석유

생성 및 매장

석유는 수억 년 전에 살다가 죽은 수생식물과 수생동물에서 생겨났다.

그들의 유해가 층상퇴적물 내에서 진흙·모래와 섞여 수백만 년에 걸친 지질학적인 변성을 거쳐 퇴적암이 된다.

첫번째 단계로 미숙성 석유 형성 단계는 주로 화학반응과 화학적 재배열에 의해 일어나는데, 이 과정에서 유기물질이 유모(油母)로 전환된다. 세균에 의해 변질된 식물이나 동물 잔해의 산물인 어두운 색을 띤 불용성 유모는 나중 단계에서 만들어지는 대부분의 탄화수소의 원천이 된다.

지속적으로 퇴적되어 더 깊이 매장되고 온도가 증가하고 지질학적 시대가 지남에 따라 석유 생성은 숙성 단계로 접어드는데, 이 단계에서는 열분해나 분해증류(무거운 탄화수소 분자들이 가벼운 분자들로 쪼개지는 과정)에 의해 유모나 다른 전구물질로부터 모든 석유화합물들이 만들어진다. 유기물질의 양이나 형태에 따라 다르지만 약 760~4,880m의 깊이와 65~150℃의 온도에서 석유가 만들어진다. 이 특수한 환경을 '석유창'(oil window)이라고 한다.

석유를 매장할 수 있는 근원암이 지질사(地質史) 동안 도달할 수 있는 최대 온도를 알면 그 안에 들어 있는 유기물질들의 성숙도를 추정하기가 쉬워진다. 또한 이 정보로 그 지역이 가스가 만들어지기 쉬운지 석유가 만들어지기 쉬운지, 아니면 둘 다 가능성이 있는지, 또는 하나도 가능성이 없는지를 알 수도 있다.

불용성 유기물질을 거의 포함하지 않은 비교적 조립질(粗粒質)이고 투수성 및 다공성이 있는 퇴적 저류암에 주로 석유가 축적된다.

일부 저류암에서 현재 볼 수 있는 방대한 양의 석유가 지금 그 자취가 남아 있지 않은 물질로부터 생겼을 가능성은 없다. 따라서 상업적 용도로 쓰일 정도의 석유가 생성되는 위치는 궁극적으로 석유가 발견되는 위치와 반드시 일치하는 것은 아니다. 고생대(2억 4,500만~5억 7,000만 년 전) 이후 석유의 유기 전구물질이 원래의 압축된 점토로부터 사암이나 미사암 같은 다공성이나 투수성이 더욱 큰 암석으로 서서히 이동되어 결국 거기 갇히게 되었다.

이렇게 석유가 갇혀서 괴어 있는 지층을 유층(油層)이라고 한다. 보통의 저류암 구조 내에 들어 있는 일련의 유층이나 또는 인접하여 따로 떨어져 있는 저류암에 있는 일련의 유층을 보통 유전(油田)이라 한다. 지질학적 환경이 유사한 유전들의 집합이 유전지대(油田地帶)로 알려져 있다.

시추된 유정을 통해 지표면에서 퍼올린 원유는 그 위치를 찾고 이를 채유(採油)하고 가공하는 데 비용이 많이 들기는 하지만 전세계의 최대 에너지원으로서 현재 소비되는 전에너지의 약 39%를 차지한다.

중동·소련·미국이 지구상의 선두적인 석유 생산국이며 미국이 최대의 소비국이고 그 다음이 소련이다. 원유의 조성은 매우 다양하지만 주성분은 탄화수소(수소와 탄소로 이루어진 화합물)이다. 원유를 이루고 있는 화합물의 분자구조는 다양하지만 대부분의 원유에는 무게비로 82~87%의 탄소와 12~15%의 수소가 들어 있다.

대부분의 원유는 파라핀, 나프탈렌, 방향족 화합물 계열 등 3가지 계열의 혼합물로 되어 있다(파라핀족 탄화수소, 방향족 탄화수소). 파라핀 계열은 천연 가스를 형성하는 메탄에서부터 정제되어 가솔린이 되는 액체 상태의 결정성 왁스에 이르기까지 가장 광범위하다. 나프탈렌 계열은 휘발성 액체에서 타르 아스팔트까지를 포함하고 있다.

방향족 계열은 주로 벤젠으로 이루어진다. 또한 석유는 휘발성·색·비중과 같은 물리적 성질도 다양하다. 원유를 구성하고 있는 수많은 탄화수소 화합물 이외에도 황·질소·산소 등이 소량 존재하며 종종 많은 양이 포함되어 있기도 하다. 실제 황은 원유를 구성하는 원소 중 3번째로 풍부한 원소이다.

대부분의 원유는 지하에서 산출되지만 몇몇 석유 호수나 타르 갱(坑)도 알려져 있다.

그 좋은 예로는 미국 로스앤젤레스의 라브레이아 타르 갱을 들 수 있다. 지구에서 석유와 천연 가스를 추출하는 것은 예상·시추·채유의 3가지 기본 단계를 거쳐 이루어진다. 육지에 존재하는 것으로 알려진 유전의 4/5 정도는 지금 개발되고 있으며, 1960년 이후부터는 인근해(隣近海) 유전개발의 중요성이 커지고 있다. 1860년초에 석유탐사가 시작된 후로 지금까지 약 4만 개의 유전이 발견되었다. 하지만 이들 유전의 90% 이상이 세계 석유생산량에 별 영향을 미치지 않는다.

유전은 크게 초거대유전과 거대유전으로 나뉜다. 초거대유전은 5조(兆) 배럴 또는 그 이상의 원유까지 채유할 수 있으며 거대유전은 5,000억~5조 배럴의 원유를 채유할 수 있다. 현재까지 지구상에서는 37개의 초거대유전만이 발견되었는데 지금까지 발견된 모든 석유의 51%가 이들 유전에 들어 있다.

이들 초거대유전 중 26개가 페르시아 만 지역에 있는 아랍-이란 퇴적 분지에 분포되어 있다. 나머지 초거대유전의 분포를 보면 미국에 2개, 소련에 2개, 멕시코에 2개, 리비아에 2개, 알제리에 1개, 베네수엘라에 1개, 중국에 1개가 있다. 이들 37개의 초거대유전과 함께 세계 도처에서 지금까지 발견된 300개 정도의 거대유전에 지구상에서 채유할 수 있는 석유의 80% 정도가 들어 있다. 이외에도 5,000~5,000억 배럴의 석유를 포함하고 있는 대유전(大油田)이 1,000개 정도 알려져 있다.

이들 대유전에 현재 알려진 석유량의 15% 정도가 들어 있다. 즉 현재까지 알려진 유전의 5% 이하에 지금까지 알려진 지구상의 모든 석유의 95% 정도가 들어 있다.

1890년 석유산업은 미국 캘리포니아의 샌타바버라에 있는 유전을 개발하기 위해 부두에서 연안 쪽의 외안(外岸)에 있는 유정을 시추하면서 시작되었다. 육지에서 입증된 것과 유사한 퇴적 환경과 구조 형태가 바다 쪽으로 연장된다는 사실을 지질학적으로 확신할 수 있는 지역에서 외안시추하는 것이 필연적인 단계였다.

육지에서의 시추와 바다에서의 시추 사이의 주된 차이는 비용의 많고 적음에 있다는 사실이 명백해지면서 전세계적으로 외안 탐사 쪽으로 관심이 돌려졌다. 1940년대에 미국의 석유산업은 멕시코 만에 있는 유전을 개발하기 시작했다. 그 이후 거의 3만 개 정도의 유정이 시추되었고 3,000개 이상의 플랫폼이 멕시코 만 내에 세워졌다. 이들 플랫폼 중 하나는 300m 이상의 바다 위에 세워졌다. 상당량의 석유가 만의 남쪽 지역인 멕시코에서 생산된다.

채유

드레이크 유정은 처음에 원유가 누출되어 알려진 표면 부근에서 시추되었으며, 수년 동안 이러한 누출이 석유의 존재에 대해 유일하게 믿을 만한 징조였다.

하지만 수요가 늘어나면서 땅속의 암석층에 대한 석유의 존재 가능성을 탐사하는 새로운 방법들이 고안되었다. 오늘날 주요석유 탐사법으로는 ① 지형도 작성법, ② 지진계, ③ 관찰 지구중력 측정 등이 있다. 하지만 땅속의 석유광상의 존재를 정확히 예측할 수 있는 방법은 아직까지 없다.

지표면에서 하는 탐사법으로는 단지 석유가 매장되기 좋은 땅속 지층의 존재 여부만 알 수 있을 뿐이다.

지형도 작성법은 자연적으로 나타나는 누출에 의거한다. 원유 누출은 때때로 저지대에서 타르와 유사한 광상으로 나타나며, 그보다는 누출지역을 지나는 조그마한 시냇물에 덮인 얇은 유막으로 나타나는 경우가 더 많다.

하지만 천연 가스의 경우 공기 중에 이 가스가 10ppm 이하로 존재해도 계기를 통하여 감지할 수 있으나, 석유와 같은 누출현상은 보통 나타나지 않는다. 지표 바로 위나 아래의 공기 시료를 시험하는 탐사법이 이용되고 있으며, 넓은 지역에서 이런 시료들로부터 가스 농도 지도를 만들 수 있다. 이와 비슷한 방법으로 해수에 녹아 있는 미량의 석유 가스를 검사하면 해저 누출도 감지할 수 있다. 이런 지구화학적 예측법은 표면 누출이 없는 대부분의 땅속 매장지에는 적용할 수 없다.

지표 탐사의 2번째 방법은 땅속 암석층에 대한 지형의 특징을 바탕으로 한다.

어떤 경우에는 이러한 지형에서 암석층의 땅속 습곡이나 단층이 반복된다. 평평한 지표면이 약간 볼록하게 튀어나온 것으로 땅속에 암염 돔이 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 지형에서는 보통 석유 트랩(petroleum trap：석유 등을 집적·저류하는 지질구조)의 가능성을 알 수 있기 때문에 그 지역에서 시추를 하게 된다. 땅속 지층지도를 만드는 데 유용한 지진계 관찰은 수중음파탐지법과 비슷한 방식으로 암석의 음파전달 및 반사성질과 관련되어 있다.

음파는 암석층의 종류에 따라 다른 속도로 전달되며, 종류가 다른 암석의 경계면에서 반사된다. 음파는 주로 얕은 구멍에서 작은 폭발에 의해 생기는 파동이다. 마이크로폰을 발생원으로부터 방향과 거리를 달리하여 설치하고 반사파의 도착시간을 기록한다. 광범위한 지역에 걸쳐 일정한 간격을 두고 이 과정을 반복한다.

경험이 풍부한 지진학자가 이 기록들을 해석하여 땅속 지층의 윤곽을 지도로 그릴 수 있다. 이로부터 석유가 매장되어 있을 가능성이 있는 지역이 시추할 장소가 된다.

3번째의 주요탐사도구는 중력계이다. 지구 표면중력은 거의 일정하지만, 지표 가까이에 커다란 암석층이 있는 곳에서는 약간 더 크다(중력). 따라서 중력장은 아취 모양의 습곡이나 이와 비슷한 땅속 지형의 상부에서 증가한다.

암염은 다른 암석에 비해 밀도가 작기 때문에 암염 돔이 있으면 중력이 작아지게 된다. 중력 측정은 보통 공중에서 한다. 즉, 중력계를 항공기 밑으로 케이블에 매달면 항공기의 기록장치가 작동된다. 항공기가 격자형으로 정확하게 나눈 특정지역의 상공을 날 때 측정된 기록으로부터 중력의 세기를 나타내는 지도가 얻어진다. 이 지도로부터 습곡·단층, 암염돔과 같은 석유매장 장소의 존재 유무를 알 수 있으며, 지표면에서 이러한 지형적 특징을 볼 수 없어도 가능하다.

중력계 측정은 지진탐사법보다 빠르고 경제적이다. 그러나 상대적으로 지표 가까이에 있는 대규모 암석층의 위치만 알 수 있기 때문에 일반적으로 지진탐사를 집중적으로 할 지역을 선정하기 위한 예비탐사의 도구로 이용된다.

석유가 나올 만한 곳이 선정되면 시추에 의해 채유가 시작된다. 초기의 유정은 충격식 도구로 시추되었는데, 이 방법을 케이블 시추법이라 한다. 즉 지상에 있는 지렛대에 케이블로 끌 같은 비트를 매단 후에 지렛대를 상하운동시켜 이 비트로 시추공의 바닥을 세게 쳐서 바위를 깎아낸다.

이 방법은 케이블에 달린 바구니 형태의 장치로 암석 조각을 치워내기 위해 주기적으로 중단되어야 한다. 또한 비트가 효과적으로 바위를 부수기 위해 시추하는 동안 구멍 속에는 액체가 하나도 없어야 한다. 이러한 암석층은 뚫리자마자 많은 양의 석유와 가스가 건조한 구멍을 통해 지상으로 흘러나온다. 이와 같은 분유정(噴油井)이 성공적인 유정의 상(像)이 되었다. 이 방법은 종종 유정에 덮개를 씌워 제어하기 전에 많은 양의 석유가 낭비되는 것이 결점이다.

20세기 중·후반에는 땅속 지층을 뚫는 데 회전식 시추법이 더 많이 쓰였다.

이 방법은 드릴비트라고 하는 특수 도구로 유정의 바닥을 내리누르면서 회전하는 방식으로 아래로 내려가면서 구멍을 파서 깎아내는 방법이다. 케이블 시추와 비교할 때 회전식 시추의 가장 큰 이점은 시추하는 동안 유정 시추공이 액체로 가득 차 있다는 것이다. 시추공 속에 있는 시추니(試錐泥)는 2가지 중요한 목적을 가진다.

그 하나는 유체정압(流體靜壓)으로 지층의 유체가 유정 안으로 들어가는 것을 막아 갑작스런 분출과 분유정이 생기는 것을 방지하는 것이다. 또한 시추니는 부서진 암석을 지상으로 운반하여 비트가 닳을 때까지 시추를 계속한다.

드릴비트는 시추관을 통해 지상의 장비와 연결되어 있는데, 이 관은 시추니를 시추공 바닥까지 보내는 단단한 관이다. 대부분의 경우 시추관은 지상에 있는 회전대의 회전운동을 시추공 바닥에 있는 비트에 전달한다. 시추관의 아래쪽 끝에는 드릴칼라라고 하는 매우 무거운 부분이 있는데, 이것은 회전하는 비트에 중량을 모아준다.

시추니는 바닥에 있는 암석 부스러기를 씻어내어 표면으로 운반하는 방식으로 시추관으로부터 배출된다. 시추니는 필요한 작업에 따라 정확한 무게와 점성도를 가지고 조심스럽게 만들어진다. 암석 부스러기를 제거한 후 시추니는 다시 시추공에 주입되어 순환된다. 시추니는 피스톤 펌프에 의해 퍼올려지며, 회전 조인트를 통해 시추관의 꼭대기로 올라온다. 독특하게 높은 데릭(derric：지주형 기중장치)은 유정 속에서 시추관을 올리고 내리는 장비를 갖고 있다.

드릴비트는 쉽게 닳아 자주 교체해야 하며, 이 교체를 위해 유정으로부터 시추관을 완전히 뽑아낼 뿐 아니라 드릴비트를 데릭 한쪽에 쌓아놓을 필요가 있다. 시추관의 이음은 길이가 보통 9m이다.

앞에서 언급한 회전식 시추공법에 의해서 유정을 7,600m 이상의 깊이까지 시추하는 것이 가능해졌다. 유정은 연안 바다뿐만 아니라 공해(公海)에서도 시추되고 있다. 비교적 얕은(60m 이하) 바다에서의 유정은 보통 바닥에 고정된 지지대에서 시추되는데, 이 시추대는 예상되는 파도의 최고 높이보다 높게 세워져야 한다.

이보다 깊은 바다에서 시추나 탐사 작업을 할 경우, 닻과 모터를 달아 한 곳에 떠 있을 수 있는 부유선박에서 한다. 고정식 시추대는 비용이 많이 들기 때문에 보통 한 시추대에서 20개 이상의 유정을 시추한다. 회전식 시추의 변형된 한 형태는 시추공 바닥에 유체동력 터빈을 사용하여 비트를 회전시키는 것이다. 터보드릴은 길이가 약 9m이며 위쪽 베어링·터빈, 아래쪽 베어링·드릴비트의 4가지 기본적인 부분으로 이루어져 있다.

위쪽 베어링은 시추관에 부착되는데, 이 시추관은 회전하지 않거나 드릴비트에 비해 훨씬 느린 속도(6~8rpm)로 회전하며, 드릴비트 무게를 조절하고 터빈에 동력을 주는 시추니를 운반하는 데 이용된다. 드릴비트는 구식 회전식 시추보다 훨씬 빨리 회전(500~1,000rpm)한다. 터보드릴의 동력원은 시추니를 시추관과 위쪽 베어링을 통해 터빈 속에 펌프질하는 이수(泥水) 펌프이다.

이 시추니는 터빈의 회전자로 전달되어 아래쪽 베어링과 드릴비트를 돌리며, 구식 회전식 시추에서처럼 드릴비트를 냉각시키기 위해 아래쪽 베어링의 움푹 패인 곳을 지나간다.

시추공이 생산 가능성이 있는 지층을 뚫고 나면 비용이 많이 드는 완성단계까지 가야 할지를 정하기 위해 이 지층을 조사해야만 한다. 첫번째 평가는 보통 검층법(檢層法)으로 하는데, 검층도구가 암석층을 통과하도록 집어넣어 응답신호가 지상의 기사에게 중계된다.

종종 이 도구는 석유나 가스의 매장 가능성을 탐지하기 위해 암석·물·석유 등의 전기전도도 차를 이용한다. 다른 검층도구는 원자입자들의 흡수 차를 이용한다. 검층도구로 생산 가능성이 있는 지층의 정확한 깊이가 결정된다. 하지만 생산성 시험을 통해서만 유정의 잠재 생산성을 알 수 있다. 보통 행해지는 생산성 시험은 이른바 드릴스템 시험인데, 이는 단지 지층에 뚫린 시추관 구멍만으로 시험할 지층의 위아래로 시추공이 밀봉된다.

그뒤 시추관에서 시추니를 빼내고 지층의 유체가 그 안으로 들어가도록 한다. 충분한 시간이 지나면 시추관의 구멍이 막히고 지층의 유체가 든 관을 분석하기 위해 지상으로 올려진다. 가스가 있다면 가스는 시험하는 동안 시추관의 꼭대기에서 흘러나오게 된다. 예비시험을 통해 시추공 내의 하나 이상의 지층이 상업적으로 생산성이 있다고 판명되면 이 유정은 석유와 가스를 계속 생산할 준비를 해야 한다.

우선 시추공보다 지름이 약간 더 작은 대형 외관(外管)이나 쇠파이프가 유정의 밑바닥까지 삽입된다. 시멘트 슬러리는 쇠파이프의 외면과 시추공의 내면 사이에 힘을 가한다. 쇠파이프의 지름은 보통 약 23cm 정도이다. 이것이 생산성이 있는 지층에 도달하면 영구 유정이 만들어진다. 쇠파이프가 적당한 자리에 놓인 뒤 더 작은(지름이 약 8cm) 관의 산출선을 유정의 나머지 부분으로부터 생산성이 있는 지층을 막는 패킹 장치와 함께 지상에서 생산성이 있는 지층까지 내린다.

쇠파이프는 산출지층에 대해서 밀봉되어 있기 때문에 석유나 가스가 유정 안으로 들어올 수 있도록 구멍이 뚫려 있어야 한다. 아래 방향으로 구멍을 뚫는 천공기는 폭발물을 쇠파이프와 시멘트를 지나 지층에 도달하게 한 뒤 폭발시켜 구멍을 뚫는다. 천공 도구는 전선과 연결되어 관을 통해 아래로 내려진다. 정확한 위치에 도달하면 폭약은 지상에서 전기적으로 점화된다.

지하 장비가 제자리에 놓이게 되면 지상에 밸브 망이 설치되어 배치됨으로써 유정으로부터의 흐름을 조절하고 지하작업을 하는 장비들이 관을 통해 들어간다. 밸브 망은 펌프를 사용하는 저압 유정에서 볼 수 있는 것처럼 매우 간단할 수도 있고, 수많은 산출선이 있는 고압 유정의 경우처럼 매우 복잡할 수도 있다.

대다수의 유정에는 석유(밀도가 약 0.7kg/ι)를 지상으로 밀어낼 정도로 충분한 지층 압력이 없으므로, 석유를 지상으로 퍼올리는 인위적인 수단이 필요하다.

가장 흔한 설비로는 산출선 바닥에 있는 펌프를 작동시키는 지상의 모터나 시소와 같은 '가동보'이다. 고체 금속봉 사슬이 가동보와 펌프를 연결한다. 가스 리프트라고 하는 다른 방법은 석유를 지상으로 끌어올리기 위해 관 속에 있는 가스 기포의 부력을 이용한다. 3번째 인공 채유법은 산출된 석유의 일부를 고압으로 유정 아래로 집어넣어 유정 바닥에 있는 펌프를 작동시키는 것이다.

처음에는 유전의 압력이 충분히 높아서 자연적으로 석유를 뽑아낼 수 있을지라도 생산의 마지막 단계에서는 인위적인 방법으로 뽑아내야 한다. 액체가 거의 또는 전혀 산출되지 않는 가스 유정은 인공산출장치가 필요 없다.

인공산출장치를 이용할 경우에는 유층압이 유체를 유정으로 흐르게 할 정도만 되어도 유층의 유체를 산출할 수 있다. 유체가 산출되면서 유층압이 일정하게 낮아지기 때문에 상업적 가치가 있을 정도의 가스나 석유가 더 이상 유정으로 흐르지 않는 순간이 생겨난다. 천연 가스층의 경우에는 대부분의 가스가 산출될 때까지 이런 순간은 보통 생겨나지 않는다.

하지만 거의 모든 유전에서는 유층압만을 이용하면 원래 존재했던 원유의 1/3 이하를 산출할 수 있다. 원래의 유층압을 구동 에너지로 이용하여 많은 양의 원유를 간단히 채유할 수 없는 경우에는 다른 형태의 에너지 공급법을 찾아야 한다. 보통은 물이나 가스 같은 유체를 주입하여 산출된 원유를 대신하게 함으로써 유층압을 유지시킨다.

이 방법을 통해 석유 산출량이 충분히 증가하게 되는데 이를 2차 채유라 한다. 가스만이 주입 유체로 사용될 경우 이 가스는 보통 유층의 꼭대기에 주입되며, 주로 이곳에 가스가 모여 가스 캡을 형성한다. 이런 형태의 2차 채유가 효율적으로 이용되기 위해서는 석유가 중력에 의해 지층의 아랫부분으로 유출되어 이곳에서 산출될 수 있도록 유층의 유동 포텐셜이 커야 한다.

이런 경우에는 가스 주입이 매우 효율적인 채유 방법일 수 있다. 하지만 가스와 석유는 중력편석(重力偏析)이 일어날 수 없거나 지층에 수직 기복이 거의 존재하지 않는 경우 자연적인 압력감소에 비해 산출량이 약간 증가할 뿐이다.

이보다 더 널리 이용되는 다른 2차 채유법은 수공법(水攻法)이다. 특정 불순물을 제거한 물을 몇 개의 유정을 통해 주입하면, 이 물은 지층을 지나가면서 남아있는 산출유정으로 석유를 이동시킨다. 물 주입용 유정은 산출유정들 사이에 골고루 배치되어 석유가 최단경로를 따라가게 한다.

이 수공법은 종종 압력강하법보다 채유량을 최소한 2배로 증가시킨다. 주요 예외로 지하수가 흐르는 수원(水原)에 연결되어 물을 주입시키지 않아도 수공할 수 있는 유층이 있다. 수공법을 쓰면 특정 유층에서는 채유량이 크게 늘지만, 1/4~1/3의 석유가 남아 있게 되므로 채유량을 더욱 높이기 위해 몇 가지 다른 방법들이 시도되었다. 이 방법 중 하나는 물에 의해 돌아나가는 석유의 양을 줄이기 위해 주입수보다 먼저 알코올이나 액화 이산화탄소 등의 유체를 사용하는 것이다.

때때로 응고제를 첨가시켜 주입수의 점성을 높이는데, 이 첨가제는 물이 들어가는 유층의 부피를 증가시켜 준다. 다른 방법으로서 석유를 가스보다 먼저 밀어내기 위해 가스를 주입하기 전에 프로판과 같은 소량의 액화 탄화수소를 넣을 필요가 있다.

최근의 몇몇 2차 채유법들은 석유의 유출률을 더욱 증가시키기 위해 유층에 열을 가하는데, 점성 원유가 있는 유층에 가장 적합하다. 이 방법 중 하나는 유정 주변에 있는 석유를 점화시켜 지층 내의 석유 중 일부를 태운 후 지층을 지나는 공기에 의해 연소영역을 유층으로 밀어냄으로써 채유하는 방법도 있다.

이렇게 발생된 열은 석유의 유출률을 더욱 증가시킨다. 성공적인 경우에는 연소되는 양보다 약 10배 정도의 석유를 채유한다. 열을 이용한 다른 방법에서는 증기가 유층 안으로 주입되는데, 이 증기가 응축하면서 발산된 열은 원유의 점성도를 감소시킨다. 종종 가열된 석유가 증기를 주입한 유정에서 산출되기도 한다. 이런 주입과 산출은 단일 유정에서 몇 번 반복해서 사용될 수 있다.

천연 가스층에는 상당한 양의 액화 탄화수소가 기체상에 포함되어 있는 경우가 종종 있다(천연가스). 그 예로는 연료 및 화학제품 공급재료의 중요한 원료로 쓰이는 프로판과 부탄 등을 들 수 있다.

가스가 산출되는 동안 이런 가스층 속의 압력이 줄어들면, 이 액체들은 가스층 내에서 응축되어 산출이 불가능해진다. 이 압력강하를 막기 위해 이들 액체를 얻으면서 산출된 가스의 일부를 가스층으로 다시 넣는다. 가스 재순환이라고 하는 이 과정은 적당량의 액체가 제거될 때까지 계속된다.

그뒤 가스층의 압력은 건조한 가스가 산출되는 동안 낮아진다. 사실상 이 과정은 재주입된 천연 가스의 사용을 액체가 산출된 후로 연기시키는 것이다.

석유·가스와 함께 물이 종종 유정으로 흘러들어간다. 지상의 장비는 석유에서 물을 분리시키기 위해 사용될 뿐 아니라 수송과 저장을 위해 석유와 가스를 분리시킨다. 여러 유정에서 산출된 석유는 분배하기 위해 한 곳에서 모아진다. 침전 탱크는 물을 분리시키기 위해 주로 사용되지만, 열처리 약품 처리는 누출을 막기 위해 필요하다.

가스는 산출된 유체를 일련의 감압 밸브에 통과시켜 나오는 가스를 저장함으로써 석유로부터 분리된다. 남아 있는 원유는 각 유정으로부터 수송관을 통해 모은 뒤 원통형 탱크 안에 정상압력으로 저장된다. 가스는 보통 수송관을 통해 중앙처리설비(가솔린 설비라고 함)로 바로 수송되며, 그곳에서 소비자의 수송관으로 가기 전에 남아 있는 액체를 뽑아낸다. 종합적으로 석유와 가스의 생산은 엄밀한 공학적 작업이 되었다. 새로운 유전이 발견되고 있지만, 막대한 석유 소비량으로 인해 이미 산출되고 있는 유전이 더욱 효과적으로 개발되어야 할 필요가 있다.석유·가스와 함께 물이 종종 유정으로 흘러들어간다.

지상의 장비는 석유에서 물을 분리시키기 위해 사용될 뿐 아니라 수송과 저장을 위해 석유와 가스를 분리시킨다. 여러 유정에서 산출된 석유는 분배하기 위해 한 곳에서 모아진다. 침전 탱크는 물을 분리시키기 위해 주로 사용되지만, 열처리 약품 처리는 누출을 막기 위해 필요하다. 가스는 산출된 유체를 일련의 감압 밸브에 통과시켜 나오는 가스를 저장함으로써 석유로부터 분리된다. 남아 있는 원유는 각 유정으로부터 수송관을 통해 모은 뒤 원통형 탱크 안에 정상압력으로 저장된다.

가스는 보통 수송관을 통해 중앙처리설비(가솔린 설비라고 함)로 바로 수송되며, 그곳에서 소비자의 수송관으로 가기 전에 남아 있는 액체를 뽑아낸다. 종합적으로 석유와 가스의 생산은 엄밀한 공학적 작업이 되었다. 새로운 유전이 발견되고 있지만, 막대한 석유 소비량으로 인해 이미 산출되고 있는 유전이 더욱 효과적으로 개발되어야 할 필요가 있다.

석유 정제

대부분의 경우 원유는 바로 사용하기에는 부적당하며 정제 과정을 거쳐 가솔린, 윤활유, 석유화학 제품 등의 유용한 제품으로 바뀐다.

1859년 펜실베이니아에서 석유가 발견된 이후 19세기말에 미국과 러시아에서 석유 정제가 시작되었다. 초기 정제는 간단한 증류기를 이용하여 원유를 불순한 가솔린·등유·윤활유·연료유 부분으로 나누는 것이었다. 이 가운데 등유가 주로 상품화할 수 있는 것이었으며, 냄새와 색깔을 개선시키기 위해 등유를 가성소다나 황산으로 처리했다.

초기 자동차 연료는 등유에 포함시키기에는 너무 가벼운 원유의 증류물로 이루어져 있었다.

자동차가 발명되기 전에는 이 부분은 사실상 판매할 수 없었지만 수요가 늘어나면서 생산도 늘어났고 질도 개선되었으며, 원유의 연속증류법이 도입되었다.

제1차 세계대전 이후 분해증류(크래킹) 공정의 발달로 정제방법이 개선되었다. 이 분해증류 공정은 여분의 무거운 석유를 압력하에서 가열하여 커다란 분자들을 작은 분자로 쪼개어 더 가볍고 훨씬 쓸모가 있는 부분으로 바꾸는 것이다.

분해증류에 의해 만들어진 가솔린을 적당히 화학처리하면 직접 증류시켜 얻은 가솔린보다 자동차 엔진 내에서 더 성능이 좋다. 1930년대와 제2차 세계대전중에 촉매를 사용하는 정교한 정제 공정의 발달로 연료의 질이 더욱 개선되었고 공급도 증가되었다. 공정의 개선으로 석유산업은 전투기가 고성능을 내는 데 필요한 요구사항을 충족시켜줄 수 있었으며 전쟁이 끝난 후에는 민간 항공기에 의해 늘어나는 수요를 충당할 수 있게 되었다.

1950~60년대에는 제트 연료 및 양질의 윤활유에 대한 대규모 수요가 생겨났다. 자동차용 가솔린을 고압축 엔진에 사용될 수 있도록 질을 높이는 주요공정으로 촉매를 이용한 촉매 리포밍이 확립되었다. 또한 정제하는 동안 수소를 첨가시켜 이루어지는 수소화분해증류에 의해서도 원유의 구성성분들의 질이 개선되었다.

원유 속에 함께 섞여 있는 다양한 탄화수소 화합물들은 끓는점이 서로 다르다.

하지만 아주 가벼운 것들을 제외하면 분자량이 증가하는 순서대로 볼 때 인접한 것들 사이의 끓는점 차가 매우 작기 때문에(단지 몇 ℃ 정도) 보통의 증류법으로는 분리할 수 없다. 다행히 보통의 석유제품은 대부분이 끓는점이 특정 범위 안에 속하는 화합물의 혼합물로 이루어져 있기 때문에 보통은 분리할 필요가 없다. 주된 정제공정을 분별증류라 한다. 현대의 석유증류장치는 다른 산업에서 같은 공정을 하는 것에 비해 규모가 더 크고 장기간에 걸쳐 연속적으로 작동된다.

하루 정제할 수 있는 용량이 10만 배럴인 장치는 흔하고 요즈음은 하루 20만 배럴 이상을 정제할 수 있는 장치가 작동되고 있다. 석유산업에서 가장 널리 쓰이는 단위는 미국 배럴인데 이는 약 160ℓ에 해당된다. 분별증류를 하는 동안 원유를 가스나 기름으로 점화되는 노(爐) 안의 강철 합금관을 통해 일정한 속도로 퍼올려 원유의 형태나 원하는 최종 생성물에 따라 315~370℃로 가열시킨다. 증기와 기화되지 않은 석유의 혼합물이 노에서 분별관으로 옮겨진다.

이 분별관은 원통 모양으로 세워진 탑으로 높이가 45m나 되며 그 속에 30~40개의 다공성 분류단(分類段)들이 일정한 간격으로 나열되어 있다.

석유증기는 관을 통해 올라가서 위쪽에 있는 수냉식 냉각기에서 액체로 응축된다. 이때 응축되지 않고 남게 되는 기체들은 관을 통해 정제 연료-가스계로 보내진다. 이 관에 있는 압력조절 밸브가 분별증류관의 압력을 필요한 만큼 유지시키는데 보통 대기압 정도로 유지한다.

환류라고 하는 응축된 액체의 일부분이 관의 윗부분으로 다시 올라가게 되어 단들을 지나 내려오면서 올라오는 증기와 접촉하게 된다. 이 액체는 증기로부터 무거운 성분들을 차츰 흡수하게 되고 차례로 가벼운 원소들을 잃게 된다. 각 단에서 응축과 재기화가 일어나 결국 관 전체에 걸쳐 온도와 석유 특성이 연속적으로 순서가 정해져 가장 가벼운 성분들이 윗부분의 단에, 그리고 가장 무거운 것들이 아래의 단에 있게 된다. 환류를 사용하고 이런 형태의 관을 사용하기 때문에 분별증류가 간단한 증류와는 구별된다. 실제로 생성물의 끓는점 범위는 필요에 따라서 아주 큰 범위 내에서 바꾸어질 수 있다.

이는 관 내에서 다른 배수 지점을 선택하거나 채유량을 바꾸어 관심 있는 단의 평형농도를 변하게 하여 이루어진다. 분별의 정도, 즉 탄화수소 사이의 분리의 민감도는 단의 수 및 그 단에서 증기와 액체 사이의 평형에 이르게 하는 효율성에 달려 있다. 이는 또한 환류비에도 달려 있는데, 환류비는 다시 올라가게 되는 액체의 부피를 위층에 있는 생성물의 부피로 나눈 값이다. 원유 증류관에서의 환류비는 보통 1：1에서 3：1 정도이다.

다른 분리 기술로는 흡수·스트리핑·용매추출·흡착·열확산·결정화 등이 있다.

흡수와 스트리핑 공정은 증류탑의 꼭대기에서 나오는 가솔린 증기로부터 프로페인·뷰테인 등의 유용한 가벼운 생성물들을 얻을 때 행해진다. 흡수과정에서 가솔린 증기는 분별증류관과 유사한 장치 내에서 등유 같은 흡수기름을 통과하면서 끓게 된다. 가벼운 생성물들이 기름 속에 녹게 되며 수소·메테인·에테인·에틸렌 등의 건성 가스들은 녹지 않고 그냥 지나간다.

이후 스트리핑 과정에서 흡수기름으로부터 가벼운 생성물들이 분리된다. 흡수기름과 가벼운 생성물들로 이루어진 용액이 증기에 의해 끓게되어 스트리핑 관을 통과하게 되는데 이 관 내에서 가벼운 생성물들의 증기가 위쪽으로 올라가면서 압력하에서 수냉식 응축에 의해 회수된다.

용매추출공정은 생성물 사용 용도와 상반되는 효과가 있는 성분들을 제거하기 위해 주로 이용된다.

타는 연기가 나는 불꽃을 내면서 화합물들을 추출해내면 등유의 질이 개선된다. 흡착에서 실리카겔과 같은 특수한 고다공성 고체물질은 특정 형태의 분자들을 선택적으로 흡착하는 데 쓰인다. 열확산은 뜨거운 표면과 차가운 표면 사이에 있는 0.25㎜ 정도의 좁은 틈 사이에 탄화수소 혼합물을 통과시키는 과정이 포함된다.

아직 그 원인이 명백히 밝혀지지 않았지만 성분 중 일부는 뜨거운 표면 쪽에, 또다른 것들은 차가운 표면 쪽에 농축된다. 끝으로 윤활유 성분으로부터 왁스를 결정화하는 것은 석유를 사용하기에 적합하도록 만드는 데 꼭 필요하다(결정화).

위에서 언급한 분리방법들은 원유를 구성하는 성분들의 물리적 성질의 차이에 바탕을 두고 있다.

원유의 분자구조를 화학적으로 변화시켜 별로 쓸모가 없는 탄화수소 화합물들을 유용한 탄화수소로 전환하는 것을 가능하게 했다. 이러한 전환과정 중의 하나는 분해증류로, 이는 긴 사슬의 탄화수소 분자를 끓는점이 더욱 낮은 작은 분자들로 열분해시키는 것이다. 예를 들어 도데칸 같은 파라핀 분자는 노킹을 방지하는 성질이 적기 때문에 오늘날의 자동차 엔진에서는 사용될 수 없지만, 세게 가열하면 자동차 연료로 적합한 파라핀이나 올레핀 같은 짧은 분자로 쪼개진다.

분해증류과정에서 일어나는 화학반응은 복잡하다. 분해증류를 통해 만들어진 생성물은 실제로는 합성된 원유이다. 원하는 가솔린 부분은 증류를 통해 분리된다.

초기 분해증류 기술은 18~35kg/㎠의 압력하에서 등유나 가스유를 450~540℃의 온도까지 가열하여 전환시킨 과정이 대표적이다. 이 기술은 지금은 주로 촉매분해증류로 대체되었다. 촉매분해증류의 개발은 석유산업에서 이룬 주요성과 중의 하나였다.

거대한 촉매분해증류 장치들이 오늘날 석유산업단지의 하늘에 그 윤곽을 그리고 있으며 이 장치들은 오늘날까지 수년 동안 계속 가동되고 있다. 가스유의 촉매분해증류는 가솔린 생산의 가장 중요한 공정의 하나이다.

분해증류 반응에서 촉매(화학반응을 도와주나 반응에 참여하지 않는 물질)를 사용하면 열분해증류에 비해서 훨씬 덜 엄격한 조건하에서 질이 개선된 생성물의 수득률이 높아진다. 이는 훨씬 낮은 압력인 0.7~1.4kg/㎠ 하에서 이루어지며, 온도는 보통 450~510℃로 맞추어진다.

처음에는 천연점토나 합성점토가 촉매로 이용되었다. 대표적인 합성점토는 12.5%의 알루미나와 87.5%의 실리카를 포함하고 있다. 최근 몇 년 동안 제올라이트나 분자체 염기촉매(molecular sieve-base catalyst)가 사용되기 시작했다. 이들에 의해 가스나 코크스의 형성은 감소하는 한편 가솔린의 수득률은 훨씬 증가되었다.

열분해증류나 촉매분해증류에 의해 생성되는 기체 상태의 탄화수소들은 정제연료로 쓰일 수도 있고 중합 등의 다양한 방법에 의해 더 유용한 생성물로 전환될 수도 있다.

중합을 통해 탄화수소 분자들이 분자량이 2배 이상인 분자가 되어 자동차 기름으로 성능이 더욱 좋은 물질이 된다. 초기의 산업 공정에서는 65%의 황산을 촉매로 사용했으나 곧 인산 촉매를 이용하는 공정으로 대체되었다. 2개의 작은 분자가 결합되어 알킬화라고 하는 과정을 통해 긴 사슬형태의 분자가 될 수도 있다.

그 작은 두 분자 중 하나는 올레핀이고 다른 하나는 아이소파라핀(보통은 아이소뷰테인)이다. 제2차 세계대전 동안 아이소옥테인 제조에서 알킬화가 주된 공정이 되었으며 이로 인해 항공용 가솔린의 대량생산이 가능해졌다. 제2차 세계대전 동안 항공 가솔린의 수요가 급증하여 알킬화 반응의 재료가 되는 아이소뷰테인의 양이 부족해졌다. 이 부족한 양은 아이소뷰테인보다 더욱 풍부한 n-뷰테인을 아이소뷰테인으로 전환하는 이성질화 반응(분자의 구조를 바꾸는 반응)으로 극복했다. 제2차 세계대전 이후 가장 크게 발전한 것 중 하나는 석유정제 과정에서 촉매 재형성의 부산물로 생기는 수소를 사용하는 것이다.

지금은 수소를 이용한 정제가 매우 일반적이어서 수소제조공장도 세워지고 있다.

석유 생산물들을 시판하기에 앞서 몇 가지 불순물들을 제거하거나 그들의 해독성을 적게 해야 한다. 가장 흔한 불순물은 황화합물들로, 불쾌한 냄새뿐만 아니라 기술적으로도 바람직하지 못하다. 자동차나 항공용 가솔린에 황화합물이 포함되어 있으면 노킹 방지제인 사에틸납의 효과를 감소시키고, 디젤유에 들어 있으면 엔진을 부식시킨다.

또한 대기오염을 줄이기 위해 많은 나라에서 연료유의 황 함량을 제한시키고 있다.

대부분의 원료는 소량의 황화수소를 포함하고 있으며 증류하는 동안 무거운 황화합물들이 분해되면서 양이 더욱 늘어난다. 대부분의 황화수소는 위층의 가스 쪽으로 이동되어 빠져나가지만 일부는 가솔린에 녹아 남아 있게 된다.

이는 알칼리성 용액으로 쉽게 제거할 수 있다. 분해과정을 통해 생겨나는 가벼운 증류액과 생성물들 역시 쉽게 제거할 수 없는 좀더 복잡한 황화합물들을 포함하고 있다. 정제제로 진한 황산을 사용하는 것은 석유산업만큼이나 오래되었다. 이것은 거의 모든 형태의 생성물에 다 응용되어왔다. 아직도 여전히 중요하긴 하지만 용매 추출이나 수소를 사용한 촉매 공정의 도입으로 최근에는 그 사용이 감소했다. 황산은 용액으로 황화합물을 제거시키고 또한 반응성이 큰 탄화수소들을 중합시키며 아스팔트류 성분도 제거한다.

황산처리는 분해증류된 가솔린의 색깔이 맑아지고 보관할 때 검(gum)이 생기는 것을 방지한다.

황산은 황 함량이 아주 적어야 하는 화이트 스피릿(white spirit)이나 특별한 끓는점의 용매를 정제할 때 특히 유용하다. 과거에는 황산이 윤활유 처리에 광범위하게 사용되었다. 용매 추출 같은 더 현대적인 공정을 특수 목적을 위한 것을 제외하고는 황산처리 대신 이용한다. 산처리와 관련된 심한 불편은 폐기물로 생성된 산 타르를 제거해야 하는 것이다. 산 재생공장에서 재사용할 황산을 재생시킬 필요가 있는데, 이는 산의 소비를 줄이고 오염을 막기 위함이다.

대부분의 현대적인 정유공장은 이 문제를 없애기 위해 촉매 정유공정을 채택한다. 또다른 단점은 산 처리를 하는 동안 일부가 끓는점이 높은 물질로 중합되기 때문에 유용한 생성물이 약간 없어진다는 점이다. 이 화합물들은 생성물을 재증류시켜 제거된다.

하나의 현대식 정유공장 안에 분리된 처리공장들을 종합적으로 모으면 시설이나 탱크의 용량 및 인력을 경제적으로 이용할 수 있다. 가장 간단한 정유공장은 증류설비, 촉매재형성기 및 여러 가지 처리 설비들을 포함하고 있다. 이런 형태의 소형 정유공장들은 세계 곳곳의 지역시장을 점유한다.

이런 설비들로 자동차용 가솔린, 조명용 등유, 제트 연료, 가스유, 디젤유, 잔류 연료 등의 생산이 가능하다. 또한 프로페인과 뷰테인을 회수하기 위한 공장이 있을 수도 있다.

어느 공정을 사용하여야 할지를 결정하기 위해 공장 경영자는 잔류 연료유 시장을 분석하는데, 이 잔류 연료유는 가공되는 원유의 40~50%에 달한다. 동반구의 일부 나라에서는 이 연료가 쉽게 시판되지만 많은 양의 가솔린을 필요로 하는 미국과 캐나다에서는 소비지역 범위 내에서 천연 가스를 사용할 수 있기 때문에 연료유의 소비가 적다.

공급원료로 사용되는 부분을 생산해내는 진공증류 설비와 함께 보충 촉매분해증류 설비는 이 문제를 해결해준다. 가솔린의 생산은 중합에 의해 양을 더 늘릴 수 있다. 공장의 설비를 더 첨가시켜, 용매추출을 포함한 완전히 종합적이고 포괄적인 정유공장을 차근차근히 세울 수도 있다.

제조설비는 가장 중요한 것이지만 정유공장의 일부분이다.

탱크의 용량과 취급용 설비는 많은 비용과 면적을 차지한다. 정유공장이 수송관을 통해 유전에 연결되어 있다면 원유를 위한 저장용량은 최소가 될 수 있다. 하지만 원유를 수입해야 하는 경우에는 유조선이 부정기적으로 도착하더라도 정유작업을 계속할 수 있도록 충분한 용량의 탱크가 필요하다. 종합적 석유생산에서는 유조선, 특히 매우 큰 유조선(25만t 이상)의 운항계획이 중요하다. 저장용량의 관점에서 볼 때 최종 생산물은 원유보다 더 큰 용량의 탱크를 필요로 한다.

정유제품의 판매가 짧은 시간에 변하므로 정유공정 설비를 자주 바꾸지 않기 위해서는 어떠한 대책이 필요하다. 디젤유나 연료유 같은 비휘발성 제품은 대용량의 원통형 탱크에 저장된다. 가솔린과 원유를 포함한 다른 휘발성 제품의 경우는 기화에 의한 손실을 막기 위해 부동 지붕식 탱크가 이용되는데, 부양함과 모양이 유사한 지붕이 탱크 안에서 위아래로 움직여서 석유증기를 상당하게 포함할 수 있는 공간을 없애준다. 이 탱크를 이용하면 화재 위험성도 감소된다.

액화 석유 가스 저장에는 압축용기(보통 구형)가 쓰인다.

또한 이 물질은 암염 돔의 공동과 같이 땅속의 적당한 지층에 보관될 수도 있다. 최근에는 대형 냉동탱크가 개발되었는데, 액화 가스는 정상 압력하에서 액화 온도로 보관된다. 한편 초대형 유조선은 유전에 가까운 곳보다는 소비지역 부근에 정유공장 설립을 가능하게 하면서 원유 수송비용을 현저히 절감시켰다. 특히 유럽에서 이 초대형 유조선을 정박시키기 위해 심해(深海) 항구가 건설되었다. 정유공장들은 항구 부근에 건설되거나 수송관으로 항구와 연결되었다. 수송관이 비실용적이거나 비경제적이면 수상운송이 제일 먼저 선택된다.

용량이 1만 5,000배럴 이하인 표준 크기의 유조선이나 소형 연안선은 여러 등급의 석유를 해안에 있는 저장소로 분배시킨다. 수로망이나 항해 가능한 강이 있는 나라들은 비용이 매우 적게 드는 수송수단인 바지선을 사용할 수 있다. 철도용 유조차량 수송은 아직도 널리 쓰인다. 대부분의 소비자에 대한 마지막 수송수단은 용량이 150~200배럴 정도인 눈에 익은 도로용 유조차이다.

원유공급도로망은 인구가 많은 동부지역에 위치한 정유공장이 가까운 유전에서 충분히 원유를 공급받지 못하던 때인 20세기초에 미국에서 발달하기 시작했다. 19세기말 미국에서는 원유수송을 위해 수송관이 이용되었는데, 이를 통해 알려진 유전지역 근처의 정유공장에 원유를 공급했다. 한편 주 수송관을 통한 수송에는 거의 원심 펌프가 이용되었으며, 긴 수송관을 따라서 중간 중간에 가압장치를 설치하여 수송능력을 증가시킬 수 있다. 최근에는 이들 중 상당수가 무인으로 작동되도록 설계되었다. 즉 자동제어에 의해 수행되는 펌프 시동 및 밸브 개폐는 전화선이나 무선 혹은 펌프의 수송관 압력에 감응하는 장치 등을 통해 보내진 신호로 무인 펌프 기지에서 작동된다.