석유는 현대 문명의 피입니다. 자동차, 비행기, 선박이 움직이고, 플라스틱, 의약품, 비료가 만들어지며, 전 세계 경제가 돌아가는 모든 것이 석유에 의존합니다. 하루 약 1억 배럴, 연간 360억 배럴 이상이 소비되며, 이는 올림픽 수영장 230만 개를 채우는 양입니다. 천연가스도 마찬가지로 중요하여 발전, 난방, 조리에 쓰이고, 수소 생산의 주요 원료입니다. 하지만 석유와 천연가스는 어디서 왔을까요. 공룡이 죽어 만들어졌다는 속설은 틀렸습니다. 실제로는 수억 년 전 바다에 살았던 미세한 플랑크톤과 조류가 죽어 쌓이고, 퇴적물에 묻혀 열과 압력을 받아 변했습니다. 수백만 년에서 수억 년이 걸리는 과정이며, 특정 조건이 모두 충족되어야 합니다. 유기물이 풍부하게 쌓이고, 산소가 없어 분해되지 않으며, 깊이 묻혀 적절한 온도와 압력을 받고, 다공질 암석에 갇혀 보존되어야 합니다. 이 모든 조건이 우연히 맞아떨어진 곳이 유전과 가스전입니다. 중동 페르시아만, 베네수엘라 오리노코, 러시아 시베리아, 미국 텍사스와 알래스카, 북해가 대표적입니다. 사우디아라비아 가와르 유전은 세계 최대로, 매일 500만 배럴 이상을 60년 넘게 생산했습니다. 하지만 석유와 천연가스는 재생 불가능합니다. 형성에 수백만 년 걸리지만, 인류는 200년도 안 되어 절반 이상을 써버렸습니다. 피크 오일 논란이 있고, 정확한 매장량은 불확실하지만 언젠가 고갈될 것은 분명합니다. 기후 변화도 심각한 문제입니다. 석유와 가스를 태우면 이산화탄소가 나와 온난화를 일으키며, 전 세계 온실가스 배출의 약 60퍼센트가 화석 연료 연소입니다. 재생 에너지로 전환이 시급하지만, 석유 의존도가 너무 높아 쉽지 않습니다. 이 글에서는 석유와 천연가스의 형성 과정, 탐사와 채굴 방법, 주요 산지와 매장량, 그리고 미래 전망을 상세히 알아보겠습니다.
석유와 천연가스의 형성
석유와 천연가스는 화석 연료입니다. 고대 생물이 죽어 화석이 되듯, 유기물이 변해 만들어졌기 때문입니다. 하지만 공룡 화석이 아니라 훨씬 작은 생물입니다. 주로 플랑크톤, 조류, 박테리아가 원료이며, 바다에서 대량으로 죽어 해저에 쌓입니다. 과정은 여러 단계입니다. 먼저 유기물 축적이 필요합니다. 수백만 년 전 바다는 영양분이 풍부하여 플랑크톤이 번성했고, 죽으면 해저로 가라앉아 진흙 및 모래와 섞였습니다. 중요한 것은 산소가 부족한 환경입니다. 산소가 있으면 박테리아가 유기물을 빠르게 분해하지만, 깊은 바다나 폐쇄된 분지는 산소가 적어 보존됩니다. 흑해와 지중해 일부, 고대 테티스해가 그런 곳이었고, 유기물이 풍부한 층을 근원암이라 합니다. 셰일이나 석회암이 대부분이며, 검은색이고 유기물 함량이 높습니다. 매몰과 압축이 다음입니다. 시간이 지나며 퇴적물이 계속 쌓여 유기물층이 깊이 묻히고, 무게로 압축되며 물이 빠져나갑니다. 깊이가 1~4킬로미터 되면 온도가 60~150도로 올라가며, 이것이 석유 창(oil window)입니다. 열과 압력으로 유기물이 화학적 변화를 겪어 케로젠이라는 중간 물질이 되고, 계속 열을 받아 탄화수소로 분해됩니다. 온도가 낮으면 반응이 느리고, 너무 높으면 석유가 깨져 천연가스가 됩니다. 60~120도는 석유가 주로 형성되고, 120~150도는 경질유와 가스, 150도 이상은 메탄 가스만 남습니다. 이동과 집적이 중요합니다. 석유와 가스는 근원암에서 만들어지지만 채굴하기 어렵고, 생성되면 압력으로 다공질 암석으로 이동합니다. 사암이나 석회암은 구멍이 많아 저류암이 되며, 석유와 가스가 스며들어 채워집니다. 하지만 계속 위로 올라가 지표에 도달하면 증발하거나 박테리아에 분해되므로, 덮개암이 필요합니다. 셰일이나 암염 같은 불투과성 암석이 저류암 위를 덮어 석유와 가스를 가둡니다. 트랩 구조는 석유가 모이는 지질 구조입니다. 배사 트랩은 저류암이 위로 휜 곳으로 석유가 정상에 모이고, 단층 트랩은 단층이 저류암을 절단하여 한쪽에 갇히며, 암초 트랩은 고대 산호초가 다공질 석회암이 되어 석유를 저장합니다. 층서 트랩은 암석 성질 변화로 석유가 갇힙니다. 트랩 안에서 석유, 가스, 물이 분리됩니다. 밀도 차이로 가스가 맨 위, 석유가 중간, 물이 아래에 있고, 시추할 때 이를 고려합니다. 시간이 매우 오래 걸립니다. 유기물이 쌓이고 묻혀 석유가 되는 데 수백만 년에서 수억 년이 필요하며, 대부분 석유는 1억~2억 년 전 쥐라기와 백악기, 또는 수천만 년 전 마이오세와 에오세에 형성되었습니다. 중동 석유는 주로 쥐라기와 백악기 바다에서 쌓인 유기물이고, 북해 석유는 쥐라기 테티스해입니다. 석유 형성은 매우 특수한 조건이어서 모든 곳에서 일어나지 않으며, 판 구조론이 중요한 역할을 합니다. 고대 대륙이 갈라지며 만들어진 대륙붕과 분지에서 유기물이 축적되고, 판이 충돌하며 퇴적층이 깊이 묻히며 석유가 형성됩니다.
탐사와 채굴
석유 탐사는 트랩 구조를 찾는 것입니다. 지표 조사로 시작하며, 암석 노두를 관찰하여 지질 구조를 파악하고, 유층이 지표로 스며 나온 곳을 찾습니다. 고대부터 알려진 유전은 대부분 천연 유출지였고, 바쿠 아제르바이잔은 수백 년 전부터 석유가 샘솟았습니다. 지구물리학적 조사가 현대 방법입니다. 지진파 탐사가 가장 중요하며, 폭약이나 진동 장치로 인공 지진을 일으켜 파동을 지하로 보내고, 암석 경계에서 반사된 파동을 감지하여 지하 구조를 그립니다. 3차원 지진파 탐사는 수백 미터 깊이까지 정밀하게 볼 수 있어 배사와 단층을 찾으며, 바다에서는 배가 압축 공기총을 쏘고 해저 센서로 반사파를 측정합니다. 중력 탐사는 암석 밀도 차이를 측정하고, 자기 탐사는 자기장 변화를 감지합니다. 시추가 최종 확인입니다. 탐사 정보로 유망 지역을 선정하면 탐사정을 뚫어 실제 석유가 있는지 확인하며, 비용이 매우 높아 수백만 달러에서 수억 달러 들고, 실패율도 높아 10개 중 1~2개만 성공합니다. 깊이는 수천 미터이며, 가장 깊은 것은 10킬로미터 이상입니다. 코어를 채취하여 암석을 분석하고, 전기 검층으로 암석 성질을 측정하며, 시험 생산으로 유량을 확인합니다. 채굴 방법은 유정 종류에 따릅니다. 육상 유정은 땅에 구멍을 뚫고 펌프로 끌어올립니다. 초기에는 압력으로 자연 분출하지만, 시간이 지나며 압력이 떨어져 펌프가 필요합니다. 워킹 빔 펌프는 말머리 펌프라 불리며, 위아래로 움직이며 석유를 끌어올립니다. 해양 유정은 바다 밑 석유를 채굴하며, 플랫폼을 설치하여 시추합니다. 고정식 플랫폼은 얕은 바다에 다리를 박아 고정하고, 반잠수식 플랫폼은 깊은 바다에서 부력으로 떠 있으며, 드릴십은 배 형태로 이동 가능합니다. 북해, 멕시코만, 브라질 근해에서 대규모 해양 채굴이 이루어지며, 수심은 수백 미터에서 3000미터 이상까지입니다. 2010년 딥워터 호라이즌 폭발 사고는 멕시코만 1500미터 수심에서 일어나 11명이 죽고 수개월간 석유가 누출되어 최악의 환경 재앙이 되었습니다. 수평 시추와 수압 파쇄는 새로운 기술입니다. 전통적으로는 수직으로 뚫지만, 수평 시추는 일정 깊이 후 방향을 바꿔 수평으로 나아가 셰일층을 따라 길게 뚫습니다. 수압 파쇄 프래킹은 고압 물과 모래, 화학물질을 주입하여 암석에 균열을 내고 석유와 가스를 방출시킵니다. 셰일 오일과 셰일 가스 채굴에 혁명을 일으켜 미국은 2010년대 세계 최대 석유 생산국이 되었습니다. 하지만 환경 문제가 심각하여 지하수 오염, 지진 유발, 대량의 물 사용이 우려되며, 유럽 많은 나라가 금지했습니다. 2차 및 3차 회수 기술은 더 많은 석유를 뽑기 위함입니다. 1차 회수는 자연 압력으로 약 10~20퍼센트만 채취되고, 2차 회수는 물이나 가스를 주입하여 압력을 유지하며 30~40퍼센트까지 증가시킵니다. 3차 회수는 증진 회수 EOR이라 하며, 증기, 이산화탄소, 화학물질을 주입하여 석유 점도를 낮추고 흐름을 개선하여 추가로 5~15퍼센트 회수합니다. 비용이 많이 들어 유가가 높을 때만 경제적입니다.
매장량과 미래 전망
주요 산지와 매장량
전 세계 확인 매장량은 약 1조7000억 배럴입니다. 하지만 이는 현재 기술과 경제성으로 채굴 가능한 양이고, 실제 총량은 더 많을 수 있습니다. 중동이 압도적입니다. 베네수엘라는 공식적으로 세계 최대 매장량 약 3000억 배럴이지만, 대부분 오리노코 초중질유로 채굴이 어렵고 경제 위기로 생산이 급감했습니다. 사우디아라비아는 약 2700억 배럴로 가와르 유전을 포함하여 세계 석유 시장을 주도하며, 사우디 아람코는 세계 최대 석유 회사입니다. 캐나다는 약 1700억 배럴이지만 대부분 오일샌드로 채굴에 환경 파괴가 크고 비용이 많이 듭니다. 이란은 약 1600억 배럴, 이라크 1500억 배럴, 쿠웨이트와 아랍에미리트도 각각 1000억 배럴 이상입니다. 중동 페르시아만 지역은 전 세계 매장량의 약 절반을 차지하며, 쥐라기와 백악기 퇴적층에 거대한 트랩 구조가 형성되었기 때문입니다. 러시아와 중앙아시아도 중요합니다. 러시아는 약 800억 배럴이고 서시베리아, 볼가-우랄, 사할린에 대규모 유전이 있으며, 천연가스는 세계 최대 매장량으로 약 48조 세제곱미터입니다. 카자흐스탄은 카스피해 연안에 대형 유전이 있고, 천연가스도 풍부합니다. 미국은 약 690억 배럴이고 텍사스 퍼미언 분지와 알래스카 프루도만, 멕시코만 해양 유전이 주요 산지이며, 셰일 혁명으로 생산량이 급증하여 하루 약 1300만 배럴 생산하는 세계 최대 생산국입니다. 리비아는 약 480억 배럴이지만 내전으로 생산이 불안정하고, 나이지리리아는 약 370억 배럴로 아프리카 최대입니다. 중국은 약 260억 배럴이고 다칭 유전이 유명하지만 고갈되고 있으며, 소비가 생산을 초과하여 대량 수입합니다. 브라질은 약 150억 배럴이고 심해 프리솔트층에서 발견되어 생산이 증가하고 있습니다. 천연가스 매장량은 약 188조 세제곱미터입니다. 러시아가 가장 많고, 이란 약 32조, 카타르 25조 세제곱미터입니다. 카타르는 작은 나라지만 북부 가스전이 세계 최대 단일 가스전이며, 액화천연가스 LNG 수출 1위입니다. 미국은 셰일 가스로 약 13조 세제곱미터이고, 중국, 호주, 사우디아라비아도 상당량 보유합니다.
피크 오일과 미래
피크 오일 이론은 석유 생산이 정점에 도달한 후 감소한다는 것입니다. 1956년 지질학자 킹 허버트가 제안했으며, 미국 석유 생산이 1970년대 정점을 찍고 감소할 것이라 예측했고, 실제로 그렇게 되었습니다. 하지만 세계적으로는 복잡합니다. 1970~80년대 많은 전문가가 2000년대 피크를 예상했지만, 새로운 발견과 기술 발전으로 계속 증가했습니다. 셰일 혁명은 예상을 뒤집었고, 미국이 다시 세계 최대 생산국이 되었습니다. 현재 전망은 수요 피크가 공급 피크보다 먼저 올 수 있다는 것입니다. 전기차 확산과 재생 에너지 증가로 석유 수요가 2030년대 정점을 찍고 감소할 가능성이 있으며, 국제에너지기구 IEA는 2050년 탄소 중립 시나리오에서 석유 수요가 현재보다 75퍼센트 감소한다고 예상합니다. 하지만 불확실성이 큽니다. 개발도상국 수요가 계속 증가하고, 플라스틱과 화학 제품 수요는 늘어날 수 있으며, 전환 속도도 예측하기 어렵습니다. 비전통 자원도 많습니다. 오일샌드, 초중질유, 셰일 오일, 오일 셰일은 수조 배럴 잠재량이지만 채굴 비용과 환경 영향이 크고, 탄소 배출도 많아 기후 목표와 충돌합니다. 환경 문제가 가장 심각합니다. 석유와 가스 연소는 연간 약 340억 톤 이산화탄소를 배출하여 기후 변화의 주범이고, 파리 협정 목표를 달성하려면 화석 연료 사용을 급격히 줄여야 하지만 현실은 더딥니다. 메탄 누출도 문제입니다. 천연가스 채굴과 운송 중 메탄이 새는데, 메탄은 이산화탄소보다 온실 효과가 80배 강하여 단기적으로 기후에 큰 영향을 줍니다. 석유 유출 사고는 환경 재앙입니다. 딥워터 호라이즌, 엑손 발데즈 사고가 대표적이고, 바다와 해안을 오염시켜 생태계를 파괴합니다. 지정학적 중요성도 큽니다. 석유는 권력이고, 중동 불안정, 러시아-우크라이나 전쟁, 미국 중동 개입은 모두 석유와 관련 있습니다. 석유 가격은 세계 경제를 흔들고, 1970년대 석유 파동은 세계 경기 침체를 일으켰습니다. 전환이 필수입니다. 재생 에너지, 전기차, 수소 경제로 전환하여 석유 의존을 줄여야 하지만, 시간이 걸리고 투자가 필요하며, 석유 산업 종사자 수백만 명의 전환도 고려해야 합니다. 석유는 200년간 인류를 변화시켰지만, 다음 200년은 석유 없는 세상을 향해 가야 합니다.