석유 용기(저류암)에는 무엇이 담겨 있을까요? Part 2

탄화수소 : 석유와 가스



탄화수소의 기원을 이해하기 전에 먼저 탄화수소가 무엇인지 알야아 합니다. 탄화수소는 탄소의 수소원자의 화합물로서 서로 다양하게 연결되고 조합되고 있습니다. 적은 양의 황, 질소, 금속원자와 같은 다른 성분들도 탄화수소와 결합하고 있습니다. 이러한 기타 원소의 양에 따라서 석유와 가스의 생산과 처리에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

 

 

-화학

유기화학이라는 학문은 탄소와 수소의 화합물인 탄화수소를 연구하는 것으로서 때로는 의학과 공학을 전공하려는 학생들에게 엄청나게 부담이 되는 과목이기도 합니다. 그래서 이들이 대신 법학이나 경영학을 전공하게 되는지도 모르는 이유일거 같습니다.

석유공학자들은 유기화학에 대해서 약간의 관심을 갖고 있습니다. 그러니 석유 공학자뿐 아니라 석유 생산과 관련된 일에 종사하는 사람들은 탄화수소의 화학적 성질에 대해서 어느 정도 알아야 합니다.

가장 단순한 형태의 탄화수소인 메탄은 네 개의 수소원자와 한 개의 탄소원자가 결합되어 있는 것입니다. 메탄과 또 더욱 복잡한 탄화수소 분자에서 중요한 것은 탄소와 수소의 원자가입니다. 원자가란 쉽게 생각하면 하나의 원자에 결합할 수 있는 다른 원자의 개수라고 할 수 있습니다. 수소는 원자가가 1이고 탄소는 원자가가 4입니다. 따라서 하나의 탄소에 4개의 수소가 결합할 수 있고 수소는 하나의 탄소에만 결합이 가능합니다. 이러한 결합을 본드라고 합니다. 석유와 가스를 형성하는 거의 분자들은 같은 원리에 의해서 만들어집니다.

다음으로 단순한 탄화수소 분자는 에탄, 프로판, 부탄으로서 원자가의 모든 조건을 만족시킵니다. 이러한 분자들은 분자식을 갖고 질량이 증가하는데, 파리핀족이라고 부릅니다. 파라핀족 중에서 탄소원자가 20개 이상인 길이가 긴 것은 실온에서 왁스 성질을 가족 있는 고체 상태입니다. 이와 같이 원유에 탄소원자가 다수인 파라핀을 많이 포함되어 있으면 왁스가 파이프, 밸브, 선박의 벽에 침전하여 문제를 일으킵니다.

그러나 모든 탄화수소 분자가 긴 사슬모양을 하고 있는 것은 아닙니다. 나프텐족은 사이클로헥산처럼 고리모양을 하고 있습니다. 나프텐족의 일반적인 분자식은 모든 탄소원자와 수소원자가 원자가의 조건을 만족시킵니다.

또 다른 2개의 탄화수소 그룹이 석유와 가스의 나머지를 모두 포함하지만 화학적 원리를 철저하게 따르지는 않습니다. 방향족이라는 탄화수소 분자들은 탄소원자의 원자가 4를 만족시켜야 할 수소분자가 부족한 상태입니다. 대신 탄소원자가 원자가4를 만족시키려면 마치 2개의 결합이 하나의 결합을 대신하는 것과 같은 이중결합을 고리에 갖고 있습니다. 방향족도 나프텐족과 같이 파라핀족의 탄화수소와 결합하여 무수히 많은 결합형을 만듭니다.

쉽게 생각하면 파라핀족 원유는 파라핀족 탄화수소로 구성되어 있는 것 같지만 실제로는 파라핀족 탄화수소가 우세하고 나프텐족과 방향족 탄화수소를 최대 50%까지 포함할 수도 있습니다. 나프텐족 원유와 방향족 원유도 마찬가지 입니다. 어쨌든, 파라핀족- 나프텐족 - 방향족으로 분류하는 것이 원유를 정제하는 사람의 입장에서는 어떠한 처리를 할 것인가, 어떤 것을 쉽게 생산할 수 있는가 등을 알 수 있기 때문에 편리한 거입니다.

-성분

원유의 경우 수백만 개의 다른 구조를 갖는 분자들로 구성되어 있지만 천연가스는 몇 개의 다른 구조를 갖는 분자들로 구성되어 있습니다.

건성 가스와 습성 가스의 성분들은 집적되어 있는 깊이의 현장 온도에서 가스 상태이며 압력을 유지해야 가스 상태로 존재합니다. 미국의 경우 천연가스의 체적을 표준 입방 피트로 표시합니다. 1 표전 입방 피트의 에너지양, 즉 열랴은 메탄가스 이외에 다른 가스 성분의 양에 따라서 달라집니다. 천연가스의 열량 단위는 1 표전 입방 피트당 BTU로 표시하는데 천연가스의 열량은 보통 1표준 입방 피트당 1,000 BTU이다. BTU는 질량 1파운드(약 0.45kg)의 물의 온도를 약 1도F증가시키는 데 필요한 열량이다. 많은 석유회사들이 석유와 가스의 통계를 위하여 사용하는 또 다른 표준 단위로는 석유환산 배럴이 있습니다. 천연가스를 BOE로 환산하면 보통 천연가스의 5백 9십만 BTU가 1BOE에 해당합니다. 

천연가스의 상업적 이용은 느리게 진행됐습니다. 석유를 생산할 때 함께 생산되는 가스가 많으면 귀찮은 존재가 되는데, 석유 생산자들은 이 가스를 그나마 수반 가스라고 불러주었습니다. 가스를 현장에서 보통 태워버렸습니다. 그러나 가스정에서 가스와 함께 생산되는 액상의 탄화수소는 수반 석유라고 부르지 않았습니다. 이러한 액상의 탄화수소는 컨덴세이트 또는 액성 천연가스로서 가스정에서 책체로 직접 분리가 되면 컨덴세이트이고 별도의 가스 처리시설에서 액체로 분리가 되면 액성 천연가스입니다.