서론
셰일 저류층 공극 및 탄화수소 부존 특성
셰일 저류층 공극 특성
탄화수소 부존 특성
셰일 저류층의 석유회수증진법
회수증진 잠재성
셰일 저류층 회수증진법 적용성 검토
주기적 가스주입법에 의한 회수증진
운영설계 시 고려사항
현장사례 분석
Eagleville Field
결론
서론
셰일 저류층의 상업적 개발은 수평정시추 및 다단계 수압파쇄와 같은 기술의 발전과 유가상승 등 투자환경의 변화에서 비롯되었다. 개발업계는 그간 투자효율성 향상을 목적으로 설계 최적화와 비용절감 등의 노력을 기울여 왔다. 하지만 최근 저유가는 수압파쇄를 위한 추가 투자비가 반드시 요구되는 셰일 저류층의 개발 경쟁력이 외생변수의 영향에 취약한 것으로 나타남으로써 지속가능한 개발 경쟁력확보를 위한 기술적 대안마련이 요구되고 있는 실정이다.
셰일 저류층의 1차 회수율은 원유의 경우 3~7%, 천연가스의 경우 20~30% 수준이다(U.S. EIA, 2015). 이때 적용된 수평정과 수압파쇄 기술은 저류층과의 접촉면적을 확대하고 추가적인 탄화수소의 유동통로를 마련함으로써 1차 회수에 기여한다. 한편, 셰일 저류층 내 나노미터 단위의 매우 작은 공극과 입자간 간극(pore throat)은 효율적인 탄화수소의 유동을 방해한다. 저류층 압력이 기포점압력 이하로 떨어질 경우 유동에너지의 소실로 상당의 잔류 탄화수소(residual hydrocarbon)가 저류층의 공극 내에 갇혀있게 된다(Tovar et al., 2014). 이 연구에서는 잔류 탄화수소 회수 관점에서 셰일 저류층의 공극구조와 탄화수소 부존 및 유동특성을 바탕으로 주기적 가스주입법(cyclic gas injection)의 회수 매커니즘을 검토하였다. 또한 미국 Eagle Ford 셰일층에 적용된 사례와 결과를 분석함으로써 운영설계 시 기술적 고려사항을 도출하고자 한다.
셰일 저류층 공극 및 탄화수소 부존 특성
셰일 저류층 공극 특성
셰일은 유기물이 풍부한 세립질(fine-grained) 쇄설성 퇴적암으로 지질시대를 거치는 동안 물리‧화학적 작용으로 탄화수소가 생성되는 근원암 역할을 한다(Lee et al., 2016). 통상 셰일오일 또는 셰일가스는 이러한 근원암 자체에 집적되거나 인접한 다공질 암체로 이동 후 부존하는 탄화수소로 비교적 넓은 범위의 석유자원을 지칭한다. 셰일 저류층은 암상, 공극-유체투과도 그리고 배태된 탄화수소의 물성 등으로 특정 지어지며, 구성광물과 퇴적환경 등에 따라 다양한 공극특성을 갖는다(Bohacs et al., 2013). 셰일은 silt 및 clay와 같은 µm 단위의 입자크기를 가진 광물로 이루어져 수 nm 수준의 조밀한 입자간 간극(pore throat)으로 유체가 쉽게 유동하지 못하는 특성을 지닌다. Fig. 1은 쇄설성 퇴적암의 입자간 간극 및 유체들의 분자크기를 도시하였다.
셰일 저류층의 공극유형은 크게 입자간(inter-particle)공극, 입자내부(intra-particle)공극 그리고 유기물 내부에 분포하는 유기(organic matter)공극으로 구분할 수 있다(Louck et al., 2012). 이 중 입자간공극과 입자내부공극은 일반적인 사암 저류층에서도 공통적으로 나타나는 기질(matrix) 공극으로 친수성(water-wet)을 지닌다(Lee, 2013). 반면 유기공극은 셰일층 내의 퇴적 유기물인 케로젠(kerogen)이 열적 성숙단계를 거치면서 탄화수소로 변환된 부분에 생성되는 공극으로 탄화수소의 저장(storage)공간 역할을 하며, 오랜 기간 높은 탄화수소 포화율로 친유성(oil-wet)의 특성을 나타내어 부존하는 탄화수소 흡착을 유도할 수 있다(Passey et al., 2010).
탄화수소 부존 특성
미세 다공질 공극이 내재된 셰일은 큰 공극 표면적으로 인해 다량의 탄화수소가 흡착될 수 있다. 공극 내 부존하는 탄화수소는 일반 저류층과 달리 친유성 유기공극 내 자유상태(free state) 또는 공극 표면에 흡착된 상태로 존재한다. Fig. 2는 미국 Bakken 셰일의 코어분석을 통해 얻어진 공극크기 분포와 공극 내 부존하는 탄화수소의 부존상태를 도시하고 있다. 자유상태로 존재하는 회수가능한 탄화수소와 흡착상태로 존재하는 탄화수소가 함께 공존하고 있음을 확인할 수 있다. 공극 내 흡착상으로 존재하는 탄화수소 부피(Va)와 총 탄화수소부피(Vo)의 비(ratio)를 통해 공극크기가 작을수록 흡착상의 분포가, 공극크기가 커질수록 자유상의 탄화수소 분포가 우세함을 확인할 수 있다.
저류층 조건에서 알칸계 탄화수소는 그 분자량이 클수록 친유성 유기물질에 우선적으로 흡착되는 특성을 지니고 있으며, Langmuir 등온흡착식(isotherm)을 따르는 CH4와 달리 무거운 성분의 탄화수소로 이루어진 액체탄화수소는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 등온흡착식에 따라 다중분자층을 이루며 흡착상태로 존재한다(Brunauer et al., 1938; Castro et al, 1998). Wang et al.(2015)은 분자동역학(molecular dynamics) 전산시뮬레이션을 통해 공극의 크기 및 탄화수소 구성에 따른 흡착거동을 확인하였으며, Bakken 셰일의 경우 약 13%의 액체 탄화수소가 다중분자층을 형성하며 흡착상태로 존재할 것으로 예상하였다.
셰일 저류층의 석유회수증진법
회수증진 잠재성
수압파쇄법은 저류층 내 균열대 형성을 통해 저류층-생산정 간 유체의 유동성을 개선한다. 셰일 저류층의 1차회수율은 탄화수소의 유동을 지배하는 저류층 압력과 수압파쇄에 의한 균열표면적의 발달정도에 따라 결정된다(Kang et al., 2017). 여기서, 균열표면적의 존재는 유한하며, 수압파쇄 작업 및 운영환경에 따라 그 유효성도 달라진다. 수압파쇄법으로 형성된 균열대는 생산정과의 거리와 지지체(proppant) 충전 및 생산기여 정도에 따라 Fig. 3과 같이 (1) wellbore/fracture connector, (2) near-wellbore fracture, (3) far-wellbore fracture로 구분된다(Suarez-Rivera et al., 2013). Wellbore/fracture connector는 천공으로 발달된 유체유동의 수렴지역이다. Near-wellbore fracture는 충분한 지지체 충전으로 균열전도도가 확보됨에 따라 대부분의 저류층 생산유체가 유입되는 균열구간으로 수압파쇄 설계의 주요 관심대상이 된다. Far-wellbore fracture는 자연균열(natural fracture) 또는 수압파쇄에 의한 응력해방으로 발생되는 미소균열(micro fissure)과 구분되며, 균열은 발생되었지만 지지체 충전이 미흡한 미충전 균열(induced un-propped)로 정의될 수 있다(Ribeiro et al., 2015). 여기서는 생산초기 저류층 압력강하에 의한 균열닫힘이 발생되어 유동에너지를 상실한 다량의 탄화수소가 공극 내 여전히 자유 또는 흡착된 상태로 존재한다.
셰일 저류층 회수증진법 적용성 검토
석유회수증진법(Enhanced Oil Recovery, EOR)은 1차 및 2차 회수 후, 더 이상 경제적인 회수가 어렵다고 판단되는 저류층에 적용된다. 셰일 저류층은 생산 초기단계에 자체 에너지 혹은 인공채유법을 이용한 1차 생산이 이루어지며, 이후 저류층 자체 에너지의 감소에 따라 탄화수소가 공극 내 잔류한다. 일반적인 물‧가스주입에 의한 압력유지 기법은 셰일의 치밀한 특성으로 주입도(injectivity)가 현저히 저하되고(Wan, 2013), 주입정에서 생산정으로 압력이 전파되기까지 상당한 압력손실이 있어 경제적인 효과를 기대하기 어렵다(Xu and Hoffman, 2013). 또한 일부 현장에서 물주입법을 통한 압력보완이 시도되었으나, 매우 빠른 물 도달(breakthrough)을 확인하였다(Hoffman, 2016). 따라서, 셰일 저류층에서는 주입정과 생산정간 에너지를 전달하거나 물리적으로 밀어내는 방식보다 단일정 또는 주변을 대상으로 잔류 탄화수소 회수를 유도하는 방식을 고려하는 것이 더욱 효과적이다(Chen et al., 2014).
주기적 가스주입법에 의한 회수증진
주기적 가스주입법(cyclic gas injection)은 ‘huff-n-puff’로도 잘 알려져 있다. Fig. 4와 같이 주입단계(huff process)에서 선택된 가스는 설계된 압력조건에서 저류층으로 주입되며, 주입가스와 저류층 내 잔류 탄화수소가 접촉하여 물리‧화학적 평형을 이루는 과정(soaking)을 거치게 된다. 이후, 주입정은 생산정으로 변환되어 유동도가 개선된 잔류 탄화수소가 생산(puff process)되는 공정이다(Han and Lee, 2014). 주입된 가스는 잔류탄화수소와 단상(single phase)으로 혼화(miscible)됨으로써 공극 내에서 팽창, 점성도 감소, 표면장력 감소 그리고 상대유체투과도의 변화가 이루어지며, 공극과 균열대의 압력구배에 따라 균열대로 배출될 수 있다(Li et al, 2016).
주입가스와 저류층 유체의 혼화를 촉진시키기 위한 주입가스의 주요 이동(transport) 매커니즘은 Fig. 5와 같이 압력차에 의한 이류(advective flow), 화학적 전위차에 의한 분자확산(molecular diffusion) 그리고 가스상과 액체상의 밀도차에 의한 중력배출(gravity drainage)로 이루어진다(Alharthy et al., 2015). 이류는 균열대와 공극간의 압력차에 의해 발생되는 유체의 흐름을 따라 주입가스가 이동하는 것을 의미하며 Darcy 법칙을 따른다. 분자확산은 주입가스 및 저류층 유체 내 분자의 이동으로 인한 혼합현상으로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동함을 의미한다. 중력배출에 의한 이동은 균열내부 액상과 가스상의 밀도차에 의해 발생되나 셰일 저류층의 경우 효과는 미미하다.
주기적 가스주입법에서 이렇게 균열대 표면 또는 균열대 인접 유기공극에 부존하는 잔류탄화수소는 크게 병류(co-current flow)법과 역류(counter-current flow)법으로 회수할 수 있다(Fig. 6). 병류법은 가스의 침투와 동일한 방향으로 공극 내 원유의 확산을 유도하는 방법으로 동일 PAD 내 인접한 생산정으로 이동을 유도하는 방법이다. 이와 반대로 역류법은 잔류 유체가 주입가스의 침투방향으로 이동할 수 있도록 유도하는 방법으로 주입된 가스는 공극 내에서 기화‧응축과정을 통해 물질전달이 발생되며, 공극 내 유체의 팽창으로 인해 공극과 균열대의 압력차가 발생함에 따라 균열대로 이동할 수 있다. 병류법은 주입가스의 동적인 확산을 전제로 하기 때문에 혼화조건에 따른 잔류 탄화수소 이동의 효과에 대해 비교적 독립적이나, 역류법은 soaking 단계에서 혼화에 따른 충분한 물질이동이 전제되어야 하기 때문에 혼화조건이 중요하다. Kovscek et al.(2008)은 CO2를 이용해 회수방식과 혼화조건을 달리한 실험을 진행하였다. 비혼화 조건에서 역류법과 병류법은 각각 0~10%와 18~25%의 회수를 확인하였으며, 혼화조건에선 각각 25%와 10%의 회수를 확인한 바 있다.
운영설계 시 고려사항
주기적 가스주입법의 효과적인 적용을 위해 저류층 특성, 주입가스의 선택, 주입압력, 주입주기 및 soaking 기간 등의 운영 및 설계변수는 대상 저류층 및 유체의 특성 등에 따라 신중히 결정되어야 한다. 주기적 가스주입법의 혼화공법은 저류층 조건에서 주입가스와 저류층 유체가 계면장력이 존재하지 않는 하나의 상으로 유도하는 방법으로(Holm, 1986), 비혼화공법과 비교해 미시적 대체효율(microscopic displacement efficiency)이 높아 더 많은 회수가 가능한 것으로 알려져 있다(Green and Willhite, 1998). 혼화공법은 저류층 조건에서 주입가스와 저류층 유체의 최소혼화압력(Minimum Miscibility Pressure, MMP)이 저류층 압력보다 낮은 경우에 적용 가능하다(Kang et al., 2016). 일반적으로 CO2는 N2 및 CH4와 비교해 낮은 저류층 압력조건에서 혼화가 발생되며, 저류층 온도, 부존유체의 성분 및 주입가스의 선택 등에 따라 MMP가 달라진다(Jeong and Lee, 2016). 결정된 MMP로부터 지표설비의 용량과 운영계획이 결정되며, 결정된 운영 및 설계변수에 따라 경제성이 좌우될 수 있다. 반면, Gamadi et al.(2014)은 MMP 이상의 압력 증가는 회수율에 대한 영향은 미미한 것으로 나타나 현장적용 전 대상 저류층과 유체특성을 고려한 최적 주입압력구간 도출에 대해 시뮬레이션 등의 연구가 선행되어야 한다.
현장사례 분석
초기 개발개념에 대한 연구는 셰일 저류층의 회수율 증진과 더불어 최근 대두되고 있는 온실가스저감 등의 환경문제를 함께 다룸으로써 보다 정책적 판단에 치우쳐 왔다. 하지만 최근 일부 운영사에서 셰일 저류층을 대상으로한 석유회수증진법의 긍정적인 결과를 발표함에 따라 업계를 중심으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 현재까지 셰일 저류층을 대상으로 주기적 가스주입법과 같은 석유회수증진법에 대한 연구와 개발은 초기단계이며, 앞서 제시된 내용을 바탕으로 예비시험(pilot test) 결과를 분석함으로써 현장 적용성을 살펴보고자 한다.
Eagleville Field
미국 텍사스 주에 위치한 Eagle Ford 셰일 저류층은 텍사스 남부를 따라 SW-NE 방향으로 분포하고 있으며, 남동쪽의 gas window 부터 북서쪽의 oil window 까지 다양한 유체부존 경향을 나타낸다(Fig. 7). Eagle Ford 셰일 play의 oil window에 위치한 Eagleville 자산은 EOG사에 의해 운영되고 있으며, 초기 가스원유비(gas oil ratio)는 1,000 scf/stb 수준이다(U.S. EIA, 2014).
2015년 Eagle Ford 셰일층에서 4개 PAD내 15개 생산정을 대상으로 기존 시설과 인근 플랜트에서 공급받은 건가스(dry gas)를 사용하여 $6/bbl 이하의 추가 개발단가로 약 30%의 회수증진 효과를 나타냈다(IHS Energy, 2016). Gonzales 카운티에 위치한 Steen Scruggs Unit 1H는 주입 후 4회로 추정되는 주입기간과 약 40일의 soaking 기간을 반복적으로 거쳐 생산을 진행하였다(Fig. 8). Steen Scruggs Unit 1H에 대한 생산감퇴곡선 분석결과 36%의 궁극가채량 증진효과가 있는 것으로 분석되었으며, 석유회수증진법에 의한 추가적인 공당 순현재가치(net present value, NPV)는 약 2백만불로 수준으로 추정된다. 이를 바탕으로 EOG사는 2017년과 2018년 150여개의 생산정을 대상으로 석유회수증진법을 시행하고 있다.
적용된 주기적 가스주입법의 개략적인 운영설계와 타당성을 검토하기 위해 Eagleville 인근의 유체물성 정보를 사용하여 주입가스 선택에 따른 MMP를 분석하였다. 해당지역의 지상조건에서 취득된 원유샘플은 38 APIo의 비교적 경질유로 Table 1과 같이 저류층 조건에서도 가벼운 탄화수소 성분들이 주를 이루고 있다. 기포점압력은 237 oF의 저류층 온도조건에서 약 3,750 psi로 초기 저류층 압력인 5,435 psi 이하로 확인됨에 따라 초기 저류층 조건에서 단상으로 존재할 것이라 예상된다.
저류층 유체의 상거동 분석은 Peng-Robinson 상태방정식(equation of state)을 이용하였다. MMP는 CMG사의 유체특성 분석 소프트웨어인 Winprop을 사용하였으며, cell- to-cell 분석방법으로 예측하였다. 분석결과 100%의 순수한 CO2, CH4 및 N2 주입에 따른 MMP는 CO2의 경우 2,750 psi로 저류층 압력 이하의 조건에서 혼화가 이루어짐을 확인하였으나, CH4와 N2는 각각 5,625 psi 및 5,750 psi로 저류층 압력 이상으로 산출됨에 따라 혼화조건의 충족이 어려운 것으로 확인되었다. 한편, 주입가스의 CH4/C3H8 몰(mole) 비율을 80/20, 70/30 및 60/40으로 달리하여 산출한 결과, 각각 5,500 psi, 4,250 psi 그리고 3,250 psi로 산출되어, 주입가스의 리치가스 성분을 제어함으로써 저류층 압력 이하에서 혼화가 발생될 수 있음을 확인하였다.
결론
셰일 저류층의 개발 특성상 일반적인 저류층과 같이 주입정과 생산정간 에너지가 전달되는 개념보다 단일정을 대상으로 주입과 생산을 반복하는 주기적 가스주입법의 적용이 더욱 효과적이다. 미충전 균열대는 생산초기 균열닫힘 현상으로 공극과 균열대의 국지적 압력구배가 충분하지 않아 많은 양의 잔류탄화수소가 존재한다. 주입가스는 이러한 잔류탄화수소와 단상으로 혼화됨으로써 기화‧응축과정을 통해 물질전달이 발생되며, 공극 내 팽창에 의한 압력구배가 형성되어 균열대로 배출될 수 있다.
MMP는 주기적 가스주입법의 회수증진 효율을 결정짓는 가장 중요한 핵심인자 중 하나로서 운영설계 시, 주입가스의 선택과 이에 따른 주입용량이 결정되며, 적용대상 저류층 및 유체특성에 따른 실험과 전산모사를 선행함으로써 경제성을 확보할 수 있는 최적 운영설계가 이루어질 수 있다. Eagle Ford 현장자료를 이용한 MMP 분석결과 순수한 CO2 뿐만 아니라 리치 가스성분을 제어한 생산가스 재주입을 통해서도 저류층 압력 이하의 조건에서 혼화가 가능한 것으로 분석되어, CO2 공급 인프라가 구축되지 않은 지역에서 비용경쟁력을 갖춘 적절한 대안으로 활용될 수 있다.
주기적 가스주입법은 인근시설에서 충분한 주입가스 공급이 확보될 경우, 주기적 가스주입법의 적용을 위해 필요한 자본투자는 기존 설치설비를 제외하고 가스주입을 위한 컴프레서, 운반을 위한 파이프라인 그리고 계측에 필요한 부가적인 장비가 요구되며, 단위 생산정 기준 미화 약 1백만불 내외로 예상된다. 이는 Eagle Ford의 평균 공당 재수압파쇄 투자비 1.8백만불의 약 55% 수준으로 지속적인 연구개발을 통한 기술적 불확실성이 보완될 경우, 앞선 투자비 경쟁력으로 재수압파쇄 기술 외 추가적인 대안으로 고려해 볼 수 있을 것이다.
