서 론
캐나다 앨버타 주의 오일샌드는 약 1.84조 배럴의 원시부존량을 가지고 있고 누적생산량은 179억 배럴이며, 지하 심부에 매장되어 있어 지하회수공법(in-situ recovery method)을 이용한 개발이 많이 이루어지고 있다(AER, 2023). 지하회수공법 중 가장 널리 사용되는 SAGD(steam-assisted gravity drainage) 공법은 생산정과 주입정을 5 m 간격으로 수평시추하고, 주입정에 고온의 스팀을 주입하여 비튜멘의 점성도를 낮춤으로서 오일을 생산하는 방식이다(Edmunds and Gittins, 1993).
SAGD 운영 시 스팀의 주입압력은 미고결 사암 저류층의 석유암반공학적(geomechanical) 특성을 변형시키고 이러한 저류층 변형은 공극률과 투과도를 증가시켜 SAGD 생산성이 증진되지만, 스팀쳄버 상부에 지표융기(surface heave) 현상이 일어나 덮개암 안전성(caprock integrity)을 악화 시킬 수 있다(Collins et al., 2002; Dusseault and Collins, 2008). 실제 사례로 2006년 Joslyn Creek 광구에서 SAGD 공법의 초기단계(start-up)를 지나치게 높은 주입압력으로 운영하여 저류층과 덮개암에서 인장파괴와 전단파괴가 발생하여 주입된 스팀이 저류층 상부층(overburden)을 통해 지표로 누출되는 폭발사고가 발생하였다. 그 피해범위는 75 m x에서 125 m의 원형으로 이며, 1 km의 먼지 기둥을 형성하였다(Fig. 1). 본 연구에서는 SAGD 공법 적용 시 오일샌드 SAGD 생산성 및 운영압력과 석유암반공학적 특성 간의 상관성을 파악하고 지표변형에 미치는 영향을 분석하였다.
본 론
스팀 주입과 덮개암 안전성
미고결 사암 저류층에 주입되는 스팀은 여러 석유암반공학적 특성을 변형시키며, 대표적으로 공극압(pore pressure)의 변화, 열 확장(thermal expansion), 저류층 팽창(dilation), 전단(shear), 인장(tensile)이 있다(Fig. 2). 높은 주입압력과 온도는 스팀쳄버 내 오일샌드의 온도를 상승시키며, 측면방향으로 우세하게 열을 확장시킨다. 저류층 상부층에 의해 최소주응력과 수평응력 방향이 동일하기 때문에 수평방향으로의 열 확장은 전단응력을 증가시켜 전단파괴를 일으킨다(Collins et al., 2002). 이는 배수여부의 차이가 있는 Clearwater Shale 코어에 150°C 열을 가한 실험에서 전단파괴와 인장파괴를 확인할 수 있다(Fig. 3).
또한, 높은 주입압력으로 인해 저류층의 공극압이 증가하여 유효응력(effective stress)을 감소시킨다(Terzaghi, 1943; Collins et al., 2002). 유효응력이 감소된 미고결 사암 입자는 스팀쳄버 내에 미끄럼 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 사암 입자는 회전하고 이동하게 된다. 이에 따른 부피 팽창을 저류층 팽창이라 부른다(Dusseault and Collins, 2008). 스팀쳄버 내의 저류층 팽창과 전단은 스팀의 확장을 용이하게 하지만, 덮개암에 높은 압력을 가하게 되면서 덮개암 안전성을 위협하고 저류층 상부층까지 압력이 전달되어 연간 수 cm의 지표융기 현상을 발생시킨다(Fig. 4). 2006년 Joslyn Creek SAGD 운영광구에서 발생한 사고로 인해 여타 SAGD 운영사에서 석유암반공학적 특성에 관심을 가지게 되었다. 이로 인해, 지표융기 측정(heave measurement)과 InSAR(interferometric synthetic aperture radar), 인장계(extensometer) 등을 이용한 지표융기 변화 관리(surface monitoring) 시스템을 도입하여 주기적으로 지표융기 자료를 수집하고 있다(Fig. 5).
저류층 투과도 변화에 따른 SAGD 생산성 증가
Touhidi-Baghini(1998)은 캐나다 McMurray 층의 노두에서 수평 및 수직방향의 오일샌드 코어를 채취해 부피변화에 따른 투과도 변화를 실험하였으며, 공극률 및 투과도는 각각 식 (1) 및 (2)와 같이 변화한다.
여기서 는 투과도, 는 절대투과도, 는 공극률, 는 초기 공극률, 은 부피변형률이며, 𝛽가 2일 때는 수평투과도의 경우이고 𝛽가 5일 때는 수직투과도의 경우를 말한다. SAGD 운영 시 주입압력에 따른 저류층 팽창은 저류층의 부피를 변형시키고 이에 따라 공극률과 투과도는 증가한다. 수직투과도의 경우 5%의 부피변형률을 가질 경우 2.5배의 투과도 증가를 보였으며, 수평투과도의 경우 5%의 부피변형률을 가질 경우 1.6배의 투과도 증가를 확인할 수 있다(Fig. 6).
중력배유(gravity-drainage) 이론으로 SAGD 오일 생산량()을 예측하는 관계식은 식 (3)과 같다(Butler, 1994).
여기서 은 수평정 길이, h는 높이, 는 공극률, 는 초기 오일 포화도와 잔류 오일 포화도의 차이며, 는 투과도, 는 점성도, 는 중력, 𝛼는 열 확산도, 은 열과 점성도에 관련된 지수(일반적으로 3, 4)이다. 식 (3)에서 알 수 있듯이 석유암반공학적 특성 변형에 따라 저류층의 투과도가 변화하면 오일샌드 저류층의 오일 생산량도 변화할 것이다.
연구방법
캐나다 앨버타 주의 오일샌드 부존지역에서 지표융기가 주요하게 발생한 SAGD 운영광구는 Mackay River, Firebag, Jackfish, Christina Lake, Foster Creek, Surmont 등이며, 본 연구에서는 2008년부터 2013년까지 보고된 앨버타 주정부(AER)의 오일샌드 지하회수 진행 연간 보고 자료를 활용하였다(Table 1).
Table 1.
Summary of the operating parameters, heave data, and SAGD performance of major SAGD projects
|
SAGD Projects | Pad |
No. well pairs |
Project Start |
Reservoir Depth (m) |
Caprock Thickness (m) |
Caprock Fracture Pressure (kPa) |
The highest Injection Pressure (kPa) |
Current Operating Pressure (kPa) |
Annual Surface heave rate (mm/year) |
CDOR (m3/d/well pairs) | CSOR | STEP | Reference |
|
MacKay River | A | 7 | 2002-09 | 106 | 23 | 2279 | 1650 | 1650 | 30 | 34 | 4.3 | 0.5 | (Suncor, 2012a) |
| B | 7 | 2002-09 | 103 | 21 | 2215 | 1650 | 1650 | 55 | 127 | 2.1 | 10.7 | ||
| C | 7 | 2002-09 | 98 | 16 | 2107 | 1650 | 1550 | 61 | 95 | 2.2 | 7.2 | ||
| D | 5 | 2002-09 | 113 | - | 2430 | 1525 | 1380 | 44 | 94 | 2.4 | 5.8 | ||
| F | 7 | 2007-09 | 97 | - | 2086 | 1750 | 1460 | 49 | 123 | 2.1 | 10.3 | ||
| G | 7 | 2006-01 | 95 | - | 2043 | 1750 | 1710 | 22 | 85 | 2.4 | 5.2 | ||
| NN | 6 | 2008-12 | 95 | - | 2043 | 2000 | 1870 | 20 | 46 | 2.8 | 1.9 | ||
| 6 | 2008-11 | 99 | - | 2129 | 1540 | 1350 | 34 | 47 | 1.8 | 5.7 | |||
|
Christina Lake | B01 | 7 | 2008-05 | 342 | 32 | 6311 | 5200 | 2100 | 29 | 170 | 2.1 | 15.1 | (Cenovus, 2012) |
| Surmont | 101N | 9 | 2008-03 | 386 | - | 7102 | 4500 | 3250 | 5 | 38 | 3.1 | 1.3 | (ConocoPhillips, 2012) |
| 101S | 9 | 2008-03 | 358 | - | 6587 | 4400 | 2600 | 14 | 95 | 3.1 | 3.2 | ||
| 102N | 9 | 2008-03 | 377 | 18 | 6937 | 4500 | 2750 | 4 | 79 | 2.5 | 4.5 | ||
| 102S | 9 | 2008-03 | 386 | - | 7102 | 4500 | 3100 | 10 | 111 | 2.5 | 6.4 | ||
| Jackfish | A | 7 | 2008-10 | 400 | - | 5670 | 3300 | 3100 | 44 | 260 | 2.5 | 14.4 | (Devon, 2013) |
| C | 7 | 2008-10 | 400 | - | 5670 | 3300 | 3100 | 32 | 157 | 2.5 | 8.7 | ||
| BB | 7 | 2011-04 | 459 | - | 6940 | 4200 | 3400 | 41 | 147 | 3.0 | 5.3 | ||
| AA | 7 | 2011-04 | 459 | - | 6940 | 4150 | 3400 | 32 | 84 | 3.0 | 3.0 | ||
| KK | 7 | 2011-04 | 459 | - | 6940 | 4150 | 3500 | 9 | 42 | 3.0 | 1.5 | ||
|
Foster Creek | D | 12 | 2002-01 | 212 | - | - | - | - | 48 | 219 | 1.8 | 26.7 | (Cenovus, 2011) |
| Firebag | 101 | 9 | 2003-09 | 277 | 25 | - | - | - | 35 | 114 | 3.1 | 3.8 | (Suncor, 2012b) |
SAGD 생산성을 나타내는 주요 인자로는 일일 평균 생산량(CDOR, calendar day oil rate), 누적 스팀-오일비(CSOR, cumulative steam oil ratio), 단순 경제성 평가 지표(simple thermal efficiency parameter, STEP)를 활용하였으며, STEP은 식 (4)의 형태로서 SAGD 생산성 평가와 최적 운영조건을 도출하기 위해 순현가(NPV) 계산과 같은 별도의 경제성 평가 과정 없이 SOR = 4 도달 시점의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 계산된 단순한 형태의 경제성 지표이다(Shin and Polikar, 2005). STEP 적용 시 회수율(recovery factor, RF)은 운영기간에 따라 다양하기 때문에 STEP 개발 가정사항인 0.5로 설정하였다(Shin and Polikar, 2005).
또한, SAGD 생산성과 지표융기와의 상관성을 분석하기 위해 연간 지표융기 변화율(annual surface heave rate) 자료를 활용하였으며, 이는 운영기간으로 인한 변수를 제거하기 위함이다. 주입압력은 덮개암 파괴압력(PCF, caprock fracture pressure), 최대주입압력(PHI, the highest injection pressure) 그리고 2013년 기준 현재운영압력(PCO, current operating pressure)으로 나누어 분석하였다. 최대주입압력을 덮개암 파괴압력으로 나누고 백분율 계산을 하였을 경우(PHI/PCF × 100) 백분율 값이 크다는 의미는 낮은 안전율(low safety factor)을 적용해 덮개암 파괴압력과 근접한 압력으로 운영한 SAGD를 말하며, 반대로 백분율 값이 작다는 의미는 높은 안전율(high safety factor)을 적용해 덮개암 파괴를 예방할 수 있는 안전한 SAGD 운영을 하였다고 판단할 수 있다.
최대주입압력과 현재 운영압력간의 차(PHI - PCO)를 고려할 경우, 차가 작다는 의미는 높은 주입압력을 현재까지 지속적으로 운영한 SAGD를 의미하며 HP-SAGD(high pressure SAGD)에 해당한다. 반면, 최대주입압력과 현재 운영압력간의 차가 크다는 의미는 높은 압력으로 운영하다가 추후 낮은 주입압력으로 변경해 운영한 SAGD이며 LP-SAGD(low pressure SAGD)라 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 캐나다 앨버타 6개 SAGD 운영광구들의 연간 지표융기 변화율과 저류층 조건 및 운영조건(저류층 깊이, 덮개암 두께, 주입압력), SAGD 생산성(CDOR, CSOR, STEP)을 파악해 비교 분석하였다(Table 1, Fig, 7).
연구결과
Fig. 8은 저류층 깊이와 연간 지표융기 변화율의 관계를 나타낸 것이다. 연간 지표융기 변화율은 저류층 깊이와 반비례하는 경향을 가지며, 유사한 저류층 깊이를 가지는 (A), (B)점을 비교해보면, (A)점의 CDOR은 95 m3/d, (B)점의 CDOR은 46 m3/d 으로 상대적으로 높은 CDOR을 가지는 (A)점이 (B)점 보다 연간 지표융기 변화율이 크다(Fig. 8). 즉, 생산성이 좋은 저류층이 스팀 발달이 잘 되어 지표융기가 더 크게 나타났음을 의미한다.
연간 지표융기 변화율과 SAGD 생산성을 나타내는 CDOR, CSOR, STEP을 비교해 보면 CDOR과 STEP은 연간 지표융기 변화율과 비례하는 경향을 가지며(Fig. 9, Fig. 10), CSOR은 연간 지표융기 변화율과 반비례하는 경향을 보인다(Fig. 11). CSOR의 경우 그 수치가 작을수록 적은 양의 스팀으로 오일을 생산했다는 의미이기 때문에 반비례할수록 SAGD 생산성이 좋음을 의미한다. 또한, CDOR과 STEP의 경우 생산량이 증가할수록 얕은 저류층이 깊은 저류층보다 연간 지표융기 변화폭이 큼을 알 수 있으며, 이는 얕은 저류층의 생산성이 좋은 SAGD 운영광구의 경우 좀 더 덮개암 안전성에 유의해서 스팀을 주입해야 함을 의미한다. 또한 스팀주입에 따른 덮개암의 지반공학적 변형을 주기적으로 모니터링 하는 것이 필요하다. 상대적으로 깊은 저류층의 경우에는 지표융기에 따른 위험성이 적어 스팀 주입압력의 운영 폭이 넓다.
Fig. 12와 같이 최대주입압력을 덮개암 파괴압력으로 나눈 백분율과 연간 지표융기 변화은 비례하는 경향으로 나타났다. 대부분의 SAGD 운영광구는 초기 단계에서 주입정과 생산정 사이에 열 교류(heat communication) 확립을 촉진하고 생산성을 높이기 위해 높은 주입압력을 사용한다(Edmunds and Gittins, 1993). 따라서 덮개암 파괴압력과 유사한 주입압력을 사용한 운영광구(낮은 안전율 적용)의 연간 지표융기 변화율은 높은 값으로 나타나게 된다.
최대주입압력과 현재 운영압력 간의 차와 연간 지표융기 변화율은 서로 반비례하는 경향을 보인다(Fig. 13). 높은 주입압력을 사용해 지속적으로 운영할 경우(HP-SAGD) 높은 지표융기 변화율을 가지며, 추후 낮은 주입압력으로 변경하였을 경우(LP-SAGD) 연간 지표융기 변화율은 낮은 값으로 나타난다. 즉, 저류층의 생산성을 높이기 위해서 초기에 고압으로 운영하고 스팀이 저류층 상부에 도달할 시점에 저압으로 운영하면 안정적으로 SAGD 공법을 운영할 수 있다.
덮개암 두께와 연간 지표융기 변화율을 비교해 보면 100 m에서 220 m 범위에 있는 저류층 깊이에서 덮개암 두께가 두꺼울수록 연간 지표융기 변화율이 감소하는 경향을 보인다(Fig. 14). Fig. 14에서 (C)와 (D)점은 400 m 이상의 저류층 깊이를 가지는 저류층 자료를 나타낸 것이다. (C)에 해당하는 저류층의 경우 덮개암 상부에 대수층과 가스층이 존재하고, (D)는 덮개암 하부에 가스층이 형성되어 있는 경우이다. 일반적으로 가스층이 있다는 것은 낮은 압력대를 의미하며 열 손실층(thief zone)으로 작용하므로 고압의 스팀주입 시 초기에 스팀이 해당 가스층으로 누출될 가능성이 높아진다. 따라서 가스층이 존재하는 SAGD 광구는 초기 높은 주입압력으로 운영하다가 낮은 주입압력으로 변경해 운영한다(Bao et al., 2013). (C), (D)점 모두 최대주입압력과 현재 운영압력간의 차가 크기 때문에 LP-SAGD를 적용하고 있음을 알 수 있다. 최대주입압력을 덮개암 파괴압력으로 나눈 백분율을 비교하면 (C)가 (D) 보다 작은 65%로서 상대적으로 (D)보다 높은 안전율을 적용한 광구이기 때문에 (D)보다 낮은 지표융기 변화율을 가지는 것으로 분석된다(Fig. 14, Fig. 15).
결 론
본 연구에서는 캐나다 앨버타 주의 6개 SAGD 운영광구들의 연간 지표융기 변화율과 저류층 조건 및 운영조건(저류층 깊이, 덮개암 두께, 주입압력), SAGD 생산성(CDOR, CSOR, STEP)간의 상관성 연구를 수행하였다. 저류층 깊이가 깊고 덮개암 두께가 두꺼울수록 연간 지표융기 변화율이 감소하며, 특히 100 m에서 220 m 범위의 저류층 깊이에서 이러한 경향이 뚜렷하다. 최대주입압력을 덮개암 파괴압력으로 나눈 백분율과 연간 지표융기 변화율은 비례하는 경향이 있다. 대부분의 SAGD 운영광구는 초기 단계에서 높은 주입압력을 사용하기 때문에 덮개암 파괴압력에 근접한 주입압력을 사용한 광구에서 연간 지표융기 변화율이 높게 나타났다. 또한, SAGD 생산성은 연간 지표융기 변화율에 비례한다.
얕은 저류층과 얇은 덮개암을 가진 광구는 더 높은 주의가 필요하며, HP-SAGD에서 LP-SAGD로의 전환이 덮개암 안전성 확보에 도움이 될 수 있다. 향후 연구주제로서 석유암반공학적 특성 변형에 따른 투과도 변화와 저류층 특징에 따른 지표융기 현상의 정량화 연구가 추천된다.
