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작성자 이창호
작성일 2004-12-09 (목) 09:54
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ㆍ조회: 1020      
[근대] 석유 (두산)
석유 petroleum 石油

지하에서 천연적으로 생산되는 액체 탄화수소 또는 이를 정제한 것.

I. 개관

이 중 정제하지 않은 자연상태 그대로의 것을 원유(原油)라고 한다. 석유는 메소포타미아·터키 등에서 기원전부터 사용되었다. 이 사실은 당시 유적이나 기록에 남아 있으며, 구약성서에도 석유에 대한 기록이 있다. 그러나 옛날에는 지표에 스며나온 원유·아스팔트가 의약, 종교의식, 접착제, 토건·조선·공예, 미라의 보존 등에 약간씩 사용되었을 뿐이다.

석유가 인류 문명사에서 중요성을 갖게 된 것은 19세기 후반의 일이다. 석유 수요는 처음에는 주로 등화용이었으나, 경제발전과 기술이 진보됨에 따라 용도가 다양해지고 중요성도 커져 갔다. 1879년 미국 T.에디슨이 발명한 백열전등의 출현은 등화용으로서 석유를 밀어냈다. 그러나 그 무렵부터 각종 내연기관, 특히 석유를 연료로 하는 내연기관이 잇달아 발명되어 석유소비의 증가를 가져왔다.

1885년 독일 G.다임러와 C.F.벤츠에 의해 발명된 자동차 내연기관은 19세기 말 이후 자동차공업 발전의 기초가 되었으며, 도로교통에 소비되는 석유량도 많아지게 되었다. 석유가 선박용 연료로 사용된 것은 제1차 세계대전 때였는데, 특히 1893년 독일인 R.디젤이 발명한 디젤기관은 해상교통에 혁명적인 변화를 가져와 현재까지 모든 선박의 3/4 이상이 석유를 연료로 하기에 이르렀다.

그리고 제1·2차 세계대전 사이에 소형·고속 디젤기관이 두드러지게 진보되어 자동차·기관차·트랙터 등 육상기관의 디젤화가 진행되었다. 항공기에 석유가 사용된 것은 1903년 미국 라이트 형제가 시험비행에 성공하면서 비롯되었으며, 제1·2차 세계대전은 항공기나 옥탄값 높은 휘발유 제조기술이 획기적으로 진보하는 원인이 되었다.

또한 1941년 영국의 파워 제트 회사는 제트기관을 장비한 최초 항공기를 비행시키는 데 성공하였으며 그 후 단시일에 제트기시대를 맞이하게 되었다. 한편 석유가 보일러용 연료로서 석탄보다 여러 면에서 우수하다는 것이 1904년 미국에 의해 보고되어 석탄에서 중유로의 전환이 활발히 진행되었다.

특히 제2차 세계대전 후에는 에너지의 수요증대, 석탄이나 수력전기의 공급한계 등으로 석탄에 의존하던 서양의 나라도 석유를 공업용 연료로 대량 사용하게 되었다. 그리고 가정 난방용 ·취사용으로서도 제2차 세계대전 전부터 일부에서 사용되었으나 대전 후부터는 세계적으로 널리 사용되었다. 이리하여 에너지원으로서 석유수요는 석유에 천연가스를 포함시키면 주요 에너지 수요구성 중에서 차지하는 비중은 50% 이상이다.

또 윤활유는 수량적으로 적으나 근대산업에는 꼭 필요한 것이다. 기계가 고속도화·정밀복잡화됨에 따라 점점 고급 윤활유가 필요하게 되는데, 윤활유 성분으로 부적당한 아스팔트분·방향족·나프텐족 등을 적당한 용제를 써서 제거하는 정제기술의 진보로 고급 윤활유도 대부분 석유에 의존하게 되었다.

석유화학공업은 1920년 미국 스탠더드(NJ)와 유니온 카바이드 앤드 카본이 정제 폐가스 속의 프로필렌에서 이소프로필알코올을 제조한 것을 계기로, 제2차 세계대전 중 옥탄값 높은 휘발유 제조를 위한 분해·개질기술이 발달하였다. 여기에 석유화학제품 예컨대 합성고무와 톨루엔 등에 대한 필요성이 결합하여 비약적인 기술발전을 이룩하여, 제2차 세계대전 후를 종합발전기 또는 보급기라 한다.

석유화학제품은 합성수지·합성섬유·합성고무·도료원료·합성세제·계면활성제·용제·염료·가소제·비료·공업약품·농업약품·의약품 등 여러 가지의 것이 있으며, 계속해서 새로운 제품들이 개발되고 있다. 석유는 이와 같이 근대 사회에 없어서는 안될 중요물질이지만, 제1차 세계대전 전까지만 해도 석유의 중요성이 잘 인식되지 않아, 철과 석탄이 세계지배의 주요 조건이라 생각하여 강대국들은 이것의 쟁탈전에 혈안이 되었다.

그러나 제1차 세계대전을 계기로 석유의 경제적·군사적인 중요성이 높아지고 국제정세을 좌우하는 요인 또는 국제불안을 야기시키는 원인이 되었다. 제1·2차 세계대전에서 석유문제는 중요한 단서가 되었으며, 그 후 중동정세에 긴박감이 감도는 것도 중동에 석유자원이 풍부하기 때문이다.

II. 성분과 성상

원유는 탄소(84~87%)·수소(11~14%)를 주성분으로 하고, 이 외에 황·질소·산소를 소량 함유하며 특유한 냄새가 있는 액체이다. 화학적으로는 탄화수소의 복잡한 화합물인데, 그 성상(性狀)은 산지에 따라 많이 다르며 회수율도 매우 다르다. 따라서 석유를 획일적으로 분류하기는 곤란하나, 개괄적인 분류법으로 파라핀납분(蠟分)을 많이 함유하는 원유를 파라핀기 원유, 아스팔트분을 많이 함유한 원유를 아스팔트기 원유(또는 나프텐기 원유), 둘 다 함유한 원유를 혼합기 원유라고 한다. 아스팔트기 원유는 나프텐계 탄화수소를 많이 포함하며, 가솔린분은 옥탄값이 높고, 등유분은 연소성이 나쁘며, 경유분은 세탄(cetane)값이 낮고, 윤활유분은 점도지수(粘度指數)가 낮으나 아스팔트는 양호한 것을 얻을 수 있다.

파라핀납은 제조되지 않는다. 이런 종류의 원유로는 미국 캘리포니아와 텍사스 원유, 멕시코 원유, 베네수엘라 원유 등이 있다. 파라핀기 원유는 파라핀계 탄화수소를 많이 함유하며, 가솔린의 옥탄값은 낮고, 등유는 연소성이 좋으며, 경유분은 세탄값이 높고 윤활유의 점도지수는 높으나 아스팔트는 얻을 수 없다. 고급 윤활유와 파라핀납 제조에 적당하다. 미국 펜실베이니아 원유, 수마트라 원유, 중동 원유 등이 이것에 속한다. 혼합기 원유는 미국 미드·콘티넨트 원유나 일본산 원유의 대부분이 이것에 속한다. 이외에 방향족 탄화수소를 많이 함유한 석유로는 보르네오 원유, 대만 원유 등이 있다. 올레핀계 탄화수소는 원유 중에는 거의 없다. 황분은 원유 중에 메르캅탄·황화물·이황화물·티오펜 등의 화합물로 존재하며, 중질유(重質油) 속에 많다. 또 증류·분해·수소화 등의 정제공정에서는 이들 황분이 황화수소의 형태로 분리되는 것이 많다.

황분은 제품의 품질, 정제장치에 대해 유해하므로 정제공정에서 제거되는 경우가 많다. 산소는 원유 속에 처음부터 존재하던 것과 정제공정에서 산화에 의해 생긴 것이 있는데, 전자에 지방산·나프텐산·페놀류가 있고, 후자에는 알코올·알데히드·산·케톤·과산화물이 있다. 산류(酸類)는 알칼리 세정으로 제거된다. 질소화합물은 대부분이 염기성이며 피리딘·퀴놀린·이소퀴놀린 등의 유도체인 경우가 많다. 질소화합물은 제품의 색상 안정성을 열화(劣化)시키는 외에 접촉분해·접촉개질·수소화분해 등 장치의 촉매독(觸媒毒)이 되므로 수소화 정제, 황산 세정 등으로 제거한다. 원유 중에 극히 미량으로 존재하는 여러 금속이 있다. 이들은 나프텐산염 또는 금속 포르피린 화합물로 원유 속의 탄화수소에 녹아 있거나 무기염으로 수반되는 이수분(泥水分) 속에 존재한다. 이들은 증류과정에서 잔사유(殘渣油) 속으로 이행되어 유출유(溜出油) 속에는 적게 존재한다. 니켈·바나듐·비소·납 등은 촉매독이 된다.

III. 물리적 성질

원유는 화학조성이 복잡하고 또한 가스체의 탄화수소와 고체·반고체의 탄화수소 사이에 명확한 경계가 있는 것도 아니므로 물리적 성질도 다양하다. 비중은 0.78~0.95인 것이 대부분이며, 일반적으로 파라핀계 탄화수소가 많은 원유는 비중이 작고, 나프텐계 탄화수소가 많은 것은 비중이 큰 편이다. 색은 갈색·황색·적갈색·흑색 등인데 중질(重質)의 것일수록 검다. 형광을 발하며, 흔히 녹색을 띠고 있다.

또 광회전성(光回轉性)이 있는데 이는 원유 속에 있는 콜레스테롤 때문이라고 생각된다. 그 밖에 대부분의 원유는 점도 0.02~0.2스토크, 굴절률 1.39~1.50, 표면장력 24 ~35dyne/cm, 발열량 10,500∼11,500kcal/kg이며, 끓는점·어는점은 확실하지 않다. 일반적으로 중질일수록 점도·굴절률·끓는점은 높아지고 발열량은 작아진다. 또 원유는 유전 가스를 잘 용해하는데 그것이 많이 용해되면 부피가 증대하고 비중·점도가 낮아진다.

IV. 생성

석유가 어떤 원료로 어떻게 해서 된 것인가에 대해 명백히 밝혀진 바는 아직 없다. 19세기 중엽부터 20세기 초에 걸쳐 많은 학자들이 무기적(無機的)인 성인설(成因說)을 제창하였으나, 오늘날은 거의 채택되지 않고 있다. 과거의 무기성인설은 석유는 무기물의 원료에서 무기적으로 합성된 것이라는 설인데, 이것에는 다음과 같은 것이 있다.

① 카바이드설

1866년 M.베르틀로는 지구 내부에 유리(遊離)된 알칼리 금속이 있다고 가정하고, 이것이 이산화탄소와 반응하여 일종의 카바이드가 생기고, 카바이드가 물과 작용하여 아세틸렌이 생기는데 이것이 중합·축합되어 석유가 되었다고 설명하였다. 1877년 D.I.멘델레예프도 철카바이드의 존재를 가정하여 비슷한 학설을 주장하였다.

② 화산원설(火山源說)

1909년 코스트 등은 화산작용에 의하여 석유가 합성된다고 주장하였다.

③ 우주원설(宇宙源說)

1890년 소콜로프는 탄화수소는 지구가 발생할 당시에 합성되고 지구의 응고와 동시에 지구 내부에 내포되어 있던 것이 지표 가까이로 상승하여 석유가 되었다고 하는 설을 제창하였다.

이것에 대해 유기성인설은 동식물을 원료로 해서 석유가 생성되었다고 하는 설인데 이것에는 다음과 같은 것이 있다.

① 육생식물 근원설(陸生植物根源說)

1832년 B.실리먼 등은 육생식물이 퇴적물에 파묻혀 석탄이 된 후 지하 지열에 의해 건류되어 석유가 되었다고 주장하였다. 1891년 스미스, 1920년 크레이그는 석탄과 석유는 같은 근원이며 그 메커니즘의 여하에 따라서 석탄이 되기도 하고 석유가 되기도 한다는 설을 내세웠다. 이 밖에 육생식물 포자(胞子)·꽃가루·씨·수지 등이 진흙과 함께 매몰되어 함유혈암(含油頁岩)이 되고, 이것이 지하에서 건류되어 석유가 된다고 주장하는 학자도 있었다.

② 해서동물(海棲動物) 근원설

유층 부근 지층에서 물고기·조개·산호 등 해서동물의 화석이 나오는 것에 착안하여 이들 동물이 석유의 근원물질이라고 주장하는 사람도 있었다. 그 중에서도 1888년 엥글러는 물고기 등 동물유해에서 발효로 단백질·섬유질이 제거되고 남은 지방·납 등이 지압(地壓)이나 지열에 의해 석유가 생성된다는 설을 발표하였다.

③ 해생식물(海生植物) 근원설

1866년 레퀘르 등은 석유 근원물질은 해조 등 해생식물이라고 하였다. 또 1900년 크뢰머 등은 규조를 석유의 근원물질로 생각하고 이 중의 납분이 광납을 생성하여, 이것이 적당한 온도·압력에 의해 액상석유로 변화한다는 성인설을 발표하였다.

④ 동식물 근원설

동물과 식물 양쪽에서 석유가 생길 수 있다는 설이며, 1905년 포토니가 제창한 부니설(腐泥說)도 이 근원설의 하나이다. 포토니는 하등조류·수생동물·꽃가루·포자 등이 물이 정체하고 있는 물밑에 침적되고 혐기성 박테리아의 작용으로 그 속의 지방·납·수지물이 부니(바다·호수 밑바닥에 쌓인 유기물이 썩어서 변한 검은 진흙)로 변한 후 이것이 건류되어 석유가 생긴다고 주장하였다.

이상 여러 학설 외에도 여러 가지가 있으나 요컨대 석유성인설은 일반적으로 석유에 관한 지질학적인 사실과 모순되지 않고, 화학적으로도 성립되는 것이라야 한다. 카바이드나 유리 알칼리금속은 지각 속에서 발견되지 않았으며, 화산가스 속에 메탄가스가 있거나 화산암에서 석유가 생산된다는 것은 예외적인 현상에 지나지 않는다.

대체로 무기성인설은 석유가 보통 해성퇴적물 속에 존재하는 점, 석유 속에는 포르피린 등과 같이 생물체에서 무기적으로는 합성되지 않는 것이 있다는 점, 석유는 광회전성을 가지고 있다는 점 등의 사실과 모순되므로 오늘날에는 받아들여지지 않는다. 또 육생식물 근원설은, 석유는 일반적으로 해성지층 속에 석탄이나 함유혈암을 수반하지 않고 산출되는 점, 그리고 석유는 200℃ 이상 고온을 받은 적이 없다는 점(포르피린은 200℃에서 분해된다), 석탄·함유혈암의 건류물은 석유와 조성이 다르다는 점 등의 사실과 상치되므로 현재는 지지를 받지 못한다.

오늘날 일반적으로 생각되고 있는 것처럼 해서동물 근원설과 같이 석유근원물질을 특정 동물에 한정시키는 것은 타당하지 않으므로 이 설도 채택되지 않고 있다. 오늘날 석유성인설은 일반적으로 바다의 식물과 동물을 근원물질로 하고 있어 포토니의 부니설과 비슷하나 여러 점에서 차이를 나타낸다.

상세한 점에서는 여러 가지로 의견을 달리하며, 아직도 불명한 것이 적지 않으나, 최근 받아들여지는 석유성인설의 일반적인 경향은 대체로 다음과 같다. 석유의 근원물질은 바다생물이며, 특정한 동물 또는 식물에 국한되지 않는다. 지질시대부터 보편적으로 존재하며, 양적으로도 많은 것이 근원물질로서 중요한 구실을 한 것으로 생각된다.

이런 점에서 비교적 하등생물인 플랑크톤과 같은 것이라고 생각하기 쉽다. 플랑크톤의 일종인 규조는 처음부터 그 체내에 석유와 유사한 탄화수소를 조금이나마 함유한 것도 있다. 석유가 생성되는 장소는 그와 같은 생물유체가 많이 집적하고 산화되지 않고 잘 보존되는 곳, 즉 육지와 비교적 가까운 해저분지나 내만(內灣)과 같이 물이 정체하여 산소공급이 적으며, 진흙이 퇴적하는 해저를 생각할 수 있다.

이런 곳에서는 저서동물(底棲動物)과 호기성 박테리아는 거의 생식할 수 없고, 해저에 침적된 유기물은 혐기성 박테리아의 활동으로 함유된 산소 등이 제거·소비되어 석유계 탄화수소에 가까운 것이 된다. 혐기성 박테리아의 이런 작용은 조벨 등의 최근 연구에 의해 점차 밝혀지고 있으나, 박테리아가 유기물을 어느 정도까지 석유와 비슷하게 할 수 있는가는 아직 분명하지 않다.

진흙의 퇴적으로 유기물이 깊이 매몰되면 박테리아의 활동이 급격히 쇠퇴된다. 그 대신 압력·열이 점점 높아진다. 이미 설명하였듯이 석유생성에는 200℃ 이상 고온은 생각할 수 없기 때문에, 유기물과 함께 존재하는 점토광물과 바나듐·니켈·몰리브덴 등의 미량원소가 촉매작용을 하여 장시간에 걸쳐 유기물에서 석유로 전환하고 유질이 변화한다고 생각된다.

그러나 이상의 과정에서 유기물 중의 어떤 성분이 어떻게 변화하는가에 대해서는 많이 논의되고 있다. 그리고 진흙 속에 존재하는 방사성 물질로부터 사출되는 α입자에 의해 장기간에 걸쳐 유기물 속의 지방산에서 파라핀계 탄화수소가 생긴다는 변화도 생각할 수 있다. 석유가 되기 위해서 시간이 얼마나 걸리는가에 대해서는 확실하지 않으나, 1954년 스미스에 의하면 현대 해저퇴적물 중에도 석유와 비슷한 탄화수소가 검출되는 것으로 보아 수백만 년이라는 세월은 필요하지 않을 것으로 생각된다. 이상과 같은 물리·화학적 여러 변화를 거쳐 실제로 석유광상에 석유가 채워지게 되려면 지질·지층학적 환경도 필요하다.

V. 탐광

채광작업을 진행할 만한 양의 석유가 집적된 지각 부분을 석유광상이라 하며, 일반적으로 다공질(多孔質)이고 침투성이 좋은 암석으로 되어 있다. 이 암석[油層岩]이 연속된 지층[貯油岩]에 석유가 들어갈 수 있는 지질구조로 되어 여기에 석유가 이동·집적되면 석유광상이 된다. 지질구조의 대표적인 것은, 지층이 위쪽으로 볼록한 산 모양을 나타내며 한 방향으로 뻗어 있는 배사구조(背斜構造)와 손을 굽힌 것과 같은 돔 구조가 있다. 배사구조를 이루는 유층은 이 유층의 상하부에 석유·가스·물이 서로 유통하지 못하게 하는 치밀한 암석이 있고, 특히 상부를 이루는 불투수성 암석층을 덮개암(cap rock)이라 한다. 또 유층 하부는 물로 봉쇄되어 있으며, 유층 상부는 유리형(遊離形) 천연가스(캡가스)가 고압으로 채워져 있기도 한다.

이 밖에 일련의 포개진 지층이 거의 일정한 방향으로 경사져 있는 단사구조 중에 렌즈상 첨멸(尖滅) 또는 침투성이 두드러지게 나쁜 곳이거나 아스팔트에 의해 봉해져서 석유가 집적되어 있는 경우, 그리고 지층의 부정합(不整合)·단층 등에 의해 석유가 도망갈 수 없게 밀폐된 경우 등이 있다. 탐광(探鑛), 즉 석유광상의 탐사방법은 석유 자체를 찾는 것이 아니라, 우선 지하지질 상황이 원유가 집적하기에 좋은 조건이라고 판단되는 장소를 찾는 것이다.

그 다음 단계로 찾아낸 후보지에 시굴정(試掘井)을 뚫고 석유의 존재유무와 그 존재상태를 확인한다. 시굴 후보지를 찾는 방법에는 지질학·지구물리학·지구화학을 기초로 한 여러 방법이 있으며, 각기 다른 특징을 가지고 있다. 따라서 조사지의 지질조건·지형 또는 지역조사단계에서 필요로 하는 정밀도에 따라 그 방법을 선택하며, 또 서로의 장·단점을 적절하게 병용하는 것이 바람직하다.

이렇게 조사된 대상지역 및 그 주변지역에 대한 각종 자료를 될 수 있는 대로 많이 수집하여 이들을 지질학적으로 검토한 다음, 가장 유망하다고 생각되는 곳에 시굴정을 뚫는다.

⑴ 지질학적 방법

지질조사·고생물조사·암석학적 조사가 포함된다. 그리고 유징(油徵), 지층의 암질·주향·경사 등이 직접적으로 관찰되고 구조의 유무 및 집유(集油)에 대한 가치판정이 이루어진다. 지질학적 조사는 지표뿐만 아니라 해저지질 또는 지하지질도 대상이 되고, 조사결과는 각종 도면으로 정리하여 둔다. 항공사진 지질조사에서는, 항공사진을 관찰하여 지질과 암석의 분포 및 지질구조에 대한 판독 및 도식화를 한다.

⑵ 지구물리학적 방법

물리탐광이라 하며, 종류는 많지만 석유탐광에는 공중자기탐광(空中磁氣探鑛)·지진탐광·중력탐광이 가장 보편적으로 사용된다. ⑶ 지구화학적 방법:지구화학탐광이라 하는데, 석유의 생성과정을 지구화학적으로 규명하고 그 존재 장소를 추적하려는 것이다. 이 견지에서 석유근원암의 유기물조사·가스상 탄화수소분석, 토양분석, 간극수(間隙水) 분석 등이 이루어진다. ⑷ 구조시추에 의한 방법:지표지질조사를 효과적으로 할 수 없는 지역 등에서 사용하는데, 지표에서 비교적 작은 지름의 우물을 파면서 지하의 암석시료를 취하여 지하지질구조나 지층의 순서 등을 직접 파악하는 방법이다.

VI. 개발

시굴정을 파서 지하의 유층이 확인되면 그 다음 여러 개의 굴을 파서 유전의 규모를 확정하고, 적절한 계획을 세워 채유정을 세우는 동시에 소요되는 지상시설을 건설한다. 유전 내에 계속 채유정을 파고 여기에 수반되는 지상시설의 건설단계를 개발이라 한다.

석유유정굴착은 주로 회전천공기로 하는데, 이는 굴관하단(掘管下端)에 비트(bit)라는 강철제 추를 달고, 굴관상단의 각형 파이프를 회전 테이블에 끼워 전체를 회전시키면서 굴착한다. 굴착할 때 생기는 찌꺼기를 제거하기 위해 물을 순환시키지만, 지층의 종류에 따라서 물을 사용하면 굴착된 우물벽이 무너져 굴착작업을 할 수 없게 되는 경우도 많다. 그런데 물 대신에 진흙물[泥水]을 사용하면 작업을 순조롭게 진행할 수 있으므로, 석유정굴착에는 항상 진흙물이 사용된다.

진흙물의 구실은 굴착시에 생기는 찌꺼기를 제거하고, 지층이 붕괴되는 것을 방지하며, 비트와 굴관을 냉각시킬 뿐만 아니라 윤활작용을 하며, 지층 내의 고압유체, 즉 높은 압력의 석유·가스·물을 억제한다. 또 순환전후의 흙탕물을 조사함으로써 지하의 상태, 지층의 성질 등을 알 수 있다.

벤토나이트는 이수 재료 중 가장 중요한 것이며 바라이트도 이수 비중을 증가시키기 위해 자주 사용된다. 진흙물의 성질을 조절하기 위하여 여러 조니제(調泥劑)가 사용된다. 조니기술은 시대에 따라 변천하였으며, 최근 일본에서 굴착시에 사용하는 것은 기름을 혼합한 에멀션 진흙물, 크롬리그나이트를 첨가한 크롬 진흙물 등이 있다. 지층 내 가스의 분출은 굴착정 내의 진흙물에 의해 억압되기는 하지만 고압층과 만났을 경우에는 가스가 굴착정을 통해 분출되면 대형사고가 일어나게 된다.

이 때문에 석유정 굴착에는 갱구(坑口)에 분출방지장치가 불가결한 것이 되는데, 이것은 고무 등의 램(ram)에 의해 굴관과 갱구 파이프 사이를 일순간에 폐쇄시킬 수 있게 한 장치이며 압축공기로 작동한다. 시가지·해안·하천 등의 지질조건으로 말미암아 수직굴착이 어려운 경우와 하나의 기지에서 여러 개 굴착정을 파는 것이 경제적일 경우에는 갱정(坑井)을 정해진 방향과 각도로 굽어지게 하는 경사굴착기술을 사용한다.

이 기술은 사용기구에 따라 여러 방식으로 분류되나, 갱정이 모두 적당한 심도에 도달하였을 때 특수갱정 내 기구를 사용하여 3~5° 정도씩 정해진 각도·방향을 얻을 때까지 수십m 간격으로 여러 차례 반복해서 갱정을 굽게 한다. 필요로 하는 방향·경사를 얻기 위해 굴관 내에 방위경사측정기를 설치하여 갱정의 방위·경사를 측정한다. 지층을 굴착하면 여러 종류의 물이 나오므로, 이 장애요인인 물이 갱정으로 유입되는 것을 방지하고, 수층과 유층을 차단하기 위해 여러 조치가 필요하다.

물 유입 방지를 위한 방법에는 케이싱이라고 하는 강철관을 삽입하여 시멘트액을 외벽에 주입하는 방법과, 케이싱을 주위 이암(泥岩)에 박아 넣는 방법이 있다. 시멘트를 사용하는 방법, 즉 시멘팅은 현재 일반적으로 널리 사용된다. 시멘팅에 사용되는 시멘트는 유정용 시멘트라 하며 특수한 성질을 가지고 있다. 물막이 작업이 완료된 후에는 반드시 물막이시험을 하여 작업의 완전여부를 점검한다. 유층부(油層部)에 닿는 철관에는 원유·천연가스를 채취하기 위한 많은 구멍을 필요로 한다.

그러므로 많은 구멍이 뚫린 철관을 장입(裝入)하거나 갱정 내에서 탄환천공기(彈丸穿孔器)에 의해 구멍을 뚫는다. 굴착중에 진흙물의 침입 등을 받은 유층 등은 산처리(酸處理)하거나 넓게 굴착하는 방법 등을 사용하여 갱정을 완성한다. 보통 유층은 고압이어서 가스·기름이 자연분출하기 때문에, 크리스마스 트리라고 하는 갱구자분장치(坑口自噴裝置)를 설치해야 한다.

특수굴착에는 진흙물 대신에 공기를 사용하는 공기굴착, 회전식 굴착을 변화시킨 터보드릴, 해상에서 해저유층을 향해서 굴착하는 해양굴착이 있다. 터보드릴은 비트 바로 위에 다단(多段)의 긴 진흙물 터빈을 부착하여 순환진흙물로 터빈의 로터(rotor)를 회전시켜 그 힘으로 돌리는 방법인데 이 방법에서는 굴관은 회전하지 않는다. 해양굴착은 육상굴착보다 비용이 훨씬 많이 든다. 해상기지에 설치하는 장치를 대별하면 인공섬과 같이 해저에 영구고정된 것, 필요시만 고정할 수 있게 한 이동식의 것, 항상 해상에 떠 있는 것 등이 있다. 갱정에서는 굴착중, 굴착 직후, 완성에 이르기까지 그 내부에서 여러 가지 조사측정이 이루어진다.

갱정굴진 중에는 지하지질의 직접적인 증거품인 커팅(굴착찌꺼기)에 대해 각종 조사가 이루어지는 외에 굴착중 순환진흙물 속에 수반되어 오는 탄화수소가스의 양이 연속적으로 검출·측정된다. 갱정굴착 직후에는 물리검층이라 하는 일련의 갱정 내 지질 및 지층 내 유체에 관한 측정이 실시된다. 석유갱정의 검층기술로는 전기검층·음파검층·방사능검층 등이 흔히 사용된다. 유전의 개발계획을 세울 때 필요한 것은 유층의 형질(形質)을 개발초기에 정확하게 파악함과 동시에 개발진행 각 시점에서 매장량을 산출하여 유전평가를 하고, 유정굴착을 합리적으로 계획하여 최적생산량 하에서 생산을 계속할 수 있는 기초를 만드는 일이다.

VII. 생산

지하유층에서 유정을 통하여 원유를 생산하는 것을 채유라 한다. 이 생산단계에서는 개발기까지에 얻은 지질구조·유층규모·유체암석계의 성질 등 여러 정보와 생산개시 후 시시각각으로 얻어지는 기술자료를 종합하여 석유생산을 조정하면서 가장 알맞은 조건 아래서 석유를 생산한다.

이때 유층에서 원유를 채유정으로 뽑아올리는 유층에너지의 대소와 그것이 무엇에 기인하는가를 생각한 배유기구(排油機構)가 중요하다. 배유기구에서 유층을 분류하면 가스캡압형(押型) 유층·용해가스압형 유층·수압형(水押型) 유층·중력압형 유층 등으로 나눌 수 있다. 배유에 의해 어느 정도의 원유가 유층 내에 최종적으로 남게 되는가 또는 역으로 어느 정도의 원유가 최종적으로 채취되는가가 중요한 것이다.

일반적으로 원유의 최종회수율은 배유기구뿐만 아니라 유층의 성상, 유층 내 유체의 성질, 채취방법 등에 따라 변화하므로 일률적으로 정할 수는 없다. 그러나 배유기구를 통해 얻은 경험적인 값으로서의 기준이 있다. 용해가스압형 유층의 최종 회수율은 약 5∼25%, 가스캡압형 유층은 20∼40%, 수압형 유층은 30∼60% 이상, 중력압형 유층은 광범위하게 변하며 80% 이상인 것도 있다.

이것은 유층 내에서 자연 에너지에 의해 유동되는 원유의 채취, 즉 1차 채유에 대한 것이다. 1차 채유의 종류에는 자분채유(自噴採油)·가스리프트 채유·펌프 채유 등이 있다. 유층 내에 인공 에너지를 가하여 원유채취 속도를 내거나 채취율을 높이는 2차 채유가 성공하면 원유의 최종채취율은 향상된다. 2차 채유의 종류에는 가스 압입법(壓入法)·수공법(水攻法)·화공법(火攻法)·미시블 드라이브법(miscible drive method) 등이 있다.

2차채유법은 유층 속에 인공적인 에너지를 넣는 것이지만, 그것과는 별도로 채유정에 인공적인 처리를 하여 원유 채취율을 증가시키는 방법도 있다. 이 방법에는 프랙처링(fracturing)·산처리·갱정가열법 등이 있다. 프랙처링은 모래를 혼입한 비교적 점조(粘稠)한 유체를 유정을 통해서 고압으로 급속히 압입하여 유층부분의 갱벽에 균열이 생기게 하고 거기에 모래를 충전(充塡)시켜 원유 유동이 용이하게 하여 원유생산을 증가시키는 방법이다.

산처리법은 산을 유정에 넣어 갱정 내를 세정하거나 유층에 압입하여 유정 주변 유층의 침투성을 좋게 함으로써 원유생산을 증대시키는 방법이다. 갱정가열법은 전열기를 유정에 넣거나 지표에서 가열된 원유 또는 물을 유정에 넣어 순환시키는 방법인데, 유정에서 나온 원유·가스·물 등은 함께 지표 가까이나 해저(海底)에 부설된 철관, 즉 송유관에 의해 집유소(集油所)로 보내진다. 여러 개 갱정에서 보내온 원유·물·가스가 동시에 분리장치에서 분리되어 각기 유체는 계량된다. 여기에서 분리된 원유는 저유탱크로 보내지는데 만약 원유가 에멀션 상태인 경우에는 가열하거나 약품으로 파괴하여 순유(純油)와 물로 분리된다.

한편 분리장치에서 나온 천연가스는 탈황탈탄산가스·탈수탈습·중탄화수소의 제거 등의 처리를 거쳐 가스 파이프라인에 넣어지는 경우가 많다. 원유는 저류탱크에서 송유펌프로 직접 제유소(製油所) 또는 가까운 철도역으로 파이프라인을 통해 수송한다. 역에서는 탱크차로 제유소에 수송된다. 소량의 원유가 산출될 경우에는 탱크롤리나 드럼통에 채워 수송되는 경우도 있다. 원유의 해상수송에는 송유선(탱커)이 사용된다. 송유선은 크면 클수록 수송비가 절감되므로 최근에는 차차 대형화하는 경향이 있다.

VIII. 제유

원유에 물리적·화학적 처리를 하여 각종 석유제품을 제조하는 것을 제유(製油)라고 한다. 단 동식물체에서 유지(油脂)와 방향유를 추출·정제하는 것도 광의의 제유이므로 석유제품제조에 한정시킬 경우에는 석유정제라 하는 것이 보다 정확한 표현이다. 제유소는, 원유를 받아 저장하는 설비와, 석유를 연속적으로 대량 처리하는 각종 석유정제법(refining process)을 행하는 석유정제 플랜트와 그 용역(utility) 제공시설 및 각종 제품의 저장과 출하를 하는 여러 시설로 구성되는 근대적인 생산설비이다. 석유정제법의 중심이 되는 것은 상압증류(常壓蒸溜:topping)인데, 원유를 연속적으로 가열하는 파이프식 가열로(파이프 스틸)와 원유의 성분인 탄화수소의 끓는점의 차이를 이용해서 분리하는 정류탑(精溜塔)으로 되어 있다.

정류탑은 철강제 탑 속에 다공판(多孔板)의 트레이를 수십 단 설치하여 파이프 스틸에서 350℃ 전후로 가열된 원유를 탑 하부에서 분사송입(噴射送入)함으로써 원유 중의 경질부분(輕質部分)을 급격히 증발시켜 원유증기가 트레이 위에 괴는 액상유(液狀油)와 접촉하면서 선반을 차례로 빠져 나가서 상승하는 동안에 정류되게 만든 것이다. 실제의 원유 상압증류탑에는 약 30단 전후의 트레이가 설치되어 있으며, 분류된 유분(溜分)은 위로부터 6~8단은 경질 가솔린에서 중질(重質)가솔린, 다음의 5~6단은 중질 가솔린에서 등유, 다음 4~5단은 등유에서 경유, 다음 3~4단은 경유이며, 최후의 4~6단은 잔유(殘油)이다.

가솔린유분·등유유분·경유유분은 각기 다음 정제공정으로 보내지지만 잔유는 그대로 중유에 섞이는 때도 있다. 이 잔유는 350℃ 부근에서는 증발하지 않는 끓는점이 높은 탄화수소의 혼합물이고, 이 온도 이상으로 가열하면 분해되기 때문에 정류탑 속을 30~80mmHg로 감압하여, 이른바 감압증류를 하여 중질(重質)의 경유유분·윤활유유분·아스팔트분으로 나눈다. 석유계 연료 중에서 가장 고도의 성질이 요구되는 가솔린은 상압증류만으로는 충분하지 않으므로 다시 고도의 처리를 한다.

대표적인 방법은 가솔린 옥탄값을 향상시키는 접촉개질법(接觸改質法:reforming)이다. 가솔린을 고온·고압에서 특별한 촉매를 사용하여, ① 나프텐의 탈수소에 의한 방향족(옥탄값이 높다)의 생성, ② 파라핀의 탈수소고리화[脫水素環化]에 의한 나프텐의 생성과 탈수소에 의한 방향족의 생성, ③ 파라핀의 이성질체화(異性質體化)에 의한 옥탄값이 높은 탄화수소 생성 등 복잡한 반응을 일으킨다. 이 접촉개질반응 때 탄화수소 중의 수소가 분리되므로 이 방법은 옥탄값 높은 가솔린과 수소의 발생장치라고도 할 수 있다. 사실 접촉개질법은 제유소에서 하는 여러 수소화반응에 값싼 수소를 공급하는 구실을 하고 있다.

이 외에 옥탄값 높은 가솔린의 제조법으로는 접촉분해(크래킹)가 있다. 이 방법은 경유(감압증류로 얻을 수 있는 중질 경유가 많이 이용된다)를 원료로 하고 촉매를 유동상(流動床) 방식으로 반응시킴으로써 방향족이 많은 옥탄값 높은 가솔린을 제조한다. 이 분해반응으로 부틸렌·프로필렌 등 반응성이 풍부한 석유화학원료용 가스도 얻을 수 있다. 접촉분해반응 때 탄화수소 중의 탄소가 분리되어 촉매상에 석출(析出)되는 것은 피할 수 없기 때문에 유동상의 촉매의 일부는 끊임없이 반응탑에서 빠져 나오고 다른 재생탑에서 촉매상의 탄소는 태워서 제거되어 다시 재생촉매로서 반응탑으로 옮겨지는 특별한 운전법이 실시되고 있다.

원유 중에 함유된 여러 불순물은 상압증류·감압증류로 분류된 각 유분으로 이행된다. 그래서 가솔린에서 중유에 이르는 각 제품을 정제하기 위해 수소화 처리법이 널리 응용된다. 예를 들면 접촉개질법에 있어서 가솔린 유분의 사전처리로서 수소화 탈황이 실시되거나 등유·경유·윤활유를 만드는 수소화 처리도 널리 실시된다. 또 최근에는 공해방지를 위해 연료용 중유의 수소화 처리에 의한 탈황까지 실시되고 있다. 수소화 처리의 반응의 특징은 고온 ·고압 아래서 다음과 같은 수소첨가를 하는 데 있다.

즉, 석유유분 중의 ① 유기황화합물을 황화수소와 탄화수소로, ② 유기질소화합물을 암모니아와 탄화수소로, ③ 산소화합물을 물과 탄화수소로, ④ 불포화 탄화수소의 일부를 포화 탄화수소로 각기 전환시키는 반응이 동시에 일어난다고 생각할 수 있다. 수소화 처리를 탄화수소의 분해가 수반되는 고온·고압에서 행하는 수소화 분해법이 제유소에서 중요한 구실을 하게 되었다.

이 방법의 특징은 넓은 범위의 탄화수소를 원료로 사용하는 데 있다. 예를 들면 ① 나프타에서 LPG제조, ② 중질 감압증류경유에서 가솔린제조, ③ 중질 감압증류경유에서 등유·경유(중간 유출유 최대한 생산)제조, ④ 아스팔트에서 경유·중유의 제조 등이며 지역의 수요변동에 따라 여러 제품을 제조할 수 있으므로 편리하다.

수소화 분해법은 접촉분해법과 같이 탄소가 생성되지 않고 가스가 적게 발생되어 유리한 면이 있는 반면에, 수소화 처리 등보다도 다량의 수소를 소비하므로 동일 제유소 내에 있는 접촉개질법에 수반되어 부생(副生)하는 수소만으로는 부족하게 된다. 그래서 제유소에서는 메탄가스·나프타 등의 수증기 개질법으로 수소를 특별히 제조하여 대량의 수소를 공급하게 되었다. 제유소에서는 여러 수소화 처리장치에서 발생되는 황화수소를 함유하는 가스를 제유소 내의 연료로 사용하는 경우가 많았다. 황화수소를 연소시키면 이산화황이 되므로 공해발생원이 된다.

더욱이 최근에는 중질유의 수소화 처리법과 같은 대형장치가 대량의 황화수소를 발생하게 되어 이것을 공해방지라는 입장에서, 또 자원회수라는 입장에서 황으로 회수하게 되었다. 또 제유소 가스 중의 프로판(프로필렌 포함)·부탄(부틸렌 등을 포함) 등도 가스농축장치를 사용하여 분리 ·회수하여 LPG로서 출하(出荷)하는 것이 보통이다. 제유소 가스 중 접촉분해법에서 발생하는 올레핀과 저분자인 이소파라핀(이소부탄 등)을 반응(알킬화)시켜서 가솔린의 끓는점 범위에 있는 네오헥산·트립탄·이소옥탄 등 여러 이소파라핀의 혼합물(알킬레이트라고 하며 옥탄값 100 이상)을 제조하는 방법이 있다. 원래는 항공용의 옥탄값 높은 가솔린 제조에 이용되던 것이었으나 최근에는 자동차용 고급 가솔린의 혼합제로 쓰인다. 이들 연료 외에 제유소에서는 감압증류로 얻어지는 윤활유 원료유에 각종 화학처리를 하여 윤활유·아스팔트 등을 제조하고 있다.

IX. 석유제품

석유제품은 그 대부분이 연료로 소비되는데, 사용될 때 상태가 유체(流體:기체액체)여서 편리하고 효율이 높은 연료이므로 전통적인 고체 연료였던 석탄을 능가하게 되었다. 석유제품은 연료 이외에도 석유화학공업의 주원료인 탄화수소원(炭化水素源)으로 사용되며 암모니아·메탄올 공업에서는 수소원이 되고, 또한 윤활유의 원료, 공업용의 용제 등으로 널리 쓰인다.

연료로서 중요한 구실을 하는 석유제품은 경질에서부터 차례로 LPG·항공 가솔린·자동차 가솔린·제트 연료·등유·경유·중유 등으로 나눌 수 있다. LPG는 상온·저압(15atm 이하)에서 가압하면 쉽게 액화하므로 대량의 가스를 소형 용기에 수용할 수 있고, 간단히 기화시켜 사용할 수 있으므로 취급이 편리하여 가정용·영업용 및 난방·주방용 연료로서 널리 보급되고 있다. 또 도시가스에의 혼입용, 자동차(택시) 연료, 공업가열용 등으로도 쓰인다.

가솔린은 휘발유라고도 하는데 양적으로는 중유에 이어 대량으로 소비되고 있다. 내연기관(자동차·항공기의 피스톤식 회전기관)이 고도로 발달하게 되어 연료로서 가솔린에 대한 품질향상이 시급하게 됨에 따라 석유정제기술이 한층 발전하게 되었다. 따라서 현재 확립된 석유정제기술의 대부분은 어떻게 하면 양질의 가솔린을 만들 수 있는가 하는 끊임없는 노력의 결정이라고 말할 수 있다. 오늘날 사용되는 연료용 가솔린으로 직류(直溜)가솔린이 그대로 사용되는 경우는 거의 없고, 접촉개질·접촉분해·수소화 처리 등 고도의 가공을 한 것이 대부분을 차지하고 있다.

한편 공업용 가솔린은 정밀기계 세정용(洗淨用)·고무가공용 등으로 사용된다. 제트 연료는 등유유분과 가솔린 유분을 혼합한 저증기압의 가솔린형과 인화점 높은 등유형이 있다. 제트기의 대형화·고속화시대를 맞아 고공의 저온 아래서 유동성이 좋고 발열량이 많은 것이 필요하게 되었다. 등유라는 이름은 전등이 출현하기 전에 석유제품 중에서 가장 중요한 등화용으로 제조되었을 때 붙여진 것이다.

현재 가솔린에 비해 인화점이 높고 취급에 위험이 적다는 것이 재인식되어 가정용의 청결한 연료로서, 그리고 농업동력용의 안전한 연료로 소비가 늘고 있다. 경유는 대부분이 고속 디젤기관용의 연료가 되는 외에, 기계기구의 세정용유·금속가공유 등으로 사용된다. 중유에는 잔유에 경유유분의 일부를 혼합해서 유동하기 쉽게 한 A중유, 이것보다 약간 중질의 B중유, 잔유 그 자체를 사용하는 C중유가 있다. A, B중유는 내연기관의 연료나 높은 질의 공장연료로 사용되고, C중유는 대량으로 소비되는 발전·철강·선박·공장 보일러용 연료가 된다.

현재 선박용 이외의 C중유는 공해방지를 위해 잔유 속에 포함되는 황분의 양을 제한하고 있다. 연료 이외로는 파라핀 왁스(파라핀지 등), 마이크로 크리스털 왁스(전기절연재·포장지용 등), 유동 파라핀(윤활용)·바셀린(軟膏基材로서 의약품 원료), 그리스(윤활용), 아스팔트(도로포장재·내수공사재료·전기절연재료), 석유 코크스(전극·전기브러시의 재료 등) 등도 역시 중요한 석유 제품이다.

X. 이용과 발전

예로부터 연료로 사용되었던 석탄과 달라서, 석유가 공업적으로 처리되기 시작한 것은 19세기 중엽부터이다. 처음에는 등화용으로서 등유·파라핀납이 제조되었는데, 재래의 등화연료이었던 경유(鯨油)·식물유·목랍 등에 비해 연기와 냄새가 적을 뿐 아니라 불빛이 밝으므로 단시일에 전세계에 보급되어, 당시의 산유국인 미국에서는 중요한 수출품이 되었다. 그 부산물로 얻어지는 가솔린분·중유분은 용도가 적으므로 귀찮은 존재여서 천대를 받았으나, 자동차·전등이 보급되기 시작함으로써 가솔린과 등유의 위치가 바뀌어 선박용·공장연료·디젤기관 등에 중유가 사용되면서부터 석유제품의 주역(主役)이 교체되었다.

특히 제1·2차 세계대전을 사이에 두고 군용항공기의 연료로서 가솔린의 중요성이 인정되어, 이때까지는 대부분이 원유의 물리적인 분리만으로 제조되던 석유제품으로는 충족할 수 없는 고도의 성상(性狀)이 요구되기 시작하였다. 따라서 석유정제업에도 촉매반응을 포함한 화학반응공정이 체택되어, 고급 가솔린이 보급되기 시작하였다. 이 수요는 제2차 세계대전 후 민간항공기에 인계되었고, 또한 자동차용 기관의 성능이 향상됨에 따라 항공 가솔린급(級)의 것도 자동차에 사용되기에 이르렀다. 항공기관의 제트화(化)가 완료된 오늘날에는 항공 가솔린에 대한 요구와는 다른 질적으로 우수한 제트 연료가 요구되고 있으며, 앞으로 초음속 제트에는 현재보다도 더욱 열량이 높고 효율이 좋은 연료가 필요하게 되었다.

또한 자동차용 가솔린도 단순히 옥탄값이 높을 뿐만이 아니라 자동차 배기가스에 의한 환경오염을 없애기 위해, 가연(加鉛)하지 않고 더구나 환경오염의 원인이 되는 유해물질을 만들지 않는 것이 필요하게 되었다. 또 연료로서 석유자원을 태워버리는 데 대한 비판의 소리도 높아지고 있다. 즉, 석유가 석유화학공업의 탄화수소원으로서 갖가지 물질의 골격으로 사용되는 것을 중시하여 석유를 단순히 에너지원(源)으로 보는 것이 아니라, 수력·원자력 등 다른 에너지원으로는 보충할 수 없는 부분을 석유가 담당해야 한다는 생각이 바로 그것이다.

출전 : [두산세계대백과 Encyber Deluxe], ㈜두산, 2002
   
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