중질유는 보통 22°API 이하의 비중이 높은 원유로, 그 중에서도 물보다 무거운 것은 (10°API 이하) 초중질유 및 오일샌드 (또는 비튜멘)로 나눈다. 중질유는 타 신석유자원에 비해서는 자원 확보가 용이하나, 일반적인 원유에 비해서는 생산, 수송, 정제가 어렵다. 특히, 전 세계적으로 중질유의 원시부존량이 6조 배럴에 이름에도 회수율이 원시부존량 대비 10%정도에 불과하다.

이는 중질유의 밀도와 점성도가 높아 저류층 내에서 유동성이 나쁘기 때문으로, 특수한 생산기술이 필요하다. 열을 주입하여 유체의 유동성을 높이는 방법 (Thermal EOR), 화학물질로 원유를 녹이거나 밀어내어 생산하는 방법 (Chemical EOR), 다수의 수평정으로 생산표면적을 높이는 방법 (Multi-lateral horizontal well) 등이 대표적이다.

2007년 이후 국제유가 상승으로 중질유 개발이 활성화된 이래, 석유공사 역시 캐나다 블랙골드 오일샌드 개발사업, 캐나다 Harvest Energy사 인수, 콜롬비아 CPE-7 광구 탐사 등 중질유 분야로 사업영역을 확대하고 있다.

이에 발 맞추어 석유공사는 중질유 생산기술역량 확보를 위해 Harvest사 등과의 생산노하우 공유 노력과 병행하여 다양한 연구도 진행하고 있다. 2007~2008년 블랙골드 오일샌드의 SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage)등 신공법의 시뮬레이션 연구를 수행하고, 2009~2010년 일본 후쿠오카 대학과 MOU를 맺어 콜롬비아 CPE7 탐사 광구에 대한 열공법 적용성을 공동으로 연구하였다. 또한, 2009년 말 인수한 Harvest사의 Hayter 중질유 광구에 적용 가능한 EOR 공법에 대해 시뮬레이션 연구를 수행하고, 현재 하부 대수층 억제 기술 및 수평정 최적화에 대한 연구를 진행 중이다.

중질유 생산기술은 석유공사의 차세대 성장 동력으로써, 중질유를 보다 효율적이고 경제적으로 회수하는 능력에 초점이 맞춰져 있다. 향후 높은 잠재력을 가진 중질유 분야에서 탄탄한 생산능력을 보유하는 것은 공사가 세계적 국영석유회사로 발돋움하는 초석이 된다.

오일샌드란 비튜멘 (bitumen), 모래, 물, 점토의 혼합물을 말하며 비튜멘의 점성이 극도로 높아 자연적인 유동이 잘 이루어지지 않아 대상층에 열 또는 용매 주입을 통해 점성을 낮추는 방법으로 개발생산을 하고 있다. 이들 오일샌드는 전세계에 분포하고 있지만 캐나다의 아사바스카지역과 베네주엘라의 오리노코벨트로 불리는 지역에 집중되어 있다. 한국석유공사는 2006년 캐나다의 오일샌드 광구를 매입하여, 블랙골드로 불리는 오일샌드층을 대상으로 개발 생산을 진행 중이다.

한국석유공사에서는 2007년을 시작으로 지식경제부 연구과제를 통해 오일샌드 및 그와 함께 미래 에너지자원으로 분류되는 비전통 탄산염암 내 포함되어 있는 비튜멘을 대상으로 회수증진과 탐사, 개발가능성에 대한 연구를 수행하고 있다.

한국석유공사는 캐나다 블랙골드의 박층오일층 내 분포하는 비튜멘을 보다 효과적으로 회수하기 위해 SAGD와 E-SAGD기술개발 연구를 수행하였으며, 이로 인한 성과로 박층오일샌드에서의 회수증진을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 탄산염암 내 분포하는 비튜멘의 탐사, 개발 가능성을 탐지하고자 비전통 탄산염암 내에 분포하는 비튜멘의 정량적, 정성적 평가를 위한 연구개발을 수행 중이다.

셰일가스란, 셰일층 내 격리되어 있는 가스를 말하며, 유기물을 다량 함유하고 있는 셰일층이 가스생성구간에 놓였을 때 생성되고, 근원암에서 방출되지 않고 남아 있는 가스를 대상으로 생산된다. 가스를 함유하고 있는 셰일층의 낮은 유체 투과성으로 인해 경제적인 생산이 불가능하였지만, 인공적인 (인위적인) 수압파쇄를 통한 유체 투과성 향상과 수평정 기술의 발달로 인해 상업적으로 생산이 가능하게 되었다.

치밀가스는 지층이 심부에 퇴적되어 높은 압력, 혹은 점토광물에 의해 공극이 매우 치밀해진 저류지층에 저장된 가스를 말한다. 이러한 가스전의 특징은 퇴적규모가 크나 공극이 치밀하여 인위적인 균열을 생성치 못하면 내부의 가스를 생산할 수 없다는 점이다.

한국석유공사에서는 셰일가스 치밀가스 플레이에 대한 탐사 개발 생산기술 확보를 위해 자체 기술동향 파악을 지속적으로 수행하고 있으며, 2011년 6월 지식경제부 연구과제로 셰일 치밀가스전 탐사기술 확보를 위한 기술개발에 착수하였다. 금번 연구개발을 통해 셰일 치밀가스 개발을 위한 탐사기술 중 셰일가스 플레이의 정확한 자원량 계산을 위한 평가기술 개발과 해외 유망 셰일가스지역 선점을 위한 탐사기술 개발에 역점을 두고 있다. 또한 공사 내 전담부서를 신설하여 유망한 셰일가스 지역 선점을 위한 노력을 기울이고 있다.

GTL (Gas-to-Liquid)기술은 천연가스를 화학반응을 통해 합성가스로 전환 후, 이를 FT (Fischer-Tropsch) 합성 공정을 거쳐 고품질의 액체 탄화수소 화합물인 석유제품을 제조하는 것을 말한다.

GTL 공정은 합성가스 생산공정, FT 합성유 생산공정 및 업그래이딩 (Upgrading) 공정으로 나뉘며, 천연가스가 이들 주요 공정을 거쳐 액체 석유제품으로 전환된다. GTL 공정의 주요 생산물은 가솔린, 납사, 디젤 등의 석유제품이며, 이 제품들은 질소/황 화합물 등의 불순물이 거의 포함되어 있지 않은 고품질 청정연료이다. 따라서, 연소시 오염원 배출량이 적어 타 정유제품과 혼합을 통해 환경규제에 대응할 수 있으며, 연료의 성상이 기존 제품과 동일하여 엔진이나 인프라의 개조없이 기존 정유시장을 그대로 활용할 수 있다.

석유공사는 2006년 이래 지식경제부 주관 연구개발 사업에 참여하여 공기업, 국책 연구기관 및 민간 기업체를 대상으로 ‘GTL 컨소시엄’을 구성하고 관련 기술개발 연구를 수행 중이다. 1단계 (‘06~’09) 사업으로 0.1 bpd급 미니 플랜트 건설 및 성능검증을 완료하였으며, 2단계 (‘09~’12) 현재 1 bpd급 GTL 파일럿 플랜트를 자체 기술로 건설하여 운전 중이다. 금년 내, 플랜트 운전 데이터를 바탕으로 100 bpd급 실증 플랜트의 기본설계를 도출할 예정이다.