Theoretical Considerations and Case Study on Application of Cyclic Gas Injection in U.S. Eagle Ford Shale Reservoir

서 론

셰일 저류층의 상업적 개발은 수평정시추 및 다단계 수 압파쇄와 같은 기술의 발전과 유가상승 등 투자환경의 변 화에서 비롯되었다. 개발업계는 그간 투자효율성 향상을 목적으로 설계 최적화와 비용절감 등의 노력을 기울여 왔

다. 하지만 최근 저유가는 수압파쇄를 위한 추가 투자비가 반드시 요구되는 셰일 저류층의 개발 경쟁력이 외생변수의 영향에 취약한 것으로 나타남으로써 지속가능한 개발 경쟁 력확보를 위한 기술적 대안마련이 요구되고 있는 실정이다.

셰일 저류층의 1차 회수율은 원유의 경우 3~7%, 천연가 스의 경우 20~30% 수준이다(U.S. EIA, 2015). 이때 적용 된 수평정과 수압파쇄 기술은 저류층과의 접촉면적을 확대 하고 추가적인 탄화수소의 유동통로를 마련함으로써 1차 회수에 기여한다. 한편, 셰일 저류층 내 나노미터 단위의 매 우 작은 공극과 입자간 간극(pore throat)은 효율적인 탄화 수소의 유동을 방해한다. 저류층 압력이 기포점압력 이하 로 떨어질 경우 유동에너지의 소실로 상당의 잔류 탄화수

셰일 저류층의 주기적 가스주입법 적용에 대한 이론적 고찰 및 미국 Eagle Ford 적용사례 분석

이형석¹⁾· 기세일¹⁾· 최영일²⁾· 임종세²⁾*

Theoretical Considerations and Case Study on Application of Cyclic Gas Injection in U.S. Eagle Ford Shale Reservoir

Hyeongseok Lee, Seil Ki, Youngil Choi, and Jong-Se Lim

_* (Received 6 June 2018; Final version Received 26 June 2018; Accepted 26 June 2018)

Abstract : As the petroleum industry has shrunk their capital investment due to the recent low oil prices, alternative techniques that overcome the current design optimization are in demand to ensure competitiveness in the development of shale reservoirs. The primary recovery pressure depletion is around 3~7% in shale oil reservoirs, which is lower than that in conventional reservoirs. This paper investigates the characteristics of initial hydrocarbon state and the residual distribution based on physical and chemical phenomena in nano-scale pore to identify potential enhanced oil recovery.

Additionally, a cyclic gas injection that has been well introduced as a feasible enhanced oil recovery method for shale reservoirs is thoroughly reviewed and analyzed for its field application. Throughout the studies, the feasibility and operational design guidance that takes into account the minimum miscibility pressure have been reviewed, and confirmed miscibility achievement at reservoir condition by controlling the rich gas components of produced gas injection.

Key words : Shale reservoir, Enhanced oil recovery, Cyclic gas injection, Minimum miscibility pressure, Produced gas 요 약 : 최근 저유가의 영향으로 석유개발 업계는 위축된 자본투자 환경을 맞이하여, 셰일 저류층 개발 경쟁력 확보 를 위해 기존의 설계 최적화 등을 넘어선 기술적 대안 마련이 요구된다. 기존 셰일 저류층의 압력감퇴에 의한 1차회수 율은 원유의 경우 3~7%로 일반적인 석유자원과 비교해 낮은 수준이다. 이 연구에서는 셰일 저류층의 회수증진 잠재 성을 파악하기 위해 나노단위 공극에서 발생하는 물리‧화학적 현상을 바탕으로 초기 탄화수소 부존특성을 규명하고, 잔류 탄화수소의 분포를 파악하였다. 또한 셰일 저류층의 석유회수증진에 적합한 기법으로 알려진 주기적 가스주입 법의 매커니즘을 고찰해 보고 현장적용사례를 분석하였다. 이를 통해 주기적 가스주입법의 현장 적용성과 최소혼화 압력을 고려한 운영설계 가이드를 검토하였으며, 생산가스 주입 시에도 리치가스 성분의 제어로 저류층 조건에서 혼 화될 수 있음을 확인하였다.

주요어 : 셰일 저류층, 석유회수증진법, 주기적 가스주입법, 최소혼화압력, 생산가스

1) 한국석유공사 탐사생산본부

2) 한국해양대학교 에너지자원공학과

*Corresponding Author( 임종세) E-mail; [email protected]

Address; Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea

Maritime and Ocean University, Busan, Korea

기술보고

셰일 저류층 공극 특성

셰일은 유기물이 풍부한 세립질(fine-grained) 쇄설성 퇴 적암으로 지질시대를 거치는 동안 물리 ‧ 화학적 작용으로 탄화수소가 생성되는 근원암 역할을 한다(Lee et al., 2016). 통상 셰일오일 또는 셰일가스는 이러한 근원암 자체 에 집적되거나 인접한 다공질 암체로 이동 후 부존하는 탄 화수소로 비교적 넓은 범위의 석유자원을 지칭한다. 셰일 저류층은 암상, 공극-유체투과도 그리고 배태된 탄화수소 의 물성 등으로 특정 지어지며, 구성광물과 퇴적환경 등에 따라 다양한 공극특성을 갖는다(Bohacs et al., 2013). 셰일 은 silt 및 clay와 같은 µm 단위의 입자크기를 가진 광물로

(matrix) 공극으로 친수성(water-wet)을 지닌다(Lee, 2013).

반면 유기공극은 셰일층 내의 퇴적 유기물인 케로젠 (kerogen) 이 열적 성숙단계를 거치면서 탄화수소로 변환 된 부분에 생성되는 공극으로 탄화수소의 저장(storage)공 간 역할을 하며, 오랜 기간 높은 탄화수소 포화율로 친유성 (oil-wet) 의 특성을 나타내어 부존하는 탄화수소 흡착을 유 도할 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 자유

Fig. 1. Sizes of molecules and pore throats in siliciclastic rocks on a logarithmic scale (Nelson, 2009).

상태(free state) 또는 공극 표면에 흡착된 상태로 존재한다.

Fig. 2 는 미국 Bakken 셰일의 코어분석을 통해 얻어진 공극 크기 분포와 공극 내 부존하는 탄화수소의 부존상태를 도 시하고 있다. 자유상태로 존재하는 회수가능한 탄화수소 와 흡착상태로 존재하는 탄화수소가 함께 공존하고 있음을 확인할 수 있다. 공극 내 흡착상으로 존재하는 탄화수소 부 피(

) 와 총 탄화수소부피(

) 의 비(ratio)를 통해 공극크 기가 작을수록 흡착상의 분포가, 공극크기가 커질수록 자 유상의 탄화수소 분포가 우세함을 확인할 수 있다.

저류층 조건에서 알칸계 탄화수소는 그 분자량이 클수록 친유성 유기물질에 우선적으로 흡착되는 특성을 지니고 있 으며, Langmuir 등온흡착식(isotherm)을 따르는 CH

와 달 리 무거운 성분의 탄화수소로 이루어진 액체탄화수소는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 등온흡착식에 따라 다중 분자층을 이루며 흡착상태로 존재한다(Brunauer et al., 1938; Castro et al, 1998). Wang et al.(2015)은 분자동역학 (molecular dynamics) 전산시뮬레이션을 통해 공극의 크 기 및 탄화수소 구성에 따른 흡착거동을 확인하였으며, Bakken 셰일의 경우 약 13%의 액체 탄화수소가 다중분자 층을 형성하며 흡착상태로 존재할 것으로 예상하였다.

셰일 저류층의 석유회수증진법

회수증진 잠재성

수압파쇄법은 저류층 내 균열대 형성을 통해 저류층-생 산정 간 유체의 유동성을 개선한다. 셰일 저류층의 1차회수 율은 탄화수소의 유동을 지배하는 저류층 압력과 수압파쇄 에 의한 균열표면적의 발달정도에 따라 결정된다(Kang et al., 2017). 여기서, 균열표면적의 존재는 유한하며, 수압파

쇄 작업 및 운영환경에 따라 그 유효성도 달라진다. 수압파 쇄법으로 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 fracture 로 구분된다(Suarez-Rivera et al., 2013). Wellbore/fracture connector 는 천공으로 발달된 유 체유동의 수렴지역이다. Near-wellbore fracture는 충분한 지지체 충전으로 균열전도도가 확보됨에 따라 대부분의 저 류층 생산유체가 유입되는 균열구간으로 수압파쇄 설계의 주요 관심대상이 된다. Far-wellbore fracture는 자연균열 (natural fracture) 또는 수압파쇄에 의한 응력해방으로 발 생되는 미소균열(micro fissure)과 구분되며, 균열은 발생 되었지만 지지체 충전이 미흡한 미충전 균열(induced un-propped) 로 정의될 수 있다(Ribeiro et al., 2015). 여기 서는 생산초기 저류층 압력강하에 의한 균열닫힘이 발생되 어 유동에너지를 상실한 다량의 탄화수소가 공극 내 여전 히 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 판단되 는 저류층에 적용된다. 셰일 저류층은 생산 초기단계에 자 체 에너지 혹은 인공채유법을 이용한 1차 생산이 이루어지 며, 이후 저류층 자체 에너지의 감소에 따라 탄화수소가 공 극 내 잔류한다. 일반적인 물 ‧ 가스주입에 의한 압력유지 기법은 셰일의 치밀한 특성으로 주입도(injectivity)가 현저 히 저하되고(Wan, 2013), 주입정에서 생산정으로 압력이 전파되기까지 상당한 압력손실이 있어 경제적인 효과를 기 대하기 어렵다(Xu and Hoffman, 2013). 또한 일부 현장에 서 물주입법을 통한 압력보완이 시도되었으나, 매우 빠른 물 도달(breakthrough)을 확인하였다(Hoffman, 2016). 따 라서, 셰일 저류층에서는 주입정과 생산정간 에너지를 전 Fig. 2. Pore size distribution for Bakken shale and pore

volume occupied by adsorbed and free state(Wang et al., 2015).

Fig. 3. Interaction of the propagating fracture with rock

interfaces (modified after Suarez-Rivera et al., 2013).

리 ‧ 화학적 평형을 이루는 과정(soaking)을 거치게 된다.

이후, 주입정은 생산정으로 변환되어 유동도가 개선된 잔 류 탄화수소가 생산(puff process)되는 공정이다(Han and Lee, 2014). 주입된 가스는 잔류탄화수소와 단상(single phase) 으로 혼화(miscible)됨으로써 공극 내에서 팽창, 점 성도 감소, 표면장력 감소 그리고 상대유체투과도의 변화 가 이루어지며, 공극과 균열대의 압력구배에 따라 균열대 로 배출될 수 있다(Li et al, 2016).

주입가스와 저류층 유체의 혼화를 촉진시키기 위한 주입 가스의 주요 이동(transport) 매커니즘은 Fig. 5와 같이 압 력차에 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 압력차 에 의해 발생되는 유체의 흐름을 따라 주입가스가 이동하 는 것을 의미하며 Darcy 법칙을 따른다. 분자확산은 주입 가스 및 저류층 유체 내 분자의 이동으로 인한 혼합현상으 로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동함을 의미한다. 중 력배출에 의한 이동은 균열내부 액상과 가스상의 밀도차에 의해 발생되나 셰일 저류층의 경우 효과는 미미하다.

내 유체의 팽창으로 인해 공극과 균열대의 압력차가 발생 함에 따라 균열대로 이동할 수 있다. 병류법은 주입가스의 동적인 확산을 전제로 하기 때문에 혼화조건에 따른 잔류 탄화수소 이동의 효과에 대해 비교적 독립적이나, 역류법 은 soaking 단계에서 혼화에 따른 충분한 물질이동이 전제 되어야 하기 때문에 혼화조건이 중요하다. Kovscek et al.(2008)은 CO

를 이용해 회수방식과 혼화조건을 달리한 실험을 진행하였다. 비혼화 조건에서 역류법과 병류법은 각각 0~10%와 18~25%의 회수를 확인하였으며, 혼화조건 에선 각각 25%와 10%의 회수를 확인한 바 있다.

운영설계 시 고려사항

주기적 가스주입법의 효과적인 적용을 위해 저류층 특 성, 주입가스의 선택, 주입압력, 주입주기 및 soaking 기간 등의 운영 및 설계변수는 대상 저류층 및 유체의 특성 등에 따라 신중히 결정되어야 한다. 주기적 가스주입법의 혼화 공법은 저류층 조건에서 주입가스와 저류층 유체가 계면장 력이 존재하지 않는 하나의 상으로 유도하는 방법으로 (Holm, 1986), 비혼화공법과 비교해 미시적 대체효율 (microscopic displacement efficiency) 이 높아 더 많은 회 수가 가능한 것으로 알려져 있다(Green and Willhite, 1998). 혼화공법은 저류층 조건에서 주입가스와 저류층 유 체의 최소혼화압력(Minimum Miscibility Pressure,

Fig. 4. Schematic of cyclic gas injection(huff-n-puff process).

Fig. 5. Transport process of injection gas accumulation. Fig. 6. Diagram of Co-current flow and Counter-current flow.

MMP) 이 저류층 압력보다 낮은 경우에 적용 가능하다 (Kang et al., 2016). 일반적으로 CO

는 N

및 CH

와 비교 해 낮은 저류층 압력조건에서 혼화가 발생되며, 저류층 온 도, 부존유체의 성분 및 주입가스의 선택 등에 따라 MMP 가 달라진다(Jeong and Lee, 2016). 결정된 MMP로부터 지 표설비의 용량과 운영계획이 결정되며, 결정된 운영 및 설 계변수에 따라 경제성이 좌우될 수 있다. 반면, Gamadi et al.(2014)은 MMP 이상의 압력 증가는 회수율에 대한 영향 은 미미한 것으로 나타나 현장적용 전 대상 저류층과 유체 특성을 고려한 최적 주입압력구간 도출에 대해 시뮬레이션 등의 연구가 선행되어야 한다.

현장사례 분석

초기 개발개념에 대한 연구는 셰일 저류층의 회수율 증 진과 더불어 최근 대두되고 있는 온실가스저감 등의 환경 문제를 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. 현 재까지 셰일 저류층을 대상으로 주기적 가스주입법과 같은 석유회수증진법에 대한 연구와 개발은 초기단계이며, 앞 서 제시된 내용을 바탕으로 예비시험(pilot test) 결과를 분 석함으로써 현장 적용성을 살펴보고자 한다.

Eagleville Field

미국 텍사스 주에 위치한 Eagle Ford 셰일 저류층은 텍사

스 남부를 따라 SW-NE 방향으로 분포하고 있으며, 남동쪽 의 gas window 부터 북서쪽의 oil window 까지 다양한 유 체부존 경향을 나타낸다(Fig. 7). Eagle Ford 셰일 play의 oil window 에 위치한 Eagleville 자산은 EOG사에 의해 운 영되고 있으며, 초기 가스원유비(gas oil ratio)는 1,000 scf/stb 수준이다(U.S. EIA, 2014).

2015 년 Eagle Ford 셰일층에서 4개 PAD내 15개 생산정 을 대상으로 기존 시설과 인근 플랜트에서 공급받은 건가 스(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 1H 에 대한 생산감퇴곡선 분석결과 36%의 궁극가채 량 증진효과가 있는 것으로 분석되었으며, 석유회수증진 법에 의한 추가적인 공당 순현재가치(net present value, NPV) 는 약 2백만불로 수준으로 추정된다. 이를 바탕으로 EOG 사는 2017년과 2018년 150여개의 생산정을 대상으 로 석유회수증진법을 시행하고 있다.

적용된 주기적 가스주입법의 개략적인 운영설계와 타당 성을 검토하기 위해 Eagleville 인근의 유체물성 정보를 사 용하여 주입가스 선택에 따른 MMP를 분석하였다. 해당지 역의 지상조건에서 취득된 원유샘플은 38 API°의 비교적 경질유로 Table 1과 같이 저류층 조건에서도 가벼운 탄화 수소 성분들이 주를 이루고 있다. 기포점압력은 237 °F의 저류층 온도조건에서 약 3,750 psi로 초기 저류층 압력인 5,435 psi 이하로 확인됨에 따라 초기 저류층 조건에서 단 상으로 존재할 것이라 예상된다.

저류층 유체의 상거동 분석은 Peng-Robinson 상태방정 식(equation of state)을 이용하였다. MMP는 CMG사의 유

Fig. 7. Location of Eagleville field for Eagle Ford shale development(EOG Resources, Inc., 2018).

Fig. 8. Production profile for Steen-scruggs unit with cyclic

gas injection.

체특성 분석 소프트웨어인 Winprop을 사용하였으며, cell- to-cell 분석방법으로 예측하였다. 분석결과 100%의 순수 한 CO

, CH

및 N

주입에 따른 MMP는 CO

의 경우 2,750 psi 로 저류층 압력 이하의 조건에서 혼화가 이루어짐을 확 인하였으나, CH

와 N

는 각각 5,625 psi 및 5,750 psi로 저 류층 압력 이상으로 산출됨에 따라 혼화조건의 충족이 어 려운 것으로 확인되었다. 한편, 주입가스의 CH

/C

H

몰 (mole) 비율을 80/20, 70/30 및 60/40으로 달리하여 산출한 결과, 각각 5,500 psi, 4,250 psi 그리고 3,250 psi로 산출되 어, 주입가스의 리치가스 성분을 제어함으로써 저류층 압 력 이하에서 혼화가 발생될 수 있음을 확인하였다.

결 론

셰일 저류층의 개발 특성상 일반적인 저류층과 같이 주 입정과 생산정간 에너지가 전달되는 개념보다 단일정을 대 상으로 주입과 생산을 반복하는 주기적 가스주입법의 적용 이 더욱 효과적이다. 미충전 균열대는 생산초기 균열닫힘 현상으로 공극과 균열대의 국지적 압력구배가 충분하지 않 아 많은 양의 잔류탄화수소가 존재한다. 주입가스는 이러 한 잔류탄화수소와 단상으로 혼화됨으로써 기화 ‧ 응축과 정을 통해 물질전달이 발생되며, 공극 내 팽창에 의한 압력 구배가 형성되어 균열대로 배출될 수 있다.

MMP 는 주기적 가스주입법의 회수증진 효율을 결정짓 는 가장 중요한 핵심인자 중 하나로서 운영설계 시, 주입가 스의 선택과 이에 따른 주입용량이 결정되며, 적용대상 저

한 자본투자는 기존 설치설비를 제외하고 가스주입을 위한 컴프레서, 운반을 위한 파이프라인 그리고 계측에 필요한 부가적인 장비가 요구되며, 단위 생산정 기준 미화 약 1백 만불 내외로 예상된다. 이는 Eagle Ford의 평균 공당 재수 압파쇄 투자비 1.8백만불의 약 55% 수준으로 지속적인 연 구개발을 통한 기술적 불확실성이 보완될 경우, 앞선 투자 비 경쟁력으로 재수압파쇄 기술 외 추가적인 대안으로 고 려해 볼 수 있을 것이다.

사 사

이 연구는 산업통상자원부 자원개발특성화대학사업의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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6.578

i-C

1.108

n-C

3.067

i-C

1.256

n-C

1.670

C

3.397

C

26.033

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현재 한국해양대학교 에너지자원공학전공 석사과정 (E-mail: [email protected])