Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

본 연구에서는 eMSAGP(enhanced modified steam and gas push)공법의 NCG(non-condensable gas) 주입시점을 열유실문제 발생 전·후로 나누어 선정하였다. NCG는 스팀챔버 형태를 유지하여 열유실문제를 개선하면서도 스팀챔버 성장을 방해해 누적오일생산량을 감소시킨다. 따라서, 어떤 생산성능을 우선순위에 두는지에 따라 적합한 NCG 주입시점을 선정하는 것이 eMSAGP공법의 핵심이다. 본 연구에서는 주입시점을 SAGD(steam-assisted gravity drainage)공법과 SAGP공법의 cSOR(cumulative steam-oil ratio) 차함수의 기울기를 기준으로 결정하였다. 연구 결과, 열유실문제 발생 전 NCG 주입은 SAGP공법 대비 cSOR을 1.85% 감소시켜 열유실문제 관점에서 효과적이다. 반면, 발생 후 NCG 주입은 SAGP공법 대비 누적오일생산량을 36%(SAGD 대비 1.7%만 감소) 증가시켜 누적오일생산량 관점에서 효과적이다.

유전 개발사업은 탐사부터 생산에 이르기까지 오랜 기간이 소요되므로, 경제성 최대화를 위해 유가 변동 주기를 고려하여 개발 참여 시점을 결정해야 한다. 본 연구에서는 장기적인 유가 변동을 고려하여 오일샌드 개발사업의 적절한 참여 시점을 결정하기 위해 오일샌드 광구 개발 계획과 유가 변동 모델을 구성하고 다양한 참여 시점을 가정하여 경제성 분석을 수행하였다. 연구 결과, 유가 상승기에 참여하는 경우에 경제성이 최대화되었고, 저유가 시기에 개발을 시작하여 고유가 시기에 생산을 본격화하는 경우도 높은 경제성을 보였다. 반면, 고유가 시기와 유가 하락기에 참여한 경우는 낮은 경제성을 보였다. 따라서, 저유가 시기에 개발을 시작하여 유가 상승기에 생산을 본격화하는 전략이 경제성을 최대화하는 데 유리하다. 이 연구는 오일샌드 개발뿐만 아니라 리드타임이 긴 전통석유자원 개발에서도 유사한 과정이 적용될 수 있음을 시사하며, 유가 변동 주기를 고려한 개발사업의 참여 시점이 사업의 경제성에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

증기중력배유법(steam-assisted gravity drainage, SAGD)의 경제성은 저류층 물성 외에도 유정 간격에 영향을 받는다. 경험적으로 저류층이 두꺼울수록 SAGD 유정 간격을 넓혀 시추하지만, 저류층 물성을 고려한 정량적인 유정 쌍 간 시추 간격 결정 방법이 필요하다. 본 연구에서는 캐나다 아사바스카 지역 오일샌드 저류층의 대표 물성을 활용하여 유정 간격 최적화 방법을 개발하고, 근간격 시추법과 추가회수 시추법 간 경제성을 비교한다. 이를 위해 수직투과도 및 저류층 두께에 대한 민감도 분석을 수행하여 경제적인 SAGD 운영이 가능한 저류층 물성 조건을 도출하고 상관관계 분석을 통해 유정 간격을 최적화하였다. 그 결과, 수직투과도가 500 mD일 때 최적의 유정 간격은 저류층 두께를 5배 후 50 m만큼 차감한 거리이며, 수직투과도가 1,500 mD, 2,500 mD일 때는 저류층 두께의 5배임을 밝혔다. 또한, 시추공 배열 방법 별 경제성 비교 시 최적의 유정 간격으로 추가회수 시추법을 적용하는 것이 경제성이 가장 높았다.

오일샌드 광구 개발 시 유망지역의 저류층에 대한 SAGD 생산성 평가가 선행되어야 한다. 하지만, 개발 유망지역이 넓은 경우 저류층 시뮬레이션을 통한 생산성 평가 방법은 상당한 시간이 소요된다. 본 연구에서는 광구 내 여러 수직정에서 측정한 저류층 물성 정보를 활용하여 SAGD 생산성 분포도를 작성하고, 경제적으로 운영가능한 SAGD 유정 쌍 개수 예측 및 생산성 평가 방법을 제시하였다. 캐나다 아사바스카 지역에 위치한 오일샌드 광구 X의 28개 수직정에서 수집한 와비스코 저류층 물성 정보를 사용하여 28개의 균질 저류층 모델을 각각 제작하고 SAGD 시뮬레이션을 통해 저류층 품질 유형별 최적의 스팀 주입압력을 결정하였다. SAGD 생산성 지표를 각 수직정 위치에 할당하여 생산성 분포도를 작성하고 저류층 두께 10 m, 운영이익의 순현재가치가 $3MM 이상인 영역에 한해 경제적으로 운영가능한 유정 쌍 개수를 도출하고 생산성을 평가하였다. 그 결과, 비투멘 가격이 $32/bbl일 때 광구 X에서 93개의 SAGD 유정 쌍 운영 시 순현재가치 $542MM, 누적 오일생산량 8,860 10³m³, 오일 회수율 30%의 생산성을 보였다.

전이구간이 존재하는 오일샌드 저류층에서는 전이구간에 의한 스팀의 열 효율 저하와 그에 따른 SAGD(steam-assisted gravity drainage) 생산성 저하를 우려하여 전이구간에서 최소 5m 상부에 유정 쌍을 시추한다. 이로 인해 배제된 하부의 순 저류층 구간에 존재하는 상당한 양의 오일이 회수 불가능하다. 하지만 수포화도가 높은 전이구간은 스팀 유동에 유리하므로 스팀 주입 시 저류층으로 더 많은 열전달이 가능하다. 이를 통해 SAGD의 비생산기간인 예열단계를 빠르게 완료하고 생산단계를 조기 수행하여 생산성을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 생산정 시추위치에 따라 다양한 예열방식과 예열 운영조건에 대한 민감도 분석을 통해 예열단계에서 민감하게 작용하는 운영조건을 파악함으로써, 저류층 하부에 전이구간이 존재하는 경우 전이구간의 유동특성을 활용한 SAGD 예열단계 운영을 최적화하고 회수율을 증진하는 방안을 제시한다.

증기중력배유법(steam-assisted gravity drainage, SAGD)은 캐나다 오일샌드를 생산하기 위해 가장 널리 사용되는 지하회수기법이며, 저류층에 고온의 스팀을 주입하여 비튜멘의 점성도를 낮춰 오일을 생산한다. 스팀 주입압력을 높여 운영 시 미고결 사암 저류층의 석유암반공학적 특성을 변형시켜 덮개암 안전성을 위협하고 지표융기 현상을 발생시키지만, 저류층의 투과도를 증가시켜 오일 생산성이 증진되는 효과가 있다. 이 연구에서는 캐나다 앨버타 지역 내 6개 SAGD 운영광구의 연간 지표융기 변화율과 저류층 조건 및 운영조건, SAGD 생산성 간의 상관성 연구를 수행하였다. 그 결과, 좋은 SAGD 생산성을 가지는 광구가 얇은 덮개암 두께, 얕은 저류층 깊이, 낮은 안전율 적용 그리고 HP-SAGD로 운영될 경우 심각한 덮개암 안전성 문제를 야기할 수 있음을 파악하였다.

퇴적층의 밀도 분포를 파악하는 경우 지층 내부 유체 집적양상을 유추할 수 있어 공학적인 활용도가 높다. 지층 시추코어로부터 퇴적층의 속도와 밀도 등의 물성 정보를 얻을 수 있으며, 물성의 수평방향 변화양상을 유추하기 위하여 탄성파 탐사와 같은 추가정보가 필요하다. 본 연구에서는 대한해협 천부 지층에서 획득한 시추코어의 실험실 분석 밀도자료와 2차원 탄성파 자료를 통합 분석하였다. 통합 분석의 정확도는 밀도 로그와 탄성파 자료에서 도출한 속성의 상관 수치를 계산하여 평가하였다. 단일 속성, 다중 속성 및 다중 속성 곱말이 연산자와 밀도의 상관계수는 각각 52, 69 및 86%였다. 따라서 밀도 분포를 정확히 추정하기 위하여 탄성파 자료로부터 다중 속성을 도출한 후, 곱말이 연산자를 적용하는 것이 효과적이었다. 상관 분석 결과는 2차원 탄성파 단면의 수평 공간에 확장되어, 천부 퇴적층의 밀도 분포 양상이 지층 단면으로 도출되었다. 밀도 단면을 확인한 결과 대한해협 천부 퇴적층에서 저밀도 영역을 확인하였고, 이는 염수 또는 천부 가스의 집적으로 인한 현상으로 추정된다.

최근 CO₂ 지중저장이 탄소중립 달성을 위한 기술 중 하나로 부상하고 있다. 대상 저장소 중 고갈 가스전은 무결성과 안정성이 높아 저장에 용이하나 고갈 가스전에서 잔류 및 용해 포획을 통한 저장안정성 및 효율 분석 연구는 전무하다. 이 연구에서는 고갈 가스전에 대한 주입 시뮬레이션을 통해 CO₂ 저장안정성 및 효율에 영향을 미치는 저장관련인자를 입력자료로 한 기계학습 기반의 저장효율지수 예측모델을 구축하여 신뢰성을 평가하였다. 그 결과 주입률, 최대 저류층압력, 공극률, 유체투과도, 온도의 영향을 확인하였으며, 저장효율지수 예측 시 랜덤 포레스트, 서포트 벡터머신, 익스트림 그래디언트 부스팅, 합성곱 신경망의 적용성을 검토하였다. 이는 향후 현장 고갈 가스전 정보를 기반으로 신뢰성 있는 저장효율지수 예측을 위한 사전연구로서 유의미하다고 판단된다.