서론
천부 천연가스전(shallow gas field)은 전 세계적으로 광범위하게 분포하고 있지만 전통가스전에 비해 상대적으로 작은 규모이며, 낮은 저류층 압력을 가지고 있다. 천부 천연가스의 정확한 정의는 없지만 앞서 진행된 여러 연구에서 1,500 m 이하의 심도에 매장되어 있는 가스로 정의하고 있다(Norwegian Polar Research Institute, 1987; Davis, 1992). 천부 천연가스는 열기원(thermogenic)과 생물기원(biogenic) 과정에 의해 생성되지만 대부분 생물기원가스이다(Fig. 1). 열기원가스은 120°C 이상의 고온, 고압 조건의 심부 천연가스 근원암으로부터 생성된 가스가 지층 균열과 단층(fault)을 통해 천부로 이동(migration)하여 저류층에 집적되며, 생물기원가스는 75°C 이하의 저온, 저압 조건의 낮은 심도에서 미생물 활성(microbial activity)에 의해 생성된다(Davis, 1992; Laier et al., 1992; Sheng et al., 2003; Pang et al., 2005; Chen et al., 2015).
천부가스 저류층은 전통가스전과 달리 상부퇴적물에 의한 압력(overburden pressure)이 낮기 때문에 저류층 내 공극률(porosity)과 유체투과도(permeability)가 큰 경우가 많다. 하지만, 저류층의 퇴적시기가 길어질수록 고결되어 낮은 공극률과 유체투과도를 갖는 경우도 있다(Sheng et al., 2003).
최근 신규 가스전 발견이 줄어들고 가스 수요는 지속적으로 증가하고 있으며(Fig. 2), 2014년부터 이어진 저유가로 인해 상대적으로 비용 및 리스크가 낮은 천부가스전 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 우리나라는 울산 남동쪽 약 60km 지점에 위치한 동해-1 가스전에서 2004년부터 천연가스와 가스콘덴세이트의 상업적 생산을 통해 산유국이 되었다(Kim and Ryou, 2001; Kwon et al., 2001; Ryou, 2005; Huh, 2012). 최근에는 포항에서 천부가스가 발견됨에 따라 개발 가능성에 대한 기대가 증가하고 있어 천부가스전 개발 연구에 대한 필요성이 부각되고 있다.
2017년 3월 포항 대잠동의 지하수 시추 과정에서 발생한 가스 누출로 인하여 화재가 발생하였으며(Fig. 3), 발견 당시 붙은 불길은 현재까지 1년 넘게 타오르고 있다(Fig. 4). 2018년 3월 포항 해당지역에 대한 시추 및 물리검층이 수행되었으며, 이를 통해 천연가스 부존층으로 추정되는 지층을 확인하였다. 포항 천부가스는 도심지역 하부 약 200m에 위치한 지층에 부존되어 있는 것으로 추정된다(Park et al., 2018). 해양 부유성의 미고결 퇴적물로 채워져 있는 포항 지역은 1970년대부터 석유·가스 부존 가능성이 높은 지역으로 많은 각광을 받았으며(Song et al., 2015), 해당 발견은 국내 천부가스 개발 기술 및 연구 발전에 많은 도움이 될 것으로 사료된다.
일반적으로 층후가 얇은 천부가스전은 가스의 기원이 복잡하고 개발 사례가 많지 않기 때문에 전통가스전에 활용되는 유추계산법(analogy), 용적법(volumetric) 등의 저류층 평가 기법을 활용할 경우 평가된 자원량의 신뢰도가 떨어질 수 있다. 또한, 저류층의 크기와 물성이 다양하여 적합한 생산 시나리오 및 활용계획을 수립하는 것이 중요하다. 따라서 이 연구에서는 북미, 유럽, 아시아 지역의 천부가스전 개발 현황 및 동향을 분석하여 천부가스 저류층의 특징 파악하고자 한다.
천부 천연가스전 개발 현황
북미
미국의 대표적인 천부가스 매장지역은 Montana와 North Dakota이며(Ridgley, 2002), Montana의 Baker field 천부가스전은 1915년에 발견되어 이 지역의 가장 큰 E&P 기업인 Fidelity社를 중심으로 개발이 이루어졌다(Dennis, 2008). Baker field 저류층의 평균 심도는 450 m, 두께 범위는 85~200 m이며, Fidelity社는 추가 시추 및 시추공 재완결(re-completion)을 통해 Baker field의 전체 일일 천부가스 생산량을 20년간(1989~2008년) 5MMcf에서 68MMcf까지 증산하였다(Dennis, 2008).
백악기 시대 퇴적층으로 이루어진 North Dakota의 천부가스전은 1919년에 발견되었으며, 0.42 mD의 매우 낮은 유체투과도를 가진 이 지역 천부가스전의 평균 심도는 450 m이다(North Dakota Geological Survey, 2008). 지난 100년간 North Dakota에서 탐사 및 생산을 위해 약 240개의 가스정을 시추하였으며, 2000년대에 가장 많은 시추가 수행되었다(Fig. 5).
캐나다의 대표적인 천부가스 매장지역은 Alberta와 Saskatchewan이며, 두 곳의 주 경계에 위치한 Milk River formation에서 약 100년 동안 15.3 Tcf의 천연가스를 생산하였다(Fig. 6). 총 면적이 40,000 km2에 이르는 Milk River formation은 평균 심도 250~700 m의 백악기 시대 퇴적층으로 이루어져 있으며, 1~10 mD의 낮은 유체투과도를 가지고 있다(Chen et al., 2015). 이 지역의 천부가스는 1904년에 첫 생산이 이루어졌으며, 현재 약 49,000개의 생산정이 2.4 km2 당 8~16개씩 시추되어 있다(Nadeem and Dusseault, 2013).
위 사례들을 통해 비교적 퇴적시기가 오래된 북미의 천부가스 저류층의 경우 혈암(shale)질의 퇴적층으로 낮은 유체투과도를 가지고 있는 것을 파악하였다.
유럽
네덜란드 북쪽 해역의 천부가스전은 1970년대 초반에 처음으로 발견되었으며, 첫 개발은 2007년에 시작되었다(Fig. 7). 최근 Chevron社, PetroCanada/Dana社 등이 참여해 네덜란드 북쪽 해역의 미고결 퇴적층에 부존되어 있는 다수의 저류층을 개발 및 생산하고 있다. 이 지역 천부가스전은 일반적으로 해수면 아래 400~800 m 깊이에서 발견되며, 그 층의 두께 범위는 10~40 m이다(Jongerius, 2016).
덴마크 북쪽 지역에는 육상과 해상에 다수의 천부가스전이 있다. 육상의 경우, Frederikshavn 지역에 70~180 m 심도에 저류층이 산재해 있으며, Vendsyssel 지역에는 지하수에 용해된 가스의 형태로 지역 전체에 분포되어 있다(Jorgensen et al., 1990). 1865년 지하수 생산을 목적으로 진행한 시추 작업 도중 처음으로 천연가스가 발견되었으며, 수백 개의 생산정으로부터 60년간 1.4 Bcf의 가스를 생산하였다(Jorgensen et al., 1990). 해양의 경우 덴마크 북쪽 지역과 스웨덴 사이에 위치한 Kattegat 지역에 천부 천연가스가 광범위하게 집적되어 있으며, 저류층의 두께는 50~100 m이다(Fig. 8).
아시아
중국
중국에 매장되어 있는 천부가스의 대부분은 생물기원 가스로 주로 Shengli field와 Qaidam field에 분포하고 있다(Sheng et al., 2003). Shengli field의 대표적인 천부가스전은 Gudao와 Gudong에 위치해 있으며, 평균 심도는 1,500 m이다(Fig. 9). 또한 이 지역들은 500~800 mD의 비교적 높은 유체투과도와 30~34%의 높은 공극률을 가지고 있다. Gudao 천부가스전은 1976년에 생산이 시작되어 26년간 약 2,500개의 생산정으로부터 133 Bcf의 가스를 생산하였으며, Gudong 천부가스전은 1989년에 생산이 시작되어 14년간 약 1,400개의 생산정으로부터 101 Bcf의 가스를 생산하였다(Sheng et al., 2003).
Qaidam field 동쪽에 위치한 Sanhu 지역에는 크고 작은 천부가스전이 존재하며, 이 중 대표적인 저류층으로는 Sebei-1, Sebei-2, Tainan 가스전이 있다(Fig. 10). 이 지역의 넓이는 약 87 km2로 7.9 Tcf의 매장량이 확인되었으며, 이들의 평균 심도는 65~1,783 m이다. 1996년부터 생산을 시작한 Sebei-1 천부가스전의 경우 일일 가스 생산량이 1.5 MMcf이며, 누적 가스 생산량은 2008년에 700 Bcf에 도달하였다(Pang et al., 2005). 또한, 평균 일일 물 생산량은 생산정 당 0.45~1.8 bbl/Mcf이며, 가스 생산 중 물 침투(water invasion)로 인해 일일 가스 생산량이 40% 감소하여 단일 생산정으로부터 일일 평균 3.5~14 Mcf 정도의 가스를 생산하였다(Pang et al., 2005).
인도
Mumbai 북서쪽에 위치한 North Tapti 가스전은 인도의 대표적인 천부가스전으로 1978년에 발견되었다(Fig. 11). 이 천부가스전은 Daman과 Mahim formations에 위치해 있으며, 심도는 250~1,000 m이다. 본격적인 천부가스 개발 및 탐사는 2012년 6월에 시작하였으며, 총 6개의 생산정을 완결하였다(Ahmad et al., 2015). 2012년부터 생산을 시작한 생산정A의 경우 초기 일일 가스 생산량이 5.6 MMcf였으며, 현재 일일 가스 생산량은 5.0 MMcf 수준으로 감퇴하였다(Ahmad et al., 2015). 2013년부터 생산을 시작한 생산정B의 경우, 초기 일일 가스 생산량은 7.0 MMcf였으며, 현재 일일 가스 생산량은 6.3 MMcf로 감소하였다(Ahmad et al., 2015).
인도네시아
인도네시아의 대표적인 가스전은 Borneo 섬 동쪽 Mahakam delta에 위치한 TUNU 가스전이며, 이 가스전은 심도 600~2,200 m 범위인 TUNU Shallow Zone(TSZ)과 심도 2,200~5,000 m인 TUNU Main Zone(TMZ)로 구성되어 있다(Fig. 12). TUNU 가스전은 1977년부터 개발하여 1990년에 본격적인 생산이 시작되었으며, 최근까지 약 9 Tcf의 천연가스를 생산하였다. 개발 초기에는 심도가 깊은 TMZ에서 가스를 생산하였지만 심부 저류층의 가스가 고갈됨에 따라 2007년부터는 천부가스 저류층인 TSZ에서 가스를 생산하고 있다. 현재는 TUNU 가스전 전체 가스 생산량의 40% 정도인 700 MMcf를 TSZ에서 생산하고 있다(Setiawan et al., 2017). TSZ의 개발은 지속적으로 이루어지고 있으며, 퇴적층이 미고결하여 가스 생산 시 모래가 함께 생산되는 문제를 해결하기 위해 sand control 기법을 적용한 바 있다(Setiawan et al., 2017).
앞서 설명한 천부가스전 개발 사례들은 Table 1과 같이 요약할 수 있으며, 퇴적시기에 따라 분류할 수 있다. 북미 지역의 천부가스전은 백악기 시대에 퇴적 되었으며, 오랜 속성작용으로 인해 퇴적층이 고결하여 0.4~10 mD의 낮은 유체투과도를 가지고 있다. 또한, 퇴적시기와 저류층 심도에 따라 시추 비용이 최대 $150 MM 차이날 수 있으므로 해상 천부가스전에 비하여 상대적으로 시추비용이 낮은 추가시추를 통해 생산량을 향상시킨 사례가 있다(North Dakota Geological Survey, 2008; EIA, 2016).
Table 1. Major properties of shallow gas reservoir in different countries
아시아, 유럽 지역의 천부가스전은 북미 지역에 비해 젊은 신생대시기에 퇴적이 되었으며, 속성작용 기간이 짧아 퇴적층이 미고결하여 200~1,000 mD의 비교적 높은 유체투과도를 가지고 있다. 또한, 천부가스전에서 생산된 가스를 주로 생산지 인근의 가스 수요가 필요한 곳에 판매하거나, 광구 운영 시 터빈 가동을 위해 자체적으로 활용한 사례가 있다(Laier et al., 1992; Setiawan et al., 2017). 이처럼 천부가스전은 저류층의 퇴적시기에 따라 속성작용의 영향으로 유체투과도가 상이하게 나타나며, 퇴적층의 고결 상태를 고려하여 천부가스전 개발 시 적합한 생산운영 방법 적용이 필요할 것으로 사료된다.
결론
천부가스전은 북미, 유럽, 아시아 등 전 세계에 걸쳐 개발된 사례가 있으며, 퇴적시기에 따라 분류할 수 있다. 북미 지역의 천부가스전은 백악기 시대에 퇴적이 되었으며, 오랜 속성작용으로 인해 퇴적층이 고결하여 낮은 유체투과도를 가지고 있다. 반면, 아시아 지역의 천부가스전들은 신생대 시기에 퇴적되었으며, 속성 작용 기간이 짧아 퇴적층이 미고결하여 유체투과도가 높은 특징을 가지고 있다. 이처럼 천부가스전은 퇴적시기에 따라 공극률, 유체투과도 등의 물성이 상이하며, 저류층의 크기와 형태가 다양하다. 이에 따라 천부가스전 개발 시 저류층 물성 및 규모에 따른 적합한 개발 방법 및 생산 시나리오 등을 수립하는 것이 필요하다.
국내 포항 가스의 경우 가스 부존층이 도심지역에 위치하여 탐사 및 개발 과정이 제한적이며, 천부가스 누출에 의한 화재사고가 발생한 바 있어 시추 시 유정폭발 또는 가스 누출에 대비할 수 있는 방안을 마련해야 한다. 또한, 우리나라는 육상 천부가스의 상업적 생산 사례가 전무하기 때문에 정확한 생산량 예측과 활용 계획 수립이 어려운 상황이다. 따라서 포항 가스 개발에 앞서 적합한 저류층 평가기술로 신뢰성 있는 자원량을 산정하고, 이에 따른 개발, 생산 및 활용 시나리오에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
