성공하는 IP-R&D전략 - 셰일가스 혁명의 미래와 지재권확보 전략
성공하는 IP-R&D전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
전상규 전문위원 한국지식재산정보원 기업협력팀 instrian@kipsi.re.kr
석유시추기술의 혁신에 따른 셰일 가스와 셰일 오일의 혁명으로 세계는 석유전쟁이 한창이다.
그 한복판에는 사우디아라비아를 위시한 석유수출기구와 셰일가스 혁명을 주도해나가는 미국이 자리잡고 있다.
지하 500m 부근에 매장된 원유보다 더 깊은 지하 2km~4km의 셰일 층에도 원유와 가스가 매장되어 있다.
셰일 층이란 오랜 시간 모래나 진흙이 쌓인 퇴적암층으로, 이 셰일 층에 매장된 천연가스를 ‘셰일가스’, 원유를 ‘셰일오일’이라고 지칭한다.
셰일 층에 매장된 천연가스와 석유는 1800년대에 발견되었으나, 시추에 요구되는 고도한 기술적 제약과 높은 생산단가로 인해 경제성이 취약하여 한동안 상용화되지 않았다.
일반적으로 유전이나 가스전에 매장된 원유나 천연가스와 달리 수평으로 자리잡은 셰일 층의 미세한 틈새에 넓게 산포된 셰일 오일이나 셰일가스는 수평시추기술과 수압파쇄공법이 개발되면서 본격적인 생산이 가능해졌다.
셰일가스는 미국, 중동, 러시아 등 세계 31개국에 약 187조 4,000억㎥ 정도 매장되는 것으로 추정하고 있다.
수평시추기술 (Horizontal Drilling Technology)의 개발
1980년대초 배럴당 42달러까지 치솟던 원유가격이 1990년대에 들어서면서 배럴당 20달러 이하로 안정되게 공급된 데에는 원유 개발에 수평시추기술이 큰 역할을 하였다.
수평시추기술은 지표면에서 수직으로 시추해 들어가 특정 깊이부터는 진입 각도를 꺾어 원유나 가스 저장층에 진입한 후 저장층과 수평을 유지하며 시추파이프를 연장하여 시추하는 방식이다.
수직시추(Vertical Drilling)의 경우 수직방향으로 좁은 면적의 저장층에서 원유나 가스의 생산이 가능하여 생산량을 높이기 위해서는 다수의 생산정을 시추해야 하지만 수평시추는 한 곳의 생산정에서 여러 방향으로 시추파이프를 뻗어낼 수 있어 초기투자비를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
수평시추가 가능하게 하기 위해서는 유연하게 굽어질 수 있는 시추파이프(Bent Pipe), 고압의 천공머드를 동력으로 회전하면서 드릴비트의 방향을 바꿔주는 다운홀 시추 모터(Downhole Drilling Moter)와 드릴 비트 후단에 설치되어 시추 중인 주변환경의 특성과 드릴비트의 위치를 측정하여 지상으로 전송하는 시추 중 측정장치(MWD; Measurement While Drilling)이 사용된다.
이 수평시추기술을 이용하여 퇴적층과 지하수 층 및 셰일 층까지 시추공을 뚫고 특정위치에 시추드릴이 특정위치에 도달하면 진입 각도를 서서히 꺾어 수평방향으로 계속 시추해 나간다.
시추기술의 혁신, 수압파쇄공법(Hydraulic Fracturing)
수압파쇄공법이란 시추 파이프 주위의 열린 구멍을 통해 높은 수압으로 물, 모래, 일부 화학물질을 혼합한 유체를 주위 암석에 분사해 1시간 정도에 걸쳐 균열을 만들어내는 방식이다.
셰일 층은 “투수율”이 매우 낮으므로 시추가 완료된 후 셰일 층 내부에 넓은 영역에 분산되어 있는 가스가 채굴되지 않는다.
수압파쇄공법은 고압의 물을 시추관으로 공급하여 셰일 층에 틈을 만들어 넓은 영역에 산포된 셰일가스가 시추관으로 이동할 공간으로 만들어 준다.
수압파쇄에 사용되는 액체는 모래나 실리콘 결정과 같은 비드와 소량의 화학물질이 첨가된 물로서 고압의 물이 암석을 파쇄하여 틈을 만들면 비드가 그 틈에 끼어 가스가 흐를 수 있는 공간을 유지하는 역할을 한다.
이 때, 화학물질은 공벽의 박리와 박테리아 성장을 막고 마찰을 줄여서 파쇄의 효율성을 증가시키기 위해 사용되며, 목표 셰일 층의 특성에 맞게 소량의 계면활성제(Surfactant), 마찰감소제(Friction Reducer) 및 부식방지제(Corrosion Inhibitor) 등이 함유된다.
셰일혁명을 이끌 새로운 혁신, 플라즈마 파쇄공(Plasma Fracturing)
수압파쇄공법을 이용한 셰일가스 개발의 걸림돌은 지하수의 오염과 토양의 오염과 같은 환경문제와 막대한 규모의 수자원을 투입 할 수 없는 내륙과 사막 등 건조지역에 적용하기 부적합하다는 점이다.
수압파쇄 과정에서 시추파이프를 감싸는 캐이싱이 파괴되거나 균열이 셰일 층을 넘어 주변 지층까지 확대되어 화학물질이 첨가된 다량의 물이 지하수층에 도달하는 경우 지하수층이 오염되거나 주변 지층과 토양이 오염될 수 있다.
또한, 수압 파쇄공법은 깊이 2km 부근의 시추관 단부까지 고압으로 물을 공급하여야 하기 때문에 중국과 몽골 같은 수자원이 부족한 내륙에서 셰일가스를 개발하는데 장애가 되고 있다.
수압파쇄공법의 문제를 극복하여 물을 사용하지 않고 플라즈마를 이용하는 플라즈마파쇄공법을 셰일가스 개발에 적용하고자 하는 움직임이 국내외 연구진을 통해 일어나고 있다.
그림 4 에서와 같이 플라즈마 파쇄공법은 수평시추기술을 이용하여 셰일 층에 시추관을 사용한 후 제한된 영역에 매질을 공급하고 밀폐하고, 매질 내에서 플라즈마 방전을 통해 셰일 층을 파쇄한다.
파쇄된 셰일 층의 균열을 통하여 셰일가스를 채굴하고 시추관 내에서 플라즈마 방전 프로브를 후퇴하여 다시 제한된 영역에 매질을 투입 밀폐하고 방전하는 과정으로 플라즈마 파쇄공법이 진행된다.
플라즈마 파쇄공법이 적용되면 현재 주로 미국에 의해 이루어지고 있는 셰일가스 개발 및 생산이 중국, 유럽, 남미 등 수자원이 부족한 지역에서도 이루어질 것으로 예상되며 향후 3〜5년 후에는 셰일가스의 대량생산이 가능할 것으로 전망된다.
이렇게 전세계적인 셰일가스 생산체계가 구축되는 2030년경에는 세계 가스 총생산의 30% 이상을 셰일가스가 차지할 것으로 예측되고 있다(IEA, 2011).
플라즈마를 이용한 시추기술 특허동향
표 1 은 1994년부터 조사된 플라즈마를 이용한 셰일가스 시추에 사용되는 기술별 특허동향을 보여준다.
1994년부터 2000년대 중반까지는 암석을 파쇄하는 플라즈마 파쇄기술과 관련된 단위 기술들이 주로 출원된 것으로 조사되었고, 2007년 이후부터는 플라즈마 파쇄기술 특허출원이 현저히 감소하고 플라즈마 파쇄기술을 적용한 플라즈마 시추기술 중심으로 특허가 출원되고 있는 것으로 파악되고 있다.
각 기술별로 주요출원인을 보면 표 2 와 같이 플라즈마 파쇄기술은 쿠마가이, 스미토모전기, 히타치, 코마츠 등 일본 출원인의 강세가 두드러지며, 플라즈마 시추기술은 슈럼버거, 쉐브론, 엑손모빌 등 미국의 전통적인 석유개발 전문기업들이 강세를 보여주고 있다.
기술별로 미국과 일본 출원인의 출원이 강세를 보이고 있지만 이 분야에 대한 특허출원이 활발하게 이루어지고 있는 것은 아니다.
이러한 점은 아직 상용화되지 않은 기술에 대한 활발한 연구개발을 통해 지재권을 선점할 수 있다는 것을 시사한다.
특히, 석유개발 전문회사들이 플라즈마 시추기술 중심으로 특허를 보유하고 있다는 점은 플라즈마 파쇄기술 개발을 통하여 석유개발 전문회사와 협력 관계를 모색할 수 있는 가능성을 열어준다.
맺음말
세계에너지기구(IEA)는 셰일혁명으로 비전통가스의 채굴량 확대를 통해 향후 세계 에너지 시장이 석탄과 석유 중심시대에서 가스 중심시대로 전환되어 ‘가스 황금시대’가 도래할 것이라고 전망하고 있다.
이러한 에너지 자원의 수급변화는 전세계 산업전반에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
‘가스 황금시대’에 대비하여 석유자원과 천연가스 자원이 부족한 우리나라는 직접적인 자원개발과 셰일가스 채굴단계에 적용되는 생산설비 및 장치 개발에 집중적인 투자가 필요하다.
특히, 수압파쇄공법의 단점을 극복한 플라즈마 파쇄공법에 관한 기술과 지재권의 확보를 통하여 향후 중국, 유럽, 남미 등 셰일가스 개발과 생산이 본격화되는 때를 대비하여 기술선점을 통한 비교우위를 점하고 새로운 시장을 확대해 나갈 길을 모색하여야 할 것이다.
