탄소로 석유를 캔다: EOR 기술

탄소로 석유를 캔다: EOR 기술

대학생신재생에너지기자단 27기 이서영, 28기 정라진, 29기 조수윤

포집된 탄소는 어디로 가는가

CCUS(Carbon Capture Utilization & Storage) 기술이 기후위기의 대안으로 주목받고 있다. CCUS는 배출되는 탄소를 포집해 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가 가치 제품으로 전환해 활용하는 기술이다. 또는 이산화탄소를 지층에 매립해 저장하기도 한다. 이처럼 포집된 탄소의 활용 방식은 다양하지만, 현재 상용화된 기술 중 산업에서 가장 활발하게 사용되는 방식 중 하나가 CO₂를 이용한 EOR(Enhanced Oil Recovery)이다.

[자료 1. 연도별 EOR 프로젝트의 효율성과 전망]

출처 : Scientific Reports

EOR은 포집한 이산화탄소를 유전에 주입해 암석 사이에 남은 석유를 지표면으로 끌어올리는 증산 기술이다. 주입된 이산화탄소는 석유와 접촉하면서 석유의 점도를 낮추고 흐름성을 개선해, 기존 1차·2차 회수 과정에서 남아 있던 잔존 석유까지 생산할 수 있게 한다. 탄소를 단순한 폐기물이 아닌 자원 회수의 수단으로 활용한다는 점에서 CO₂-EOR은 CCUS의 경제성과 산업적 활용 가능성을 보여주는 사례로 평가된다.

CO₂ 주입을 통한 석유 회수 원리

저류층으로 주입된 이산화탄소는 오일 속으로 응축되며 오일의 비중은 낮아진다. 오일 속 가벼운 성분은 기화되어 CO₂ 기체상의 비중이 높아진다. 오일과 CO₂ 간 질량 교환이 일어나며 경계가 없어지고, 하나의 탄화수소 상으로 혼화(miscible)된다. 혼화된 오일과 CO₂는 부피가 팽창하고, 내부 압력이 높아진다. 이에 따라 둘 사이의 계면장력이 감소하고, 오일의 점성도 감소로 유동성이 높아져 회수율이 늘어나는 것이다.

이때 가장 중요한 개념이 바로 최소혼화압력(minimum miscible pressure, MMP)이다. MMP는 오일의 조성, 이산화탄소 주입 시의 불순물, 저류층 온도에 따라 달라진다. 오일과 CO₂가 혼화되려면 MMP 이상의 압력 상태에서 반응이 일어나야 한다. 만약, MMP 이하라면 오일과 CO₂는 비혼화(immiscible) 된다. 물론, 비혼화 방식도 오일의 점성을 낮추어 생산율을 높일 수 있다. 하지만 혼화 방식에 비해 회수율이 떨어지고, 더 많은 CO₂가 필요하다는 단점이 있다.

효율을 극대화하는 주입 기술

[자료 2. Water alternating gas (WAG)]

출처 : research Gate

이산화탄소를 활용한 회수 증진 효과를 높이기 위해서는 유전의 특성에 맞는 적절한 주입 방식의 선택이 필수적이다. CO₂-EOR 공법은 주입방식에 따라 대표적으로 연속주입법, WAG 공법 등이 있다.

먼저 연속주입법은 CO₂를 계속 주입함으로써, CO₂와 오일이 혼화시켜 밀어내는 방식이다. 이 과정에서 계면장력이 감소하고, 오일의 점도가 감소해 잔류 오일을 만든다. 또한 CO₂와 오일 사이 질량교환으로 경계가 사라지며 잔류 오일의 회수가 촉진된다. 연속가스 주입법의 오일회수율과 CO₂ 저장용량은 거시적 및 미시적 접촉효율에 의해 결정된다. 이와 같은 경우 점성도 차이에 의한 높은 유동도비를 유도하거나, 이른 돌파 현상을 발생시킬 수 있다.

이에 반해, WAG 공법은 CO₂와 물을 번갈아 넣으며 오일을 밀어내는 방식으로, 주입유체와 오일간 유동도비를 조절할 수 있다. 이로써 앞서 말한 CO₂ 돌파 문제를 감소시킬 수 있고, 물은 저류층 압력을 유지해 회수율을 증가시키며, 점성수지 현상도 해결할 수 있다. 하지만 저류층 조건에 따라 가스의 비중 분리가 일어날 수 있기 때문에 주입량, 시기, 유정 제어 등 정밀한 운영이 필요하다.

지속가능한 저장을 위한 발판

CO₂-EOR은 탄소 포집 기술과 기존 에너지 산업이 만나는 지점에 있는 기술이다. 포집된 이산화탄소를 단순히 저장하는 것을 넘어 산업적으로 활용할 수 있다는 점에서 CCUS 기술의 실질적인 적용 사례로 평가되기도 한다. 그러나 이 기술이 단순히 탄소 활용과 감축에 의의가 있다고만 생각하기는 어렵다. CO₂가 지하에 저장돼 감축되는 효과가 있는 동시에, 추가로 생산된 석유가 연소하면서 다시 탄소를 배출하기 때문이다. 따라서 CO₂-EOR이 실질적인 탄소 감축 기술로 이어지기 위해서는 주입된 탄소량과 전체 탄소 배출량 사이의 균형을 따져볼 필요가 있다.

그럼에도 불구하고 CO₂-EOR은 탄소 포집·저장 기술로 나아가는 과정에서 중요한 단계로 인식된다. 앞으로 기술 고도화와 정책적 기준이 함께 마련된다면, 단순한 석유 증산 기술을 넘어 장기적인 탄소 저장 체계로 이어지는 발판이 될 수 있을 것이다.

탄소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "이산화탄소를 빨아들이는 금속 스펀지 MOF, 노벨상에서 주목하다", 26기 김대건, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToyOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjtzOjQ6InBhZ2UiO2k6Mjt9&bmode=view&idx=169028690&t=board

2. "바다 위의 플랜트, MSR", 27기 김나영, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?q=YToyOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjtzOjQ6InBhZ2UiO2k6Mjt9&bmode=view&idx=169029657&t=board

참고문헌 

[포집된 탄소는 어디로 가는가] 

1) 에너지정보문화재단, “땅속에 이산화탄소를 묻는다고? 탄소중립 앞당기는 CCUS 기술”, 2015.3.26, https://blog.naver.com/energyinfoplaza/223810117624

2) 한국가스공사,  “CCUS”, https://www.kogas.or.kr/site/koGas/1030506050000

3) Shafiei, Masoud, et al. "A comprehensive review direct methods to overcome the limitations of gas injection during the EOR process." Scientific Reports 14.1 (2024): 7468

[CO₂ 주입을 통한 석유 회수 원리] 

1) 박혜리, 장호창. (2023). CCS와 연계한 석유회수증진 기술 동향 및 현장사례 분석. 한국가스학회지, 27(3), 59-71, https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE11549893

2) Attanasi, E.D., 2017, Using CO2 Prophet to estimate recovery factors for carbon dioxide enhanced oil recovery, chap. B of Verma, M.K., ed., Three approaches for estimating recovery factors in carbon dioxide enhanced oil recovery: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2017–5062, p. B1–B10, https://pubs.usgs.gov/publication/sir20175062B

[효율을 극대화하는 주입 기술] 

1) 박혜리, 장호창. (2023). CCS와 연계한 석유회수증진 기술 동향 및 현장사례 분석. 한국가스학회지, 27(3), 59-71, https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE11549893

2) Water alternating gas (WAG) injection to promote CO 2 storage and oil recovery from sandstone reservoir (Asemani and Rezaei, 2022), https://www.researchgate.net/figure/Water-alternating-gas-WAG-injection-to-promote-CO-2-storage-and-oil-recovery-from_fig7_365773032

[지속가능한 저장을 위한 발판] 

1) 오일드림, “탄소중립과 석유 생산의 공존: CO2-EOR”, 2025.4.18, https://blog.naver.com/knoc3/223829554420

2) 이정환, 에너지신문, “탄소중립에서 CCUS 기대와 우려”, 2024.01.08, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=92188