[에너지] [셰일가스] 셰일가스 개발과 잠재적 수자원오염

▷ 지층의 에너지 자원은 전통, 비전통유가스로 분류됨.

▷ 비전통유가스전의 개발에는 수자원의 오염이 동반됨.

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1) 전통, 비전통유가스

전통, 비전통의 분류는 채취 기술의 수준에 따라 분류됨

에너지 자원의 형태, 전통/비전통

• 전통(Conventional) 유가스
  - 자연적 이동으로 집적되어 생산 가능한 기체, 액체, 고체상의 탄화수소 화합물 (이산화탄소, 질소, 황화수소, 물 포함)
  - 가스전에서 단독으로 생산되는 가스
  - 시추를 통해 단순 채취가 가능하여, 상대적으로 이른 시점부터 에너지원으로 활용되었음: 실질적으로 에너지원으로 사용하게 된 시점은 1850년대로 알려짐 = 전통유가스자원
  - 원유(Crude Oil), 석유 (Petroleum oil), 석유가스 (Petroleum gas) 가 이에 해당함 (Crude는 완전 미가공, Petroleum은 가공을 거친 경우)
  - 그림, 전통A/B = 시추공으로 통로를 연결하면 바로 채취가 가능
  
  
• 비전통(Unconventional) 유가스
  - 일반적인 석유가스자원에 대비되는 개념으로, 유체 유동능력이 매우 낮고 대량 부존된 자원
  - 암석층 사이에 고르게, 넓게 분포되어 존재함.
  - 단순 시추만으로는 채취가 불가능하며, 파쇄를 통한 셰일지층의 미세균열 형성이 필요함. 실제 활용 가능한 파쇄
  기술을 활용하여 채취가 시작된 시점은 1985년도 전후(셰일혁명)로 알려짐 = 비전통유가스자원
  - 셰일가스와 셰일오일 (Shale gas and oil), 치밀가스 (Tight gas) 가 이에 해당함.
  - 그림, 비전통A/B = 시추공으로 통로를 연결 하더라도 바로 채취가 불가능. 해당 층을 파쇄/분쇄시켜 암석사이의 가스가 이동하도록 만들어주어야 함.

 

2) 비전통가스전, 셰일가스 개발

전통가스와 셰일가스 세계 부존량 분포

• 셰일가스 매장량 및 분포
  - 셰일가스는 비전통가스 중에서 부존량이 가장 많으며, 상대적으로 세계에 고르게 분포함.
  - 셰일가스 매장량은 32개국 조사 결과 187.4조 ㎥ 으로 전통가스와 비슷한 수준임.
  - 중국 > 미국 > 아르헨티나 > 멕시코 > 남아프리카 순이며, 중국의 매장량은 미국의 약 2배에 달한다.
  (중국 32조 ㎥, 미국 19조 ㎥) (북미 = 미국 + 캐나다 + 멕시코)
  
  

셰일가스 개발 과정, 수압파쇄

• 셰일가스층의 형태 및 채산의 어려움
  - 셰일층은 공극률 10% 이하, 투과도 0.001 mD ~ 100 nD 정도로 극히 낮기 때문에, 가스의 유동이 거의 불가능함
  - 유리가스(free gas) 와 유기물 내에 흡착된 상태로 존재함. 셰일층의 특성상(퇴적암) 면을 따라 얇고 균열되기 쉬운 성질을 갖고 있어, 수직시추를 통해서는 경제적인 생산량을 얻기 어려움.
  
  
• 셰일가스 시추정의 개발과 수압파쇄기법
  - 시추정 개발은 드릴을 통한 시추, 수압파쇄를 통한 균열 생성, 배출 가스의 추출 및 수집의 순서로 이루어짐.
  - 화학물질을 포함한 물을 시추정으로 고압 주입하여 시추공 주변으로 균열을 생성.
  - 균열의 틈이 지층의 압력으로 인해 닫히는 것을 방지하기 위해 모래 등을 주입해 균열 상태를 유지.

 

3) 셰일가스 개발 과정에서의 사용수와 발생 폐수 [환경오염]

• 사용수
  - 드릴 용수(Drilling water)
  : 셰일 가스층이 존재하는 지점, 지표면에서부터 드릴을 활용하여 시추를 하는 과정에서 Drilling Fluid로서 물을 사용
  : 시추 과정에서 사용하는 물은 약 200톤 내외로(최대 약 800톤까지 보고되었음)
  
  - 파쇄 용수(Fracturing water)
  : 셰일가스가 포함된 지층을 통과하는 시추공을 시공한 후, 셰일가스가 포함된 지반, 지층에 균열을 일으키기 위해 사용하는 물
  : 균열을 발생시키기 위하여, 시추공으로 파쇄용수를 주입한 후 시추공의 상단부에서 압력을 가해줌.
  : 파쇄용수에 가해진 압력은 시추공의 벽을 따라서 지층으로 압력을 전달하는 역할 및 균열을 유지하는 기능을 하며, 물과 모래, 그리고 각종 화학물질을 포함하고 있음
  : 하나의 시추정을 건설하기 위한 수량은 지역 및 지반의 특징에 따라 달라지며, 약 15,000톤에서 최대 30,000톤 부피의 파쇄용수가 사용됨
  
  
• 발생 폐수
  - 드릴용수폐수
  : 처음 시추공을 건설할 때 사용되는 Drilling Fluid가 지반으로 되돌아 나와 발생하는 폐수로, 그 양은 상대적으로 많지 않음.
  
  - 환류수(Flowback water)
  : 가스를 생산하기 위해서는 파쇄를 위해 고압을 가했던 파쇄수(Fracturing water)의 압력을 다시 낮추어야 함. 
  : 압력이 낮아짐에 따라 파쇄수가 시추공을 따라 지표면으로 되돌아 나오는데, 이를 환류수(Flowback water)라고 함. 
  : 주입한 파쇄수 총량의 약 10%에서 최대 30%정도의 환류수가 시추공을 따라 되돌아 나옴.
  
  - 생산수(Produced water, Long-Term Produced water)
  : 시추 작업과 파쇄 작업이 종료되고 난 후에는 더 이상 지층으로 물을 주입하지 않지만, 가스 생산 과정에서 지층으로부터 침출되어 시추공을 따라 지표면으로 역류하는 물이 존재하는데, 이를 생산수(Produced water)라고 함. 
  : 생산수는 가스전의 사용기간 동안 계속 발생하며, 발생량은 하루에 약 5톤 내외임.

셰일가스의 채굴을 위해서는 수자원이 무조건적으로 필요하며, 사용한 수자원으로 인하여 발생하는 폐수의 부적절한 처리는 환경에 엄청난 부작용을 야기할 수 있음.

 

• 셰일가스전 폐수의 특징
  
  - 셰일가스전 발생 폐수를 처리할 때 가장 큰 문제가 되는 성분은 TDS(총 용존 고형물)임.
  - TDS의 농도 최고 200,000 mg/L 이상을 포함.
  - 추가적인 처리를 하지 않고서는 재사용과 방류가 거의 불가능하며, 적용할 수 있는 처리 방법 또한 매우 제한적임.
  - TDS 이외에도 각종 유해 금속(바륨, 스트론튬 등), 오일과 그리스(기름) 성분, 고형물 등의 오염물이 포함.
  (TDS는 주로, 물속에 포함되어 있는 이온류 등의 총량을 뜻함 : 물에 완전히 녹아 체로 걸러지지 않는 성분들, 소금[NaCl] 또한 TDS에 포함됨)