• 한국석유지질학회지
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• 제14권1호
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• pp.1-11
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• 2008

오일샌드는 비재래형(unconventional) 석유자원의 하나로서 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합물이다. 오일샌드 비투멘은 API 비중이 $8-14^{\circ}$이고 점도가 10,000 cP 이상인, 매우 무겁고 점성이 큰 탄화수소 자원으로서 일반적으로 지표나 천부퇴적층에서 유동성을 갖지 않는다. 오일샌드 비투멘은 주로 캐나다 앨버타주와 사스캐추완주에 분포하고 있으며, 캐나다에만 원시부존량이 1조 7천억 배럴, 확인매장량이 1천 7백억 배럴에 달한다. 대부분은 앨버타주 포트 멕머레이(Fort McMurray) 인근의 아사바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake), 피스리버(Peace River) 지역에 매장되어 있다. 캐나다 오일샌드 저류지층은 아사바스카 지역의 멕머레이층(McMurray Fm)과 클리어워터층(Clearwater Fm), 콜드레이크 지역의 멕머레이층(McMurray Fm), 클리어워터층(Clearwater Fm), 그랜드래피드층(Grand Rapid Fm), 피스리버 지역의 블루스카이층(Bluesky Fm)과 게팅층(Gething Fm)이다. 이들 지층은 하부 백악기 지층으로서 중생대 초-중기에 발생한 북미판과 태평양판의 충돌과 그로 인한 대륙전면분지(foreland basin)의 형성과정에서 퇴적되었다. 분지의 기반암은 복잡한 지형을 갖는 고생대 탄산염암이며, 그 위에 북미대륙 북쪽의 보레알해(Boreal Sea)로부터 현재의 북미대륙 서부를 남북으로 관통하는 전기백악기내해로(Early Cretaceous Interior Seaway)를 따라 해침이 발생하면서 오일샌드 저류지층이 형성되었다. 세 개의 주요 오일샌드 분포지역 가운데 80% 이상의 오일샌드를 매장하고 있는 아사바스카 지역의 저류지층인 멕머레이층과 크리어워터층의 최하부층원인 와비스코 층원(Wabiskaw Mbr)은 전기 백악기 시기의 해침층서를 잘 반영하고 있다. 멕머레이층 하부에는 하성기원의 퇴적층이 발달하고, 상부로 가면서 점차로 조석기원의 천해 퇴적층이 우세해지며, 와비스코 층원에 와서는 의해 세립질 퇴적층이 광역적으로 분포한다. 이러한 해침기원의 상향 세립화 경향은 아사바스카 오일샌드 부존지역에서 일반적으로 관찰된다. 오일샌드 부존지층은 일반적으로 불균질 저류층이며, 주요 저류층은 하성퇴적층이나 에스츄어리(estuary) 기원의 퇴적층에 발달한 하도-포인트 바 복합체(channel-pont bar complex)이다. 이러한 하도-포인트바 복합체는 범람원 및 조수평원 세립질 퇴적층이나 만-충진(bay-fill) 퇴적층과 함께 멕머레이층을 형성한다. 멕머레이층 상부에 오는 와비스코 층원은 주로 외해 세립질 퇴적층으로 이루어져 있으나, 멕머레이층을 대규모로 침식하는 하도사암층이 지역적으로 발달하기도 한다. 캐나다에서 오일샌드는 주로 노천채굴(surface mining)과 심부열회수(in-situ thermal recovery) 방식으로 생산한다. 50 m 미만의 심도에 묻혀있는 오일샌드는 노천채굴 방식으로 회수하여 비투멘 추출(extraction)과 개질(upgrading)과정을 거쳐 합성원유(synthetic crude oil)로 생산된다. 반면에 150-450 m 심도에 묻혀있는 오일샌드는 주로 심부열회수 방식으로 비투멘을 회수하여 비교적 간단한 비투멘 블렌딩(blending)과정을 통해 유동성을 증가시켜 정유시설로 운반한다. 심부열회수 방식으로 오일샌드를 개발할 경우 주로 스팀주입중력법(SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage)이나 주기적스팀강화법(CSS: Cyclic Steam Stimulation)이 사용된다. 이러한 방법들은 저류층에 스팀을 주입하여 저류층 내의 온도를 상승시킴으로써 비투멘의 유동성을 증가시켜 회수하는 기술을 사용한다. 따라서 오일샌드 저류층 내부의 스팀전파효율을 결정하는 저류지층의 주요 지질특성에 대한 이해가 선행되어야 효과적인 생산설계와 효율적인 생산을 수행할 수 있다. 오일샌드 생산에 영향을 미치는 저류층의 주요 지질특성에는 (1)비투멘 샌드층의 두께(pay) 및 연결성(connectivity), (2) 비투멘 함량, (3) 저류지역 지질구조, (4) 이질배플(mud baffle)이나 이질프러그(mud plug)의 분포, (5) 비투멘 샌드층에 협재하는 이질퇴적층의 두께 및 수평연장성(lateral continuity), (6) 수포화층(water-saturated sand)의 분포, (7) 가스포화층(gas-saturated sand)의 분포, (8) 포인트바의 성장방향성, (9) 속성층(diagenetic layer)의 분포, (10) 비투멘 샌드층의 조직특성 변화 등이 있다. 이러한 지질특성에 대한 고해상의 분석을 통해 보다 효과적인 오일샌드 개발이 달성될 수 있을 것이다.

• 공업화학
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• 제24권1호
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• pp.10-17
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• 2013

중질탄화수소를 부가가치가 높은 경질탄화수소로 전환하는 업그레이딩 공정은 기존 정유공정에서 사용되고 있는 기술이다. 최근 석유자원의 한계로 비재래형 에너지(Non conventional energy)기술 개발의 중요성이 증가하고 되었고, 그 생산기술이 점차 상용화되어 기존 정유제품의 수요를 대체하고 있다. 향후 자원 부국과의 경쟁입지를 확보하기 위해서는 이러한 비재래형 에너지를 이용하기 위한 기술개발이 매우 중요하다. 대표적인 비재래형 에너지로는 오일샌드 (oil sands), 초중질유(extra heavy oil), 셰일가스(shale gas) 등이 있으며, 이 중 오일샌드 및 초중질유는 원유를 대체할 수 있는 비재래형 에너지원으로, 이들 이용기술은 캐나다 및 베네수엘라에서 상업적으로 개발되었다. 특히, 비튜멘 (bitumen) 및 GTL (Gas-To-Liquid) 합성공정의 중간산물인 FT (Fischer-Tropsch) wax는 업그레이딩(upgrading) 혹은 정제 (refining) 공정을 거쳐 가솔린이나 디젤유과 같은 고부가가치 정유 제품으로 생산된다. 이러한 업그레이딩 공정은 기존 원유 정제공정에서 이루어지고 있는 저급 중질탄화수소의 고도화 공정에 해당되는 기술이다. 비튜멘은 상온에서도 유동성이 없는 고점성의 초중질유와 비슷한 물성을 가진 물질로 기존 정유플랜트에서 처리하기 어려운 성분들이 다량 포함되어 있어, 원유 정제 기술의 고도화 설비와는 차별화된 기술의 적용이 필요하다. 또한, 생산, 수송 및 판매에 많은 비용과 기술적 제한 사항이 존재하며, 특히 비튜멘 생산과 고부가화 합성원유 생산을 위해 필요한 많은 에너지 비용과 플랜트 건설 투자비용은 오일샌드 개발의 큰 장애 요소로 작용되고 있다. 그러나 비튜멘의 생산, 수송, 고부가화 부문의 기술적, 사업적 발전 방향에 대한 연구, 검토가 기존 정유사업 고도화와 연계하여 활발히 진행 중에 있다. 오일샌드의 경우, 비튜멘의 일반적인 시장 판매 방법으로 단순히 희석제와 혼합하여 판매하는 방법이 있고, 업그레이딩을 통하여 합성원유의 형태로 판매하는 방법이 있다. 전자의 경우엔 원유가 대비 희석 비튜멘의 가격차가 커지고, 희석제의 가격이 올라가는 시장상황에서는 불리하다. 또한, 플랜트의 용량이 증가하면, 더욱 경제성이 없어진다. 그래서 처리용량에 맞는 업그레이딩의 적용은 이러한 시장 환경 변화에 대한 대비라 할 수 있다. 이러한 비재래 에너지원의 고부가화(upgrading) 기술에 대하여 알아보고자 한다.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.19-24
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• 2016

Oil sands are a mixture of sand, clay, and a high-viscosity petroleum called bitumen. Steam-Assisted Gravity Drainage (SAGD) is the most viable and environmentally safe recovery technology for extracting bitumen. It extracts the viscosity-lowered bitumen by high pressure, high temperature steam injected into the bitumen reservoir. The steam is produced at the Central Processing Facility (CPF). Typically, more than 90% of the energy consumed in producing bitumen are used to generate the steam. Fuels are employed in the process, which cause economic and environmental problems. This paper explores the retrofit of heat exchanger network to reduce the usage of hot and cold utilities. The hot and cold utilities are reduced respectively 6% and 37.3% which in turn resulted in 5.3% saving of total annual cost by improving the existing heat exchanger network of the CPF.

• 공업화학
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• 제25권2호
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• pp.209-214
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• 2014

SDA (Solvent deasphalting)를 이용한 오일샌드 역청의 부분경질화 공정을 개발하기 위해 수행된 본 연구에서는 말텐에 대하여 포화탄화수소 용매의 종류, 용매 투입 비율, 온도, 전단속도 등에 따른 유변학적 거동과 비뉴톤 특성을 살펴보았다. 오일샌드 역청은 전단속도가 $50sec^{-1}$이고, 온도가 $25{\sim}85^{\circ}C$인 조건에서 $800{\sim}150000mPa{\cdot}s$의 겉보기 점도를 보이며, $35^{\circ}C$ 이하에서는 0.1~0.3 Pa의 항복응력을 나타냈다. 오일샌드와 말텐은 모두 Pseudoplastic의 특성을 보이고 포화탄화수소 용매의 탄소 수가 낮아질수록 말텐의 겉보기 점도는 감소하였다. 겉보기 점도와 온도와의 상관관계는 Guzman-Andrade식으로 나타낼 수 있었으며, n-Pentane의 투입 비율이 커짐에 따라 말텐의 점도가 감소하였다. 또한 온도가 높아질수록 말텐은 뉴톤 유체에 접근하였고, 용매로 사용된 포화탄화수소의 탄소 수가 작아질수록 비뉴톤 성질은 증가하였다.

• 공업화학
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• 제19권6호
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• pp.592-599
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• 2008

오일샌드는 원유성분이 함유되어 있는 모래로 종전에는 높은 생산비용으로 인해 큰 관심을 끌지 못했지만, 최근 고유가 시대를 맞아 새로운 대체원유로서 세계적으로 주목받고 있다. 특히 오일샌드로부터 추출한 역청을 개질(upgrading)하여 합성원유를 만드는 기술을 통해 그 가치 및 활용가능성을 더욱 넓힐 수 있다. 본 연구에서는 개질 기술이 출원되기 시작한 1969년부터 2006년까지 미국, 캐나다, 일본, 유럽, 한국의 213건의 특허를 수집하여 특허출원 동향 분석을 수행하였다. 개질 기술은 수소화 분해 기술, 코킹 기술, 열분해 기술, 아스팔텐 제거 기술, 초임계 기술, 생물학적 기술, 수소화 처리 기술, 가스화 기술 및 기타 기술의 9가지 세부기술로 나누어 정리하였다. 오일샌드로부터 합성원유 생산기술 중 개질 기술은 1970년대 이후 특허 출원 건수가 증가하다가 1980년대 초반에 가장 많은 특허를 출원하였고, 최근 들어 다시 서서히 증가하는 경향을 보이고 있다. 다른 나라에 비해 오일샌드 관련 기술력이 취약한 한국도 자원 자주개발율을 높이기 위해 오일샌드 생산 및 활용기술, 특히 축적된 석유정제 기술력에 기반한 개질 기술 개발이 필요한 상황이다.

• 자원리싸이클링
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• 제18권1호
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• pp.3-12
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• 2009

오일샌드는 원유성분이 함유되어 있는 모래로 종전에는 높은 생산비용으로 인하여 큰 관심을 받지 못했지만, 최근 초고유가 시대를 맞아 새로운 대체 원유로서 세계적으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 오일샌드로부터 합성원유 생산과 관련되어 한국을 포함하여 미국, 캐나다, 일본, 유럽, 중국에서 공개된 출원특허를 대상으로 분석하였고, 전체기술을 채굴, 추출, 개질, 연료화, 기타 기술로 나누어 세부기술 분석을 실시하였다. 오일샌드로부터 합성원유 생산 기술에 관한 특허는 1969년에 첫 출원이 이루어진 후, 꾸준히 출원건수를 보이고 있으며 특히 국제유가변동 추이에 출원건수가 영향을 받는 것으로 나타나고 있다. 미국과 캐나다 특허의 점유율이 전체의 약 90%로 오일샌드 기술을 주도하고 있음을 알 수 있다. 전체 기술 특허 중 추출 기술과 채굴 기술이 77% 이상을 차지하여 가장 활발한 활동을 보였지만, 2000년대 이후에는 출원건수가 감소하거나 일정한 양상을 보이고 있다. 반면, 개질 기술은 출원건수가 최근 들어 증가하고 있는데. 이는 근래에 관련 기술 중 개질 기술에 대한 연구가 활발함을 나타내고 있다.

• Corrosion Science and Technology
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• 제7권6호
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• pp.350-361
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• 2008

Canada's oil sands contain one of the largest reserves of oil in the world. According to recent estimates, there are nearly 180 billion barrels of oil in the Canadian oil sands trapped in a complex mixture of sand, water and clay. More than 40 companies have been currently operating or developing oil sands facilities since the first production in 1967. The process of oil sands upgrading is similar with down stream refinery, but the corrosion environment in upgrading refinery is often more severe than in the refinery because of high chlorides, mineral contents, carbonic acid, heavy viscosity and fouling, higher naphthenic acid [$NA-R(CH_{2})nCOOH$], and greater sulfur contents. Naphthenic acid corrosion (NAC) which is one of the most critical corrosion issues in up & downstream refinery plants was observed for the first time in 1920's in refinery distillation processes of Rumania, Azerbaizan (Baku), Venezuela, and California. As a first API report, the 11th annual meeting stated sources and mechanism of NAC in early 1930's. API has been developing the risk base standards, such as API RP580, 571, and Publication 581 which are based on the worst NAC damage in the world since 2000. Nevertheless not only the NAC phenomena and control in Canadian sands oil process are not much widely known but also there are still no engineering guidances for the Canadian sands oil in API standards. This paper will give NAC phenomina and materials selection guidance against NA environment in Canadian oil sands upgrading processes.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.5-9
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• 2016

The purpose of this paper is to define criteria to be used as part of the engineering design for an oil sands plant equipped with the steam assisted gravity drainage process. In this effort, the oil treatment process of an oil sands plant on a pilot scale was focused for detailed investigation. The thermodynamic properties of the process fluid, which is mainly composed of bitumen and water, were estimated with the CPA model. The commercial tool aspen HYSYS was used for the analysis throughout this work along with the provided input data and some necessary assumptions. From the simulation results, the heat and mass balances for a 300 BPD plant were established in order to define standard data for its modular design. In particular, the basis of design for equipment size, heat transfer areas, capital cost and operation cost was extensively discussed.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제40권2호
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• pp.332-341
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• 2023

오일샌드 테일링의 방류 예정 소식은 찬반 논쟁을 이끌고 있다. 노천광 채굴연계 비투멘 추출공정은 폐수의 발생이 필연적이며, 테일링 인공호수에 저장된다. 현재, 방치된 테일링 인공호수의 규모는 갈수록 그 양이 커지고 있다. 테일링 처리가 매우 어려운 원인으로, 테일링 내의 MFT(mature fine tailings) 층의 생성과 연관이 깊다. 테일링 처리를 위해서는, MFT내에 분산된 미립자를 효과적으로 응집시켜 고체와 액체를 분리하는 핵심 공정이 필요하다. 본 논문에서는 먼저 채굴연계 비투멘 추출공정을 소개하였고, 이를 통해 테일링의 구성 성분과 MFT 특성에 대해서 정리하였다. 또한, MFT 처리공정에 대해 살펴보았다. 향후, 효과적인 고분자 응집제의 선정과 효율적인 탈수공정의 연계성으로 MFT 처리가 성공적으로 진행되기를 기대한다.

• 에너지공학
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• 제17권1호
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• pp.38-45
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• 2008

본 연구는 캐나다산 아사바스카 오일샌드 역청(Athabasca Oilsands Bitumen)의 용매 불용분 실험(Solvent-Insolubles Experiment)을 통하여 아스팔텐(Asphaltenes : Solvent-Insolubles) 및 말텐(Maltenes : Solvent-Solubles)에 대한 다양한 물리 화학적 특성변화를 살펴보기 위하여 수행되었다. 용매는 n-Heptane, n-Hexane, n-Pentene의 3가지 용매를 사용하였고, 아스팔텐의 분리는 ASTM D 3279 방법을 응용하여 실시하였다. 역청, 아스팔텐, 말렌에 대한 분석항목은 원소분석, 분자량 분포, 비점 분포, 중금속 함량, API 비중, 점도, SARA 분포 등이다. 분석 결과 모든 말텐의 황 함량, 중금속 함량 및 분자량은 역청에 비하여 낮은 경향을 보였다. 그리고 n-Pentane 용매를 사용한 경우가 다른 용매에 비하여 말텐의 점도가 감소하였고, 황, 중금속 함량 및 분자량도 상대적으로 낮게 측정되었다. 따라서, 본 실험결과는 합성원유(SCO) 생산을 위한 역청의 경질화 공정에 필요한 기초자료로 활용할 수 있다고 판단된다.