석유 [Oil crude]?

석유, [Oil crude]?

인류가 석유의 다양한 용도를 알아내는 데에는 많은 세월이 필요했다. 석유산업은 1850년대 미국에서 비셀, 실리먼 2세, 드레이크에 의해 모습을 드러냈다. 1859년에 펜실베이니아 지역에서 석유가 처음 시추된 후 록펠러가 주도한 스탠다드 오일은 거대한 석유 제국을 형성했다. 19세기 말에는 석유가 조명용 연료를 넘어 자동차용 연료로 사용되기 시작했다. 제2차 세계대전 이후에는 중동 지역에서 대규모 유전들이 잇달아 개발되었고, 2006년을 전후해서는 석유정점이 본격적으로 논의되었다.

 

탄화수소(hydrocarbon) 자원은 일반적으로 석유와 천연가스를 일컫는다. 이중 액체상 탄화수소인 석유(oil, crude, 또는 crude oil)는 지하와 지표에서 모두 액체로 존재하며, 아스팔트(asphalt)와 같은 유동성이 있는 고체상 탄화수소, 석탄이나 케로진(kerogen)과 같은 고체상 탄화수소, 얼음의 결정구조 속에 메탄이나 다른 가스가 갇혀 있는 가스수화물(gas hydrate)과 구별된다.

 

석유의 화학적 성분,

탄화수소는 탄소(C)와 수소(H)가 기본 요소로 이루어진 화합물들의 혼합체이다. 석유는 탄소 85%, 수소 13%, 기타 황(S) 0.1~7.0%, 질소(N) 0.01~0.9%, 산소(O) 0.06~0.4% 등의 평균 중량비율로 이루어진다. 특히 황 성분을 포함한 석유는 석유의 탐사, 개발, 생산에 사용되는 기반 시설과 정유 시설을 부식시키며, 연소시 발생하는 황 성분은 산성비의 원인이 되기 때문에 과거에는 황 함량이 적은 석유가 선호되었다. 이 때 황을 최대 7% 함유하는 석유를 신원유(sour oil 또는 sulphurous oil)라 하며, 황 성분이 거의 없는 석유를 단원유(sweet crude 또는 sweet oil)라 한다. 그 외에도 석유에는 특수강의 제조 등에 사용되는 미량 금속인 니켈(Ni)이 평균 18 ppm, 최대 약 150 ppm, 그리고 바나듐(V)이 평균 63 ppm, 최대 약 1200 ppm 함유되어 있다. 

석유의 분별증류에 대한 개념도

석유의 비중에 의한 분류,

석유의 색과 점도는 매우 다양하며, 석유의 비중(specific gravity)은 미국석유협회(American Petroleum Institute)가 정한 다음과 같은 식으로 표시한다.

 

API gravity = (141.5 / ρ) – 131.5, ρ = 15.5°C 에서 석유의 비중, 물의 비중(ρ = 1.0)으로 계산된 값은 10°API이며 비중이 높은 석유일수록 API° 값이 작다. 일반적으로 석유의 API°는 5°에서 60°사이로, 석유의 점도와 API°는 반비례한다. API° 값에 따라서 다음과 같이 석유의 종류를 나눈다. API° 값이 30° 또는 31° 이상인 경우 이를 경질유(輕質油; light oil)라 하며, 비중 0.83 미만의 40~45°API의 석유가 통상 가장 고가로 거래된다. API 값이 22~30°인 석유를 중질유(中質油; medium oil 또는 intermediate oil), 22° 이하인 석유를 중질유(重質油; heavy oil)라 한다. 또한 물보다 밀도와 비중이 큰 10°API 미만의 석유는 초중질유(超重質油; extra heavy oil)라 하며, 이러한 초중질유는 경질유나 중질유와 달리 물 위로 뜨지 않고 물 밑으로 가라앉는다.

 

석유의 탄화수소 계열,

석유는 파라핀, 나프틴, 방향족의 세 가지 탄화수소 계열로 분류될 수 있다. 파라핀(Paraffins) 계열의 탄화수소는 알케인(alkanes)이라고도 불리우며, CnH2n+2으로 표현되는 직선형 사슬의 탄화수소를 포함한다. 이 중 n이 5 미만인 경우는 각각 상온에서 기체상으로 존재하는 천연가스를 형성하며, n이 5~15인 경우 액체상의 석유를 이루고, n이 15 이상인 경우 점도가 높은 액체 또는 왁스와 같은 고체를 형성한다.

 

나프틴(Naphthenes) 계열의 탄화수소는 씨클로 알케인(cycloalkanes)이라고도 하며, CnH2n으로 표현되는 고리 모양의 액체상 탄화수소이다. 이 중 n이 5 인 경우 시끌로 펜탄(cyclopentane), n이 6인 경우 씨클로 헥산(cyclohexane)이라고 한다. 나프틴 계열의 탄화수소는 경질유(輕質油)와 중질유(重質油)의 약 40%를 차지한다.

 

방향족(Aromatics) 계열의 탄화수소는 경질유(輕質油)의 약 10% 정도와 중질유(重質油)의 약 30%이상을 이루며, 기본적으로 6개의 탄소로 이루어진 벤젠(benzene; C6H6) 구조와, 벤젠 구조의 수소를 알케인(alkane)이 치환한 CnH2n+2의 형태로 이루어지며, 방향족 계열의 석유에 가장 흔한 분자 구조로는 톨루엔(toluene; C6H5CH3)이 있다.

 

석유를 옛날에는 어디에 사용?

옛날 사람들은 설사를 일으키거나 피부병을 치료하기 위해 석유를 사용했다. 석유를 방화용 기름으로 화살촉에 발랐다는 일화도 있고, 노아의 방주에 방수용으로 아스팔트를 활용했다는 기록도 있다. 동양의 경우에는 먹을 만드는 데 석유 연기를 사용하기도 했다.

천연 상태의 석유는 지표로 스며 나오기 때문에 어렵지 않게 발견할 수 있다. 오랫동안 사람들은 석유를 석탄층의 기름방울이 지표면이나 바위틈을 통해 흘러나온 것으로 보았다. 석유를 뜻하는 영어 단어는 페트롤리엄(petroleum)인데, 그것은 돌을 뜻하는 페트라(petra)와 기름을 뜻하는 올리엄(oleum)이 합쳐져 만들어졌다. 글자 그대로 석유(石油)는 돌에서 얻은 기름인 셈이다.

 

서양 사람들은 기원전 2000년경부터 석유를 설사를 일으키거나 피부병을 치료하는 용도로 사용했다. 당시의 의료 행위가 상당히 주술적이었다는 점을 감안하면, 석유는 꽤나 신비로운 존재로 인식되었던 것 같다. 기원전 400년경에는 페르시아 군대가 아테네를 공격하면서 석유를 방화용 기름으로 화살촉에 발랐다고 한다.

이스라엘과 요르단에 걸쳐 있는 사해(dead sea)에서 나오는 천연 아스팔트

≪구약성서≫에는 노아의 방주에 방수용으로 아스팔트를 사용했다는 기록이 있다. “수지를 함유한 목재로 방주를 하나 만들어라. … 그리고 그 방주의 안팎을 역청(pitch)으로 칠하라.”

 

동양에서도 기원전 2000년경부터 석유를 사용했다고 한다. 5~6세기 남북조 시대의 기록을 보면, 석유가 노인들의 이를 다시 나게 해주며 모든 병을 치료한다고 적혀 있다. 11세기 송나라의 학자이자 정치가인 심괄(沈括)은 ≪몽계필담≫에서 석유의 또 다른 용도에 대해 보고한 바 있다. “석유는 얼핏 보면 옻나무의 진과 다름없이 보이며, 태우면 짙은 연기를 내고 센 불길을 낸다. 그 연기로 먹을 만들 수 있는데, 이렇게 만든 먹으로 쓴 글은 옻칠을 한 것처럼 검고 윤기가 돈다. 그 글씨의 아름다움은 소나무 검정으로 만든 먹에 비할 바가 아니다.”

 

옛 미국의 석유산업' 3인방,

오늘날과 같은 석유산업은 1850년대 미국에서 모습을 드러내기 시작했다. 여기에는 비셀(George Bissell), 실리먼 2세(Benjamin Silliman, Jr.), 드레이크(Edwin Drake)의 역할이 컸다.

비셀, 비셀은 교사와 신문기자를 거쳐 변호사로 활동하던 사람으로 1853년에 펜실베이니아 지역에 휴양을 갔다가 석유의 가치에 주목한인물,

실리먼 2세, 석유의 잠재력을 알아챈 실리먼은 비셀에게 동업 조건을 내걸었고, 비셀은 이를 수용했다. 1855년 4월 16일에 실리먼은 다음과 같은 요지의 보고서를 내놓았다. “나는 귀하가 그다지 비용이 들지 않는 단순한 처리로 매우 귀중한 제품을 제조할 수 있는 원료를 손에 넣었다고 확신,

드레이크.전직대령출신1859년 8월 27일에 드레이크는 역사상 최초로 수직 굴착기로 석유를 시추하는 데 성공했다. 이 날은 미국의 석유산업이 탄생한 날로 기록되고 있다.

미국의 석유산업을 개척한 3인방. 왼쪽으로부터 비셀, 실리먼 2세, 드레이크.

비셀은 교사와 신문기자를 거쳐 변호사로 활동하던 사람으로 1853년에 펜실베이니아 지역에 휴양을 갔다가 석유의 가치에 주목했다. 그 지역의 사람들은 불을 켜는 데 석유를 사용하고 있었고, 비셀은 석유가 훌륭한 조명용 연료가 될 수 있을 것으로 생각했다. 조명용 연료로 사용되는 석유의 성분은 등유(燈油, kerosene)인데, 등유는 '등불을 밝히는 기름'이란 뜻을 가지고 있다.

 

비셀은 뉴욕으로 돌아와 자신의 아이디어를 실현시킬 수 있는 방안을 강구하기 시작했다. 석유를 조명용 연료로 사용하려면 유전을 확보해야 하는데, 여기에는 막대한 자본이 요구되었다. 투자자를 모으기 위해서는 자신의 아이디어가 현실성이 있다는 증거가 필요했다. 비셀은 원유 샘플을 가지고 예일 대학의 화학과 교수이던 실리먼을 찾아가 원유의 성분에 대한 분석을 의뢰했다.

 

석유의 잠재력을 알아챈 실리먼은 비셀에게 동업 조건을 내걸었고, 비셀은 이를 수용했다. 1855년 4월 16일에 실리먼은 다음과 같은 요지의 보고서를 내놓았다. “나는 귀하가 그다지 비용이 들지 않는 단순한 처리로 매우 귀중한 제품을 제조할 수 있는 원료를 손에 넣었다고 확신합니다. … 이런 결론은 나의 실험이 증명하고 있다는 점에서 주목할 가치가 있습니다.” 이 보고서를 바탕으로 비셀은 어렵지 않게 투자자들을 모을 수 있었다.

 

비셀은 펜실베이니아 주 타이터스빌(Titusville)의 인근 하천이 기름 냇물의 뜻을 가진 ‘오일 크리크(oil creek)’로 불린다는 점에 주목했다. 그는 1856년에 펜실베이니아 석유회사를 설립한 후 석유 탐사작업을 담당할 책임자로 철도원 출신의 드레이크를 채용했다. 당시에 비셀은 채굴 기술자들과 지역 주민들을 효과적으로 다루기 위해 드레이크를 육군 대령 출신으로 치켜세웠다. 졸지에 전직 대령이 된 드레이크는 1년 반 동안 타이터스빌의 곳곳을 뒤졌지만 별다른 성과를 거두지 못했다. 드디어 1859년 8월 27일에 드레이크는 역사상 최초로 수직 굴착기로 석유를 시추하는 데 성공했다. 이 날은 미국의 석유산업이 탄생한 날로 기록되고 있다.

세계 최초로 석유가 시추된 타이터스빌 유전의 광경(1865년),

석유의 지질학적 분류,

석유는 연령, 생산 심도, 근원암의 종류, 그리고 변질 정도에 따라 그 성질이 매우 다르다. 지금까지 다양한 석유의 분류법이 제안되었는데, 흔히 화공 분야에서는 석유의 정유 과정에서 비등점에 따른 화학적 성분에 따라 석유를 분류하였다. 이에 반하여 석유의 지질학적 분류는 석유의 근원, 성숙도, 기타 다른 지질학적 요인들을 이해하기 위하여 고안되었다. 티쏘(Tissot)와 웰트(Welte)가 1978년에 제안한 석유의 분류법은 석유의 3대 탄화수소 계열인 파라핀, 나프틴, 방향족을 각각 꼭지점으로 하는 삼각 다이어그램을 이용하여 석유를 분류하며, 이 경우 방향족의 꼭지 쪽으로 놓이는 석유는 일반적으로 중질유(重質油) 또는 변질이 심한 석유이며, 삼각형의 중앙부 근처에 놓이는 석유는 중질유(中質油)에 해당한다.

 

비더만(Biederman)이 1965년에 제안한 분류법은 석유의 연령과 심도에 기반하여 석유를 다음과 같은 4 종류로 분류하였다.

1). 600 m 이내 심도의 중생대층과 신생대층에서 생산된 석유는 황을 함유하며, 주로 방향족으로 이루어진다.

2). 지하 600 m 보다 깊이 매몰된 고생대층에서 생산된 석유는 황을 적게 함유하고 API°가 높으며 파라핀 계열을 더 함유한다.

3). 600 m 이내 심도의 고생대층에서 생산된 석유는 황을 더 함유하는 편이며,

4). 지하 3000 m 하부의 고생대층에서 생산된 석유는 밀도, 점도, 황의 함량이 가장 낮다.

 

###석유는 탄소 85%, 수소 13%, 기타 황(S) 0.1~7.0%, 질소(N) 0.01~0.9%, 산소(O) 0.06~0.4% 등의 평균 중량비율로 이루어진다. 

 

출처 & 참고문헌,

[네이버 지식백과] 석유 [Oil] (지질학백과)

[지질학백과  

[대한지질학회 

[Selley, R.C. and Sonnenberg, S.A. 2015. Elements of Petroleum Geology (3rd Edition). Academic Press, London, 507 pp.

[융합석유지질학. 구미서관, 404 pp.

[석유에너지 지질학. 시그마프레스, 384 pp. 

[석유 - 현대 문명의 검은 피 (세상을 바꾼 발명과 혁신, 생각의힘) 

[네이버 지식백과] 석유 - 현대 문명의 검은 피 (세상을 바꾼 발명과 혁신, 송성수, 생각의힘)                

 

 

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