서 론

전 세계 탄산염 저류층에 부존되어 있는 중질유(heavy oil) 자원량은 약 1조 6천억 배럴로 막대한 양이며, 이중 캐나다 북부 앨버타 주에 위치한 Grosmont 층 비튜멘(bitumen) 자원량은 약 4,065억 배럴로 추정된다(Ezeuko et al., 2013). 일반적으로 탄산염 저류층은 복잡한 퇴적환경과 수많은 속성작용(diagenesis)에 의해 생성된다. 이러한 작용들로 인해 탄산염 균열 저류층은 매질(matrix), 균열(fractures), 공동(vugs), 각력암(breccia) 그리고 카르스트(karst) 등이 존재하여, 공극률 및 유체투과도가 매우 불균질한 특성을 가진다.

Grosmont 층은 데본기에 퇴적된 탄산염암 복합체로 구성되어 있다(Fig. 1). 저류층은 500 × 150 km에 이르는 규모로 분포되어 있으며, 저류층 심도는 200 m에서 1,000 m 정도이다. 저류층에는 비전통 탄화수소인 비튜멘이 부존되어 있으며, 비튜멘의 점성도는 1,000,000 cp 이상이다(Ezeuko et al., 2013).

Fig. 1.

Location of Grosmont Formation (Buschkuehle et al., 2007).

일반적으로 비튜멘은 노천채굴(mining)이나 지하회수법(in-situ recovery)을 사용하여 회수가 가능하고, 심도가 약 75 m 이상인 경우에는 지하회수법을 적용해야 한다(Shin et al., 2015). SAGD(Steam-Assisted Gravity Drainage) 기법은 대표적인 지하회수법으로서 Butler(1997)에 의해 개발되었으며, 현재 오일샌드 개발에 쓰이는 대표적인 방법이다. SAGD 기법은 두 개의 수평정으로 구성되며, 상부와 하부에 주입정과 생산정이 각각 위치한다(Fig. 2). 생산정은 주로 저류층 하부로부터 약 2 m 위에 위치하며, 주입정은 생산정으로부터 상부 5에서 10 m 위에 놓인다. 주입정과 생산정의 길이는 500에서 1,000 m에 이른다(Singhal et al., 1998).

Fig. 2.

Oil sands development using the SAGD process (Murugesu, 2015).

탄산염 균열 저류층의 비튜멘 개발은 생산에 대한 기술적 어려움과 지하회수법 등의 적용을 위해 요구되는 비용이 크고 환경적 요인으로 인해 큰 관심을 받지 못하였다. 그러나, 부존 되어있는 양으로 비추어 볼 때, 비튜멘은 향후 개발 가능한 석유자원 중 하나이다. 현재 성공적으로 적용되고 있는 SAGD 기법을 직간접적으로 적용하거나, 탄산염의 특성을 고려한 수정된 방법이 제안될 수 있다. 현재까지 탄산염 균열 저류층의 SAGD 기법은 매우 제한적으로 적용되거나 파일럿 테스트(pilot test) 및 시뮬레이션 연구가 수행되었다.

Lee et al.(2009)는 이원공극 모델(dual porosity model; DP)을 적용한 시뮬레이션 연구를 통해 탄산염암 중질유전 개발에 대한 SAGD 기법의 적용성을 분석하였으며, Qi and Yuan(2013)는 시뮬레이션 연구를 통해 Grosmont 층에서 수평정 생산결과에 대한 히스토리 매칭을 수행하였다. Ezeuko et al.(2013)은 다중 개체(multiple object) 모델링 기법을 활용하여, Grosmont 층을 매질, 균열, 공동, 백운석 그리고 카르스트의 5가지 유형으로 분류하여 저류층 모델을 구축하고 SAGD 기법 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 탄산염암 특유의 불균질성 때문에 연속적 SAGD와 같은 연속적 스팀주입 기법 적용은 제한적일 것으로 분석하였다. Rassenfoss(2013)은 Grosmont 층에 2단계에 걸쳐 실시한 SAGD 파일럿 테스트에서 상업화의 가능성을 발견하였으며, Choi et al.(2014)은 Grosmont 탄산염 저류층 모델에 대해 균열특성을 반영하여 SAGD 시뮬레이션 연구를 수행한 결과, 균열 발달 정도가 높은 저류층에서 SAGD 기법의 상업성이 확보될 수 있음을 확인하였다.

Na and Jang(2017)은 탄산염 균열 저류층에서 SAGD 시뮬레이션을 위해 이원공극 모델과 이원투과도 모델(dual permeability model; DK)에 대한 비교 연구를 진행하였다. 해당 연구에서는 균열 저류층의 특성을 반영하기 위해 균열시스템 특성변수 즉, 전체 저류층 부피에 대한 균열시스템의 비율(Ff)과 균열시스템 내의 매질 비율(Fmf)을 고려한 SAGD 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, DP 모델에서 균열시스템 특성변수에 따라 SAGD 적용 결과가 다르게 나왔으나, DK 모델에서는 균열시스템 특성변수의 영향이 미미함을 확인하였다. 이 결과에 의하면 DP 모델 적용시 유체투과도와 같은 저류층 변수 외에도 균열시스템 특성변수 또한 SAGD 성능에 영향을 주는 주요 인자임을 확인하였다.

SAGD 프로젝트의 경제성을 분석하기 위한 지표개발 연구도 수행되었다(Shin and Polikar, 2005; Shin and Polikar, 2006). Shin and Polikar(2005)는 SAGD 프로젝트의 상업성 여부를 판단하기 위해 STEP(Simple Thermal Efficiency Parameters)를 도입하여 캐나다의 대표적 오일샌드 저류층인 Athabasca, Cold Lake, 그리고 Peace River 저류층에 대한 SAGD 프로젝트의 경제성을 분석하였다. 그 결과 STEP이 SAGD 프로젝트의 경제성을 분석하는 정량적 및 정성적 지시자로 활용될 수 있음을 보였다. 또한, 경제성의 한계 기준으로 작동하는 스팀오일비(SOR, steam-oil ratio) 및 유가의 변동에 따른 상세 경제성 지표를 위해 STEP-D (dynamic STEP)를 제시하였다(Shin and Polikar, 2006).

이 연구에서는 Grosmont 비튜멘에 대한 SAGD 시뮬레이션을 통해 경제적 생산이 가능한 저류층 조건을 분석하였다. Grosmont 탄산염 저류층에 대해 DK 모델을 적용하여 탄산염 균열 저류층 모델을 구축하였다. 다양한 저류층 변수에 대한 시뮬레이션을 통해 Grosmont 탄산염 균열 저류층의 비튜멘 개발을 위한 SAGD 기법적용 가능성을 분석하였으며, 상업성을 확보할 수 있는 저류층 변수의 기준값을 제시하였다.

균열저류층 모델링

균열 저류층에 대한 모델링에는 일반적으로 DP 모델과 DK 모델이 사용된다. DP와 DK 모델은 모두 균열시스템(fracture system)과 매질시스템(matrix system)으로 구성된다(Fig. 3). DP모델에서 매질시스템의 역할은 균열시스템으로 유체를 공급하는 역할만 하고 매질간 유동이 직접적으로 발생하지 않는 것을 가정한다. 균열시스템은 생산정과 연결되어 있어서 저류층에서 생산정으로의 유동통로 작용한다. DK 모델에서는 DP와는 달리 매질시스템은 균열시스템과의 유체 교환뿐만 아니라 매질 간의 유동도 가능하다. 따라서 매질시스템과 균열시스템 모두 생산정과 연결되어 저류층에서 생산정으로의 유동통로 역할을 할 수 있다.

Fig. 3.

Interaction scheme between the matrix and fracture systems in (a) dual porosity model and (b) dual permeability model (Na and Jang, 2017).

동일한 저류층에 대해 DP 모델과 DK 모델을 적용하면, DP 모델보다 DK 모델에서 생산성이 더 좋은 결과를 보인다. 이는 DK 모델에서 매질간 유체의 유동이나 열의 이동이 가능하기 때문으로 분석된다. 실제 현장에서 나타나는 균열 저류층은 균열망의 형성 및 매질의 연결성 등의 복잡성을 고려하면 DK 모델과 DP 모델 사이의 어느 지점에 있을 가능성이 높다. 따라서 실제 저류층의 생산에 대해 DK 모델을 상한으로, DP 모델은 하한으로 설정하여 불확실성을 분석할 수 있다. DP 모델 적용시 Ff와 Fmf로 표현되는 균열시스템 특성변수에 대한 현장자료 기반 추가 분석이 필요한 반면, DK 모델에서는 균열시스템 특성변수의 영향이 미미하게 나타난다(Na and Jang, 2017). 따라서, 이 연구에서는 분석모델의 단순화를 위해 분석의 상한에 해당하는 DK 모델을 적용하여 SAGD 적용의 경제적 지표분석을 수행하였다.

경제성 지표

SAGD 프로젝트 개발 단계에서 경제성을 평가하는 것은 매우 중요하다. SAGD의 경제성 여부는 생산성 지표(performance indicator)인 회수율(recovery factor; RF), 일일생산량(calendar day oil rate, CDOR), SOR 그리고 프로젝트 기간(project life)에 의해 결정되고, 이러한 생산성 지표는 저류층 인자(reservoir parameters)에 영향을 받는다(Shin and Polikar, 2005; Shin and Polikar, 2006). 즉 최적의 SAGD 운영조건에서 누적스팀오일비(cumulative steam-oil ratio, cSOR)가 작고, 일일생산량과 회수율이 높아 SAGD의 경제성이 좋다고 볼 수 있다.

SAGD 프로젝트의 상업성 여부를 나타내기 위해 고안된 STEP는 간단하게 SAGD 프로젝트의 경제성을 평가하는 경제성 지표이다(Shin and Polikar, 2005; Shin and Polikar, 2006). STEP 값을 구하는 공식은 식 (1)과 같이 정의되며, SOR이 4가 되는 시점의 cSOR, CDOR 그리고 RF를 측정하여 계산한다. SAGD 생산성 지표에 대한 경제적 기준은 cSOR = 3, CDOR = 0.111 m³/d/m 그리고 RF = 0.5로 가정하였다(Shin and Polikar, 2005).

경제적인 SAGD 프로젝트의 경우 STEP 값은 1 보다 크게 계산되지만, CAPEX(capital expenditures)와 OPEX (operating expenditure)를 고려하지 않은 경제성 지표이므로 STEP 값이 2 보다 큰 경우에 경제성이 충분한 것으로 판단한다(Shin and Polikar, 2005). 그러나 STEP는 SAGD 프로젝트의 경제성이 스팀비용 변동에 따른 SOR의 경제적 한계 값과 유가에 크게 변동하는 특성을 적절히 반영하지 못하는 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 Shin and Polikar (2006)는 SOR의 경제적 한계 값 및 유가변동을 고려한 STEP-D라는 지표를 제시하였다.

여기서, SORE.L.는 SOR의 경제적 한계 값, poil은 비튜멘 가격, a=1+1/kv, 그리고 kv는 저류층의 수직 유체투과도이다.

STEP-D는 STEP에 비해 유가와 스팀가격 등 가격 변동에 따른 경제성을 보다 상세히 분석할 수 있는 장점이 있다. 이 연구에서는 분석의 단순화를 위해 가격변동에 의한 영향은 고려하지 않는 조건하에 STEP을 경제성의 지표로 사용하였다.

시뮬레이션 모델 구성

Grosmont 탄산염 균열 저류층을 DK모델로 구축하기 위해서 열주입 기법 모사에 있어 가장 많이 사용되는 Computer Modelling Group(CMG)사의 STARS를 사용하였다(CMG, 2020). 저류층은 단순화를 위해 균질하다고 가정하여 2차원(two-dimensional)격자로 구성하였고, 시뮬레이션 실행시간을 단축시키 위해 Fig. 4처럼 두개의 수평정 중심으로 왼쪽만을 고려하였다. 대상 저류층은 50 × 500 × 30 m³ 규모의 50 × 1 × 30 개의 격자를 가진 모델로 구성하였으며, 외부경계는 유체 유출입이 없는 닫힌 경계조건을 가정하였다. 시뮬레이션 모델에 사용한 저류층 물성과 초기상태 변수는 문헌연구를 통해 Table 1과 같이 설정되었다(Qi and Yuan, 2013; Choi et al., 2014). 저류층 유체 특성 중 비튜멘 생산에 영향을 주는 온도에 따른 점성도의 변화는 Fig. 5에 나타나 있다.

Fig. 4.

Grid system of 50 × 1 × 30 and well location for SAGD base model.

Fig. 5.

Characteristic behavior of the bitumen viscosity with respect to temperature.

SAGD 기법의 운영조건으로 주입압력은 3,000 kPa, 주입스팀의 온도는 234°C로 설정하였고, 스팀의 품질은 0.9로 가정하였다. 스팀품질이란 주입유체 중 스팀(기체)의 비율을 의미하며 스팀을 만들기 위한 비용의 최소화 및 주입 과정에서의 열손실을 고려하여 90%의 스팀과 10%의 물을 주입하는 것이 일반적이다(Na and Jang, 2017). 주입정과 생산정의 간격 5 m, 수평정의 길이 500 m 그리고 총 15년 생산기간을 설정하였다. 주입정과 생산정의 운영조건은 Table 2에 정리하였다. 또한 저류층의 온도조건에서 비튜멘의 점성도가 최대 4.01 × 10⁶ cp에 이르기 때문에 보편적으로 현장에서 수행되는 예열기간을 3개월로 설정하여 생산이 조기에 가능하도록 하였다.

저류층 특성변수의 경제성에 미치는 영향 분석

이 연구에서는 매질 및 균열의 유체투과도 그리고 균열 간격을 저류층 특성변수로 설정하고 SAGD 경제성에 미치는 영향을 분석하였다. 개별 특성변수가 가지는 값의 범위 설정을 위해 기존 문헌에서 Grosmont 층에 대해 제시한 값을 고려하였다(Qi and Yuan, 2013; Choi et al., 2014). 그러나 기존 문헌에서는 소규모의 특정 위치에 대한 특성을 제시한 것으로서 광역적으로 분포하고 있는 Grosmont 층의 매우 불균질한 특성을 고려하여 SAGD 프로젝트의 한계 경제성을 확인할 수 있도록 특성변수의 변동범위를 확장하였다.

매질의 유체투과도에 의한 영향분석

균열저류층에서 SAGD 적용시 매질의 유체투과도 변화에 따른 영향을 분석하였다. Fig. 6은 매질의 유체투과도가 50 md 와 500 md일 때 SAGD 적용시 2.4년 후의 스팀챔버 모양 및 온도분포를 나타낸 것이다. 매질의 유체투과도가 500 md인 경우 50 md인 경우보다 매질로의 스팀 이동 효율이 높아 넓은 지역에서 스팀챔버가 발달하여 빠른 비튜멘 회수가 가능하며, 매질에서 균열로 유동 가능한 비튜멘이 쉽게 빠져나올 수 있는 환경이 형성된다. 즉, 매질의 유체투과도가 좋은 특성을 가지는 탄산염 균열 저류층에 SAGD 기법 적용이 더 효율적이고 경제성이 좋은 것으로 판단된다. Fig. 7과 8은 누적오일생산량과 cSOR을 나타낸 그래프이다. Fig. 7에 나타난 것과 같이 유체투과도가 500 md인 경우 50 md보다 초기 생산 증가 경향이 더 급격하게 나타나는 현상을 보였다. 또한 cSOR도 500 md의 유체투과도에서 항상 낮게 유지하는 결과를 보였다(Fig. 8). 15년 생산결과 50 md와 500 md일 때 회수율은 각각 76.0%와 83.7%로 계산되었으며, cSOR은 각각 4.14와 4.01로 분석되었다. 이와 같이 매질의 유체투과도가 높을수록 우수한 결과를 보였다.

Fig. 6.

Comparison of temperature distribution after a 2.4-year operation, where matrix permeability is 50 md and 500 md, and fracture permeability is 5,000 md.

Fig. 7.

Comparison of the cumulative oil production, where matrix permeability is 50 and 500 md.

Fig. 8.

Comparison of the cumulative steam-oil ratio, where matrix permeability is 50 and 500 md.

균열의 유체투과도에 의한 영향분석

균열에 의한 유동 특성은 탄산염 균열 저류층의 가장 대표적인 특성으로 균열의 유체투과도 변화에 따른 SAGD 생산 성능을 분석하였다. Fig. 9는 균열의 유체투과도가 3,000 md 와 10,000 md일 때 SAGD 시행 2.2년 후의 스팀챔버 모양 및 온도분포를 나타낸 것이다. 매질의 유체투과도가 10,000 md인 경우 3,000 md인 경우보다 균열을 통한 스팀의 빠른 이동으로 스팀의 영향이 보다 넓은 지역으로 전달되고, 매질에서 균열로 이동한 비튜멘이 생산정으로 쉽게 유동하게 된다. 따라서 균열의 유체투과도가 좋은 특성을 가지는 탄산염 균열 저류층에서 SAGD 기법 적용이 더 효율적이다. Fig. 10과 11은 누적오일생산량과 cSOR을 나타낸 것이다. Fig. 7과 8에 설명한 매질의 유체투과도 비교결과와 유사하게 균열의 유체투과도가 더 큰 경우에서 초기 생산 증가 경향이 더 크게 나타났으며, cSOR도 더 낮게 유지되었다. 10년 생산결과 3,000 md와 10,000 md일 때 회수율은 각각 80%와 82%로 계산되었으며, cSOR은 각각 3.59와 3.38로 분석되었다. 앞서 설명한 바와 같이 균열의 유체투과도가 10,000 md인 경우에 우수한 SAGD 성능을 보였다.

Fig. 9.

Comparison of the temperature distribution after a 2.2-year operation, where fracture permeability is 3,000 md and 10,000 md, and matrix permeability is 300 md.

Fig. 10.

Comparison of the cumulative oil production, where fracture permeability is 3,000 and 10,000 md.

Fig. 11.

Comparison of the cumulative steam-oil ratio, where fracture permeability is 3,000 and 10,000 md.

유체투과도 변화에 따른 경제성지표 분석

Grosmont 탄산염 균열 저류층은 매우 불균질한 특성을 가지고 있어, 매질과 균열의 유체투과도의 범위도 다양하게 나타난다. 이에 따라 매질과 균열의 다양한 유체투과도 범위에 따른 민감도분석을 통해 SAGD 기법의 상업성을 확보할 수 있는 최소기준을 파악하였다. 매질의 유체투과도는 50에서 500 md의 범위를 갖는 경우를, 균열의 유체투과도는 1,000 md에서 10,000 md의 범위를 갖는 경우를 고려하였다. 경제성 지표로 STEP을 사용하기 위해 SAGD 시뮬레이션에서 SOR이 4가 되는 시점의 cSOR, CDOR, RF값을 사용하였다.

Fig. 12는 다양한 매질 및 균열 투과도에 대한 경제성지표인 STEP을 도시한 것이다. 균열의 유체투과도가 1,000 md인 경우에는 매질의 유체투과도가 증가하더라도 STEP 값이 1 보다 작게 도출되어 모든 경우에 경제성이 없는 것으로 확인되었다. 균열의 유체투과도가 3,000 md와 5,000 md인 경우, 매질의 유체투과도가 각각 150 md와 250 md 보다 클 때 STEP이 2 이상의 결과로 경제성이 확보되는 것으로 분석되었다. 균열 유체투과도가 6,000 md 이상인 경우에는 100 md 이상의 매질 유체투과도를 가지는 저류층에서 경제성이 확보되었다.

Fig. 12.

Comparison of STEP for various matrix and fracture permeabilities.

균열 간격에 따른 경제성지표 분석

탄산염 균열 저류층을 모사하기 위해 개념적 모델을 사용한 시뮬레이션에서는 평행한 인접 균열 간의 평균거리를 의미하는 균열 간격(fracture spacing)에 대한 정보를 입력해야 한다. 일반적으로 균열 간의 간격이 증가하면 그 사이에 존재하는 매질의 부피는 증가하게 된다. 매질의 부피가 증가하면 매질의 내부까지 스팀에 의한 열전달이 늦어져 비튜멘의 생산량이 감소해 상업성이 줄어들 것으로 예측된다. 따라서 균열 간격 변화에 따른 민감도분석을 수행하였다. 민감도분석 기준은 STEP 값이 2 이상인 경우를 선택하고, 균열 간격을 1, 3 그리고 5 m로 증가시켜 SAGD 기법의 상업성이 얼마나 감소하는지를 파악하였다.

Fig. 13은 200 md와 400 md의 매질 유체투과도에 대해 균열 간격 변화에 따른 민감도분석 결과이다. 예측한 것과 같이 균열 간격이 증가할수록 SAGD 상업성이 감소함을 알 수 있다. 전반적으로 균열 간격이 3 m까지는 STEP의 감소가 작은 반면에, 5 m인 경우에는 그 값이 크게 감소하였다. 즉, 균열 간격이 작을 경우에는 매질의 부피가 작아져 스팀에 의한 열전달이 매질내부까지 빠르게 이루어져서 비튜멘을 효과적으로 생산 가능하지만, 균열 간격이 증가하고 매질의 부피가 커지게 되면 매질 내부까지 효과적인 열전달이 어려워 생산성이 떨어지는 것으로 분석되었다.

Fig. 13.

Comparison of STEP for various fracture spacings with matrix permeabilities of (a) 200 md and (b) 400 md.

결 론

이 연구에서는 캐나다 앨버타 주 북부에 위치한 Grosmont 층을 대상으로 매질 및 균열의 주요 특성변수가 SAGD 기법에 미치는 영향을 분석하였다. 균열저류층을 모사하기 위해 이원투과도 모델을 적용하였으며, 매질과 균열의 유체투과도 변화에 따른 경제성지표인 STEP을 분석하여 경제적 생산 가능성을 확인하였다.

균열 탄산염 저류층에서 균열과 매질의 유체투과도가 일정 수준 이상 확보되어야 비튜멘 생산의 상업성이 보장됨을 확인하였다. 이 연구의 시뮬레이션 조건 하에서 균열의 유체투과도가 6,000 md 이상 및 매질의 유체투과도가 100 md 이상인 경우 STEP이 2이상이 되어 상업성을 확보할 수 있다. 균열의 유체투과도가 3,000 md인 경우에는 매질의 유체투과도는 300 md 이상이 되어야 한다. 즉, SAGD의 상업적 생산을 위해서는 균열과 매질의 유체투과도는 각각 일정 수준 이상의 값을 가져야 하는 것으로 분석되었다.

균열 간격의 경우 3m 이하의 값에서 STEP 값이 점진적으로 변하는 반면, 3m 이상에서는 상대적으로 크게 감소하는 것을 확인하였다. 이는 열전파를 통해 생산하는 방식인 SAGD에서, 경제성이 확보되기 위해서는 어느 정도 이상의 균열이 발달되어야 함을 의미한다. 일정 수준 이상의 균열발달 조건에서는 경제성 여부가 크게 변동하지 않음을 추론할 수 있다. 그리고 이러한 경향은 매질의 유체투과도가 클수록 더 강하게 나타남을 확인하였다.

Grosmont와 같은 균열 탄산염 저류층은 불균질성이 크고 다양한 균열형태가 나타나 이원공극 또는 이원투과도 모델 중 하나로 실제 현상을 정확히 예측하는 것은 매우 어려울 것으로 추정된다. 이 연구에서 사용한 이원투과도 모델은 이원공극 모델과 달리 매질 사이의 유동을 고려하는 모델이므로 실제 저류층에서 나타날 수 있는 다양한 SAGD 결과의 상한에 해당된다. 추후, 보수적 접근법으로서 균열시스템 특성변수를 고려한 이원공극 모델을 통해 SAGD 적용성 연구를 수행하여 적용 모델에 따른 불확실성 분석 연구가 추천된다.