탄화수소(hydrocarbon) 자원은 일반적으로 석유와 천연가스를 일컫는다. 이중 액체상 탄화수소인 석유(oil, crude, 또는 crude oil)는 지하와 지표에서 모두 액체로 존재하며, 아스팔트(asphalt)와 같은 유동성이 있는 고체상 탄화수소 (그림 1), 석탄이나 케로진(kerogen)과 같은 고체상 탄화수소, 얼음의 결정구조 속에 메탄이나 다른 가스가 갇혀 있는 가스수화물(gas hydrate)과 구별된다.

그림 1. 석유를 정유공장에서 정제한 후 얻어진 고체상의 아스팔트 덩어리.

목차

탄화수소는 탄소(C)와 수소(H)가 기본 요소로 이루어진 화합물들의 혼합체이다. 석유는 탄소 85%, 수소 13%, 기타 황(S) 0.1~7.0%, 질소(N) 0.01~0.9%, 산소(O) 0.06~0.4% 등의 평균 중량비율로 이루어진다. 특히 황 성분을 포함한 석유는 석유의 탐사, 개발, 생산에 사용되는 기반 시설과 정유 시설을 부식시키며, 연소시 발생하는 황 성분은 산성비의 원인이 되기 때문에 과거에는 황 함량이 적은 석유가 선호되었다. 이 때 황을 최대 7% 함유하는 석유를 신원유(sour oil 또는 sulphurous oil)라 하며, 황 성분이 거의 없는 석유를 단원유(sweet crude 또는 sweet oil)라 한다. 그 외에도 석유에는 특수강의 제조 등에 사용되는 미량 금속인 니켈(Ni)이 평균 18 ppm, 최대 약 150 ppm, 그리고 바나듐(V)이 평균 63 ppm, 최대 약 1200 ppm 함유되어 있다.

석유의 색과 점도는 매우 다양하며, 석유의 비중(specific gravity)은 미국석유협회(American Petroleum Institute)가 정한 다음과 같은 식으로 표시한다.

API gravity = (141.5 / ρ) – 131.5, ρ = 15.5°C 에서 석유의 비중

물의 비중(ρ = 1.0)으로 계산된 값은 10°API이며 비중이 높은 석유일수록 API° 값이 작다. 일반적으로 석유의 API°는 5°에서 60°사이로, 석유의 점도와 API°는 반비례한다. API° 값에 따라서 다음과 같이 석유의 종류를 나눈다. API° 값이 30° 또는 31° 이상인 경우 이를 경질유(輕質油; light oil)라 하며, 비중 0.83 미만의 40~45°API의 석유가 통상 가장 고가로 거래된다 (그림 2). API 값이 22~30°인 석유를 중질유(中質油; medium oil 또는 intermediate oil), 22° 이하인 석유를 중질유(重質油; heavy oil)라 한다. 또한 물보다 밀도와 비중이 큰 10°API 미만의 석유는 초중질유(超重質油; extra heavy oil)라 하며, 이러한 초중질유는 경질유나 중질유와 달리 물 위로 뜨지 않고 물 밑으로 가라앉는다.

그림 2. 피펫에 묻힌 API° 30 이상인 사우디 아라비아 경질유(Arabian Light Crude Oil).

석유는 파라핀, 나프틴, 방향족의 세 가지 탄화수소 계열로 분류될 수 있다. 파라핀(Paraffins) 계열의 탄화수소는 알케인(alkanes)이라고도 불리우며, C_nH_2n+2으로 표현되는 직선형 사슬의 탄화수소를 포함한다. 이 중 n이 5 미만인 경우는 각각 상온에서 기체상으로 존재하는 천연가스를 형성하며, n이 5~15인 경우 액체상의 석유를 이루고, n이 15 이상인 경우 점도가 높은 액체 또는 왁스와 같은 고체를 형성한다.

나프틴(Naphthenes) 계열의 탄화수소는 씨클로 알케인(cycloalkanes)이라고도 하며, C_nH_2n으로 표현되는 고리 모양의 액체상 탄화수소이다. 이 중 n이 5 인 경우 시끌로 펜탄(cyclopentane), n이 6인 경우 씨클로 헥산(cyclohexane)이라고 한다. 나프틴 계열의 탄화수소는 경질유(輕質油)와 중질유(重質油)의 약 40%를 차지한다.

방향족(Aromatics) 계열의 탄화수소는 경질유(輕質油)의 약 10% 정도와 중질유(重質油)의 약 30%이상을 이루며, 기본적으로 6개의 탄소로 이루어진 벤젠(benzene; C₆H₆) 구조와, 벤젠 구조의 수소를 알케인(alkane)이 치환한 C_nH_2n+2의 형태로 이루어지며, 방향족 계열의 석유에 가장 흔한 분자 구조로는 톨루엔(toluene; C₆H₅CH₃)이 있다.

석유는 연령, 생산 심도, 근원암의 종류, 그리고 변질 정도에 따라 그 성질이 매우 다르다. 지금까지 다양한 석유의 분류법이 제안되었는데, 흔히 화공 분야에서는 석유의 정유 과정에서 비등점에 따른 화학적 성분에 따라 석유를 분류하였다.

이에 반하여 석유의 지질학적 분류는 석유의 근원, 성숙도, 기타 다른 지질학적 요인들을 이해하기 위하여 고안되었다. 티쏘(Tissot)와 웰트(Welte)가 1978년에 제안한 석유의 분류법은 석유의 3대 탄화수소 계열인 파라핀, 나프틴, 방향족을 각각 꼭지점으로 하는 삼각 다이어그램을 이용하여 석유를 분류하며, 이 경우 방향족의 꼭지 쪽으로 놓이는 석유는 일반적으로 중질유(重質油) 또는 변질이 심한 석유이며, 삼각형의 중앙부 근처에 놓이는 석유는 중질유(中質油)에 해당한다. 비더만(Biederman)이 1965년에 제안한 분류법은 석유의 연령과 심도에 기반하여 석유를 다음과 같은 4 종류로 분류하였다. 1. 600 m 이내 심도의 중생대층과 신생대층에서 생산된 석유는 황을 함유하며, 주로 방향족으로 이루어진다. 2. 지하 600 m 보다 깊이 매몰된 고생대층에서 생산된 석유는 황을 적게 함유하고 API°가 높으며 파라핀 계열을 더 함유한다. 3. 600 m 이내 심도의 고생대층에서 생산된 석유는 황을 더 함유하는 편이며, 4. 지하 3000 m 하부의 고생대층에서 생산된 석유는 밀도, 점도, 황의 함량이 가장 낮다.

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