고농도 H₂S 유정에서 황 제거를 해결하는 H2S 메르캅탄 제거제는 무엇인가?

고압고온 석유 유정에서 기존 H₂S 메르캅탄 제거제가 실패하는 이유

열분해 및 재생(리버전): 트라이아진이 120°C 이상에서 효능을 상실하는 방식

산업계는 생산 공정에서 황화수소(H₂S)를 제거하기 위해 트리아진 기반 제거제(triazine-based scavengers)에 크게 의존하고 있다. 이러한 물질은 약 120도 섭씨(화씨 약 248도) 이상의 온도에 노출되면 분해되기 시작한다. 이 경우, 이전에 포획했던 황화수소가 다시 시스템으로 방출되는 등, 원래의 제거 효과가 실질적으로 상쇄된다. 평균 온도가 약 150도 섭씨(화씨 약 302도)에 달하는 고압 고온(HPHT) 유정에서는 이러한 제거제가 단 몇 시간 만에 70퍼센트 이상의 효율을 상실할 수 있다. 또한 압력은 상황을 더욱 악화시켜 반복적인 오염 사이클을 유발하며, 이로 인해 장비 손상과 작업자 안전 위험이 증가한다. 다른 제거 시스템과 비교했을 때 트리아진의 진정한 문제점은 사용 후 생성되는 고체 폐기물이 매우 끈끈하고 제거가 어렵다는 점이다. 이 폐기물은 유체 흐름 배관(flow lines)을 막아 운영 지연을 초래한다. 현장 데이터에 따르면, 이러한 막힘 현상은 지열 발전 프로젝트 및 고압 고온 조건에서 운영되는 프로젝트 모두에서 가동 중단 비용을 약 42퍼센트 증가시킨다.

저pH 원유 및 메르캅탄 우세: 표준 제거제 화학의 선택성 격차

PH 5.5 미만의 산성 원유는 양성자 경쟁을 통해 기존 제거제의 성능을 저하시킨다. 수소 이온이 메르캅탄보다 반응성 부위를 더 강력히 점유함으로써 황 제거 효율이 급격히 감소한다. 이러한 조건 하에서:

• 산화된 저류층(souring reservoirs)에서 메르캅탄 농도는 H₂S보다 3–5배 빠르게 증가한다
• 기존 제형은 H₂S에 대한 선택성이 메르캅탄보다 15:1로 훨씬 높다
• 탄산염 저류층(carbonate reservoirs)에서 흔히 관찰되는 총 황 함량 5,000 ppm 초과 시 반응성 부위가 며칠 이내에 포화된다

현장 데이터에 따르면, 전통적 화학 제거제는 저pH 환경에서 메르캅탄 제거율이 40% 미만에 불과하지만, 중성 원유에서는 85%에 달한다. 이 비효율성은 주입 빈도와 화학약품 사용량을 지속 불가능할 정도로 증가시켜 비용과 환경 노출 모두를 높인다.

고급 H₂S/메르캅탄 제거제 화학: 옥사졸리딘(Oxazolidines), 유상 분산형 제형(Oil-Dispersible Formulations), 고온고압(HPHT) 안정성 부가체(HPHT-Stable Adducts)

옥사졸리딘 메커니즘: 공유 결합형, pH 안정성 보장된 메르캅탄 제거 — H₂S 재생 없음

트리아진의 주요 문제점은 메르캅탄과 지속적인 결합을 형성하지 못해 되돌림(reversion) 문제가 발생한다는 점이다. 옥사졸리딘은 이 문제를 해결하기 위해 영구적인 공유 결합(covalent bonds)을 생성한다. 이러한 화합물이 두드러지는 이유는 무엇인가? 이들은 pH 4~10의 광범위한 산성-염기성 범위에서 안정성을 유지하며, 약 180도 섭씨까지의 지속적인 열 노출에도 견딜 수 있다. 따라서 많은 운영자들이 표준 화학 처리제가 작동하지 않는 산성 저류층(acidic reservoirs) 또는 고압고온(HPHT) 환경과 같은 극한 조건에서 이 화합물을 선호한다. 전통적인 대체제에 비해 또 다른 장점은 물보다는 오일과 잘 혼합된다는 점이다. 즉, 이들은 시간이 지나도 분리되거나 침전되지 않고 탄화수소 시스템 전반에 균일하게 확산된다. 그 결과, 황 화합물이 이러한 강력한 화학 결합을 통해 영구적으로 고정되어 후속 공정 작업 시 잠재적 오염 문제를 크게 줄일 수 있다.

PRO3®HT 및 PROM® 케이스 실증 자료: 멕시코만 고압고온(HPHT) 유정에서 현장 검증된 성능

멕시코만의 고압/고온 유정에서 실시된 시험 결과, PRO3®HT 및 PROM® 제형이 거의 98%의 황 제거율을 달성하며 뛰어난 성능을 보였습니다. 이 특수한 오일 분산형 스캐번저는 옥사졸리딘(oxazolidine) 화학을 기반으로 하며, 극한의 지하 조건을 처리하도록 특별히 설계되었습니다. 특히 주목할 만한 점은, 이러한 제품들이 처리 후 90일 이상 생산 유체 내 황화수소 농도를 5ppm 이하로 유지했으며, 압력이 15,000psi를 상회하고 온도가 섭씨 150도를 넘는 조건에서도 그 효과를 지속했다는 사실입니다. 2023년 ‘오프쇼어 테크놀로지 리포트(Offshore Technology Report)’에 발표된 최근 연구에 따르면, 동일한 투입량 기준에서 이 제형들은 전통적인 트라이아진(triazine) 기반 제품 대비 메르캅탄(mercaptans) 제거 효율이 3배 높았습니다. 이는 기존 대부분의 방법이 메르캅탄이 화학 조성의 주성분인 저류층을 다룰 때 선택성(selectivity) 문제로 어려움을 겪는 상황에서, 매우 중요한 돌파구를 의미합니다.

적절한 H₂S 메르캅탄 제거제 선택: 분자 설계를 저류층 조건에 맞추기

제거제 선택 시 분자 설계는 저류층 특유의 세 가지 변수—온도 범위, 유체의 pH 프로파일, 그리고 H₂S 대비 메르캅탄의 상대 농도—와 정확히 일치해야 한다. 일률적인 접근 방식은 화학 약품 비용 증가, 운영 리스크 확대, 그리고 규정 위반 위험 증가를 초래한다.

온도 한계 및 열 안정성 제약 조건

표준 트리아진 화합물은 온도가 약 120도 섭씨를 넘어서면 빠르게 분해되는 경향이 있습니다. 이러한 분해가 일어나면 종종 황화수소(H₂S) 역전 현상 문제를 유발하며, 시추 작업의 유동성 보장(Flow Assurance) 측면에서 어려움을 초래합니다. 특히 요즘 점차 흔해지고 있는 고압고온(HPHT) 우물 환경에서는 이 온도 한계를 초과하여 작업할 때 효과적인 제거제(Scavenger) 성능을 유지하는 것이 매우 어려워집니다. 다행히도, 옥사졸리딘 화합물 및 특별히 제형화된 HPHT 안정성 부가체(Adduct)와 같은 최신 대안들은 극한의 고온 조건에서도 훨씬 더 우수한 내구성을 보입니다. 이러한 물질들은 구조를 잘 유지하면서 150도 섭씨를 상회하는 온도에서도 지속적으로 효과적으로 반응합니다. 그 결과, 장기 운영 기간 동안 보다 오래 지속되는 처리 효과와 더욱 신뢰성 높은 공정이 가능해지며, 분해 과정에서 유해한 독성 폐기물이 부산물로 생성되지도 않습니다.

pH 의존적 반응성 최적화

알칼리 활성화 제거제의 효능은 pH가 5.5 이하로 떨어질 때 급격히 저하되는데, 이는 프로톤이 그 작용에 간섭하기 시작하기 때문이다. 이후 발생하는 현상은 단순한 선형 감소가 아니라, 산도가 증가함에 따라 비선형적으로 성능이 급격히 저하되는 것이다. 반면, 옥사졸리딘과 같은 공유 결합제는 pH 변화와 무관하게 작용한다. 이러한 화합물은 산성 원유, 중성 원유, 심지어 약간 알칼리성인 원유를 다루는 경우에도 일관되게 메르캅탄을 제거한다. pH 조정이 추가로 필요하지 않다는 점은 운영자들이 시간과 비용을 절약할 수 있음을 의미한다. 즉, pH 조절을 위한 별도 화학약품을 비축할 필요가 없으며, 정제 공장에서 지속적인 조정으로 인해 발생하는 부식 문제를 관리하는 데 드는 번거로움도 줄어든다.

메르캅탄 대 H₂S 비율 역학

머캅탄은 생물학적으로 활성화된 또는 오래된 탄산염 저류층에서 발견되는 모든 황 화합물의 60% 이상을 차지하는 경우가 많습니다. 수소황화물(H₂S)만을 대상으로 설계된 기존 제거제는 이러한 조건에 직면했을 때 반응 능력의 절반 이상을 상실합니다. 반면, 머캅탄을 특이적으로 표적하는 신규 화학제품은 동일한 양의 제품으로 더 우수한 제거 성능을 발휘하며, 작동 중 슬러지 생성량을 줄이고, 처리 간격을 연장시킵니다. 업계 자료에 따르면, 이러한 전문 배합제는 화학약품 사용량을 약 45% 감축할 수 있을 뿐만 아니라, 불쾌한 냄새를 보다 효과적으로 억제하고, 많은 운영 현장에서 문제를 일으키는 장비 부식을 방지하는 데도 탁월한 성능을 보입니다.