서론
미국 에너지관리청(energy information administration, EIA)의 2013년 통계에 따르면, 전 세계 셰일가스 위험원시부존량(risked in-place, risked IP)은 35,782 Tcf이며 회수가능위험자원량(risked technically recoverable resources, risked TRR)은 7,795 Tcf로 보고되었다(ARI, 2013). 이는 총 42개국, 26개 지역의 95개의 셰일분지와 137개의 셰일층에 대한 평가(Fig. 1)로 risked TRR기준에서 미국과 중국이 각각 1위(1,161 Tcf)와 2위(1,115 Tcf)를 기록하였다. 셰일오일의 경우, 위험원시부존량은 6,753 Bbbl이며 risked TRR은 334.6 Bbbl로 평가되었고 러시아가 75 Bbbl (risked TRR기준)로 1위를 기록하였다. 셰일가스는 상위 6개국이, 셰일오일은 상위 4개국이 전 세계 risked TRR의 2/3이상을 차지하는 것으로 나타났다. 다만, 중동과 중앙아프리카지역은 아직 구체적인 평가가 진행되지 않은 통계치임에 유의한다.
미국지질조사국(U.S. geological survey, USGS)은 미국 내 셰일 가스 및 오일 뿐만 아니라 치밀가스와 석탄층가스 등 신석유자원에 대해 종합적으로 평가하였다. 2013년 자료에 따르면 미발견회수가능자원량(undiscovered TRR)기준으로 셰일가스 425 Tcf, 치밀가스 201 Tcf, 석탄층가스 89.3 Tcf, 셰일 및 치밀 오일 13 Bbbl의 정량적 평가를 완료하였다(Schenk, 2015c). 이 과정에서 28개의 셰일가스 저류층, 23개의 셰일오일 저류층, 51개의 치밀가스 저류층 및 41개의 석탄층가스 저류층을 검토하였다. 미국 내의 평가경험을 바탕으로 태국, 요르단, 프랑스, 인도네시아의 셰일자원을 평가하였다(USGS, 2014b, 2014c, 2015a, 2015b). 특히, 2009년에는 북극의 셰일자원평가를 수행하였으며(Fig. 2) 83 Bbbl의 셰일오일과 1,547 Tcf의 셰일가스 미발견회수가능자원량을 산정하였다(Gautier et al., 2009).
영국지질조사서(British geological survey, BGS)는 영국 내 육상 셰일자원평가 연구를 전담하고 있으며 이미 스코틀랜드의 Midland Valley, 잉글랜드의 Bowland 셰일과 Weald 분지의 셰일자원 원시부존량 평가를 완료하였다(Fig. 3). Midland Valley는 셰일 오일과 가스가 각각 6 Bbbl, 80.3 Tcf가 부존된 것으로 평가되었다(BGS, 2014b). Bowland 셰일은 1,329 Tcf의 셰일가스가(BGS, 2013), Weald 분지는 4.4 Bbbl의 셰일오일이 부존된 것으로 발표되었다(BGS, 2014a).
각 기관에서 사용되는 용어는 표준화된 국내 석유자원량 세부분류체계의 용어와 일치하지 않는다(Sung et al., 2009). 이는 사업성숙도나 사업단계가 서로 상이한 대상에 대해 평가한 후, 총 합을 계산하기 때문이다. 예를 들어, USGS 평가법 적용 시, 사업성숙도가 생산중(on production) 단계부터 플레이(play) 단계의 광구까지 다양하므로, 이들의 전체 합은 미발견회수가능자원량으로 명명한 것이다. 용어만 보고 미발견원시부존량 내 회수불능미발견부존량을 뺀 것이라 생각해서 탐사자원량(prospective resources)과 혼동하지 않도록 한다.
이처럼 셰일자원량은 평가한 기관에 따라 평가결과의 용어표현이 다를 뿐만 아니라 수치차이가 크다. EIA의 경우 위험원시부존량과 회수가능위험자원량으로, USGS의 경우 미발견회수가능자원량으로 결과가 제시되었다. 특히, BGS는 원시부존량 개념으로만 셰일자원을 평가하였다. 따라서 각 평가기법에 대한 이해가 없다면 이러한 통계수치는 허상에 불과하다.
기관마다의 용어 및 평가결과 차이는 사용한 평가방법이 상이한 것에서 기인한다. 또한 평가에 한정된 자료가 사용되어 불확실성이 크고, 평가과정에서 주관성이 개입되는 이유도 있다. 각 기관의 평가결과를 명확히 이해하고 의사결정의 근거로 활용하기 위해서는, 기관별 평가과정의 차이, 그리고 주관성이 개입되는 인자에 대한 이해가 선재되어야한다. 셰일 가스 및 오일에 대한 기술동향과 지질 및 공학 용어에 대한 이해도 중요하다(Hwang and Gihm, 2013; Jang et al., 2013; Kim et al., 2014).
셰일자원량을 평가하는 방법은 접근법에 따라 하향식 평가방법(top-down approach)과 상향식 평가방법(bottom-up approach)으로 구분할 수 있다. Fig. 4는 셰일자원평가를 위해 사용된 평가방법의 분류를 보여주며 위 두 방법 외에도 문헌연구를 기반으로 평가하거나 일부 변형된 방법으로 평가하고 있다.
EIA 보고서를 실질적으로 작성한 ARI(advanced resources international, Inc)는 셰일자원평가 시, 상향식 평가방법을 사용한다. 용적법(volumetrics)을 이용하여 원시부존량을 계산한 후 성공률(success factor, SF)과 회수율(recovery factor, RF) 인자를 적용하여 회수가능위험자원량을 계산한다(Fig. 5, 좌). BGS 역시 상향식 평가방법을 사용중이며 성공률과 회수율 개념은 사용하지 않고 오직 용적법을 통한 상세 원시부존량 평가에 집중하고 있다(Fig. 6).
USGS는 유정별 생산성(well productivity-based)에 기반한 하향식 평가방법을 사용한다. 유정별 배수구역(drainage area)을 기준으로 개발에 사용될 유정수를 구하고 유정별 궁극가채량(expected ultimate recovery, EUR)을 적용해 미발견회수가능자원량을 계산한다(Fig. 5, 우). 본 논문에서는 손쉽게 접할 수 있는 기관별 셰일자원량 통계에 대한 올바른 이해를 돕고자 한다. 이를 위해 상향식 방법론인 ARI 방법론과 하향식 방법론인 USGS 방법론의 평가절차와 실제 적용사례에 대해 설명하고자 한다.
ARI 평가법
평가절차
ARI의 셰일자원 평가절차는 5단계로 구분된다. Fig. 7은 각 단계에 필요한 자료목록을 보여주며, 진녹색은 직접 측정없이 가정하거나 유추자료(analogy data)를 통해 결정된다. 평가절차를 요약하면 주요 셰일분지와 셰일층을 선정한 후, 셰일층의 면적(area extent)을 정의하고 셰일 가스와 오일을 구분하여 유망지역(prospective area)을 확정한다. 이후 유망지역에 대해 용적법을 이용한 위험원시부존량과 회수가능위험자원량을 차례로 계산하며 이 때 성공률과 회수율 인자를 사용한다.
주요 셰일분지 및 셰일층 선정
문헌조사를 비롯하여 코아자료, 층서도(stratigraphic map), 물리검층자료 등을 통해 지질시대와 근원암 등을 파악한다. 주요 셰일분지 및 셰일층 선정 시에는 퇴적환경, 지질구조, 심도 등을 종합하여 판단한다. 퇴적환경의 경우 해상환경이 호수나 강과 같은 육상환경 보다 점토물질의 함유량이 적고 석영성분이 많아 수압파쇄 등의 효율성이 높으므로 더 선호된다.
셰일층 면적 정의
주요 셰일분지 및 셰일층이 정해지면 각 지역에 대한 구체적인 자료를 통해 셰일층의 심도, 두께 및 면적에 대해 파악한다. 이 때 단면도(cross-section)와 시추자료 등을 주로 활용한다. Fig. 8(a)는 아르헨티나에서 선정된 주요 셰일분지의 면적을 보여준다. BGS의 경우, 용적법의 주요인자인 면적과 두께를 명확히 정의하기 위해 3차원 지질모델을 구축하는 데 반해, ARI에서는 평균 넓이로 대신한다. 하지만 BGS의 평가방식을 따르기 위해서는 다수의 시추공자료와 탄성파자료가 확보되어야 한다.
유망지역 정의
유망지역은 앞에서 파악한 셰일층 전체 면적에서 셰일자원 핵심인자의 기준값(cut-off value)을 통해 정의한다(Table 1). 기관에 상관없이 핵심인자는 총 유기물함량(total organic content, TOC), 열성숙도(thermal maturity), 깊이, 셰일층의 두께 등으로 유사하지만 기준값은 상이하다. ARI의 경우, TOC는 2 weight% 이상을 기준으로 하며 열성숙도는 0.7, 1, 1.3을 경계로 탄화수소 종류를 분류한다.
Table 1. Criteria of area of interest for shale resources among the methodologies (modified from ARI, 2013; Charpentier and Cook, 2011; BGS, 2013)
1,000 m보다 심도가 얕은 경우, 저류층 압력이 작아 생산성확보가 어려우며 자연균열망에 물포화도가 높을 확률이 크기 때문에 제외된다. 반대로 심도가 5,000 m보다 깊은 경우, 시추 및 수압파쇄 등의 개발비용이 커지고 유체투과율의 추가감소가 예상되기 때문에 지양된다. 지리적 위치는 개발편의성 등을 고려하여 육상으로만 제한한다. Fig. 8(b)는 이러한 기준에 부합하는 아르헨티나 Neuquen 분지의 유망지역을 보여준다.
원시부존량 산정
셰일오일 원시부존량은 식 (1)로 계산하며 셰일오일 내 용해가스(solution gas)는 저류층 압력, 온도 및 미국의 유추자료를 이용하여 산정한다.
| $$\begin{array}{l}OIP\lbrack stb\rbrack=\frac{7,758\times\left(A\times h\right)\times\varnothing\times S_o}{B_o}\\\end{array}$$ | (1) |
여기서, 7,758은 단위변환계수이며, A는 유망지역으로 [acres] 단위를 가진다. h는 [ft] 단위를 가지며 층서도, 물리검층자료, 단면도 등으로 구한 총 셰일층 두께에서 net-to- gross (NTG) 비를 곱한 순 두께(net thickness)를 이용한다. ARI 방법론에서는 유망지역 내 지질구조와는 상관없이 넓이(A)와 두께(h)에 대해 단일 상수값을 사용한다.
앞에서 언급했듯이, BGS 방법론은 동일한 용적법을 사용하지만 3차원 지질모델을 구축하여 보다 정밀한 부피계산을 수행한다. 또한 BGS는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 각 인자를 확률론적으로 평가하지만, ARI는 결정론적으로 하나의 상수를 사용하는 차이가 있다.
𝜙는 공극률로 차원은 없으며 코아자료나 물리검층으로부터 산정하거나 열성숙도, 심도 및 셰일의 조성을 통해 미국자료를 이용한다. S0는 오일의 포화도로 코아자료나 물리검층으로부터 산정한다. B0는 오일의 용적계수(formation volume factor, FVF)로 [rbbl/stb] 단위를 가지며 저류층의 온도, 압력조건에서 산정된 원시부존량을 지상의 온도, 압력조건에서의 부피로 환산하는 계수이다. 이를 위해 저류층 압력, 온도 및 유체정보가 필요하다. 저류층 유체 확보가 어려운 경우, 저류층 압력, 온도 및 열성숙도를 이용한 관계식을 이용하여 오일용적계수를 산정한다. 만약, 저류층 압력 및 온도를 모를 때는 압력의 경우 0.433 psi/ft의 압력구배를, 온도의 경우 1.25℉/100 ft의 온도구배를 이용하여 셰일층의 압력 및 온도를 가정한다.
셰일의 자유가스 원시부존량은 식 (2)로 계산할 수 있다.
여기서, 43,560은 단위변환계수이며 A, h, 𝜙, Sg는 식 (1)의 셰일오일인자와 동일한 맥락으로 산정된다. Bg는 가스의 용적계수로 [rcf/scf] 단위를 가지며 저류층의 온도, 압력조건에서 산정된 원시부존량을 지상의 온도, 압력조건에서의 부피로 환산하는 계수이다. 0.02829는 단위변환계수이며 압력과 온도는 각각 [psia]와 [°R]를 단위로 가진다. z는 가스압축인자(gas compressibility factor)로 대응상태의 원리(the law of corresponding state)로 이상기체와 실체기체의 차이를 보정해주는 인자다.
셰일은 공극내에 존재하는 자유가스 외에도 셰일내에 존재하는 흡착가스의 양을 반드시 합하여 총 가스원시부존량을 산정해야한다. 미국 셰일가스의 경우, 총 가스량 중 흡착가스 비율이 작게는 10%에서 많게는 70%이상을 차지하기도 한다. 셰일의 흡착가스 원시부존량은 식 (3)으로 계산한다.
| $$\begin{array}{l}GIP_{absorbed}\lbrack scf\rbrack=G_c\times\rho_{shale}\times A\times h\\G_c\left[\frac{scf}{ton}\right]=\frac{V_L\times P}{P_L+P}\\\end{array}$$ | (3) |
여기서, 𝜌shale은 셰일밀도로 [g/cc] 단위를 가지며 셰일의 조성, TOC 등에 따라 2.4∼2.8 g/cc의 범위를 가진다. ARI에선 2.65 g/cc를 주로 사용했으며 참고로 BGS에서는 2.55∼2.65의 범위로 좁혀 사용하였다. Gc는 흡착가스함량(content)으로 단위 질량에 대한 가스흡착량이다. 참고로 BGS의 경우, 18∼71 scf/ton의 범위를 사용하였다.
VL은 랭뮤어(Langmuir)부피로 [scf/ton] 단위를 가지며 무한한 압력에서 셰일에 흡착될 수 있는 최대 가스부피로 정의된다. PL은 랭뮤어압력으로 [psi]단위를 가지며 랭뮤어부피의 절반이 흡착될 때의 압력으로 정의된다. 랭뮤어인자들은 유기물함량과 열성숙도에 영향을 받으며, 미국 셰일자료를 유추값으로 사용한다.
위험원시부존량
위험원시부존량은 유망지역에 대해 용적법을 이용한 원시부존량을 계산한 후 성공률을 곱하여 산정한다. 복합성공률(composite success factor)은 플레이성공확률인자(play success probability factor)와 유망지역성공인자(prospective area success factor)의 곱으로 정의된다. 먼저 플레이성공확률인자는 개발 시 충분한 생산량을 보일지에 대한 확률이다. 예를 들어 이미 충분한 생산량을 보이는 셰일층이라면 100%로 설정한다. 만약 제한된 지질 및 저류 정보로부터 생산량에 대한 불확실성이 존재한다면 30∼40%로 설정한다. 해당 인자는 추가정을 시추하고 생산이 진행됨에 따라 달라진다.
두 번째로 유망지역성공인자는 생산성이 낮은 부분을 원시부존량에서 제외시키기 위한 인자이다. 예를 들어 유망지역 내 큰 단층이 있어 구조적 불확실성이 높은 지역이거나 열성숙도가 낮은 지역, 유망지역 외곽지역의 유기물층 두께가 얇은 경우, 이를 반영하여 낮은 성공률을 설정한다. 또한 이용가능한 자료의 양도 고려하여 인자값을 설정한다. 이 성공인자는 뒤에서 다룰 USGS 방법에서 sweet spot과 non-sweet spot 구역을 나누는 것과 동일한 역할을 한다.
회수가능위험자원량 산정
회수가능위험자원량은 현재의 기술수준으로 회수할 수 있는 양을 의미하며 위험원시부존량에 회수율을 곱하여 산정한다. 즉, 미래 기술변화나 경제적인 사항은 고려하지 않은 양임에 유의한다. 회수율은 탄화수소종류, 셰일의 조성, 생산성 및 저류층 압력 등에 의해 결정된다(Table 2). 회수율범위는 미국지역의 회수율에 기반한 자료로 일종의 유추자료이다. 기본적으로 셰일가스가 셰일오일보다 높은 회수율을 가지며, 셰일오일 내 용해가스 회수율은 셰일오일의 회수율을 적용한다.
Table 2. Criteria on recovery factor for shale oil and gas in ARI method (ARI, 2013)
수압파쇄 등 생산성 관점에서 보면 점토물질이 적은 것이, 저류층 압력은 높은 것이 선호된다(Table 2). 또한 생산성에 영향을 미칠 수 있는 자연균열 유무나 단층의 유무 등 지질학적 복잡성을 고려한다. 특히 수평방향 단층은 수평정의 길이를 제한할 수 있으며 수직방향 단층은 셰일내로 물을 유입시켜 상대유체투과율을 낮추므로 생산성에 악영향을 미쳐 회수율을 낮게 책정한다.
적용사례: 중국 사천(Sichuan)
ARI는 전 세계 42개국의 137개 셰일층에 대해 평가하였으며 이 중 아시아 지역은 중국을 중심으로 몽골, 태국, 인도네시아, 인도 및 파키스탄, 요르단, 터키의 총 38개 셰일층에 대한 평가를 수행하였다. 본 논문에서는 최근 셰일자원개발이 활발하게 진행중인 중국 사천지역에 대한 ARI 평가사례에 대해 구체적으로 소개하고자 한다.
ARI가 사천지역을 평가할 당시 일산 1.5 Bcf의 천연가스를 사암 및 탄산염 저류층으로 부터 생산중이었다. 따라서 ARI는 67건의 문헌조사 및 23개의 단면도, 714개의 유정 및 노두자료, 1,462개의 코아자료 등 셰일자원평가를 위한 풍부한 자료를 확보할 수 있었다. Fig. 9(a)는 중국 지역의 주요 셰일분지를 나타내며 Fig. 9(b)와 같이 사천분지 내 세 유망지역을 선정하였다. 세 지역 모두 고생대에 형성된 셰일가스 유망지역으로 보라색이 캄브리아기의 Qiongzhusi 셰일층을, 붉은색은 실루리안기의 Longmaxi 셰일층을, 연붉은색은 폐름기의 Changxian과 Longtan 셰일층을 나타내며 이를 묶어 Permian 셰일층으로 명명하였다.
이 중 Longmaxi 셰일층이 가장 유망한 것으로 평가되었다. 평균 1,000 ft의 셰일층 두께를 가지며 타입 2 케로젠으로 TOC는 대부분 0.4∼4%의 범위를 보였다. 열성숙도는 2.4∼3.6%로 높은 편이며 공극률은 4% 전후로 측정되었다. 사천분지의 저류층 특성을 고려해봤을 때, Marcellus 셰일의 faulted central Pennsylvania와 유사성을 보인다(ARI, 2013).
사천분지의 세 유망지역에 대한 주요입력인자와 이들 자료를 이용한 위험원시부존량 및 회수가능위험자원량을 정리하면 Table 3과 같다. 주어진 정보량, 셰일층의 점토함량, 지질학적 복잡성, 저류층 압력 등을 종합적으로 고려하여 Table 4와 같이 성공률과 회수율을 선정하였다. 예를 들어 Qiongzhusi 셰일층의 부존량, 위험원시부존량 및 회수가능위험자원량은 아래와 같이 계산된 것이다.
Table 3. Summary of shale gas assessment for prospective areas in Sichuan basin (ARI, 2013)
Table 4. Success factors and recovery factor for each shale formation (ARI, 2013)
| Formation |
Play success probability factor |
Prospective area success factor |
Composite success factor |
Recovery factor |
| Qiongzhusi | 100 | 70 | 70 | 25 |
| Longmaxi | 100 | 70 | 70 | 25 |
| Permian | 60 | 50 | 30 | 30 |
1) 셰일가스 원시부존량=6,500x109.8=713.7 Tcf
2) 셰일가스 위험원시부존량=713.7x0.7=499.6 Tcf
3)셰일가스 회수가능위험자원량=499.6x0.25=124.9 Tcf
USGS 평가법
평가절차
USGS 방법론은 전통적으로 사용되던 용적법기반 평가법에서 벗어나 유정별 생산자료를 이용한다. 최종 결과인 미발견회수가능자원량은 ARI와 마찬가지로 기술적으로 회수가능한 양을 정의하며 경제성은 고려하지 않는다. USGS 방법론은 1990년대 처음 제안된 후 평가신뢰도를 높이기 위해 지속적으로 개선되고 있다. 새롭게 제안된 방법론은 AAPG(American association of petroleum geologists)에 의해 검토를 받으며, 평가된 자원량은 외부전문가에 의해 검토된 후 최종적으로 보고서로 공개된다.
1990년대에는 평가단위(assessment unit, AU), cell 크기(현재의 배수구역을 의미함) 및 궁극가채량을 이용하는 USGS 방법론 기틀을 마련하였다. 2003년에는 평가단위 전체를 이용하는 대신 sweet spot 개념을 도입하고 non-sweet spot 구역은 평가에서 배제하였다. 또한 cell 크기를 상수 대신 확률분포를 이용해 확률론적으로 분석하기 시작하였다. 2010년에는 평균값만 사용하던 궁극가채량을 확률분포를 통해 불확실성을 고려하였으며 성공률 인자를 도입하였다. 또한 평가단위에서 non-sweet spot 구역을 단순히 제외하지 않고 sweet spot 구역과는 다른 별도의 궁극가채량 분포를 사용하여 평가량에 합산하였다. 최근에는 cell 크기 대신 배수구역으로 용어를 대체하여 사용한다.
USGS 방법론의 평가를 위한 입력자료 및 입력자료서식, 그리고 평가절차(9∼14번)는 Fig. 10과 같다. 입력자료서식은 크게 네 부분(평가단위 기본정보, 생산정 개수 정보, EUR 정보, 부산물정보)으로 구분된다. 평가절차를 요약하면, 우선 평가단위를 계산한 뒤(9, 10번) 배수구역(2번)으로 나누면 평가단위를 개발하는 데 필요한 생산정 개수(11번)를 계산할 수 있다. 이후 생산정 개수는 유정별 EUR자료(5번) 및 성공률(6번)와 곱해져 평가단위의 총 EUR (12번)을 얻는다. 마지막으로 평가단위확률(8번)을 통해 미발견회수가능자원량(14번)을 산정한다. 아래에서는 입력자료서식의 각 항목에 대해 자세히 다룬다.
평가단위 기본정보
입력자료서식의 첫 번째 부분인 “Characteristics of assessment unit”에서는 탄화수소 및 유정궤도 종류, 기존 유정 생산이력 등의 자료가 입력된다(Fig. 10). 이를 위해 생산자료와 코아자료, 유체샘플 등으로부터 계산한 유체밀도, 열성숙도, 가스오일비 등이 필요하다. 먼저 평가단위 종류는 가스오일비에 따라 오일과 가스를 분류하며 유체밀도를 계산하여 10 °API보다 작으면 중질유로 분류한다. 유정궤도 종류는 수직정인지 수평정인지 구분하며 추후 배수구역이나 EUR 및 성공률 산정에 영향을 미친다. 저류층 종류는 평가단위가 다양한 신석유자원 중 어떤 자원인지 선택한다.
최소 유정별 EUR은 성공률, 평가단위확률, EUR 분포 등 주요인자 결정 시 기준값으로 활용된다. 일반적으로 셰일가스의 경우 0.02 Bcf로 설정한다. 기존 생산정 정보는 생산정 수, 최소 EUR을 넘는 생산정 수, 경험 성공률 정보를 입력한다. 예를 들어, 기존 생산정 6개 중 최소 EUR을 넘는 생산정 수가 2개라면 경험 성공률은 33%가 된다.
평가단위확률은 관심 평가단위에서 최소 EUR을 넘은 생산정이 최소 한 개는 존재할 확률을 말한다. 즉, 평가단위 내 기존 생산정에서 최소 EUR을 넘는 유정이 있다면 100%가 된다. 만약 유정자료가 없다면 저류층과 근원암의 존재와 열성숙도를 기준으로 확률을 산정한다. 예를 들어, TOC가 2 weight%이상인 셰일이 존재할 확률로 대체하기도 한다.
생산정 개수 정보
입력자료서식의 두 번째 부분인 “Number of Undrilled Wells with Potential for Additions to Reserves”에서는 평가단위, 유정별 배수구역, 평가단위 내 비평가지역(untested area), 비평가지역 내 sweet spot 구역을 규명한다. 이들 자료는 모두 상수가 아닌 삼각분포를 가지는 확률분포로 입력된다. 이를 위해 코아자료, 층서도, 단면도 등으로부터 산정된 열성숙도, TOC, 저류층압력, 심도, 셰일두께 등이 필요하다.
먼저 평가단위는 TOC와 열성숙도의 기준값(Table 1)으로 생산성있는 평가단위를 설정하며 [acres] 단위를 가진다(Fig. 10, 1번). ARI와 마찬가지로 셰일가스와 셰일오일을 구분하여 면적을 정의한다. 하지만 전체 평가지역 중 비평가지역만 고려하며 다시 sweet spot과 non-sweet spot 구역으로 구분하는 차이점이 있다. 따라서 USGS의 최종평가량에 ‘미발견’이라는 용어가 추가되는 것이다.
유정별 배수구역은 한 생산정에서 오일이나 가스가 생산되는 데 기여하는 면적을 의미한다(Fig. 10, 2번). 유정궤도 종류(수직정 또는 수평정), 수평구간의 길이 및 생산정간 패턴에 따라 배수구역이 달라진다(Fig. 11(a)). 미국 셰일층의 배수구역 자료를 누적확률분포로 나타내고 유추법으로 사용한다(Fig. 11(b)). 총 면적이 정해지면 배수구역을 통해 필요한 유정수를 계산할 수 있다(Fig. 10, 11번).
평가단위 내 비평가지역은 이미 개발이 진행된 지역이나 평가가 완료된 지역은 제외한 지역을 말한다(Fig. 10, 3번). 하지만 미국을 제외한 지역에서는 평가단위의 대부분이 비평가지역으로 산정된다. 비평가지역은 전체 평가지역 내에서 기평가지역(기존 생산정 수와 배수구역의 곱)을 제외하여 계산되거나 전체 평가지역에 비평가지역비율을 곱해 산정된다(Fig. 10, 3번, 9번).
앞서 언급했듯이, 비평가지역은 sweet spot과 non-sweet spot 구역으로 구분하여 EUR 및 성공률 등을 다르게 적용한다(Fig. 10, 4번). 이는 신석유자원의 경우 동일 셰일층에 대해서도 생산성에 큰 차이가 나는 것처럼, 동일 평가단위라 하더라도 구분필요성이 제기되어 2010년에 개선된 부분이다. 다만, sweet spot과 non-sweet spot 구역을 구분할 만큼 지질학적 이해와 근거가 충분해야 합리적인 자원량을 평가할 수 있다.
EUR 정보
입력정보서식의 세 번째인 “Estimated Ultimate Recovery per Well”에서는 sweet spot과 non-sweet spot 구역을 구분하여 성공률(Fig. 10, 5번)과 평균 EUR(Fig. 10, 6번)을 입력해야한다. 두 자료는 모두 미국에서 얻어진 정보를 통해 유추하며, 유추자료 선택 시에는 셰일층 두께, TOC, 저류층압력, 셰일조성, 층서도, 지화학자료 및 자연균열 유무 등을 고려한다.
먼저 성공률은 최소 EUR 이상 생산할 유정비율을 의미한다. 앞의 경험 성공률(Fig. 10)과 동일하게 두거나 지질학적 자료를 바탕으로 선정된 성공률 유추자료(Fig. 12(a))를 사용하기도 한다. 평균 EUR은 앞서 계산된 총 유정수(Fig. 10, 11번)를 곱하여 sweet spot 또는 non-sweet spot 구역의 EUR을 얻는다. Fig. 12는 미국 내 평가단위에 대한 성공률과 평균 EUR의 누적확률분포를 나타낸 것이다. 평균 EUR은 강한 우측왜도(right skewed)가 예상되므로 로그정규분포로 나타내었다.
EUR 앞에 ‘평균’을 붙이는 이유는 평가단위마다 평균 EUR을 구하고 평균 EUR의 분포를 확률론적으로 이용하기 때문이다. Fig. 12(b)의 평균 EUR 누적확률분포가 그려지는 과정을 Fig. 13(a)에 도식화하였다. 평가단위마다 각 유정의 생산정보를 수집한 후 감쇄곡선법(decline curve analysis)을 통해 EUR을 평가한다(Fig. 13(b)). 이 과정에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다수의 EUR를 예측하게 되고 이들의 평균값을 평균 EUR로 사용한다. 평가단위 내 수백∼수천개의 유정에 대해 동일한 과정을 모두 반복한 후 평가된 평균 EUR자료를 누적확률분포로 나타낸다(Fig. 13(c)). 한 평가단위는 하나의 누적확률분포로 나타나며 이들의 평균값이 대푯값(Fig. 12(b)의 검은 점)이 되는 것이다. 이러한 과정을 각 평가단위마다 반복하는 것이다.
Sweet spot과 non-sweet spot 구역에 대한 성공률과 평균 EUR의 차이는 평가단위의 개발정도에 따라 달라진다. 만약 충분한 생산자료가 있는 평가단위라면 생산성에 따라 sweet spot과 non-sweet spot 구역에 대한 구분이 자연스럽게 가능하다. 만약 평가단위의 시추 및 생산활동이 sweet spot 구역으로 알려진 곳에서만 이루어졌다면 non-sweet spot 구역에 대한 성공률과 평균 EUR은 외곽에 떨어져있는 유정의 정보를 기반으로 평가해야한다.
부산물 정보
입력정보서식의 마지막인 “Uncertainty about Average Coproduct Ratios for Untested Wells”에서는 주 생산물인 셰일 오일 또는 가스와 함께 생산되는 부산물에 대한 정보를 입력한다(Fig. 10, 7번). 예를 들어, 셰일오일이 주 생산물인 경우, 오일속에 용해되어있던 가스가 온도, 압력조건에 따라 오일 밖으로 빠져나오는 데 이 양을 가스오일비로 산정한다(Fig. 10, 13번).
적용사례: 태국 Phitsanulok 분지
USGS는 태국 육상의 방콕과 치앙마이 사이에 있는 Phitsanulok 분지에 대한 셰일 오일 및 가스 자원량을 평가하였다. 먼저 문헌조사를 통해 Pinyo (2011)에 의해 보고된 석유시스템 및 지질분석자료를 바탕으로 Phitsanulok 분지를 파악하였다(Fig. 14(a)). 이후 TOC, 열성숙도, 과압유무 등을 고려하여 해당 분지내 셰일 오일 및 가스 평가단위를 각각 1개씩 선정하였다(Fig. 14(b)).
USGS 기법의 유추자료 중 EUR과 일부 지질자료는 미국 유타주 Uinta 분지내 Eocene Green River Formation에 있는 thermally mature lacustrine shales의 시추자료와 생산자료를 활용하였다(Table 5). 또한 평가단위확률(Fig. 10, 8번)은 셰일오일의 경우 90%를, 셰일가스의 경우 95%를 이용하였다. 그 결과, 태국 Phitsanulok 분지 내에는 53 MMbbl의 셰일오일과 320 Bcf의 셰일가스, 5 MMbbl의 NGL (natural gas liquid)의 미발견회수가능자원량이 존재하는 것으로 평가되었다(Table 6). 지질학적인 불확실성으로 자원량 평가범위가 매우 넓은 것을 알 수 있으며 모든 계산은 삼각확률분포로부터 확률론적으로 수행되었다. 예를 들어 Table 6의 셰일오일 평가단위에 대한 미발견회수가능자원량은 아래와 같이 계산되었다.
Table 5. key assessment input data for Phitsanulok basin, Thailand (USGS, 2014b)
Table 6. Shale resources assessment in Phitsanulok Basin, Thailand (modified from USGS, 2014b)
1) 생산정수=185,000/120=1,542개
2) 총 EUR=1,542x0.08=123.36 MMbbl
3)미발견회수가능 셰일오일자원량=123.36x0.47x0.9= 52.18 MMbbl
결론
본 해설에서는 대표적인 셰일자원 평가기법의 ARI 및 USGS 방법론의 원리와 특징을 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.두 기법 모두 셰일자원이 부존되어 있는 관심지역 정의로 평가를 시작하며 ARI에서는 유망지역으로, USGS에서는 평가단위의 용어를 사용한다. 즉, 초기단계에서는 두 방법 모두 방대한 지질자료를 기반으로 셰일자원 관심지역을 선출한다는 공통점이 있다. 다만, USGS 방법론의 경우, 평가량에 대한 완성도를 높이기 위해 관심지역을 개발/미개발 그리고 sweet spot/non-sweet spot 구역으로 세분화하고 확률론적으로 접근한다.
2.ARI기법은 상향식 평가방법으로 공극률과 포화도 등 코아와 물리검층 수준의 자료가 요구된다. 이에 반해 USGS기법은 하향식 평가방법으로 개발된 유정수와 개발 유정의 궁극가채량 등 개발생산관련 자료가 필요하다. 따라서 셰일자원량 평가 시, 보유한 자료에 따라 적합한 방법을 선택해야 한다.
3.ARI 및 USGS 방법 모두 부족한 자료와 일부 인자에 대해 미국자료를 유추하여 사용하며 이로 인해 큰 불확실성이 발생한다. ARI의 경우, 자원량 계산 시 공극률, 랭뮤어 인자를 비롯하여 회수가능위험자원량 계산에 필요한 성공률 및 회수율을 유추법으로 구한다. USGS의 경우도 배수구역, 성공률, EUR 등을 미국 생산자료에 의존한다.
4.두 방법의 평가방식에 따라 뚜렷한 장점과 단점을 가진다. ARI의 경우, 평가방식이 합리적이고 유추법을 통한 자료이용이 적은 장점이 있지만 필요한 자료가 많고 회수율에 주관이 개입된다는 단점이 있다. 반면, USGS는 계산과정이 직관적이고 회수율의 개념을 이용하지 않는다는 장점이 있지만 생산정보가 필수자료로 요구되는 한계가 있다.
5.평가기법은 물론, 동일 평가기법에서도 연도에 따라 사용하는 용어가 혼용되어 구분이 필요하다. 또한 관심셰일층에 대한 기준값이 기관마다 다름에 유의한다. 이런 차이로 각 기관에서 산정된 셰일자원량은 큰 차이가 있으므로 평가기법의 원리에 기반한 이해가 필요하다. 본 연구는 셰일자원 통계량을 토대로 한 의사결정과 유망셰일자원에 대한 자원량 평가기법 선정의 기초자료로 활용될 수 있다.
