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수압파쇄법

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목차

1. 개요

수압파쇄법은 지하 암석층에서 석유, 천연가스 등 자원 회수를 돕는 기술이다. 1860년대부터 시작되었으며, 20세기에는 상업적으로 활용되었다. 이 기술은 파쇄 유체를 고압으로 주입하여 암석에 균열을 만들고, 이를 통해 자원 추출을 용이하게 한다. 수평 시추 기술과 결합하여 셰일층에서 자원 회수에 널리 사용되면서 경제적 효과를 가져왔지만, 지하수 오염, 지진, 대기 오염, 건강 위험 등 환경적, 사회적 문제도 야기한다. 이에 따라 규제 및 논란이 존재하며, 프랑스, 영국 등 국가별로 사용 금지 또는 규제 정책을 시행하고 있다.

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수압파쇄법
개요
작동 중인 수압 파쇄 작업
노스다코타 주 바켄 지층에서 수압 파쇄 작업 진행 중
유형기계적
분야채광
기술액체 압력
원료해당 없음
제품천연 가스
석유
기업해당 없음
시설해당 없음
발명가플로이드 패리스
조지프 B. 클라크 (스태놀린드 석유 및 가스 회사)
발명 연도1947년
개발자해당 없음
명칭
다른 이름수압 파쇄
프래킹
수압 파쇄법
하이드로프래킹
같이 보기
관련 기술프래킹 지지체
유전 및 가스정에서 방사능 사용
국가별 현황
관련 정보캐나다
뉴질랜드
남아프리카 공화국
우크라이나
영국
미국
환경 영향
관련 정보첨가제
미국
규제
관련 정보미국 연방법 면제
정치
관련 정보2012–14 루마니아 셰일 가스 반대 시위
반프래킹 운동
프랙네이션
프랙 오프
가스랜드

2. 역사

대부분의 광물 맥 시스템은 비교적 높은 공극 유체 압력 기간 동안 반복적인 자연 파열의 결과이다. 높은 공극 유체 압력이 광물 맥 시스템의 형성 과정에 미치는 영향은 맥 물질이 일련의 개별적인 파열 사건의 일부이고, 매번 추가적인 맥 물질이 침전되는 "균열-밀봉" 맥에서 특히 분명하게 나타난다. 장기간에 걸친 반복적인 자연 파열의 한 예는 지진 활동의 영향이다. 응력 수준이 간헐적으로 상승하고 하강하며, 지진은 대량의 공존수가 유체로 채워진 균열에서 방출되도록 할 수 있는데, 이 과정을 "지진 펌핑"이라고 한다. 지각 상부의 소규모 관입, 예를 들어 암맥과 같은 것은 유체로 채워진 틈의 형태로 전파된다. 이러한 경우, 유체는 마그마이다. 상당한 수분 함량을 가진 퇴적암에서는 파단 단부의 유체가 수증기가 될 것이다.

2. 1. 선구자

지각 상부의 소규모 관입, 예를 들어 암맥과 같은 것은 유체로 채워진 틈의 형태로 전파된다. 이러한 경우, 유체는 마그마이다. 상당한 수분 함량을 가진 퇴적암에서는 파단 단부의 유체가 수증기가 될 것이다.

미국 노스다코타주 바켄 층에서 할리버튼의 수압파쇄 작업


얕은 경암 유정의 생산성을 높이기 위한 수압파쇄는 1860년대부터 시작되었다. 다이너마이트나 니트로글리세린 폭발을 사용하여 석유 함유 지층에서 석유 및 천연 가스 생산량을 증가시켰다. 1865년 4월 24일, 미국 남북 전쟁 참전 용사 에드워드 A. L. 로버츠 대령은 "폭발 어뢰"에 대한 특허를 받았다. 이는 액체 및 나중에는 고체 니트로글리세린을 사용하여 펜실베이니아, 뉴욕, 켄터키, 웨스트버지니아에서 사용되었다. 이후 동일한 방법이 물과 가스정에도 적용되었다. 폭발성 액체 대신 산으로 유정을 자극하는 기술은 1930년대에 도입되었다. 산 에칭으로 인해 균열이 완전히 닫히지 않아 생산성이 더욱 증가했다.

해럴드 햄, 오브리 맥클렌던, 톰 워드와 조지 P. 미첼은 각각 수압 파쇄법의 실용적인 적용을 위한 혁신을 개척한 것으로 여겨진다.[22][23]

2. 2. 20세기 응용



1860년대부터 얕은 경암 유정의 생산성을 높이기 위해 수압파쇄가 시작되었다. 다이너마이트나 니트로글리세린 폭발을 사용하여 석유 함유 지층에서 석유 및 천연 가스 생산량을 증가시켰다. 1865년 4월 24일, 미국 남북 전쟁 참전 용사 에드워드 A. L. 로버츠 대령은 "폭발 어뢰"에 대한 특허를 받았다. 액체 및 고체 니트로글리세린을 펜실베이니아, 뉴욕, 켄터키, 웨스트버지니아에서 사용했으며, 이후 물과 가스정에도 적용되었다. 1930년대에는 폭발성 액체 대신 산으로 유정을 자극하는 기술이 도입되었다. 산 에칭으로 인해 균열이 완전히 닫히지 않아 생산성이 더욱 증가했다.

해럴드 햄, 오브리 맥클렌던, 톰 워드, 조지 P. 미첼은 수압 파쇄법의 실용적인 적용을 위한 혁신을 개척한 것으로 여겨진다.[22][23]

2. 2. 1. 석유 및 가스정



유체를 땅속에 주입하는 유정 입구


수압 파쇄 장비를 모두 철거한 후의 유정 입구


1860년대부터 얕은 경암 유정의 생산성을 높이기 위해 수압파쇄가 시작되었다. 다이너마이트나 니트로글리세린 폭발을 사용하여 석유 함유 지층에서 석유 및 천연 가스 생산량을 증가시켰다. 1865년 4월 24일, 미국 남북 전쟁 참전 용사 에드워드 A. L. 로버츠 대령은 "폭발 어뢰"에 대한 특허를 받았다. 이 기술은 액체 및 고체 니트로글리세린을 사용하여 펜실베이니아, 뉴욕, 켄터키, 웨스트버지니아에서 사용되었고, 이후 물과 가스정에도 적용되었다. 1930년대에는 폭발성 액체 대신 산으로 유정을 자극하는 기술이 도입되었다. 산 에칭으로 인해 균열이 완전히 닫히지 않아 생산성이 더욱 증가했다.

해럴드 햄, 오브리 맥클렌던, 톰 워드, 조지 P. 미첼은 각각 수압 파쇄법의 실용적인 적용을 위한 혁신을 개척한 것으로 여겨진다.[22][23]

Stanolind Oil and Gas Corporation의 플로이드 패리스는 수압파쇄법과 유정 성능 간의 관계를 연구했다. 1947년 Stanolind는 캔자스주 그랜트 카운티의 휴고턴 가스전에서 최초의 수압파쇄 실험을 수행했다. 겔화된 가솔린(1000USgal, 본질적으로 네이팜탄)과 아칸소 강에서 채취한 모래를 약 731.52m 깊이의 가스 생산 석회암 지층에 주입했으나, 유정 생산성이 크게 변하지 않아 성공하지 못했다. 1948년 Stanolind의 J.B. 클라크가 이 과정을 논문으로 발표했고, 1949년 특허를 발행하여 Halliburton Oil Well Cementing Company에 독점 라이선스를 부여했다. 1949년 3월 17일, Halliburton은 오클라호마주 스티븐스 카운티와 텍사스주 아처 카운티에서 최초의 상업적 수압파쇄 처리를 수행했다. 이후 수압파쇄법은 다양한 지질 환경에서 약 100만 개의 석유 및 가스 유정을 자극하는 데 성공적으로 사용되었다.

저투과성 지층에서 사용되는 대규모 수압파쇄와 달리, 작은 규모의 수압파쇄는 고투과성 지층에서 암석-시추공 경계면에 형성되는 "스킨 손상"을 해결하기 위해 사용되며, 파쇄는 시추공에서 몇 피트만 확장된다.[24]

소련에서는 1952년에 최초의 수압 지지체 파쇄가 수행되었다. 이후 노르웨이, 폴란드, 체코슬로바키아(1989년 이전), 유고슬라비아(1991년 이전), 헝가리, 오스트리아, 프랑스, 이탈리아, 불가리아, 루마니아, 터키, 튀니지, 알제리 등 유럽과 북아프리카의 다른 국가에서도 수압파쇄 기술을 사용했다.

대규모 수압파쇄법(고용량 수압파쇄법)은 1968년 미국 오클라호마주 스티븐스 카운티에서 팬 아메리칸 석유에 의해 처음 적용되었다. 대규모 수압파쇄법은 일반적으로 150숏톤(약 136ton) 이상의 지지재를 주입하는 처리를 말한다.[25]

1973년부터 대규모 수압파쇄법은 샌후안 분지, 덴버 분지,[26] 피언스 분지,[27] 그린리버 분지 등 미국 서부의 경암 지층과 클린턴-메디나 사암(오하이오, 펜실베이니아, 뉴욕), 코튼 밸리 사암(텍사스 및 루이지애나)의 수천 개 가스정에 사용되었다.[25]

1970년대 후반, 대규모 수압파쇄법은 서부 캐나다, 독일의 로틀리겐트 및 석탄기 가스 함유 사암, 네덜란드(육상 및 해상 가스전), 북해의 영국으로 빠르게 확산되었다.

1980년대 후반까지 수평 시추는 흔하지 않았다. 텍사스 운영업체들이 오스틴 찰크에서 수평 시추하여 수천 개의 유정을 시추하고, 유공에 대규모 '슬릭워터' 수압파쇄 처리를 시작했다. 수평정은 조밀한 찰크에서 석유를 생산하는 데 수직정보다 훨씬 효과적이었으며, 퇴적층은 일반적으로 거의 수평이므로 수평정은 표적 지층과 훨씬 더 넓은 접촉 면적을 갖는다.[28][35]

1990년대 중반 이후 기술 발전과 천연 가스 가격 상승으로 수압파쇄 작업이 기하급수적으로 증가했다.[29] 1965년, 켄터키 동부와 웨스트버지니아 남부 빅 샌디 가스전 운영업체들이 오하이오 셰일과 클리블랜드 셰일에 비교적 작은 규모의 수압파쇄를 시작했고, 이는 생산량이 적은 유정에서 생산량을 증가시켰다.[30]

1976년, 미국 정부는 동부 가스 셰일 프로젝트를 시작하여 민관 수압파쇄 시연 프로젝트를 진행했다.[31] 같은 기간, 가스 산업 연구 컨소시엄인 가스 연구소는 연방 에너지 규제 위원회로부터 연구 및 자금 지원 승인을 받았다.

1997년, 미첼 에너지(현 데본 에너지)의 닉 스테인스버거는 텍사스 북부 바넷 셰일에서 슬릭워터 파쇄 기술(이전 기술보다 더 많은 물과 높은 펌프 압력 사용)을 사용했다.[35] 1998년, S.H. 그리핀 No. 3 유정에서 처음 90일간 가스 생산량이 회사 이전 유정 생산량을 초과하며 성공을 거두었다.[32][33] 이 기술은 바넷 셰일에서 가스 추출을 경제적으로 만들었고, 이글 포드, 바켄 셰일 등 다른 셰일층에도 적용되었다. 조지 P. 미첼은 셰일층에 파쇄 기술을 적용한 공로로 "프래킹의 아버지"로 불린다.[34] 1991년 바넷 셰일에 첫 수평정이 시추되었지만, 수직정으로 가스를 경제적으로 추출할 수 있다는 것이 입증되기 전까지 널리 사용되지 않았다.[35]

2013년 현재, 대규모 수압파쇄는 미국, 캐나다, 중국의 셰일층에 상업적 규모로 적용되고 있으며, 몇몇 다른 국가들도 수압파쇄를 사용할 계획이다.

천연가스나 석유 굴착 시에는 특수한 모래 입자('''프로판트''' proppant)와 산, 방부제, 겔화제, 마찰 저감제 등의 화학 물질을 첨가한 물('''프랙처링 유체''' 또는 '''프래킹 워터''')을 사용한다.[115]

화학 물질에 의한 지하수 오염, 대량의 물 사용에 의한 지역 물 부족, 배수 지하 주입에 의한 지진 발생 위험성 등의 문제점이 지적된다.[116] 미국 산유 지대에서는 셰일층에서 천연가스를 채취하는 수법으로 알려져 있으며, 2020년대에는 환경 영향 가능성이 정치적 의제가 되기도 한다.[117]

2. 2. 2. 대규모 파쇄

대규모 수압파쇄법(고용량 수압파쇄법이라고도 함)은 1968년 미국 오클라호마주 스티븐스 카운티에서 팬 아메리칸 석유에 의해 처음 적용된 기술이다. 대규모 수압파쇄법은 일반적으로 약 136077.75kg (136ton) 이상의 지지재를 주입하는 처리를 말한다.[25]

미국 지질학자들은 투과성이 너무 낮아(일반적으로 0.1 밀리다시 미만) 가스를 경제적으로 회수할 수 없는 거대한 양의 가스 포화 사암이 있다는 것을 점차 인식하게 되었다.[25] 1973년부터 대규모 수압파쇄법은 샌후안 분지, 덴버 분지,[26] 피언스 분지,[27] 및 그린리버 분지와 미국 서부의 다른 경암 지층의 수천 개 가스정에 사용되었다. 대규모 수압파쇄법으로 경제적 생존력을 갖게 된 미국의 다른 조밀한 사암정은 클린턴-메디나 사암(오하이오, 펜실베이니아, 뉴욕)과 코튼 밸리 사암(텍사스 및 루이지애나)에 있었다.[25]

대규모 수압파쇄법은 1970년대 후반에 서부 캐나다, 독일의 로틀리겐트 및 석탄기 가스 함유 사암, 네덜란드(육상 및 해상 가스전), 북해의 영국으로 빠르게 확산되었다.

수평 시추는 1980년대 후반까지는 흔하지 않았다. 그러다 텍사스의 운영업체들이 오스틴 찰크에서 수평 시추하여 수천 개의 유정을 시추하고, 유공에 대규모 '슬릭워터' 수압파쇄 처리를 시작했다. 수평정은 조밀한 찰크에서 석유를 생산하는 데 수직정보다 훨씬 효과적임이 입증되었다.[28] 퇴적층은 일반적으로 거의 수평이므로 수평정은 표적 지층과 훨씬 더 넓은 접촉 면적을 갖는다.[35]

수압파쇄 작업은 1990년대 중반 이후 기술 발전과 천연 가스 가격 상승으로 인해 이 기술이 경제적으로 실행 가능해지면서 기하급수적으로 증가했다.[29]

2. 2. 3. 셰일층

1965년, 켄터키 동부와 웨스트버지니아 남부의 빅 샌디 가스전 운영업체들이 오하이오 셰일과 클리블랜드 셰일에 수압파쇄를 시작하면서 셰일층 시추에 수압파쇄법이 사용되기 시작했다. 이 작업은 생산량이 적은 유정의 생산량을 증가시켰다.[30]

1976년, 미국 정부는 동부 가스 셰일 프로젝트를 시작하여 민관 협력을 통한 수압파쇄 시연을 진행했다.[31] 가스 연구소는 연방 에너지 규제 위원회의 승인을 받아 연구 및 자금 지원을 받았다.

1997년, 미첼 에너지(현 데본 에너지의 일부)의 엔지니어 닉 스테인스버거는 텍사스 북부의 바넷 셰일에서 슬릭워터 파쇄 기술(이전 파쇄 기술보다 더 많은 물과 높은 펌프 압력을 사용)을 적용했다.[35] 1998년, 이 기술은 S.H. 그리핀 No. 3 유정에서 성공적인 결과를 보여주면서, 바넷 셰일에서 가스 추출을 경제적으로 만들었고, 이글 포드 및 바켄 셰일 등 다른 셰일층에도 적용되었다. 조지 P. 미첼은 셰일층에 파쇄 기술을 적용한 공로로 "프래킹의 아버지"로 불린다.[34] 1991년에는 바넷 셰일에 첫 번째 수평정이 시추되었지만, 수직정으로 가스를 경제적으로 추출할 수 있다는 것이 입증되기 전까지는 널리 사용되지 않았다.[35]

2013년 현재, 미국, 캐나다, 중국의 셰일층에서 대규모 수압파쇄가 상업적으로 적용되고 있으며, 몇몇 다른 국가들도 수압파쇄를 사용할 계획이다.

천연가스나 석유 굴착 시에는 특수한 모래 입자(프로판트, proppant)와 산, 방부제, 겔화제, 마찰 저감제 등의 화학 물질을 첨가한 물(프랙처링 유체(fracturing fluid) 또는 프래킹 워터(fracking water))이 사용된다.[115]

화학 물질에 의한 지하수 오염, 물 사용으로 인한 지역의 물 부족, 배수 지하 주입에 의한 지진 발생 등의 문제점이 지적되고 있다.[116] 미국의 산유 지대에서는 셰일층에서 천연가스를 채취하는 방법으로 알려져 있으며, 2020년대에는 환경 영향 가능성이 정치적 의제가 되기도 한다.[117]

3. 과정

미국 환경 보호국(EPA)에 따르면, 수압 파쇄는 천연 가스, 석유, 지열 우물에서 추출을 극대화하기 위해 사용하는 자극 과정이다. EPA는 이 과정을 수원 확보, 우물 건설, 우물 자극, 폐기물 처리 등을 포함하는 더 넓은 개념으로 정의한다.

암석 파쇄는 깊은 곳에서 상부 암석 지층의 무게와 지층의 시멘테이션으로 인한 압력에 의해 억제되는데, 이는 파쇄면의 벽이 압력에 대항하여 이동해야 하는 "인장" (Mode 1) 파쇄에서 특히 중요하다. 파쇄는 암석 내부 유체 압력에 의해 유효 응력이 극복될 때 발생하며, 최소 주응력이 인장 응력이 되어 재료의 인장 강도를 초과하게 된다.[2] 이렇게 형성된 파쇄는 최소 주응력에 수직인 평면에 맞춰지므로, 유정의 수압 파쇄는 응력 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 암맥이나 정맥 충진 파쇄와 같은 자연적인 예시에서는 방향을 통해 과거의 응력 상태를 추론할 수 있다.

대부분의 광물 맥 시스템은 높은 공극 유체 압력 기간 동안 반복적인 자연 파열의 결과이며, "균열-밀봉" 맥에서 특히 분명하게 나타난다. 장기간에 걸친 반복적인 자연 파열의 예로는 지진 활동이 있으며, 응력 수준이 간헐적으로 변동하고, 지진은 대량의 공존수가 유체로 채워진 균열에서 방출되도록 할 수 있다. 이 과정을 "지진 펌핑"이라고 한다.

지각 상부의 소규모 관입(intrusion)(예: 암맥)은 유체로 채워진 틈 형태로 전파되며, 유체는 마그마이다. 수분 함량이 많은 퇴적암에서는 파단 단부의 유체가 수증기가 된다.

수압파쇄법과 유정 성능 간의 관계는 Stanolind Oil and Gas Corporation의 플로이드 패리스에 의해 연구되었다. 1947년, 캔자스주 그랜트 카운티의 휴고턴 가스전에서 최초의 수압파쇄 실험이 수행되었는데, 겔화된 가솔린(네이팜탄과 유사)과 아칸소 강 모래를 약 731.52m 깊이의 가스 생산 석회암 지층에 주입했으나, 유정 생산성 변화는 크지 않았다. 1948년 Stanolind의 J.B. 클라크가 이 과정을 더 자세히 설명했고, 1949년 특허 발행 후 독점 라이선스가 Halliburton Oil Well Cementing Company에 부여되었다. 1949년 3월 17일, Halliburton은 오클라호마주 스티븐스 카운티와 텍사스주 아처 카운티에서 최초의 상업적 수압파쇄 처리를 수행했다. 이후 수압파쇄법은 다양한 지질 환경에서 약 100만 개의 석유 및 가스 유정을 자극하는 데 성공적으로 사용되었다.

저투과성 지층에서 사용되는 대규모 수압파쇄와 달리, 고투과성 지층에서는 "스킨 손상"(암석-시추공 경계면의 저투과성 구역) 해결을 위해 소규모 수압파쇄 처리가 사용되기도 하며, 이 경우 파쇄는 시추공에서 몇 피트만 확장된다.[24]

소련에서는 1952년에 최초의 수압 지사제 파쇄가 수행되었고, 이후 유럽과 북아프리카의 여러 국가에서도 수압파쇄 기술이 사용되었다.

수압파쇄는 목표 깊이에서 암석의 파괴 ''구배''(압력 구배)를 초과할 만큼 충분한 속도로 파쇄 유체를 유정으로 주입하여 형성된다.[2] 파괴 구배는 밀도에 대한 깊이 단위당 압력 증가로 정의되며(단위: psi/ft), 암석이 갈라지면 파쇄 유체가 침투하여 균열을 확장시킨다. 균열은 마찰 손실률에 따라 압력이 감소하면서 국소화되며, 유정과의 거리에 비례한다. 작업자는 주입 유체에 지사제(모래, 세라믹 등)를 도입하여 "파괴 폭"을 유지하거나 처리 후 감소 속도를 늦춘다. 지사제는 주입 중단 및 압력 제거 시 균열 닫힘을 방지하며, 지사제 강도 및 실패 방지는 더 깊은 곳에서 중요해진다. 지사된 균열은 가스, 오일, 염수, 수압 파쇄 유체가 유정으로 흐르도록 충분한 투과성을 갖는다.

파쇄 유체 누출(파쇄 채널에서 주변 투과성 암석으로의 손실)은 제어되지 않으면 주입량의 70%를 초과할 수 있으며, 형성 매트릭스 손상, 유해한 형성 유체 상호 작용, 변경된 파괴 기하학적 구조로 효율성을 감소시킨다.

유공 길이에서 하나 이상의 균열 위치는 유공 측면에 구멍을 만들거나 밀봉하는 다양한 방법으로 제어된다. 수압 파쇄는 케이싱된 유공에서 수행되며, 파쇄 구역은 케이싱 천공으로 접근한다.

석유 및 천연 가스 분야의 수압 파쇄 장비는 슬러리 블렌더, 고압/고용량 파쇄 펌프(삼중 또는 오중 펌프), 모니터링 장치, 파쇄 탱크, 지사제 저장/취급 장치, 고압 처리 아이언, 화학 첨가제 장치, 프래킹 호스(저압 유연 호스), 유량/밀도/압력 게이지 및 미터 등으로 구성된다. 화학 첨가제는 총 유체 부피의 약 0.5%이며, 파쇄 장비는 최대 100MPa 및 265L/s의 압력 및 주입 속도로 작동한다.

3. 1. 방법

암석 파쇄는 깊은 곳에서 상부 암석 지층의 무게와 지층의 시멘테이션으로 인한 압력에 의해 억제되는 경우가 많다. 이러한 억제 과정은 파쇄면의 벽이 이러한 압력에 대항하여 이동해야 하는 "인장" (Mode 1) 파쇄에서 특히 중요하다. 파쇄는 암석 내부의 유체 압력에 의해 유효 응력이 극복될 때 발생한다. 최소 주응력이 인장 응력이 되어 재료의 인장 강도를 초과하게 된다.[2] 이러한 방식으로 형성된 파쇄는 일반적으로 최소 주응력에 수직인 평면에 맞춰져 있으며, 이러한 이유로 유정의 수압 파쇄는 응력의 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 자연적인 예시로, 암맥이나 정맥 충진 파쇄와 같은 경우, 방향은 과거의 응력 상태를 추론하는 데 사용될 수 있다.

대부분의 광물 맥 시스템은 비교적 높은 공극 유체 압력 기간 동안 반복적인 자연 파열의 결과이다. 높은 공극 유체 압력이 광물 맥 시스템의 형성 과정에 미치는 영향은 맥 물질이 일련의 개별적인 파열 사건의 일부이고, 매번 추가적인 맥 물질이 침전되는 "균열-밀봉" 맥에서 특히 분명하게 나타난다. 장기간에 걸친 반복적인 자연 파열의 한 예는 지진 활동의 영향이다. 응력 수준이 간헐적으로 상승하고 하강하며, 지진은 대량의 공존수가 유체로 채워진 균열에서 방출되도록 할 수 있다. 이 과정을 "지진 펌핑"이라고 한다.

지각 상부의 소규모 관입(intrusion), 예를 들어 암맥과 같은 것은 유체로 채워진 틈의 형태로 전파된다. 이러한 경우, 유체는 마그마이다. 상당한 수분 함량을 가진 퇴적암에서는 파단 단부의 유체가 수증기가 될 것이다.

수압파쇄법과 유정 성능 간의 관계는 Stanolind Oil and Gas Corporation의 플로이드 패리스에 의해 연구되었다. 이 연구는 1947년 Stanolind에 의해 캔자스주 그랜트 카운티의 휴고턴 가스전에서 수행된 최초의 수압파쇄 실험의 기초가 되었다. 유정 처리를 위해 겔화된 가솔린(1000USgal 상당, 본질적으로 네이팜탄)과 아칸소 강에서 채취한 모래가 약 731.52m에서 가스 생산 석회암 지층에 주입되었다. 이 실험은 유정의 생산성이 크게 변하지 않아 큰 성공을 거두지 못했다. 이 과정은 1948년에 발표된 Stanolind의 J.B. 클라크의 논문에서 더욱 자세히 설명되었다. 이 과정에 대한 특허는 1949년에 발행되었으며 독점 라이선스는 Halliburton Oil Well Cementing Company에 부여되었다. 1949년 3월 17일 Halliburton은 오클라호마주 스티븐스 카운티와 텍사스주 아처 카운티에서 최초의 상업적 수압파쇄 처리를 수행했다. 그 이후로 수압파쇄법은 다양한 지질 환경에서 약 100만 개의 석유 및 가스 유정을 자극하는 데 성공적으로 사용되었다.

저투과성 지층에서 사용되는 대규모 수압파쇄와는 대조적으로, 작은 규모의 수압파쇄 처리는 종종 암석-시추공 경계면에서 형성되는 저투과성 구역인 "스킨 손상"을 해결하기 위해 고투과성 지층에서 사용된다. 이러한 경우 파쇄는 시추공에서 불과 몇 피트만 확장될 수 있다.[24]

소련에서는 최초의 수압 지사제 파쇄가 1952년에 수행되었다. 이후 노르웨이, 폴란드, 체코슬로바키아(1989년 이전), 유고슬라비아(1991년 이전), 헝가리, 오스트리아, 프랑스, 이탈리아, 불가리아, 루마니아, 터키, 튀니지, 알제리를 포함한 유럽과 북아프리카의 다른 국가에서도 수압파쇄 기술을 사용했다.

수압파쇄는 목표 깊이(유정 케이싱 천공 위치에 의해 결정됨)에서 암석의 파괴 ''구배''(압력 구배)를 초과할 만큼 충분한 속도로 파쇄 유체를 유정으로 주입하여 형성된다.[2] 파괴 구배는 밀도에 대한 깊이 단위당 압력 증가로 정의되며, 일반적으로 psi/ft 단위로 측정된다. 암석은 갈라지고 파쇄 유체는 암석에 침투하여 균열을 더욱 확장시킨다. 균열은 마찰 손실률에 따라 압력이 떨어짐에 따라 국소화되며, 이는 유정과의 거리에 비례한다. 작업자는 일반적으로 주입된 유체에 지사제를 도입하여 "파괴 폭"을 유지하거나 처리 후 감소 속도를 늦춘다. 모래, 세라믹 또는 기타 입자와 같은 물질로, 주입이 중단되고 압력이 제거될 때 균열이 닫히는 것을 방지한다. 지사제 강도 고려 및 지사제 실패 방지는 압력과 균열에 가해지는 응력이 더 높은 더 깊은 깊이에서 더욱 중요해진다. 지사된 균열은 가스, 오일, 염수 및 수압 파쇄 유체가 유정으로 흐르도록 허용할 만큼 충분히 투과성이 있다.

과정 중에 파쇄 유체 누출(파쇄 채널에서 주변의 투과성 암석으로의 파쇄 유체 손실)이 발생한다. 제어하지 않으면 주입량의 70%를 초과할 수 있다. 이는 형성 매트릭스 손상, 유해한 형성 유체 상호 작용 및 변경된 파괴 기하학적 구조를 초래하여 효율성을 감소시킬 수 있다.

유공 길이에서 하나 이상의 균열 위치는 유공 측면에 구멍을 만들거나 밀봉하는 다양한 방법에 의해 엄격하게 제어된다. 수압 파쇄는 케이싱된 유공에서 수행되며, 파쇄할 구역은 해당 위치에서 케이싱을 천공하여 접근한다.

석유 및 천연 가스 분야에서 사용되는 수압 파쇄 장비는 일반적으로 슬러리 블렌더, 하나 이상의 고압, 고용량 파쇄 펌프(일반적으로 강력한 삼중 또는 오중 펌프) 및 모니터링 장치로 구성된다. 관련 장비에는 파쇄 탱크, 지사제 저장 및 취급을 위한 하나 이상의 장치, 고압 처리 아이언, 화학 첨가제 장치(화학 물질 첨가량을 정확하게 모니터링하는 데 사용됨), 프래킹 호스(저압 유연 호스) 및 유량, 유체 밀도 및 처리 압력에 대한 많은 게이지 및 미터가 포함된다. 화학 첨가제는 일반적으로 총 유체 부피의 0.5%이다. 파쇄 장비는 다양한 압력 및 주입 속도로 작동하며 100MPa 및 265L/s까지 도달할 수 있다.

3. 2. 유정 유형

Stanolind Oil and Gas Corporation의 플로이드 패리스는 수압파쇄법과 유정 성능 간의 관계를 연구했다. 1949년 3월 17일, Halliburton Oil Well Cementing Company는 오클라호마주 스티븐스 카운티와 텍사스주 아처 카운티에서 최초의 상업적 수압파쇄 처리를 수행했다.

저투과성 지층에서 사용되는 대규모 수압파쇄와는 대조적으로, 작은 규모의 수압파쇄는 고투과성 지층에서 "스킨 손상"을 해결하기 위해 사용되기도 한다. 이 경우 파쇄는 시추공에서 몇 피트만 확장될 수 있다.[24]

대규모 수압파쇄법(고용량 수압파쇄법)은 1968년 미국 오클라호마주 스티븐스 카운티에서 팬 아메리칸 석유에 의해 처음 적용되었다. 일반적으로 150숏톤(약 136메트릭 톤) 이상의 지지재를 주입하는 처리를 말한다.[25]

1973년부터 대규모 수압파쇄법은 샌후안 분지, 덴버 분지,[26] 피언스 분지,[27] 및 그린리버 분지와 미국 서부의 다른 경암 지층의 수천 개의 가스정에 사용되었다. 대규모 수압파쇄법으로 경제적 생존력을 갖게 된 미국의 다른 조밀한 사암정은 클린턴-메디나 사암(오하이오, 펜실베이니아, 뉴욕)과 코튼 밸리 사암(텍사스 및 루이지애나)에 있었다.[25]

수평 시추는 1980년대 후반까지는 흔하지 않았다. 텍사스의 운영업체들이 오스틴 찰크에서 수평 시추하여 수천 개의 유정을 시추하고, 유공에 대규모 '슬릭워터' 수압파쇄 처리를 시작했다. 수평정은 조밀한 찰크에서 석유를 생산하는 데 수직정보다 훨씬 효과적임이 입증되었다.[28]

1997년, 미첼 에너지(현재 데본 에너지의 일부)의 엔지니어인 닉 스테인스버거는 슬릭워터 파쇄 기술을 텍사스 북부의 바넷 셰일에서 사용했다.[35] 1998년, 이 기술은 S.H. 그리핀 No. 3 유정에서 성공적인 것으로 입증되었다.[32][33] 조지 P. 미첼은 셰일층에 파쇄 기술을 적용하는 데 기여한 공로로 "프래킹의 아버지"라고 불린다.[34]

전통적인 저용량 수압 파쇄는 단일 유정에 대해 고투과성 저류층을 자극하는 데 사용되는 반면, 비전통적인 고용량 수압 파쇄는 타이트 가스 및 셰일 가스 유정의 시추 완료에 사용된다. 고용량 수압 파쇄는 일반적으로 저용량 파쇄보다 더 높은 압력을 필요로 한다.

수평 시추는 추출할 물질이 포함된 암석층과 평행하게 확장되는 "측면"으로 완료된 터미널 시추공을 가진 유정을 포함한다. 수평 시추는 동일한 양의 암석에 접근하기 위해 더 적은 유정이 필요하므로 지표면의 교란을 줄인다. 시추는 종종 시추공 벽의 기공 공간을 막아 시추공 주변의 투과성을 감소시키는데, 저용량 수압 파쇄는 투과성을 회복하는 데 사용될 수 있다.

2000년대 초반부터 유정 시추 및 시추 완료 기술의 발전으로 수평 굴착정이 훨씬 더 경제적이게 되었다. 수평 굴착정은 기존 수직 굴착정보다 지층에 훨씬 더 넓게 노출될 수 있게 해준다.

북미 지역에서는 바켄, 바넷, 몬트니, 헤인즈빌, 마르셀러스, 이글 포드, 니오브라라 및 유티카 셰일과 같은 셰일 저류층이 생산 구간을 따라 수평으로 시추되고, 완료 및 파쇄된다. 파쇄를 굴착정을 따라 배치하는 방법은 "플러그 앤 퍼프(plug and perf)"와 "슬라이딩 슬리브(sliding sleeve)"라는 두 가지 방법 중 하나를 사용하여 가장 일반적으로 수행된다.

플러그 앤 퍼프 작업의 굴착정은 일반적으로 시추공에 설치된 시멘트 처리 또는 시멘트 처리되지 않은 표준 강철 케이싱으로 구성된다. 굴착 장비가 제거되면 와이어라인 트럭을 사용하여 우물 바닥 근처를 천공한 다음 파쇄 유체를 펌핑한다.

슬라이딩 슬리브 기술의 굴착정은 슬라이딩 슬리브가 설치될 때 강철 케이싱에 설정된 간격으로 포함되어 있다는 점에서 다르다. 우물을 파쇄할 때가 되면, 여러 활성화 기술 중 하나를 사용하여 바닥 슬라이딩 슬리브를 열고 첫 번째 단계를 펌핑한다.

슬리브


이러한 완료 기술을 통해 필요한 경우 단일 우물의 수평 구간에 30단계 이상을 펌핑할 수 있으며, 이는 생산 구역이 훨씬 적은 수직 우물에 일반적으로 펌핑되는 것보다 훨씬 많다.[2]

3. 3. 파쇄 유체

유정 주입 전 펌프 흐름을 결합하는 고압 매니폴드의 예


수압파쇄 작업을 위한 물탱크


파쇄 유체는 목표 깊이(유정 케이싱 천공 위치에 의해 결정됨)에서 암석의 파괴 ''구배''(압력 구배)를 초과할 만큼 충분한 속도로 유정을 통해 주입되어 형성된다.[2] 파괴 구배는 밀도에 대한 깊이 단위당 압력 증가로 정의되며, 일반적으로 psi/ft 단위로 측정된다. 암석은 갈라지고 파쇄 유체는 암석에 침투하여 균열을 더욱 확장시킨다. 균열은 마찰 손실률에 따라 압력이 떨어짐에 따라 국소화되며, 이는 유정과의 거리에 비례한다. 작업자는 주입된 유체에 지사제를 도입하여 "파괴 폭"을 유지하거나 처리 후 감소 속도를 늦춘다. 지사제는 모래, 세라믹 또는 기타 입자 같은 물질로, 주입이 중단되고 압력이 제거될 때 균열이 닫히는 것을 방지한다. 지사제 강도 고려 및 지사제 실패 방지는 압력과 균열에 가해지는 응력이 더 높은 더 깊은 깊이에서 더욱 중요해진다. 지사된 균열은 가스, 오일, 염수 및 수압 파쇄 유체가 유정으로 흐르도록 허용할 만큼 충분히 투과성이 있다.

파쇄 유체 누출(파쇄 채널에서 주변의 투과성 암석으로의 파쇄 유체 손실)은 과정 중에 발생하며, 제어하지 않으면 주입량의 70%를 초과할 수 있다. 이는 형성 매트릭스 손상, 유해한 형성 유체 상호 작용 및 변경된 파괴 기하학적 구조를 초래하여 효율성을 감소시킬 수 있다.

유공 길이에서 하나 이상의 균열 위치는 유공 측면에 구멍을 만들거나 밀봉하는 다양한 방법에 의해 엄격하게 제어된다. 수압 파쇄는 케이싱된 유공에서 수행되며, 파쇄할 구역은 해당 위치에서 케이싱을 천공하여 접근한다.

석유 및 천연 가스 분야에서 사용되는 수압 파쇄 장비는 일반적으로 슬러리 블렌더, 하나 이상의 고압, 고용량 파쇄 펌프(일반적으로 강력한 삼중 또는 오중 펌프) 및 모니터링 장치로 구성된다. 관련 장비에는 파쇄 탱크, 지사제 저장 및 취급을 위한 하나 이상의 장치, 고압 처리 장비, 화학 첨가제 장치(화학 물질 첨가량을 정확하게 모니터링하는 데 사용됨), 프래킹 호스(저압 유연 호스) 및 유량, 유체 밀도, 처리 압력에 대한 많은 게이지 및 미터가 포함된다. 화학 첨가제는 일반적으로 총 유체 부피의 0.5%이다. 파쇄 장비는 다양한 압력 및 주입 속도로 작동하며, 최대 100MPa 및 까지 도달할 수 있다.

파쇄 유체의 주요 목적은 균열을 확장하고, 윤활성을 더하며, 겔 강도를 변화시키고, 지지제를 지층으로 운반하는 것이다. 지지제를 유체로 운반하는 방법에는 고속 및 고점도의 두 가지가 있다. 고점도 파쇄는 큰 지배적인 균열을 일으키는 경향이 있는 반면, 고속(slickwater) 파쇄는 작고 흩어진 미세 균열을 일으킨다.[36]

수용성 겔화제(예: 구아검)는 점도를 높여 지지제를 지층으로 효율적으로 전달한다.

일반적으로 물, 지지제 및 화학 첨가제의 슬러리가 파쇄 유체로 사용된다. 질소, 이산화 탄소, 공기를 포함한 겔, 폼 및 압축 가스를 주입할 수도 있다. 일반적으로 유체의 90%는 물이고 9.5%는 모래이며, 화학 첨가제는 약 0.5%를 차지한다. 액화 석유 가스(LPG)와 프로판을 사용한 무수 파쇄 유체도 개발되었다.[37] 프로판은 고압과 고온에 의해 증기로 변하며, 프로판 증기와 천연 가스는 모두 표면으로 돌아와 수집할 수 있어 재사용 및/또는 재판매가 더 쉽다. 이 과정에서는 사용된 화학 물질은 표면으로 돌아오지 않고 프로판만 반환된다.[38]

지지제는 파쇄 처리 후 생성된 균열이 닫히는 것을 방지하는 입상 물질이다. 지지제 유형에는 규사, 수지 코팅 모래, 보크사이트, 인공 세라믹이 있다. 필요한 투과성 또는 입자 강도 유형에 따라 지지제를 선택한다. 일부 지층에서는 압력이 자연 규사의 입자를 파쇄할 정도로 커서 보크사이트 또는 세라믹과 같은 고강도 지지제를 사용한다. 가장 일반적으로 사용되는 지지제는 규사이지만, 세라믹 지지제와 같이 균일한 크기와 모양의 지지제가 더 효과적인 것으로 여겨진다.



파쇄 유체는 원하는 파쇄 유형, 파쇄될 특정 유정의 조건, 물 특성에 따라 달라지며, 겔, 폼 또는 슬릭워터 기반일 수 있다. 유체 선택에는 상충 관계가 있는데, 겔과 같이 점도가 높은 유체는 지지제를 현탁 상태로 유지하는 데 더 적합한 반면, 슬릭워터와 같이 점도가 낮고 마찰이 적은 유체는 더 높은 속도로 펌핑하여 유정에서 더 멀리 균열을 생성할 수 있다. 유체의 중요한 재료 특성에는 점도, pH, 다양한 유변학적 요인 등이 있다.

수압파쇄 유체를 만들기 위해 물, 모래, 화학 물질을 혼합하며, 파쇄당 약 40,000갤런의 화학 물질이 사용된다.[41] 일반적인 파쇄 처리에는 3~12개의 첨가 화학 물질이 사용된다. 일반적인 화학 첨가제는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

  • 산: 염산 또는 아세트산은 천공을 청소하고 유정 근처 암석에 균열을 시작하기 위해 파쇄 전 단계에서 사용된다.
  • 염화나트륨 (소금): 겔 고분자 사슬의 분해를 지연시킨다.
  • 폴리아크릴아미드 및 기타 마찰 감소제: 유체 흐름의 난류와 파이프 마찰을 줄여 펌프가 표면에 더 큰 압력을 가하지 않고도 더 높은 속도로 펌핑할 수 있도록 한다.
  • 에틸렌 글리콜: 파이프에 스케일 침착을 방지한다.
  • 붕산염: 온도 상승 동안 유체 점도를 유지하는 데 사용된다.
  • 나트륨 및 칼륨 탄산염: 가교제의 효과를 유지하는 데 사용된다.
  • 글루타르알데히드: 미생물 활동으로 인한 파이프 부식을 방지하는 살생물제이다.[42]
  • 구아검 및 기타 수용성 겔화제: 파쇄 유체의 점도를 높여 지지제를 지층으로 더 효율적으로 전달한다.
  • 구연산: 부식 방지에 사용된다.
  • 아이소프로판올: 화학 물질이 얼지 않도록 겨울철에 사용된다.


2005~2009년 미국에서의 수압파쇄에 사용된 가장 흔한 화학 물질은 메탄올이었으며, 아이소프로필 알코올, 2-부톡시에탄올, 에틸렌 글리콜 등이 널리 사용되었다.

일반적인 유체 유형은 다음과 같다.

  • 기존의 선형 겔: 셀룰로오스 유도체(카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸 메틸 셀룰로오스), 구아 또는 그 유도체(히드록시프로필 구아, 카르복시메틸 히드록시프로필 구아)를 다른 화학 물질과 혼합한 것이다.
  • 붕산염 가교 결합 유체: 붕소 이온(수성 붕사/붕산 용액에서)으로 가교 결합된 구아 기반 유체이다. pH 9 이상에서 더 높은 점도를 가지며 지지제를 운반하는 데 사용된다. 파쇄 작업 후 pH를 3–4로 줄여 가교 결합이 끊어지고 겔의 점도가 낮아져 펌핑할 수 있다.
  • 유기금속 가교 결합 유체: 지르코늄, 크롬, 안티몬, 티타늄 염은 구아 기반 겔을 가교 결합하는 것으로 알려져 있다. 가교 결합 메커니즘은 가역적이지 않으므로 지지제가 가교 결합 겔과 함께 펌핑되면 파쇄 부분이 완료된다. 겔은 적절한 브레이커로 분해된다.
  • 알루미늄 인산 에스테르 오일 겔: 알루미늄 인산과 에스테르 오일을 슬러리화하여 가교 결합 겔을 형성한다. 이는 최초로 알려진 겔화 시스템 중 하나이다.


슬릭워터 유체의 경우 스윕을 사용하는 것이 일반적이다. 스윕은 지지제 농도를 일시적으로 감소시켜 유정이 지지제로 압도되지 않도록 하는 데 도움이 된다. 파쇄 과정이 진행됨에 따라 산화제 및 효소 브레이커와 같은 점도 감소제가 파쇄 유체에 추가되어 겔화제를 비활성화하고 역류를 촉진하는 경우가 있다. 이러한 산화제는 겔과 반응하여 분해하여 유체의 점도를 줄이고 지지제가 지층에서 뽑혀나오지 않도록 한다. 효소는 겔을 분해하는 촉매 역할을 한다. 때로는 pH 조절제가 수압파쇄 작업이 끝날 때 가교 결합을 분해하는 데 사용되는데, 많은 경우 점도를 유지하기 위해 pH 완충 시스템이 필요하기 때문이다. 작업이 끝나면 유정은 일반적으로 압력 하에서 물로 세척된다(때로는 마찰 감소 화학 물질과 혼합됨). 일부 주입된 유체가 회수되며, 이 유체는 지하 주입 관리, 처리, 배출, 재활용, 구덩이 또는 용기에 임시 보관 등 여러 방법으로 관리된다. 폐수를 더 잘 처리하고 재사용성을 개선하기 위한 새로운 기술이 지속적으로 개발되고 있다.

천연가스나 석유 굴착 시에는 특수한 모래 입자('''프로판트''' proppant)와 산, 방부제, 겔화제, 마찰 저감제 등의 화학 물질을 첨가한 물이 사용되며, '''프랙처링 유체'''(fracturing fluid) 또는 '''프래킹 워터'''(fracking water)라고 불린다.[115]

화학 물질에 의한 지하수 오염, 대량의 물 사용에 의한 지역의 물 부족 가능성, 배수 지하 주입에 의한 지진 발생 위험성 등의 문제점이 지적되고 있다.[116]

3. 4. 균열 모니터링

유압 파쇄 과정 동안 압력 및 속도 측정을 통해 유압 파쇄 처리를 모니터링한다. 이 데이터는 지하 지질 정보와 함께 지지된 파쇄의 길이, 너비 및 전도율 등을 모델링하는 데 사용된다.

방사성 추적자를 유압 파쇄 유체와 함께 주입하여 생성된 균열의 위치를 파악하기도 한다. 방사성 추적자는 쉽게 감지 가능한 방사선, 적절한 화학적 특성, 짧은 반감기 및 낮은 독성 수준을 가지도록 선택된다. 유리(모래) 및/또는 레진 비드에 화학적으로 결합된 방사성 동위원소를 주입하여 균열을 추적할 수도 있다. 예를 들어, 10 GBq의 Ag-110mm로 코팅된 플라스틱 펠릿을 지지체에 추가하거나, 모래를 Ir-192로 표시하여 지지체의 진행 상황을 모니터링할 수 있다. Tc-99m 및 I-131과 같은 방사성 추적자는 유량 측정에도 사용된다. 미국 원자력 규제 위원회는 추적자로 사용할 수 있는 방사성 물질과 사용량 제한 지침을 발표한다.

케이싱 외부에 광섬유 케이블을 설치하여 온도를 측정하는 새로운 기술도 있다. 엔지니어는 우물의 온도를 모니터링하여 수압 파쇄 유체와 천연 가스 또는 오일의 수집량을 확인할 수 있다.

미소지진 모니터링은 유도된 균열의 크기와 방향을 추정하기 위해 사용된다. 인접한 굴착공에 지오폰 배열을 배치하여 미소지진 활동을 측정하고, 성장하는 균열과 관련된 작은 지진 이벤트의 위치를 매핑하여 균열의 기하학적 구조를 추론한다. 표면 또는 굴착공에 배치된 틸트미터 배열은 변형을 모니터링하는 또 다른 기술이다.

미소지진 매핑은 지진학과 유사하다. 지진 지진학에서 지진계는 지진 이벤트 동안 방출되는 S파와 P파를 기록하여 단층면의 움직임과 위치를 추정한다. 수압파쇄는 지층 응력 증가와 공극 압력 증가를 유발하며,[43] 인장 응력은 균열 끝단 앞에서 생성되어 전단 응력을 발생시킨다. 공극 수압과 지층 응력의 증가는 자연 균열, 절리 및 층리면에 영향을 미친다.[44]

미소지진 이벤트 매핑의 정확도는 신호 대 잡음비 및 센서 분포에 따라 달라진다. 지진 역산으로 위치가 결정된 이벤트의 정확도는 여러 방위각에 센서를 배치하여 향상된다.

저수지 자극으로 유도된 미소지진 이벤트 모니터링은 수압파쇄 및 그 최적화를 평가하는 데 중요하다. 수압파쇄 모니터링의 주요 목표는 유도된 균열 구조와 전도도 분포를 특성화하는 것이다. 지반역학적 분석은 균열 네트워크 전파 환경을 정의하여 모니터링을 돕는다.[45]

3. 5. 수평정 완공

수평 시추는 1980년대 후반까지는 흔하지 않았다. 그러다 텍사스의 운영업체들이 오스틴 찰크에서 수평 시추하여 수천 개의 유정을 시추하고, 유공에 대규모 '슬릭워터' 수압파쇄 처리를 시작했다. 수평정은 조밀한 찰크에서 석유를 생산하는 데 수직정보다 훨씬 효과적임이 입증되었다.[28] 퇴적층은 일반적으로 거의 수평이므로 수평정은 표적 지층과 훨씬 더 넓은 접촉 면적을 갖는다.[35]

2000년대 초반부터 유정 시추 및 시추 완료 기술의 발전으로 수평정이 훨씬 더 경제적이게 되었다. 수평정은 기존 수직정보다 지층에 훨씬 더 넓게 노출될 수 있게 해준다. 이는 수직정을 사용해서는 경제적으로 생산할 수 없을 만큼 투과성이 충분하지 않은 셰일 지층에서 특히 유용하다. 이러한 유정은 육상에서 시추될 때, 특히 북미 지역에서 여러 단계로 수압 파쇄된다. 굴착정 완료 유형은 지층을 몇 번 파쇄할지, 그리고 수평 구간을 따라 어느 위치에서 파쇄할지를 결정하는 데 사용된다.

북미 지역에서는 바켄, 바넷, 몬트니, 헤인즈빌, 마르셀러스, 이글 포드, 니오브라라, 유티카 셰일과 같은 셰일 저류층이 생산 구간을 따라 수평으로 시추되고, 완료 및 파쇄된다. 파쇄를 굴착정을 따라 배치하는 방법은 "플러그 앤 퍼프(plug and perf)"와 "슬라이딩 슬리브(sliding sleeve)"라는 두 가지 방법 중 하나를 사용하여 가장 일반적으로 수행된다.

플러그 앤 퍼프 작업의 굴착정은 일반적으로 시추공에 설치된 시멘트 처리 또는 시멘트 처리되지 않은 표준 강철 케이싱으로 구성된다. 굴착 장비가 제거되면 와이어라인 트럭을 사용하여 우물 바닥 근처를 천공한 다음 파쇄 유체를 펌핑한다. 그런 다음 와이어라인 트럭이 우물에 플러그를 설치하여 해당 구간을 임시로 밀봉하여 굴착정의 다음 구간을 처리할 수 있도록 한다. 다른 단계가 펌핑되고, 이 과정은 굴착정의 수평 길이를 따라 반복된다.

슬라이딩 슬리브 기술의 굴착정은 슬라이딩 슬리브가 설치될 때 강철 케이싱에 설정된 간격으로 포함되어 있다는 점에서 다르다. 슬라이딩 슬리브는 일반적으로 이 시점에 모두 닫혀 있다. 우물을 파쇄할 때가 되면, 여러 활성화 기술 중 하나를 사용하여 바닥 슬라이딩 슬리브를 열고 첫 번째 단계를 펌핑한다. 완료되면 다음 슬리브가 열리고, 이전 단계를 동시에 격리하며, 이 과정이 반복된다. 슬라이딩 슬리브 방법의 경우, 일반적으로 와이어라인이 필요하지 않다.

이러한 완료 기술을 통해 필요한 경우 단일 우물의 수평 구간에 30단계 이상을 펌핑할 수 있으며, 이는 생산 구역이 훨씬 적은 수직 우물에 일반적으로 펌핑되는 것보다 훨씬 많다.[2]

수평 시추는 추출할 물질이 포함된 암석층과 평행하게 확장되는 "측면"으로 완료된 터미널 시추공을 가진 유정을 포함한다. 예를 들어, 측면은 텍사스주 바넷 셰일 분지에서 약 457.20m 에서 약 1524.00m까지, 그리고 노스다코타주 바켄 형성에서 최대 약 3048.00m까지 확장된다. 반대로, 수직 유정은 일반적으로 약 15.24m 에서 약 91.44m인 암석층의 두께에만 접근한다. 수평 시추는 동일한 양의 암석에 접근하기 위해 더 적은 유정이 필요하므로 지표면의 교란을 줄인다.

시추는 종종 시추공 벽의 기공 공간을 막아 시추공 주변의 투과성을 감소시킨다. 이는 주변 암석층으로부터 시추공으로의 유동을 감소시키고, 시추공을 주변 암석으로부터 부분적으로 밀봉한다. 저용량 수압 파쇄는 투과성을 회복하는 데 사용될 수 있다.

4. 용도

수압 파쇄법은 지하 자연 저수지에서 석유나 천연 가스와 같은 물질의 회수율을 높이는 데 사용된다. 저수지는 일반적으로 다공성 사암, 석회암, 또는 백운암이며, 셰일 암석이나 석탄층과 같은 "비전통적 저류층"도 포함한다. 수압 파쇄법은 1500m~6100m 깊이의 지구 표면 아래 암석층에서 천연 가스와 석유를 추출할 수 있게 해주며, 이는 일반적인 지하수 저수지 수준보다 훨씬 낮다. 이 깊이에서는 천연 가스와 석유가 암석에서 유정으로 흘러들어 가기에 충분한 투과율이나 저류 압력이 없을 수 있다. 따라서 암석에 전도성 균열을 만드는 것은 자연적으로 투과성이 없는 셰일 저류층에서 추출하는 데 필수적이다. 투과율은 마이크로다시에서 나노다시 범위로 측정된다. 균열은 더 넓은 저류층 부피를 유정과 연결하는 전도성 경로이다. "슈퍼 파쇄"는 더 많은 석유와 가스를 방출하기 위해 암석층 깊숙이 균열을 만들어 효율성을 높인다. 일반적인 셰일 시추공의 수율은 보통 첫 1~2년 후에 감소하지만, 유정의 최고 생산 수명은 수십 년까지 연장될 수 있다.

4. 1. 비 석유/가스 용도

수압파쇄법은 석유 및 가스정에서 생산을 촉진하는 데 주로 사용되지만, 다음과 같은 다양한 용도로도 활용된다.

  • 지하수정 자극
  • 광업에서 암석 붕괴를 사전 처리하거나 유도
  • 폐기물 정화 (일반적으로 탄화수소 폐기물 또는 유출 개선)[2]
  • 암석 깊숙이 주입하여 폐기물 처리
  • 지구의 응력 측정
  • 향상된 지열 시스템에서 발전
  • 이산화 탄소(CO2) 지질 격리를 위한 주입률 증가
  • 양수 발전을 통한 전기 에너지 저장[46]


1970년대 후반부터 미국, 호주, 남아프리카 등 여러 국가에서 우물의 식수 생산량을 늘리기 위해 수압파쇄법을 사용해 왔다.[47][48][49]

5. 경제적 효과

국제 에너지 기구에 따르면, 기술적으로 회수 가능한 셰일 가스 잔존량은 208e12m3이고, 타이트 가스는 76e12m3이며, 탄광 가스는 47e12m3로 추정된다. 일반적으로 이러한 자원의 지층은 기존 가스 지층보다 투과성이 낮다. 따라서 지층의 지질학적 특성에 따라 수압파쇄법과 같은 특정 기술이 필요하다. 기존 시추 또는 수평 시추와 같이 이러한 자원을 추출하는 다른 방법도 있지만, 수압파쇄법은 경제적으로 추출을 가능하게 하는 핵심적인 방법 중 하나이다. 다단계 파쇄 기술은 미국에서 셰일 가스 및 경질 타이트 오일 생산 개발을 촉진했으며, 비전통 탄화수소 자원이 있는 다른 국가에서도 이와 같은 역할을 할 것으로 여겨진다.

대다수의 연구에 따르면, 미국의 수압파쇄법은 지금까지 강력한 긍정적인 경제적 이점을 가져다주었다. 브루킹스 연구소는 셰일 가스만의 이점이 연간 480억달러의 순 경제적 이익으로 이어졌다고 추정한다. 이러한 이점의 대부분은 천연 가스 가격의 현저한 감소로 인해 소비자 및 산업 부문 내에서 발생한다.[50] 다른 연구에서는 경제적 이점이 외부 효과에 의해 상쇄되고, 탄소 및 물 집약도가 낮은 에너지원의 균등화된 전기 생산 비용(LCOE)이 더 낮다고 주장한다.[51]

수압파쇄법의 주요 이점은 천연 가스 및 석유 수입을 상쇄하는 것으로, 그렇지 않으면 생산자에게 지불되는 비용이 국내 경제에서 유출된다는 점이다.[52] 그러나 셰일 오일과 가스는 미국에서 고도로 보조금을 받고 있으며, 아직 생산 비용을 충당하지 못하고 있다.[53] 즉, 수압파쇄법의 비용은 소득세로 지불되며, 많은 경우 주유소에서 지불되는 비용의 두 배에 달한다.[54]

연구에 따르면, 수압파쇄법 우물은 우물 근처의 농업 생산성에 부정적인 영향을 미친다.[55] 한 논문에서는 "농업 활동이 활발한 달에 생산 마을 반경 11–20km 이내에서 우물을 시추하면 관개 작물의 생산성이 5.7% 감소한다. 이 효과는 마을과 우물 사이의 거리가 증가함에 따라 작아지고 약해진다."라고 밝혔다.[55] 이 연구 결과는 2014년 앨버타 주에 수압파쇄법 우물이 도입되면서 작물 생산성 감소로 인해 1480만달러의 손실이 발생했음을 시사한다.[55]

미국 에너지부의 에너지 정보청은 2035년까지 미국의 가스 공급의 45%가 셰일 가스에서 나올 것으로 추정한다(이 중 대다수는 온실 가스 배출량이 낮은 기존 가스를 대체할 것이다).[56]

6. 공론

수압파쇄법은 화학 물질에 의한 지하수 오염, 대량의 물 사용에 따른 지역 물 부족, 배수 지하 주입으로 인한 지진 발생 위험성 등 여러 문제점이 제기되어 2020년대에는 환경 영향 유무가 정치적 의제가 되고 있다.[116][117]

엑손모빌, 셰브론, 코노코필립스 등은 2011년과 2012년에 천연 가스의 경제적, 환경적 이점을 설명하고 수압파쇄가 안전하다고 주장하는 광고를 방영했으며, 영화 ''프로미스드 랜드''의 비판에 맞서 전단지, 트위터, 페이스북 게시물로 대응하기도 했다.

수압파쇄법 관련 연구 조사의 자금 출처는 논란의 초점이 되기도 한다.

6. 0. 1. 대중 운동 및 시민 사회 단체

비토리아-가스테이스 (스페인, 2012)에서 수압파쇄법 반대 포스터


멸종 반란 (2018)에서 수압파쇄법 반대 플래카드


반수압파쇄 운동은 프랑스 등 국제적인 환경 단체와 국가들이 관여하면서 국제적으로, 그리고 2013년 중반에 발콤에서 발콤 시추 시위가 진행되는 등 영향을 받는 지역에서 모두 나타났다.[57] 미국 지방 자치 단체에서 수압 파쇄 활동에 대한 상당한 반대는 기업들이 대중을 안심시키기 위해 다양한 홍보 조치를 채택하도록 이끌었으며, 여기에는 심리전 작전 훈련을 받은 전직 군인 고용이 포함된다. 레인지 리소스의 커뮤니케이션 이사 맷 피차렐라(Matt Pitzarella)에 따르면, 중동에서 훈련받은 직원은 정서적으로 격앙된 타운십 회의를 처리하고, 수압 파쇄와 관련된 구역 설정 및 지역 조례에 대해 타운십에 조언할 때 펜실베이니아주 레인지 리소스에 유용했다.

수압 파쇄를 겨냥한 많은 시위가 있었다. 예를 들어, 2013년 오하이오주 뉴 매터모라스 근처의 반수압파쇄 시위에서 10명이 개발 구역에 불법적으로 진입하여 시추 장비에 몸을 묶은 후 체포되었다. 펜실베이니아주 북서부에서는 유정 현장에서 드라이브 바이 총격 사건이 발생하여 누군가 소구경 소총 두 발을 시추 장치 방향으로 발사했다. 펜실베이니아주 워싱턴 카운티에서는 가스관 작업을 하던 하청업체가 파이프라인이 건설될 장소에 놓인 파이프 폭탄을 발견했는데, 지역 당국은 이를 발견하고 폭파하지 않았다면 "대참사"가 일어났을 것이라고 말했다.

6. 0. 2. 미국 정부 및 기업 로비

미국 국무부는 전 세계 정부가 주요 석유 및 가스 회사에 수압 파쇄 운영을 위한 양보를 하도록 설득하기 위해 글로벌 셰일 가스 이니셔티브를 설립했다. 미국 외교 전보 유출 문건에 따르면, 이 프로젝트의 일환으로 미국 관리들은 주요 석유 및 가스 회사 대표와, 자국 내 수압 파쇄에 대해 종종 매우 적대적인 반응을 보이는 대상 국가의 국민들을 진정시키는 방법에 대한 전문 지식을 갖춘 홍보 전문가들이 발표하는 회의를 외국 정부 관계자들을 위해 개최했다. 미국 정부 프로젝트는 여러 대륙의 많은 국가들이 수압 파쇄를 위한 양보를 허용하는 데 동의하면서 성공을 거두었다. 예를 들어, 폴란드는 주요 석유 및 가스 기업이 자국 영토의 거의 3분의 1에서 수압 파쇄를 허용하는 데 동의했다.[58] 미국 수출입 은행은 미국 정부 기관으로, 2010년 이후 호주 퀸즐랜드에서 설립된 수압 파쇄 운영에 47억달러의 자금을 지원했다.[59]

6. 0. 3. 러시아 국가 옹호 의혹



2014년, 다수의 유럽 관료들은 리투아니아와 우크라이나에서 성과가 엇갈린 수압파쇄법 반대 주요 유럽 시위가 러시아 국영 가스 회사인 가스프롬의 부분적인 지원을 받았을 수 있다고 주장했다. ''뉴욕 타임스''는 러시아가 유럽에 대한 천연 가스 수출을 지정학적 영향력의 핵심 요소로 간주했으며, 동유럽에서 수압파쇄법이 채택되면 이 지역의 상당한 셰일 가스 매장량이 개발되면서 시장이 축소될 것이라고 지적했다. 러시아 관료들은 수압파쇄법이 "엄청난 환경 문제를 야기한다"는 취지의 공개 발언을 여러 차례 했다.[60]

6. 0. 4. 현재 수압 파쇄 작업

수압파쇄법은 현재 미국의 아칸소주, 캘리포니아주, 콜로라도주, 루이지애나주, 노스다코타주, 오클라호마주, 펜실베이니아주, 텍사스주, 버지니아주, 웨스트버지니아주,[61] 와이오밍주에서 진행되고 있다. 앨라배마주, 인디애나주, 미시간주, 미시시피주, 뉴저지주, 뉴욕주, 오하이오주 등 다른 주들은 이 방법을 사용한 시추를 고려하거나 준비하고 있다. 메릴랜드주[62]와 버몬트주는 수압파쇄법을 영구적으로 금지했으며, 뉴욕주와 노스캐롤라이나주는 임시 금지 조치를 시행했다. 뉴저지주는 최근 만료된 수압파쇄법에 대한 2012년 모라토리엄을 연장하기 위한 법안이 현재 입법부에 계류 중이다. 영국에서는 최근 수압파쇄법 모라토리엄이 해제되었지만, 지진에 대한 우려와 시추의 환경적 영향으로 인해 정부는 신중하게 진행하고 있다. 프랑스와 불가리아는 현재 수압파쇄법을 금지하고 있다.[29]

6. 1. 다큐멘터리 영화

조쉬 폭스의 2010년 아카데미상 후보작인 영화 ''가스랜드''[63]는 셰일층 수압파쇄에 대한 반대 운동의 중심이 되었다. 이 영화는 펜실베이니아, 와이오밍, 콜로라도의 유정 부근에서 발생한 지하수 오염 문제를 다루었다. 석유 및 가스 산업 로비 단체인 ''Energy in Depth''는 이 영화의 사실 관계에 의문을 제기했다. 이에 대응하여, ''Energy in Depth'''의 부정확성에 대한 반박이 ''가스랜드'' 웹사이트에 게시되었다. 콜로라도 석유 및 가스 보존 위원회 (COGCC) 국장은 인터뷰 내용을 최종 영화에 포함하기 전에 검토할 수 있다면 영화의 일부로 인터뷰에 응할 의사가 있다고 밝혔지만, 폭스는 이 제안을 거절했다.

2012년 영화 ''프로미스드 랜드''는 맷 데이먼 주연으로, 수압파쇄를 다룬다.

2013년 1월, 북아일랜드의 저널리스트이자 영화 제작자인 펠림 맥알리어는 크라우드 펀딩을 통해[64] 다큐멘터리 ''프랙네이션''을 공개하여, 폭스가 ''가스랜드''에서 한 발언에 대한 반박으로 "천연 가스 수압파쇄에 대한 진실을 말한다"고 주장했다. ''프랙네이션''은 마크 큐반의 AXS TV에서 초연되었으며, 이 초연은 ''프로미스드 랜드''의 개봉과 일치했다.[65]

2013년 4월, 조쉬 폭스는 자신의 "수압파쇄와 관련된 비밀, 거짓말, 오염의 흔적을 파헤치는 국제적인 여정"을 담은 ''가스랜드 2''를 공개했다.

2014년, 비디오 이노베이션의 스콧 캐논은 다큐멘터리 ''수압파쇄의 윤리''를 공개했다. 이 영화는 수압파쇄에 대한 정치적, 정신적, 과학적, 의학적, 전문적인 관점을 다룬다.[66]

2015년, 캐나다 다큐멘터리 영화 ''프랙처드 랜드''가 핫 독스 캐나다 국제 다큐멘터리 영화제에서 세계 초연되었다.[67]

6. 2. 연구 문제

연구 조사의 자금 출처는 일반적으로 논란의 초점이 된다. 재단, 기업, 또는 환경 단체에서 자금을 지원하는 연구에 대한 우려가 제기되었으며, 이는 때때로 신뢰할 수 없는 연구로 보일 수 있다. 여러 기관, 연구자, 언론 매체들은 산업계와 정부의 압력으로 인해 수압파쇄법에 대한 연구를 수행하고 그 결과를 보고하는 데 어려움을 겪었다고 보고했으며, 환경 보고서 검열 가능성에 대한 우려를 표명했다.[2] 일부에서는 이 기술의 환경 및 건강 영향에 대한 더 많은 연구가 필요하다고 주장했다.[68]

7. 건강 위험

청정에너지 행진 시 반 수압파쇄 배너 (필라델피아, 2016)


수압파쇄 활동은 공중 보건에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 우려가 있다.[68] 2013년 미국의 셰일 가스 생산 검토에서는 시추 현장 증가로 인해 더 많은 사람들이 사고 및 파쇄된 우물에서 사용되는 유해 물질에 노출될 위험이 커진다고 언급했다.[69] 2011년 위험성 평가는 수압파쇄 및 시추에 사용되는 화학 물질의 완전한 공개를 권고했는데, 이는 많은 화학 물질이 즉각적이거나 장기적인 건강 영향을 줄 수 있기 때문이다.[70]

2014년 6월, 영국 공중 보건청은 수압파쇄가 이미 발생한 국가의 문헌 및 데이터를 검토하여 영국의 셰일 가스 추출로 인한 화학 물질 및 방사성 오염 물질 노출 시 발생 가능한 공중 보건 영향에 대한 보고서를 발표했다. 보고서에 따르면, 셰일 가스 추출 관련 배출에 노출될 경우 공중 보건에 미칠 수 있는 잠재적 위험은 운영이 적절하게 수행되고 규제될 경우 낮을 것이라고 한다. 지하수 오염 발생 시, 수직 시추공 누출로 인해 발생할 가능성이 가장 높다. 지하 수압파쇄 과정 자체(셰일 파쇄)로 인한 지하수 오염은 발생 가능성이 낮다. 그러나 수압파쇄 액체 또는 폐수의 표면 유출은 지하수에 영향을 줄 수 있으며, 대기 배출 또한 건강에 영향을 줄 수 있다. 문헌에서 확인된 잠재적 위험은 전형적으로 운영 실패 및 열악한 규제 환경의 결과이다.

2012년 유럽 연합 환경 총국 보고서에서는 수압파쇄로 인한 대기 오염 및 지하수 오염으로 인한 잠재적인 인체 위험을 확인했다. 2014년에는 이러한 우려를 완화하기 위한 권고 사항이 제시되었다.[71][72] 2012년 미국 소아과 간호사 지침에서는 수압파쇄가 공중 보건에 부정적인 영향을 줄 수 있으며, 소아과 간호사는 지역 사회 보건 개선을 위해 관련 정보를 수집할 준비가 되어 있어야 한다고 밝혔다.[73]

The American Economic Review 게재된 2017년 연구에 따르면 지역 사회 급수 시설 1킬로미터 이내에 추가 시추 패드 시추 시 식수에 셰일 가스 관련 오염 물질이 증가한다.[74]

2022년 하버드 T.H. 챈 공중 보건 대학원 연구(Nature Energy 게재)에 따르면, 수압파쇄를 포함한 추출 방법을 사용하는 비전통적 석유 및 가스 개발(UOGD) 지역이나 하류 지역 거주 노년층은 비거주 노년층에 비해 조기 사망 위험이 더 높다.[75]

미국 노동부 수집, 질병 통제 예방 센터 분석 통계에 따르면, 시추 활동과 시추 관련 산업 재해 및 자동차 사고, 폭발, 추락, 화재 건수 사이에 상관관계가 있다.[76] 추출 작업자는 폐암 및 규폐증(암석 시추 및 모래 취급으로 인한 실리카 먼지 노출)을 포함한 폐 질환 위험이 있다.[77] 미국 국립 산업 안전 보건 연구원(NIOSH)은 일부 수압파쇄 작업 근로자의 공기 중 실리카 노출을 건강 위험으로 확인했다.[78] NIOSH와 OSHA는 2012년 6월 이 주제에 대한 공동 위험 경고를 발표했다.[78]

추출 인력은 방사선 노출 위험이 증가한다. 수압파쇄 활동은 종종 라돈, 토륨, 우라늄과 같은 자연 발생 방사성 물질(NORM)을 포함하는 암석을 시추해야 한다.[79]

캐나다 의학 저널(Canadian Medical Journal) 보고서에 따르면, 연구 결과 백혈병과 림프종 위험을 증가시키는 20가지 요소를 포함하여 암 유발 가능성이 있는 55가지 요소를 확인했다. 예일 공중 보건 분석에서는 수압파쇄 우물 1마일 이내 거주하는 수백만 명이 이러한 화학 물질에 노출되었을 수 있다고 경고한다.[80]

8. 환경적 영향

수압파쇄의 잠재적인 환경적 영향에는 대기 배출 및 기후 변화, 높은 물 소비, 지하수 오염, 토지 사용,[81] 지진 위험, 소음 공해 및 인간에게 미치는 다양한 건강 영향이 포함된다.[82] 대기 배출은 주로 우물에서 배출되는 메탄과 추출 과정에 사용되는 장비에서 발생하는 산업 배출이다. 메탄 유출은 최근 EU 법률에 따라 건설된 우물보다 오래된 우물에서 더 큰 문제이다.

2016년 12월 미국 환경 보호국(EPA)은 수압파쇄 활동이 식수 자원에 영향을 미칠 수 있다는 과학적 증거를 발견했다는 보고서를 발표했다.[83] EPA에 따르면 식수가 오염될 수 있는 몇 가지 주요 이유는 다음과 같다.


  • 물 부족 시대 또는 지역에서 수압파쇄에 사용하기 위한 물 제거[83]
  • 대량 또는 고농도의 화학 물질이 지하수 자원에 도달하는 수압파쇄 유체 및 화학 물질 취급 중 유출[83]
  • 기계 오작동 시 수압파쇄 유체를 우물에 주입하여 가스 또는 액체가 지하수 자원으로 이동하도록 허용[83]
  • 수압파쇄 유체를 지하수 자원에 직접 주입[83]
  • 결함이 있는 수압파쇄 폐수를 표면수로 누출[83]
  • 지하수 자원의 오염을 초래하는 라이닝이 없는 구덩이에 수압파쇄 폐수 처리 또는 보관[83]


셰일 오일의 생애 주기 온실 가스 배출량은 기존 오일보다 21%-47% 더 높고, 비전통 가스의 배출량은 기존 가스 배출량보다 6% 낮거나 43% 더 높다.[84]

수압파쇄는 우물당 1.2e6USgal에서 3.5e6USgal의 물을 사용하며, 대규모 프로젝트는 최대 5e6USgal을 사용한다.[85] 우물을 다시 파쇄할 때 추가적인 물이 사용된다. 평균 우물은 수명 동안 3e6USgal에서 8e6USgal의 물이 필요하다. 옥스퍼드 에너지 연구소에 따르면 유럽에서는 셰일 깊이가 미국보다 평균 1.5배 더 깊어 더 많은 양의 파쇄 유체가 필요하다. 표면수는 유출 및 부적절하게 건설되고 유지 관리되는 폐기물 구덩이를 통해 오염될 수 있으며, 지하수는 유체가 파쇄되는 지층에서 탈출할 수 있는 경우(예: 폐쇄된 우물, 단층) 또는 생산수(미네랄 및 염수와 같은 용해된 성분을 포함하는 반환 유체)에 의해 오염될 수 있다.[86] 오래된 폐쇄된 우물을 통해 염수 및 파쇄 유체가 누출되어 지하수가 오염될 가능성은 낮다.[87] 생산수는 지하 주입, 도시 및 상업용 폐수 처리 및 배출, 우물 현장 또는 현장의 자급식 시스템, 그리고 향후 우물을 파쇄하기 위한 재활용을 통해 관리된다. 일반적으로 지층 파쇄에 사용되는 생산수의 절반 미만이 회수된다.[88]

미국에서는 1,200만 에이커가 넘는 면적이 화석 연료에 사용되고 있다. 각 시추 패드당 지표 시설에 약 3.6ha의 토지가 필요하다. 이는 옐로스톤 국립 공원 6개와 맞먹는다.[89] 우물 패드 및 지원 구조물 건설은 풍경을 크게 분열시켜 야생 동물에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.[90] 이 부지는 우물이 고갈된 후 복구해야 한다. 연구에 따르면 생태계 서비스 비용(즉, 자연 세계가 인류에게 제공하는 프로세스)이 미국에서 연간 2.5억달러를 넘어섰다.[91] 각 우물 패드(패드당 평균 10개의 우물)는 준비 및 수압파쇄 과정에서 약 800~2,500일의 소음 활동이 필요하며, 이는 주민과 지역 야생 동물 모두에게 영향을 미친다. 또한 수압파쇄에 필요한 지속적인 트럭 운송(모래 등)으로 인해 소음이 발생한다. 대기 오염 및 수질 오염이 인간의 건강에 영향을 미쳤는지 여부를 결정하기 위한 연구가 진행 중이며, 해를 방지하고 해를 입힐 수 있는 사고의 위험을 관리하기 위해 안전 절차 및 규정을 엄격하게 준수해야 한다.

2013년 7월 미국 연방 철도청은 수압파쇄 화학 물질에 의한 석유 오염을 유조차 부식의 "가능한 원인"으로 나열했다.[92]

수압파쇄는 때때로 유발 지진 또는 지진과 관련이 있다.[93] 이러한 사건의 규모는 일반적으로 표면에서 감지하기에는 너무 작지만, 폐기 우물에 유체를 주입하는 것으로 인한 진동은 종종 사람들에게 느껴지고 재산 피해와 부상을 초래할 정도로 컸다.[94][95][96] 미국 지질 조사국은 여러 주에서 최대 790만 명의 사람들이 캘리포니아와 유사한 지진 위험을 가지고 있으며, 수압파쇄 및 유사한 관행이 주요 기여 요인이라고 보고했다.[97]

미세 지진 사건은 종종 파쇄의 수평 및 수직 범위를 매핑하는 데 사용된다. 파쇄가 이루어지고 주입정에 사용되는 지역의 지질에 대한 더 나은 이해는 심각한 지진 사건의 가능성을 완화하는 데 도움이 될 수 있다.[98]

사람들은 강과 저수지를 포함하는 표면수 또는 공공 또는 개인 우물에 접근하는 지하수 대수층에서 식수를 얻는다. 수압파쇄 활동으로 인해 인근 지하수가 오염된 사례가 이미 많이 문서화되어 있어, 개인 우물을 사용하는 주민들은 식수 및 일상 생활을 위해 외부 수원에서 물을 얻어야 한다.[99][100]

"PFAS" 또는 "영원한 화학 물질"로도 알려진 과불화 및 폴리플루오로알킬 물질은 암 및 선천적 결손과 관련이 있다. 수압파쇄에 사용되는 화학 물질은 환경에 남아 있으며, 해당 화학 물질은 결국 PFAS로 분해된다. 이러한 화학 물질은 시추 현장에서 탈출하여 지하수로 들어갈 수 있다. PFAS는 수백만 갤런의 폐수를 저장하는 지하 우물로 누출될 수 있다.[101]

이러한 건강 문제와 수압파쇄의 환경적 및 건강적 영향이 더 잘 이해될 때까지 수압파쇄에 대한 모라토리엄을 시행하려는 노력에도 불구하고 미국은 화석 연료 에너지에 크게 의존하고 있다. 2017년 미국 연간 에너지 소비의 37%는 석유에서, 29%는 천연 가스에서, 14%는 석탄에서, 9%는 핵원에서, 그리고 풍력 및 태양열 발전과 같은 재생 에너지원은 11%에 불과했다.[102]

2022년 미국은 우크라이나 전쟁으로 인해 새로운 시추 승인이 대폭 증가하면서 수압파쇄 붐을 경험했다. 계획된 시추는 연간 전 세계 배출량보다 4배 더 많은 1,400억 톤의 탄소를 배출할 것이다.[103]

천연가스나 석유 굴착 시에는 특수한 모래 입자('''프로판트''' proppant)와 산, 방부제, 겔화제, 마찰 저감제 등의 화학 물질을 첨가한 물이 사용되며, '''프랙처링 유체'''(fracturing fluid) 또는 '''프래킹 워터'''(fracking water)라고 불린다.[115]

화학 물질에 의한 지하수 오염, 대량의 물 사용에 의한 지역의 물 부족 가능성, 배수 지하 주입에 의한 지진 발생의 위험성 등의 문제점이 지적되고 있다.[116] 미국의 산유 지대에서는 셰일층에서 천연가스를 채취하는 수법으로 알려져 있으며, 2020년대에는 환경에 영향을 미칠 가능성 유무가 정치적 수준에서 의제가 될 때가 있다.[117]

9. 규제

2011년, 프랑스는 여론의 압력에 따라 사전 예방 원칙과 환경 위험 예방 및 시정 조치 원칙에 의거, 수압파쇄법을 금지한 최초의 국가가 되었다.[104][105] 이 금지 조치는 2013년 10월 프랑스 헌법 위원회의 판결로 유지되었다.[106] 스코틀랜드 등 일부 국가는 공중 보건 문제와 대중의 반대로 인해 이 관행에 대한 임시 중단을 시행했다. 잉글랜드와 남아프리카 공화국 등은 전면 금지 대신 규제에 초점을 맞추고 금지를 해제했다.[107] 독일은 습지 지역을 제외하고 셰일 가스 매장량 개발에 수압파쇄법 사용을 허용하는 규정 초안을 발표했다. 중국에서는 셰일 가스 규제가 다른 규제 체제, 특히 무역과의 복잡한 상호 관계 때문에 난관에 직면해 있다.[108] 호주의 많은 주가 탄화수소에 대한 파쇄법을 영구적 또는 임시적으로 금지했다. 2019년, 영국에서는 수압파쇄법이 금지되었다.[109]

유럽 연합은 대량 수압파쇄법 사용을 위한 최소 원칙에 대한 권고안을 채택했다. 이 규제 체제는 모든 첨가제의 완전한 공개를 요구한다. 미국에서는 지하수 보호 위원회가 오일 및 가스 무역 그룹과 미국 에너지부의 자금 지원을 받아 수압파쇄 유체에 대한 온라인 자발적 공개 데이터베이스인 FracFocus.org를 시작했다.[2] 수압파쇄법은 안전한 식수법의 지하 주입 통제 규제에서 제외되지만, 디젤 연료가 사용되는 경우는 예외이다. 환경 보호국은 디젤 연료가 사용될 때 시추 허가 발급에 대한 감시를 보장한다.[110]

2012년, 버몬트주는 미국에서 수압파쇄법을 금지한 최초의 주가 되었다. 2014년 12월 17일, 뉴욕주는 인체 건강 및 환경에 대한 잠재적 위험으로 인해 모든 수압파쇄법에 대한 완전한 금지를 발표한 두 번째 주가 되었다.[111][112][113]

참조

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