석유,petroleum, 石油, 4

석유, petroleum, 石油, 4

현대 물질 문명,

지하에서 천연적으로 생산되는 액체 탄화수소 또는 이를 정제한 것이다. 19세기 후반부터 인류 문명사에서 중요성을 갖게 되었는데, 제1차 세계대전을 계기로 그 경제적·군사적인 중요성이 높아지고 국제정세를 좌우하는 요인이 되었다.

 

정제하지 않은 자연상태의 것을 원유(原油)라고 한다. 석유는 메소포타미아· 터키 등에서 기원전부터 사용되었다는 기록이 남아 있고, 구약성서에도 석유에 대한 기록이 있다.

 

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 미국의 발명가 T. 에디슨이 발명한 백열전등의 출현은 등화용으로서의 석유를 밀어냈다. 그 무렵부터 각종 내연기관, 특히 석유를 연료로 하는 내연기관이 잇달아 발명되어 석유소비의 증가를 가져왔다.

 

1885년 독일의 기술자 G.다임러와 C.F.벤츠가 발명한 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 가져왔다. 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 옥테인값 높은 휘발유 제조기술이 획기적으로 진보하는 원인이 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 기계가 고속도화·정밀복잡화됨에 따라 점점 고급 윤활유가 필요하게 되었다.

 

우리는 석유 자동차를 타고 석유로 난방을 하며 석유로 만든 전기를 이용한다. 또 석유로 만든 옷을 입고 석유로 만든 그릇을 사용한다. 흔히 연료로만 쓰인다고 생각하는 석유는 버리는 것 없이 찌꺼기까지 다 쓸 수 있는 아주 귀한 자원이다. 그래서 석유는 미국과 이라크의 전쟁뿐만 아니라 세계 곳곳에서 일어나는 온갖 갈등과 분쟁의 원인이 되기도 한다.

우리말 석유(石油)는 '돌(石)이나 바위(岩) 사이의 기름'이라는 뜻을 가지고 있다. 석유를 나타내는 영어 'petroleum'도 돌을 뜻하는 'petra'와 기름을 뜻하는 'oleum'이라는 라틴 어에서 유래한 것이다. 일반적으로 석유는 자연 상태 그대로의 원유(crude oil)와 원유를 정제한 휘발유 등의 석유 제품을 통틀어 가리킨다.

석유는 어떻게 만들어지는 것일까? 여러 가지 설이 있지만 수억 년 전에 바다나 호수의 바닥에 쌓인 동식물의 유해가 지각 변동에 의해 지하 깊은 곳에 묻힌 후, 오랜 시간 열과 압력을 받아 생성되었다고 추정된다. 그 성분은 주로 탄소(80~86%)와 수소(12~15%)이고, 황·질소·산소(1~3%) 등도 포함되어 있다. 땅 속에서 막 채굴한 원유는 주로 검은색이거나 흑갈색의 끈적끈적한 액체이다. 비중은 물보다 작아 물 위에 뜨고, 순수한 물질이 아니기 때문에 끓는점과 어는점이 일정하지 않다.

원유는 그 자체로는 거의 쓸모가 없기 때문에 각각의 성분 물질로 분리하여 사용한다. 원유를 분리해서 우리가 쓰고 있는 여러 형태로 만드는 일을 하는 곳이 바로 정유 공장이다. 정유 공장에서는 증류탑을 이용하여 원유 속에 복잡하게 섞여 있는 물질들을 효과적으로 분류한다. 원유를 350℃ 이상의 고온으로 가열하여 증류탑으로 보내면 기체로 된 성분이 증류탑의 위쪽으로 올라가면서 점차 냉각되어 액체로 된다. 이 때 증류탑의 낮은 곳일수록 끓는점이 높은 성분이 액체로 되어 연결된 관을 통해 빠져 나온다. 이와 같은 과정을 통해 원유의 각 성분이 끓는점에 따라 각각의 성분 물질로 분리되는 것이다.

<증류탑의 내부 구조와 각종 석유 제품>

인류는 석유를 언제부터 사용했을까? 석유는 메소포타미아, 터키 등에서 기원전부터 사용되었다고 한다. 이런 사실은 당시 유적이나 기록에 남아 있으며, 구약성서에도 석유에 대한 기록이 있다. 그러나 옛날에는 지표에 스며 나온 원유가 배의 틈을 막는 데 쓰였거나 도로 건설 및 미라의 보존 등에 약간씩 사용되었을 뿐이다. 석유가 오늘날과 같이 지하에서 채굴되어 본격적으로 사용되기 시작한 것은 1859년 미국에서 유정을 파서 원유를 채굴하는 데 성공한 이후부터이다.

석유는 19세기 후반부터 인류 문명사에서 중요성을 갖게 되었다. 처음에는 등화용으로 쓰였는데 전등의 발명으로 그 수요가 줄어드는 듯했다. 그러나 그 때를 전후하여 석유를 연료로 하는 내연 기관이 발명되면서 석유 소비는 급격하게 증가하였다. 석유는 제2차 세계 대전 이후 세계적으로 널리 사용되면서 오늘날에는 천연 가스를 포함하여 에너지 수요의 50% 이상을 차지하고 있다.

이렇게 소비가 늘어남에 따라 생산량도 계속 늘어왔지만 문제는 언젠가는 석유가 고갈된다는 데 있다. 석유의 매장량은 매년 감소하여 현재의 사용 추세를 유지한다면 약 40년 정도 사용할 수 있을 것이라고 한다. 우리 나라도 세계 7위의 석유 소비국이다. 또한 석유 수입 세계 5위라는 통계가 말해 주듯이 소비하는 석유의 대부분을 해외 수입에 의존하고 있기 때문에 석유의 고갈 문제는 앞으로 더욱 심각한 영향을 줄 것으로 생각된다. 그러므로 앞으로 석유 없이도 유지되는 사회를 만들어 가는 노력을 다 함께 기울여 나가야 하겠다. 그런 의미에서 현대 물질 문명의 근간을 이루는 석유를 대신할 수 있는 에너지를 하루 빨리 개발하는 것이 앞으로의 과학 숙제로 남아 있다.

사우디 아라비아의 정유 공장,

석유근원암,

[ source rocks of petroleum , 石油根源岩 ]

상당한 양의 추출성 유기물을 함유한 흑색~암회색의 점토질 지층으로서, 유층(油層) 부근 또는 그 하위에 발달한 것이다. 일반적으로 해성 흑색셰일, 이암(泥巖)을 석유근원암이라고 한다.

 

세계 각지의 유전지대(油田地帶)에는 상당한 양의 추출성 유기물을 함유하는 흑색~암회색 점토질(石灰質인 경우도 있다)의 지층이 유층(油層) 부근이나 또는 그 하위에 발달되어 있는 경우가 많은데, 이것을 일반적인 근원암이라고 보고 있다. 석유는 액체이기 때문에 현재 석유를 함유하는 지층은 최초에 생성되었을 때의 지층과 반드시 같지는 않다. 일반적으로 해성 흑색셰일 ·이암(泥岩)을 석유근원암이라고 한다.

 

셰일오일,

석유가 생성되는 퇴적암인 근원암(source rock)에 넓게 분포돼 있는 원유,

전통적인 원유와 달리 원유가 생성되는 근원암인 셰일층(유기물을 함유한 암석)에서 뽑아내는 원유를 말한다. 전통적 원유는 유기물을 포함한 퇴적암이 변해 지하의 입자가 큰 암석 등을 통과해 지표면 부근까지 이동한 원유로, 한곳에 모여 있기 때문에 수직시추를 통해 채굴한다.

셰일오일은 원유가 생성된 뒤 지표면 부근으로 이동하지 못하고 셰일층 안에 갇혀 있는 원유다. 이에 수직 및 수평시추, 수압파쇄 등 고도의 기술이 필요하고 이로 인해 생산단가가 전통적 원유보다 높다. 따라서 과거에는 이처럼 난해한 기술과 상용화 비용이 매우 비싼 셰일오일을 활용하지 못했다. 그러나 1990년대 이후 수압을 이용한 수평굴착 기술이 발달하면서 생산원가는 낮아지고 유가는 오르고 있어 새로운 에너지원으로 각광받게 됐다.

 

셰일,

[ shale ]

운반작용으로 생성되는 퇴적암 중 입자의 크기가 63㎛(마이크로미터)보다 작고, 층과 평행하게 벗겨지는 암석.

세립의 쇄설성 퇴적암(碎屑性堆積岩)으로 층리면(層理面)에 평행으로 벗겨지기 쉬운 성질을 가진 암석.

셰일,

셰일은 이암(진흙이 굳어져 생긴 암석)이 속성(續成)작용을 받아 생성된다. 약 70%의 지각 구성비를 가지고 있는 셰일은 종종 사암이나 석회암층에 협재되어, 진흙이나 미사 및 다른 퇴적물을 포함하면서 조용히 흐르는 유수에 의해 퇴적되고, 고화되는 환경에서 생성된다.

지름이 1/16mm 이하의 실트와 점토가 퇴적해 생긴 치밀한 암석으로서 층리면에 따라 엷게 벗겨지는 성질을 갖는다. 그것은 아마도 위에 겹쳐진 지층의 무게에 의한 압축, 점토광물이나 운모류 등이 층리면에 평행으로 배열하는 일 및 재결정작용 등과 관계가 있다고 생각된다. 규질(硅質) 또는 석회질 물질이 많아지면 벗겨지기 쉬운 성질이 없어진다는 것이 알려져 있다.

셰일,

셰일은 이암이 속성작용을 받은 것이지만 더욱 속성작용이 진첩되면 슬레이트, 천매암으로 된다. 보통은 암색을 띠며 세밀한 엽리(葉理)를 볼 수 있다. 각 지질시대에 걸쳐 산출된다. 석유 성분을 포함한 셰일을 오일셰일이라 한다. 셰일은 변성 작용을 통해 점판암, 편암, 편마암의 순서대로 차례로 변해갈 수 있다.

 

적색 셰일,

입자의 크기가 63㎛보다 작은 세립질의 암석으로, 전형적 층상구조를 보여 쪼개짐이 나타난다. 성층면(成層面)을 따라 평행하게 얇은 층으로 쪼개지는 성질을 가지는데, 이것은 입자의 크기가 다르거나 구성광물의 색이 다를 경우 나타난다. 흰 쌀과 검은 쌀을 층층이 쌓은 것을 생각하면 된다. 붉은색, 녹색, 검은색, 회색 등 여러 색이 나타난다.

적색 셰일,

흑색 셰일,[ black shale ]

검은색을 띠고 얇은 엽리가 발달한 탄질 셰일로서 유기물(5% 이상의 탄소 함량)과 황화물(주로 황철석)을 많이 함유함.

 

탄소질 셰일,[ Carbonaceous shale ]

쇄설성 이질조직 및 유기조직, 단니콜, 37배

흑색을 띠며 실트와 점토로 되어 있고 구성 입자의 비율은 이암과 동일하나 탄질물이 많이 포함되어 있어 탄소질 셰일이다. 단니콜에서 관찰되는 흑색물질은 모두 광염상 불투명 탄질물이다. 식별되는 광물은 석영과 백운모이다. 사진의 하단에 있는 등방성띠는 건열로 보인다.

 

탄소질 셰일은 암회색 내지 흑색을 띠며 상당량의 탄소가 광염상(disseminated)으로 함유된다. 일반적으로 석탄층(coal seam)에 수반된다. 광염상이란 광상학에서 사용되는 용어로서 광물(예 : 불투명광물)이 암석 내에 점점으로 산재되어 있는 양상을 표현한다. 형태상의 용어로서 성인적 의미는 없다. 탄질셰일(coaly shale)은 공인된 용어가 아니다.

얕은 수저에 쌓인 점토 같은 퇴적물이 한 때 수면 상에 노출되어 건조하게 되면 수분의 증발로 퇴적물이 수축하여 틈이 생긴다. 이런 틈을 건열(sun crack 또는 mud crack)이라 하며 이질암에서 주로 관찰된다.

• 산출지 : 충청남도 보령군 성주면 개화리 하개부락 부근

 

녹색셰일, 강원도 태백시 소도동 태백석탄박물관.

탄질셰일,[ coaly shale , 炭質- ]

탄질물을 비교적 많이 포함하며 암회색 또는 흑색을 띠는 셰일. 흔히 탄층들 사이에 협재되거나 상 · 하반을 이룬다.

국적 > 시대/ 재질/ 크기/ 출토지/ 소장처/ 유물번호/

한국 > 시대미상(時代未詳)

석 > 기타(其他)

가로 12 세로 9 두께 6

충청북도 보은군

한남대학교 자연사박물관

한남대자연(한남대자연) 312701-000

산재된 미립자 상태로 함유된 탄소의 양 때문에 암회색 또는 흑색을 띠는 셰일로서 입자가 1/256mm 이하의 점토와 미사 크기의 입자로 구성된 탄소성분이 많은 암석이다.

엽리가 잘 발달된 셰일과 엽리면 위에 보존된 식물 잎 화석,

셰일은 이암(진흙이 굳어져 생긴 암석)이 속성(續成)작용을 받아 생성된 것으로 여기에 탄질물이 다량 함유되어 생성된 것이다. 약 70%의 지각 구성비를 가지고 있는 셰일은 종종 사암이나 석회암층에 협재되어, 진흙이나 미사 및 다른 퇴적물을 포함하면서 조용히 흐르는 유수에 의해 퇴적되고, 고화되는 환경에서 생성된다.

탄질물이 미세한 알갱이로서 셰일에 다량 함유되어 나타나는 것을 탄질셰일이라 부른다. 셰일의 색은 주로 조성물질에 의해 결정되어 지는데 보통 유기물질의 함량이 높을수록 색은 더욱 어두워진다. 이것은 검은색을 띠며 극히 세립질 물질로 되어 있어서 육안으로는 입자를 구별할 수 없으나 층리가 발달되어 있어 이 면을 따라 쪼개지는 성질을 갖는다. 탄소성분이 많으며 별처럼 반짝이는 광택을 볼 수 있다.

 

셰일가스,

오랜 세월동안 모래와 진흙이 쌓여 단단하게 굳은 탄화수소가 퇴적암(셰일)층에 매장되어 있는 가스로, 전통적인 가스전과는 다른 암반층으로부터 채취하기 때문에 비전통 천연가스로 불린다. 기술적 제약 때문에 오랫동안 채굴이 이뤄지지 못하다가, 2000년대 들어 수평정시추 등이 상용화되며 신에너지원으로 급부상하였다.

 

탄화수소가 풍부한 셰일층(근원암)에서 개발, 생산하는 천연가스를 말한다. 셰일이란 우리말로 혈암(頁岩)이라고 하며, 입자 크기가 작은 진흙이 뭉쳐져서 형성된 퇴적암의 일종이다. 셰일가스는 이 혈암에서 추출되는 가스로, 전통적인 가스전과는 다른 암반층으로부터 채취하기 때문에 비전통 천연가스로 불린다. 셰일가스는 난방·발전용으로 쓰이는 메탄 70~90%, 석유화학 원료인 에탄 5%, LPG 제조에 쓰이는 콘덴세이트 5~25%로 구성돼 있다. 유전이나 가스전에서 채굴하는 기존 가스와 화학적 성분이 동일해 난방용 연료나 석유화학 원료로 사용할 수 있다.

보통 천연가스는 셰일층에서 생성된 뒤 지표면으로 이동해 한 군데에 고여 있는 것이지만, 셰일가스는 가스가 투과하지 못하는 암석층에 막혀 이동하지 못한 채 셰일층에 갇혀 있는 가스다. 따라서 일반적 의미의 천연가스보다 훨씬 깊은 곳에 존재하고 있으며, 암석의 미세한 틈새에 넓게 퍼져 있는 것이 특징이다. 따라서 기존의 천연가스와 같은 수직시추는 불가능하며, 수평시추를 통해서만 채굴할 수 있다. 따라서 1800년대에 셰일가스가 발견되었음에도 이와 같은 기술적 제약 때문에 오랫동안 채굴이 이뤄지지 못하다가, 2000년대 들어 수평정시추 등이 상용화되며 신에너지원으로 급부상하게 되었다. 

셰일가스 채굴(출처: 게티이미지 코리아)

천연가스는 채굴의 난이도와 생산비용에 따라 크게 재래식과 비재래식으로 나눈다. 비재래식 가스는 기술적으로 채굴이 어렵고 채산성이 낮은 가스를 말하는데, 대표적으로 셰일가스·타이트가스·석탄층 메탄가스 등이 있다.

 

셰일가스의 부상

셰일가스는 미국, 중국, 중동, 러시아 등 세계 31개국에 약 187조 4,000억 m3가 매장되어 있는 것으로 추정되는데, 이는 전 세계가 향후 60년 동안 사용할 수 있는 양이다. 경제적, 기술적 제약으로 채취가 어려웠던 셰일가스는 2000년대 들어서면서 미국을 중심으로 물과 모래, 화학약품을 섞은 혼합액을 고압으로 분사하는 수압파쇄법과 수평정시추 등이 상용화되면서 신에너지원으로 급부상했다.

실제로 2010년 북미 지역의 셰일가스 생산량은 2000년에 비해 15.3배나 확대되었으며, 미국은 2009년 이후 러시아를 제치고 천연가스 1위 생산국에 등극하였다. 그러나 셰일가스를 채취할 때 우라늄 등 화학물질이 지하수에 스며들 수 있고, 일반 천연가스보다 메탄이나 이산화탄소 등의 오염물질이 많이 발생해 지구온난화를 가속화할 수 있다는 지적도 제기되고 있다. 

 

[국립중앙박물관: 한국의 문화유산을 수집·보관하여 일반인에게 전시하고, 유적·유물 등을 조사·연구하기 위하여 설립된 박물관, 

 

 

참조항목,

가솔린, 가스기름, 건퍼포레이터, 길소나이트, 헨리 데터딩, 등유, 배럴, 배사설, 석유근원암, 석유수출국기구, 석유정제법, 석유화학산업, 아바단, 아스팔트, LPG, 에디엘레, 역청, 연료, 오일가스, 오일샌드, 옥테인값, 원유, 유정, 윤활유, 1차에너지, 채유, 탈랍,

석유, 이암, 퇴적암,

 

역참조항목,

레저부아, 배사트랩, 배유기구, 부니, 석유사업법, 수소화분해, 옥시오일앤드가스유에스에이, 화석의 지질학적 가치, 각력암, 경녹니석, 알루미나셰일, 석판석회암, 덮개암, 석탄의 산상, 석화 식물화석, 

 

카테고리,

• 순수과학 > 화학 > 유기화학 > 탄화수소

• 기술과학 > 화학공학 > 석유 및 유지

• 순수과학 > 지구과학 > 암석학

출처 & 참고문헌,

[교과서 밖의 과학] 석유, 현대 물질 문명의 감초 (살아있는 과학 교과서, 2011..,)

[석유 [petroleum, 石油] (두산백과)

[석유근원암 [source rocks of petroleum, 石油根源岩] (두산백과)

[ketis.or.kr, 두산세계대백과, 학습원색대도감-암석/광물(1980년,금성출판사)

[지질학사전(1998년,양승영,교학연구사)

[e뮤지엄 http://www.emuseum.go.kr/

[국립중앙박물관

[셰일 [shale] (두산백과)

[셰일오일 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)

[탄질셰일 [coaly shale, 炭質-] (광물자원용어사전, 2010. 12., 한국광물자원공사)

[탄질셰일 (e뮤지엄)

 

[흑색 셰일 [black shale] (해양과학용어사전, 2005. 10. 7., 한국해양학회)

[탄소질 셰일 [Carbonaceous shale] (암석의 미시세계, 2011..,)

[기본 광물·암석 용어집

[시사상식사전

[셰일가스 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)

[KISTI의 과학향기 칼럼

 

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