기술분야

본 발명은 오일샌드에서 오일성분(비투맨)의 회수 및 개질을 동시에 구현하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 사용하여 지하에 매장된 오일샌드에서 오일성분을 회수할 때 스팀과 가스발생물질, 스팀과 CO2, 스팀과 CO2 및 가스발생물질을 동시에 주입함으로써, 지하에 매장된 오일샌드에서 오일성분(비투맨)을 회수함과 동시에 질적으로 개선된 비투맨을 회수하는 방법에 관한 것이다.

배경기술

오일샌드란 오일성분에 해당하는 비투맨(bitumen) 이외에 모래(quartz sand), 점토(clay), 물 및 미량의 각족 미네랄이 물리ㆍ화학적으로 혼합되어 이루어진 것으로서, 그 매장된 위치에 따라 다소 성분이 다를 수 있으나, 대개 75~85%의 무기물질(모래, 점토, 미네랄 등), 3~5%의 물, 1~18%의 비투맨으로 이루어져 있다.

상기 오일샌드에 함유된 비투맨은 검은색의 무겁고 끈적끈적한 형태의 점성질 원유로서, 8~14o의 API값을 가지며, 점성도는 최대 수천~ 수백만 cP를 갖는다. 자연 상태에서는 시추공이나 송유관내서 흐르지 않기 때문에 열을 가하거나 희석제와 혼합해 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송한다.
지하에 매장된 오일샌드를 회수하는 방법으로는 노천채굴(Surface Mining) 및 여러 형태의 인-시츄(in-situ) 기술이 있으나, 제일 먼저 비투맨의 점도를 낮추는 것이 중요하다.
또한, 비투맨은 부가가치가 없어 연료로 사용되는 아스팔텐과 부가가치가 있어 석유화학 제품으로 활용이 가능한 말텐으로 이루어져 있는데, 비투맨에 포함된 말텐의 함량에 따라 그 값어치가 결정되기 때문에, 말텐 성분이 풍부한 비투맨을 천연으로부터 회수하거나 비투맨 회수시 아스팔텐 성분을 말텐 성분으로 전환하는 기술을 접목하면 말텐 성분이 증진된 비투맨을 회수하게 된다.

대부분의 인-시츄 기술에서의 중요한 목표는 비투맨의 점도를 낮추어, 쉽게 이동할 수 있도록 하는 것이며, 상업적으로 사용되는 인-시츄 기술은 CSS(Cyclic Steam Stimulation) 기술, SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 기술 등 이 있고, ES-SAGD(Expanding Solvent-SAGD) 기술, THAI(Toe to Heal Air Injection) 기술, VAPEX(Vapor Extraction Process) 기술 등은 파일롯 수준의 연구가 진행되고 있다.

상기 SAGD 기술은 지하에 매장된 오일샌드로부터 비투맨을 회수하는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 상용화 기술이다.

상기 SAGD 기술은 지하 깊은곳에 두 개의 평행하고 수평방향의 우물(well)을 굴착한 후, 상단의 우물에 스팀을 주입하여 더운 열을 발생시키면, 이로 인하여 주변의 점도가 높은 오일샌드의 점도가 낮아지면서 아래로 흘러내리는 동시에 하단의 우물 내에 고이게 한 다음, 점도가 낮아진 더운 오일샌드를 지상으로 펌핑하여 회수할 수 있다.
그러나, 그 생산 현장에서의 회수율은 약 50% 수준인데, 과량의 스팀을 사용하며, 스팀을 발생하기 위하여 과량의 연료를 사용하며, 이로 인하여 과량의 CO2가 발생하는 것이 문제다.

상기 ES-SAGD 기술은 SAGD 기술을 적용함에 있어, 10중량% 이내의 유기용매를 스팀과 동시에 주입함으로써 SAGD보다 개선된 성능을 보여 약 60%의 회수율을 보이는 장점이 있으나, 주입한 유기용매를 100% 회수할 수 없는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

상기 THAI 공정은 원유 회수율이 우수하고, 투자비가 적으며, 또한 천연가스와 물 사용량이 적고, 온난화가스 발생량이 적어 SAGD 기술의 단점을 보강할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 그리고 이 공정은 더 깊은 지하에 매장되어 있는 질이 낮은 원료 지대에서도 사용이 가능한 장점도 있다.
그러나, THAI 기술은 현재 파일롯 수준의 연구가 진행되고 있는 상태로서 기술의 상용화를 위하여 더 많은 기술이 개발되어야 한다.

문제점

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 오일샌드에서 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD 기술을 적용함에 있어서, 본 발명은 기존 공지된 CO2와 스팀을 동시에 주입하는 SAGD기술의 단점을 개선하여, 스팀과 가스발생물질, 또는 스팀과 CO2 및 가스발생물질을 동시에 주입함으로써, 지하에 매장된 오일샌드에서 오일성분 (비투맨)을 회수함과 동시에 질적으로 개선된 비투맨을 회수하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

해결과제

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
오일샌드에서 오일성분에 해당하는 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 적용함에 있어서, 종래에 지하에 매장되어 있는 원유성분을 회수하기 위하여 고온, 고압의 스팀과 첨가제를 함께 사용함으로써, 오일성분의 회수는 물론 질적으로 개선된 비투맨을 회수할 수 있다.
특히, SAGD 기술 적용시 고온 고압 분위기에서 NH3 또는 COx(CO2 및 CO) 등과 같은 가스를 발생하는 물질을 사용함으로써, 발생된 가스가 고온 고압분위기에서 저급성분인 아스팔텐과 반응하여 비투맨의 점도가 낮아질 뿐만 아니라, 질적으로 우수한 성분으로 전환되는 반응이 진행되어 회수과정에서 질적으로 개선된 비투맨을 생산할 수 있다.

본 발명을 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 인-시츄(in-situ) 기술에 적용 시, 회수 및 개질을 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.

본고는 한국화학연구원 이철위,윤성훈,유난숙,디팔리 피 우팔레의 발표자료를 요약한 것이다.