서 론
시추공 안정성 분석의 배경 이론
공극압 감소에 따른 현지응력 변화
시추공 응력 변화
파괴조건(failure criteria)
고갈저류층 시추공 안정성 평가
고갈저류층 시추전략
압력제어 시추법(managed pressure drilling)
시추공 응력보강(wellbore strengthening)
예비 케이싱(contingency casing)
시추절차(drilling practice)
시추공 안정성 분석과 시추전략 적용사례
말레이시아 Sarawak 해상 가스전
멕시코만 해상 심해 유전
결 론
서 론
석유생산 중후반기에 접어들면 안정적 석유공급과 회수율 증진을 위한 추가시추(infill drilling)가 요구된다. 대부분의 추가시추는 생산이 진행된 저류층을 관통하는 작업으로 공극압이 감소한 고갈저류층의 특성상 시추공 안정성 유지는 필수적이다. 시추공 안정성을 확보하려면 지층을 파쇄 또는 붕괴시키지 않는 허용이수밀도범위(mud weight window)에서 시추해야 한다. 최근 방향성 시추 및 수평 시추가 증가하면서 시추궤도에 따른 시추공 안정성의 중요성은 더욱 높아지고 있으며(Yoon et al., 2013), 암석의 이방적 특성이 존재할 경우 이에 대한 고려가 필요하다(Kim et al., 2015). 저류층은 생산이 진행됨에 따라 공극압이 감소하고 압력지원이 없을 경우 저류층과 저류층을 둘러싼 지층의 응력 재분배가 일어난다. 그 결과 지층의 압축, 침하, 모래생산 및 단층 활성화 등의 문제가 발생할 수 있다(Zoback, 2010). Addis(1997)는 저류층 공극압이 떨어지면 현지응력(in-situ stress)이 감소하여 시추공의 안정성에 악영향을 준다고 언급하였고, Meng and Fuh(2010)는 북해 Carboniferous 저류층을 대상으로 공극압이 떨어지면 지층 파쇄압(fracture pressure)과 지층 붕괴압(collapse pressure)이 동시에 감소한다고 보고하였다. 또한 고갈저류층을 활용한 이산화탄소 지중저장이 증가하면서(Nam and Park, 2012) 지중저장 시 과도한 유체압력으로 단층 활성화 문제를 발생시킬 수 있다(Kim et al., 2013).
일반적으로 고갈저류층 시추는 케이싱으로 저류층 덮개암을 먼저 격리하고 감소한 허용이수밀도범위에서 저류층 구간을 시추한다. 하지만 다수의 저류층은 다층구조로 저류층마다 초기 공극압과 생산량의 차이가 발생하며 각 저류층 덮개암은 초기 공극압을 유지하고 있어 허용이수밀도범위가 좁다. 그 결과 초기 저류층 시추에서 발견되지 않았던 시추공 안정성 문제가 발생할 가능성이 크다. 이러한 시추위험요소를 고려하지 않으면 시추 시 압력차 고착(differential sticking), 이수손실(lost circulation), 저류층 손상(formation damage) 등의 문제가 발생할 수 있다(Reid and Santos, 2003; Jones et al., 2003; Benaissa et al., 2005).
이 연구에서는 상기 고갈저류층의 시추문제를 예방하기 위한 시추공 안정성 분석과 시추전략에 대해 알아보고자 한다. 즉 석유생산에 따른 저류층 내 현지응력 변화와 시추궤도 및 이수물성이 시추공 안정성에 미치는 영향을 살펴보았다. 그리고 고갈저류층의 효과적 시추를 위한 압력제어 시추법(managed pressure drilling), 시추공 응력보강(wellbore strengthening), 예비케이싱(contingency casing), 시추절차를 알아보고 현장 적용사례를 소개하고자 한다.
시추공 안정성 분석의 배경 이론
평형상태를 유지하고 있는 지층의 현지응력은 시추과정에서 시추공 주변의 응력 불균형 상태가 발생하며 응력이 재분배된다(Park and Moon, 2014). 이때 시추이수를 시추공에 채워서 기계적 화학적 안정성을 유지하는 것이 중요하다. 시추공 파괴는 두 가지 유형이 있다. 한 가지는 시추공 압력이 지층 붕괴압보다 낮아 발생하는 전단파괴(shear failure)이며 다른 한 가지는 시추공 압력이 지층 파쇄압보다 높아 발생하는 인장파괴(tensile failure)이다. 따라서 시추공 안정성을 확보하려면 허용이수밀도범위라고 정의되는 이수밀도의 상한과 하한의 범위를 유지해야 한다(Fjaer et al., 2008). 시추공 안정성을 분석하려면 먼저 지층에 작용하는 현지응력의 크기와 방향, 암석의 물성인 탄성계수와 강도 등을 결정하고 시추궤도와 이수물성을 고려하여 시추공 응력을 해석한다. 분석한 시추공 응력을 기반으로 암석파괴기준을 적용하여 안정성 여부를 판단하며 허용이수밀도범위를 결정한다. 상기 과정은 고갈저류층의 시추공 안정성 분석에도 동일하게 적용된다. 그러나 석유생산 이전의 저류층은 초기 현지응력을 유지하지만 고갈저류층은 생산이 진행됨에 따라 현지응력이 재분배된다. 따라서 고갈저류층의 시추공 안정성 평가하려면 공극압 감소에 따른 정확한 현지응력 예측이 필수적이다.
공극압 감소에 따른 현지응력 변화
지층의 응력은 암석입자에 의한 유효응력(effective stress)과 유체에 의한 공극압으로 두 응력의 합을 전응력(total stress)이라 정의하며 식 (1)과 같이 표현한다(Fjaer et al., 2008).
| $$S=\sigma+\alpha P_p$$ | (1) |
여기서 S는 전응력, σ는 유효응력, Pp는 공극압, α는 Biot 수를 나타낸다.
지층에 작용하는 현지응력은 방향과 크기에 따라 수직응력(vertical stress 또는 overburden stress, SV), 최대수평응력(maximum horizontal stress, SHmax) 그리고 최소수평응력(minimum horizontal stress, Shmin)으로 나뉘며 세 개의 주응력으로 표현한다. 석유생산에 따른 공극압 감소는 현지응력을 변화시킨다. 저류층 폭이 두께보다 현저히 크고 등방성이며 전수직응력변화가 없다고(△Sv=0) 가정할 때 공극압 감소에 따른 전수평응력변화는 식 (2)와 같이 표현한다(Addis, 1997; Zoback, 2010).
| $$\triangle S_{Hmax}=\triangle S_{hmin}=\alpha\frac{1-2v}{1-v}\triangle P_p$$ | (2) |
여기서 SHmax와 Shmin는 최대 및 최소수평응력의 변화, △Pp은 공극압의 변화, v는 암석의 포아송비를 나타낸다. 하지만 위 가정과 달리 공극압 감소는 저류층의 전수직응력과 저류층을 둘러싼 지층 응력에도 영향을 주어 응력전이효과(arching effect)를 일으킨다. 이는 저류층의 기하학적 구조와 암석물성에 따라 공극압 감소의 크기가 결정되며 정확한 예측은 어렵다. 이러한 한계에도 불구하고 Segall and Fitzgerald(1998)는 저류층 폭이 두께보다 약 열 배 이상 큰 평평한 지층일 경우 식 (2)가 유효하다고 분석하였으며 고갈저류층의 시추공 안정성 평가에서 감소한 현지응력 예측 시 공통적으로 적용되는 관계식이다.
시추공 응력 변화
공극압 감소에 따른 시추공 응력 변화를 분석하려면 현지응력을 시추위치를 표시하는 극좌표계(geodetic coordinate system)로 전환해야 하며 식 (3)으로 구할 수 있다(Fig. 1).
여기서 σv, σH, 그리고 σh는 수직응력, 최대수평응력, 그리고 최소수평응력이다. i는 경사각, α는 최대수평응력방향을 기준으로 측정된 방위각이다.
극좌표계는 시추공 형태의 원통형 좌표계(cylindrical coordinate system)로 전환되며 식 (4)로 계산할 수 있다(Fjaer et al., 2008; Zoback, 2010).
여기서 σrr는 반경응력(radial stress), σθθ는 접선응력(hoop stress), σzz은 축응력(axial stress)을 나타낸다. θ는 최대수평응력방향을 기준으로 측정된 방위각, Pw은 시추이수압력과 공극압의 차이다.
σt△τ는 지층의 온도와 시추이수의 온도차에 의한 열응력으로 식 (5)와 같이 계산한다.
| $$\sigma^{\triangle\tau}=\frac{\alpha_TE}{(1-v)}(T_w-T_o)$$ | (5) |
여기서 αT는 열팽창계수, E는 탄성계수, Tw는 시추공 온도, To는 지층온도이다.
σt△P는 이수막 불투수성 효율에 따른 시추공 응력으로 식 (6)을 이용해 도출할 수 있다.
| $$\sigma^{\triangle P}=\alpha\frac{(1-2v)}{(1-v)}\delta(P_{mud}-P_p)$$ | (6) |
여기서, δ는 이수막 효율상수, Pmud는 시추이수압력, Pp는 지층 공극압이며 이수막 효율상수가 0이면 불투수성이고 1이면 완전투수성이다.
시추과정에서 응력은 시추공벽으로 집중되며 시추공 불안정을 유발한다. 이때 시추공벽 주응력은 식 (4)를 통하여 식 (7)과 같이 유도할 수 있다(Zoback, 2010).
여기서 σtmax은 유효접선최대주응력, σtmin은 유효접선최소주응력이다. 식 (4)와 (7)에 따르면 공극압 감소에 따른 현지응력 변화는 시추공의 접선응력과 축응력에 영향을 주며 시추공벽 주응력을 결정한다. 시추공벽 주응력은 크기에 따라 최대, 중간 그리고 최소주응력으로 구분하며 암석파괴조건에 적용하여 시추공의 안정성 여부를 판단한다.
파괴조건(failure criteria)
시추공에 발생하는 불안정은 두 가지 유형으로 인장파괴와 전단파괴가 있다(Fig. 2).
인장파괴는 식 (8)과 같이 시추공벽에 작용하는 응력크기가 암석의 인장강도를 초과하면 발생한다(Fjaer et al., 2008).
| $$\sigma_3=-T_0$$ | (8) |
여기서 σ3는 시추공벽의 최소주응력, T0는 암석의 인장강도로 인장응력은 음(-)의 값으로 정의한다.
전단파괴는 시추공벽에 작용하는 응력크기가 암석의 압축강도를 초과하는 경우 발생한다. 전단파괴를 해석하는 방법으로 다양한 암석파괴조건이 있으며 본 논문에서는 현장에서 주로 사용되는 Mohr-Coulomb 파괴조건과 중간주응력을 반영하여 정확도가 높은 Mogi-Coulomb 파괴조건을 소개하고자 한다(Zhang et al., 2010; Maleki et al., 2014).
Mohr-Coulomb 파괴조건은 식 (9)와 같다.
| $$\tau=c+\sigma_n\tan\theta$$ | (9) |
여기서 τ는 전단응력, c는 고유전단강도, σn는 유효수직응력, θ는 내부마찰각이다. 시추공벽의 전단파괴는 일축압축강도와 내부마찰각으로 평가하는데 이 관계는 식 (10)과 같이 최대주응력(σ1)과 최소주응력(3)으로 표현한다(Fjaer et al., 2008).
여기서 σc는 일축압축강도, q는 내부마찰각으로 계산된 상수이다. Mohr-Coulomb 파괴기준은 식 (11)과 같이 표현하며 F≤ 0인 경우 전단파괴가 발생한다.
| $$F=(\alpha_c+q\sigma_3)-\sigma_1$$ | (11) |
Mogi-Coulomb 파괴조건은 식 (12)와 같이 표현한다.
여기서 τoct는 팔면체전단응력, σm,2는 최대와 최소주응력의 평균값이다. Mogi-Coulomb 파괴기준은 식 (13)과 같으며 F≤ 0인 경우 전단파괴가 발생한다.
| $$F=(a+b\sigma_{m,2})-\tau_{oct}$$ | (13) |
고갈저류층 시추공 안정성 평가
저류층 공극압 감소에 따른 시추공 안정성을 평가하고자 가상의 시추공 자료를 이용하여 상기 식으로 허용이수밀도범위를 산출하였다. Table 1은 입력 자료를 정리한 표이다.
Table 1. Input parameters
저류층 공극압 감소에 따른 현지응력 변화는 수직응력 변화가 없다는 가정에 따라 최대 및 최소수평응력이 감소하고(Fig. 3(a)), 지층 파쇄압과 붕괴압은 동시에 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 3(b)). 또한 전단파괴를 결정하는 암석파괴조건을 비교한 결과 Mohr-Coulomb 파괴조건이 Mogi-Coulomb 파괴조건보다 지층 붕괴압을 상대적으로 높게 평가하며 보수적인 허용이수밀도범위를 도출하였다. 공극압 감소가 시추궤도에 따른 시추공 안정성에 미치는 영향을 파악하고자 동일한 조건에서 초기 공극압, 25% 그리고 50% 감소한 공극압을 적용하여 허용이수밀도범위를 분석하였다. 모든 공극압 조건에서 경사각이 증가함에 따라 지층 파쇄압은 감소하고 지층 붕괴압은 증가하며 허용이수밀도범위는 좁아지는 것으로 나타났다. 특히 공극압 감소가 클수록 경사각 증가에 따른 지층 파쇄압의 감소폭은 커지고 지층 붕괴압의 증가폭은 감소함을 확인할 수 있으며, 허용이수밀도범위는 공극압 감소와 경사각이 증가할수록 큰 폭으로 좁아지는 것으로 나타났다(Fig. 3(c)). 방위각에 따른 지층 파쇄압과 붕괴압은 최대수평응력방향을 기준으로 측정된 방위각이 0°와 180°에서 허용이수밀도범위가 최소이며, 90°와 270°에서 허용이수밀도범위가 최대로 나타났다. 특히 공극압 감소가 클수록 방위각에 따른 지층 파쇄압의 감소폭은 일정하지만, 지층 붕괴압의 감소폭은 0°와 180°에서 최대이며 90°와 270°에서 최소로 나타났다(Fig. 3(d)).
고갈저류층 시추전략
시추공 안정성을 확보하려면 관련 인자 검토가 필요하다. 시추공에 작용하는 제어 가능한 인자는 시추이수와 등가순환밀도(equivalent circulating density, ECD) 그리고 시추절차가 있고, 제어 불가능한 인자는 현지응력과 공극압 그리고 목표지층이다. 현지응력과 공극압은 생산이 진행됨에 따라 감소하며 저류층의 기하학적 구조와 물성에 따라 변화의 크기가 결정된다. 목표지층과 좌표는 기존 플랫폼이나 생산시설을 고려하여 지표좌표(surface coordinate)를 선정하고 생산량을 극대화할 수 있는 목표좌표(target coordinate)를 결정하므로 안정성 확보를 위한 시추궤도 제어 정도는 제한적일 수밖에 없다. 따라서 제어 가능한 인자를 통하여 시추공 안정성을 확보하여야 한다.
일반적으로 시추공의 안전(safety)과 안정(stability)을 높이기 위해서는 이수밀도를 지층 공극압 및 붕괴압보다 높고 지층 파쇄압보다 낮게 설정하는 일반시추법을 적용한다. 하지만 허용이수밀도범위가 좁은 고갈저류층에서 일반시추법을 적용하면 시추공 불안정성이 높아져 많은 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 고갈저류층의 시추환경을 극복하고 목표지층에 성공적으로 도달하기 위해서는 이러한 문제들을 고려한 시추장비와 기술, 시추절차를 종합하여 최적화된 시추전략 수립이 필요하다.
압력제어 시추법(managed pressure drilling)
압력제어 시추법은 애뉼러스의 역압력(back pressure)을 제어하여 시추공저압(bottom-hole pressure)을 정밀히 조절하는 시추방법이다. 일반시추법은 애뉼러스가 지상에서 대기에 노출된 개방형 이수순환시스템이지만, 압력제어 시추법은 회전정두제어장비(rotating control device)가 방폭장치(blowout preventer) 상부에 위치하여 굴착 중이나 시추스트링(drill string) 인양작업 중에 애뉼러스가 대기에 노출되지 않도록 하는 폐쇄형 이수순환시스템이다(Lim et al., 2010). 이때 시추이수는 초크조절밸브(choke manifold)를 통해 순환하며 시추공에 필요한 압력은 초크를 통해 조절한다(Fig. 4).
일반시추법으로 고갈저류층을 시추하면 허용이수밀도범위가 좁아 이수밀도가 지층 파쇄압보다 낮더라도 안정성 문제가 발생한다. 즉 이수순환 시에는 애뉼러스 마찰손실로 인한 등가순환밀도가 지층 파쇄압을 초과하여 이수손실 발생 가능성이 있다. 공내감압 시추법(under-balanced drilling)은 이수손실을 방지하고 저류층 손상을 최소화할 수 있는 장점은 있으나, 저류층 덮개암이나 미고갈 저류층의 붕괴압이 시추공저압보다 높으면 지층붕괴를 초래할 수 있다. 압력제어 시추법은 이수밀도를 시추구간 내의 지층 붕괴압보다 낮고 저류층 공극압보다 높게 설정한다. 이는 공극압 예측의 불확실성과 장비고장에 따른 운영실패로 킥(kick) 발생을 최소화하기 위함이다. 역압력은 허용이수밀도범위 내에서 이수밀도보다 높게 설계된 시추공저압을 일정하게 유지하고자 가해진다. 이수순환 시에는 애뉼러스 마찰력에 의한 추가적인 압력이 발생하므로 역압력을 낮추어 지층 파쇄를 예방하고, 이수순환이 없는 시추파이프 연결작업이나 시추공 위치측정에는 역압력을 높여 지층 붕괴를 예방하는 작업이 필요하다(Fig. 5). 따라서 고갈저류층처럼 허용이수밀도범위가 좁은 지층에는 압력제어 시추법이 효과적이다(Ostroot et al., 2007; Beutler et. al., 2017).
시추공 응력보강(wellbore strengthening)
이수손실은 과도한 시추공저압이 지층 파쇄압을 초과하여 시추이수가 지상으로 회수되지 않고 부분손실(partial loss) 및 전체손실(total loss)이 발생하는 것을 말한다. 이수손실이 발생하면 시추이수 손실에 따른 시추비용이 증가하며 문제해결을 위한 추가 작업이 발생한다. 또한 저류층에 침투한 시추이수는 시추공벽의 지층강도를 낮춰 시추공 안정성을 낮아지고 저류층 암석이나 유체와 반응하여 생산능력을 저하한다. 일반적으로 이수손실이 발생하면 이수손실방지제(lost circulation materials, LCM)를 시추이수에 섞거나 필(pill)을 만들어 순환시킴으로써 이수손실층을 막는다. 하지만 이수손실방지제 크기와 용량은 이수손실이 발생한 후 손실의 정도에 따라 자재의 크기와 용량이 결정되므로 지층균열의 크기에 맞지 않으면 효과가 떨어진다.
시추공 응력보강은 지층균열에 이수손실방지제를 채워 지층 파쇄압을 인위적으로 증가시키는 기술이다. 시추공 응력보강의 원리에 대한 많은 이론이 소개되었으며(Cook et al., 2012; Chellappah et al., 2015), 대표적인 Stress cage 모델은 Fig. 6과 같이 시추공 압력으로 발생한 지층균열에 이수손실방지제를 채워 균열주변의 접선응력을 보강한다는 이론이다(Alberty and McLean, 2004). 효과적인 시추공 응력보강을 위해서는 암석의 물성, 현지응력 및 시추궤도에 따른 지층균열 예측과 입도분석(particle size distribution, PSD)을 통한 적합한 이수손실방지제 선택이 중요하다(Majidi et al., 2015). 일반적인 이수손실방지제는 굴착 및 이수순환 과정에서 입자의 크기가 침식되거나 파쇄되어 시추공 응력보강 효과가 저하되기에 탄성력이 높은 자재를 혼합하여 사용하면 시추공 응력보강 효과를 높일 수 있다(Kumar et al., 2010). 이러한 시추공 응력보강은 석유생산으로 감소한 지층 파쇄압을 인위적으로 증가시켜 시추공 안정성을 높이는 효과적인 기술이다.
예비 케이싱(contingency casing)
케이싱 설치심도와 개수는 지층의 파쇄압과 붕괴압을 고려하여 결정한다. 이때 불확실한 지층정보로 계획된 케이싱 설치심도에 도달하기 어려울 것으로 예상되면 예비 케이싱을 준비한다. 일반적으로 탐사시추의 경우 지층정보가 충분하지 않아 예비 케이싱을 준비하지만, 지층정보가 취득된 개발시추에서는 예비 케이싱을 고려하지 않는다. 그러나 고갈저류층의 추가시추는 현지응력의 변화와 시추공 안정성 문제가 발생할 수 있으므로 예비 케이싱 검토가 필요하다.
케이싱 설계에서 예비 케이싱이 추가되면 전체 케이싱 규격과 시추공 내경에 영향을 주며 작업절차가 복잡해지고 시추비용이 증가한다. 따라서 예비 케이싱에 따른 영향을 최소화하기 위해 케이싱에 플러시 조인트(flush joint) 나사선을 사용하거나 확장성 케이싱(expandable tubular)을 적용한다. 플러시 조인트 나사선은 케이싱 외경과 나사선 외경의 크기가 비슷하거나 같아 일반 나사선보다 쉽게 케이싱 투입이 가능하다는 장점이 있으나 나사선의 항복강도가 낮아짐으로 역학적 검토가 요구된다(Fig. 7). 확장성 케이싱은 케이싱을 공저에 투입 후 수압을 통해 케이싱을 확장시키는 방법이다. 그러나 케이싱을 확장시키는 과정에서 압력차 고착이 발생하면 케이싱이 비대칭으로 얇아지거나 나사선의 손상위험이 커진다(Fig. 8). 따라서 고갈저류층과 같이 압력차 고착의 위험이 높은 경우 압력차 고착 위치에 도달하기 전에 케이싱을 확장해 투입하는 절차로 위험을 최소화할 수 있다(Moore et al., 2003).
시추절차(drilling practice)
지층강도시험(formation strength test)은 시추공 안정성 평가와 킥 발생 시 유정통제를 위해 필요한 인자를 취득하는 작업이다. 일반적으로 시추구간에서 최상부의 지층강도가 가장 낮다는 가정하에 케이싱 설치심도 하부 약 3-5 m를 굴착 후 시추이수 정수압과 펌프를 이용해 상부압력을 가하여 지층강도를 측정한다. 케이싱 설치심도 하부는 대부분 저류층을 굴착하기 이전인 저류층 덮개암으로 상대적으로 높은 지층 파쇄압을 갖는다. 하지만 고갈저류층은 지층 파쇄압이 낮아 케이싱 설치심도 하부에서 취득된 최대허용이수밀도는 킥 발생 시 유용하지 않다. 따라서 유정제어를 위한 최대허용이수밀도를 결정하려면 케이싱 직하부와 더불어 고갈저류층에서도 지층강도시험이 필요하며 취득된 자료는 향후 고갈저류층 시추 시 저류층 압력 이해를 높이는 유용한 자료로 활용된다.
시추공의 허용이수밀도범위가 넓은 일반시추는 최종심도에서 동일한 이수밀도로 시추공의 이수를 치환시키고 공저장비를 회수할 수 있다. 하지만 고갈저류층은 허용이수밀도범위가 좁아 압력제어 시추법으로 시추하면 이수밀도가 지층 붕괴압보다 낮아지는 현상이 발생하므로 공저장비 회수 이전에 상대적으로 높은 이수밀도로 치환하여 시추공 안정성을 확보하는 작업이 필요하다. 고갈저류층에 적용할 수 있는 이수치환 방법은 두 가지로 최종심도에서 치환하는 방법과 이전 케이싱 심도에서 치환하는 방법이 있다. 최종심도에서 이수치환은 시추공 안정성을 고려한 이수밀도를 선택하여 치환하는 방법이다. 이때 굴착에서 적용한 이수유량으로 치환하면 지층 파쇄압을 초과할 수 있으므로 유량에 따른 등가순환밀도를 계산하여 적정 유량을 선택해야 한다. 이수치환을 이전 케이싱 심도에서 수행하는 경우 공저장비를 최종심도에서 이전 케이싱까지 이동하는 동안 역압력을 통해 시추공 안정성을 유지시킨다. 이후 시추공 안정성을 고려한 이수밀도와 유량을 선택하여 이수를 치환한다.
공저장비가 이동하면서 발생하는 압력은 시추공 압력에 영향을 준다. 공저장비가 내려가면서 발생하는 서지압력(surge pressure)은 시추공 압력을 증가시켜 이수손실 가능성을 높인다. 반대로 공저장비를 올리면서 발생하는 스왑압력(swab pressure)은 시추공 압력을 낮춰 킥이나 지층 붕괴를 야기할 수 있다. 따라서 허용이수밀도범위가 좁으면 공저장비 이동에 따른 압력변화를 최소화하는 허용이동속도를 설정하여야 한다.
시추공 안정성 분석과 시추전략 적용사례
말레이시아 Sarawak 해상 가스전
말레이시아 Sarawak 해상 수심 37m에 위치한 천해 가스전은 20여개의 사암 저류층이 셰일층으로 구분되어 있으며 약 1/3 이상이 생산 가능한 저류층이다. 2005년 가스 발견 후 12공을 시추했고 2009년 생산을 개시했다. 12공의 시추작업에서 이수손실과 장비고착 등 시추문제가 발생했고 생산에 따른 공극압 감소로 허용이수밀도범위가 좁아져 추가시추 시 많은 시추문제가 발생할 것으로 예상하였다. 따라서 상부 고갈저류층을 격리하고 하부 미개발 저류층의 추가시추를 위해서 시추공 안정성 분석 및 압력제어 시추법을 적용하였다.
시추공 안정성 분석을 위해서 인접 시추와 생산자료, 코어 및 물리검층 자료를 토대로 현지응력과 암석물성을 결정하였다. 현지응력 변화는 암석의 포아송비(0.297-0.307)와 Biot 수(0.8-1.0)를 적용하여 공극압 감소에 따른 전수평응력변화()를 예측하였고, 생산 자료를 기반으로 초기 저류층 압력보다 약 59% 감소한 공극압을 적용하였다(Fig. 9).
시추공 안정성 분석에 따라 도출한 허용이수밀도범위를 적용해 상부 Sand969층을 케이싱을 통해 먼저 격리하고 하부 고갈저류층은 압력제어 시추법을 적용하였다. 허용이수밀도범위는 9.7-10.5 ppg(1.16-1.26 SG)로 예측하였으며 실제 적용한 이수밀도는 8.5-8.7 ppg(1.02-1.04 SG)이다. 이때 역압력을 통해 시추이수의 등가순환밀도를 9.4-9.5 ppg(1.13-1.14 SG)로 유지하며 시추하였다. 시추과정에서 예측한 허용이수밀도범보다 낮게 등가순환밀도를 적용하였지만 지층붕괴는 발생하지 않았다. 목표심도 도달 후 최종심도에서 9.4 ppg(1.13 SG) 시추이수로 치환하였다. 이수치환에서 시간당 약 15배럴의 이수손실이 발생하였지만 공저장비 인양에서는 이수손실이 없었다. 7” 라이너 투입 중 라이너 걸림으로 추가 작업이 발생하였다. 이 과정에서 이수순환과 라이너 이동에 따른 등가순환밀도는 10.7 ppg(1.28 SG)로 예측한 10.5 ppg(1.26 SG)의 지층 파쇄압을 초과하여 시간당 약 23-57배럴의 이수손실이 발생하였다. 걸림 구간을 지나 목표지점까지 7” 라이너를 투입한 후 시멘팅 작업을 수행하였으며 시멘트 손실은 발생하지 않았다.
위와 같이 일부 추가 작업이 있었으나 전체적으로 안전하게 고갈저류층을 격리하여 시추 작업을 완료하였다. 이는 시추공 안정성 분석을 통해 고갈저류층에 적합한 이수밀도를 예측하고 압력제어 시추법을 효과적으로 적용한 사례이다.
멕시코만 해상 심해 유전
멕시코만 Mississippi Canyon 243광구에 위치한 Matterhorn field는 8공의 생산정이 해상에 건설된 TLP(Tension Leg Platform)에 연결되어 있으며 A 저류층에서 약 5년간 생산하였다. A 저류층은 미고결 사암층으로 셰일층을 기준으로 상하부 층으로 나뉜다. A2 생산정은 추가생산량 확보를 위해서 기존 시추공에서 재시추(sidetrack)할 계획으로 생산에 따른 현지응력 감소로 허용이수밀도범위가 낮아져 이수손실과 저류층 손상 등의 시추공 안정성 문제가 발생할 것으로 예상하였다. 따라서 시추공 안정성 분석을 통한 최적의 이수밀도를 결정하고 지층 파쇄압을 증가시키기 위해 시추공 응력보강 기술을 적용하였다.
시추공 안정성을 분석한 결과 덮개암의 지층 붕괴를 방지하기 위해서는 10.3 ppg(1.24 SG) 이상의 이수밀도가 요구되었으나 이 경우 고갈저류층에서 이수손실이 발생할 것으로 예상되었다. 고갈저류층의 이수손실 위험을 최소화하고 지층 파쇄압을 증가시키기 위해 시추공 응력보강 기술을 적용하였다. 동 시추공 응력보강에 사용된 이수손실방지제는 탄산칼슘(calcium carbonate), 흑연(graphite) 및 흑연질 탄소(graphitic carbon)를 선별검사를 통해 도출한 최적 비율을 적용하였다.
고갈저류층 굴착 전 시추공을 이수손실방지제로 순환시킨 후 시추작업을 수행하였다. 굴착과 시멘팅 작업에서 관측된 최대 등가순환밀도는 각각 11.07 ppg(1.33 SG)와 11.50 ppg(1.38 SG)이며 작업과정에서 이수손실과 시멘트 손실은 발생하지 않았다. 시추작업 종료 후 A 저류층 상하부 천공과 산처리 작업 및 지층강도시험을 수행하였다. 그 결과 A 저류층 상하부의 지층 파쇄압은 각각 10.47 ppg(1.26 SG)와 10.67 ppg(1.28 SG)로 기록되었다(Fig. 10).
이 측정 결과를 분석한 결과 시추작업 시 관측된 11.07-11.50 ppg(1.33-1.38 SG)의 등가순환밀도는 10.47-10.67 ppg(1.26-1.28 SG)의 지층 파쇄압보다 높았으나 시추과정에서 시추공 응력보강을 통해 이수손실과 시멘트 손실이 발생하지 않은 것으로 판단된다. 이는 시추공 안정성 분석을 기반으로 시추공 응력보강을 성공적으로 수행했음을 보여주는 사례이다.
결 론
이 연구에서는 석유생산에 따른 시추공 안정성 분석의 이론적 배경을 알아보고 고갈저류층에서 발생하는 시추공 안정성 문제를 극복할 수 있는 시추장비와 기술 및 시추절차에 대해 소개하였다.
석유생산에 따른 저류층 공극압 감소는 현지응력을 감소시키며 시추공의 안정성에 악영향을 준다. 특히 다수의 저류층들은 다층구조를 이루며 저류층 덮개암, 미고갈 저류층 및 생산성 차이로 인해 허용이수밀도범위가 좁다. 따라서 각 저류층 특성을 반영한 시추공 안정성 분석이 중요하다.
고갈저류층은 허용이수밀도범위가 좁아 일반시추법으로 시추하는 경우 시추공 안정성 문제가 발생할 수 있다. 이 문제를 예방할 수 있는 압력제어 시추법은 좁은 허용이수밀도범위에서 정밀하게 시추공저압을 제어하여 시추공 불안정성 문제를 피할 수 있으며, 시추공 응력보강을 통해 감소한 지층 파쇄압을 증가시킬 수 있다. 또한 예비 케이싱을 준비하면 시추문제 발생 시 즉각적인 대처를 할 수 있다.
말레이시아 Sarawak 해상 가스전은 시추공 안정성 분석을 바탕으로 고갈저류층에 최적화된 압력제어 시추법을 적용한 사례이다. 멕시코만 심해 Mississippi Canyon 243광구에 위치한 A2 생산정은 시추공 안정성 분석을 근거로 시추공 응력보강을 하였으며 이를 통해 지층 파쇄압을 증가시켜 시추공 불안정에 따른 위험을 효과적으로 예방한 사례이다.
이 연구에서 살펴본 생산에 따른 시추공 안정성 검토 과정과 고갈저류층의 시추위험요소를 극복하기 위한 시추장비와 기술, 절차 및 적용사례들은 향후 국내·외 고갈저류층의 최적화된 시추설계 및 성공적 시추작업에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
