습니다. 지하수면 아래에 있는 지층의 공극은 유체로 채워져 있습니다. 이 유체는 거의 대부분 물, 즉 지층수인데 약 350m 깊이까지는 담수성이고 그 이하에서는 염수성입니다. 물보다 가벼운 탄화수소는 집적구조가 형성되어 다른 곳으로 이동하지 못하고 갇혀 있을 때 집적되는 것입니다.

 

-염수

퇴적물은 지충수인 염수와 함께 퇴적됩니다. 해수는 보통 백만 분의 25,000~35,000에 해당하는 농도의 소금을 포함하고 있습니다. 퇴적물이 지층을 형성하면서 자체의 무게가 공극에 압력을 가하여 마치 스펀지에서 물을 짜내듯이 그러나 천천히 지층수가 빠져나갑니다. 지층수가 공극이 발달 한 지층에서 다른 지층으로 이동하는 동안에 과거의 바다에서 증발로 형성된 암염퇴적층이 있으면 이 암염층을 녹여서 엽분도가 증가하기도 합니다. 지층수의 염분도가 50,000ppm 에서 110,000ppm 이상이 될 수 있는 것은 이 때문입니다. 극단적인 경우에는 지층수의 염분도가 매우 높아서 더 이상 소금을 녹을수 없는 포화상태가 되는데, 이때의 지층수를 간후(brine)라고 합니다.