북미 셰일오일 개발기술 동향
장일식1)· 김현태2)* · 윤재필3)
Technology Trends of Shale Oil Development in North America
Il Sik Jang, Hyun Tae Kim
*and Jae Pil Yoon
Abstract : In this paper, technology trends of shale oil development which is currently booming in North America are studied. First, the characteristics and current state of shale oil resources are described. Horizontal well and multistage hydraulic fracturing are the key elements for commercial development of shale oil. Therefore, both of the plug-and-frac and ball-activated frac-sleeve method are analyzed as the type of well completion, and the applicability of multilateral wells for shale reservoirs are investigated. The key parameters for the multistage hydraulic fracturing are analyzed in terms of fracturing interval, proppants, and fracturing fluids. Fracturing strategies according to the brittleness of the shale reservoir, their resultant fractures, and post-frac evaluation techniques are also described. For better understanding of the analysis, a case study is carried out for one of the representative shale oil developments in North America. The important concepts and methodologies introduced in this paper will be beneficial to domestic companies trying to establish the strategy for the overseas shale oil development.
Key words : Shale Oil, Horizontal Well, Multilateral Well, Well Completion, Multistage Hydraulic Fracturing 요 약 : 본 연구는 최근 북미지역을 중심으로 개발붐이 불고 있는 셰일오일 개발기술동향에 대해 분석하였다.
먼저 북미지역의 셰일오일의 부존 현황과 그 특성에 대해 개략적으로 기술하였다. 수평정 시추와 다단계 수압파 쇄는 성공적 셰일오일 개발을 위한 필수 기술이다. 따라서 현재 다단계 수압파쇄를 위한 유정완결법인 plug- and-perf 법과 ball-activated frac-sleeve 법에 대해 분석하고 셰일 저류층에서 다가지 수평정의 적용기법에 대해 조사하였다. 균열구간 선정, 균열지지체(proppant)와 파쇄유체의 선택 등 다단계 수압파쇄의 인자분석에 대해 기술하고, 셰일 저류층의 취성도(brittleness)에 따른 파쇄전략 및 균열생성 결과에 대해 분석하였다. 또한, 수압파 쇄의 효율성 평가에 사용되는 파쇄 후 평가기법에 대해 기술하였으며, 끝으로 이해를 돕기 위해 북미 셰일오일 개발 사례연구를 수행하였다. 본 연구에 소개된 기술 개념과 방법론들은 향후 국내기업의 해외 셰일오일 개발전 략 수립에 도움이 될 것으로 사료된다.
주요어 : 셰일오일, 수평정, 다가지정, 유정완결, 다단계 수압파쇄
2013년 12월 27일 접수, 2013년 7월 31일 심사완료 2013년 8월 16일 게재확정
1) 조선대학교 공과대학 에너지자원공학과 2) 한국지질자원연구원 석유해저연구부 3) 과학기술연합대학원대학교
*Corresponding Author(김현태) E-mail; [email protected]
Address; Petroleum and Marine Resources Division, KIGAM, Daejon 305-350, Korea
ISSN 2288-2790(online) http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2013.50.4.581
서 론
2000년대 이후 유가 급등과 신기술 개발에 따라 북미지 역의 세일가스 개발이 활성화되어 ‘셰일가스 혁명’으로 일컬어질 만큼 전 세계의 산업전반에 막대한 영향을 끼
치고 있다. 셰일가스는 셰일오일과 같이 셰일층에서 생성 되고 저장되어 있으나 가스의 특성상 유동능력이 오일에 비해 뛰어나기 때문에 셰일가스 개발이 먼저 이루어졌다.
국내에서도 공기업을 중심으로 북미의 셰일가스 개발에 뛰어들고 있으며 셰일가스 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다(Ko, 2007; Ghim et al., 2011; Shin et al., 2012a, 2012b; Lee and Sung, 2012a, 2012b; Hwang and Jin, 2012). 그러나 2012년 현재 셰일가스의 개발단가는 약
$5/Mcf이나 과다생산에 의해 판매가격은 약 $3/Mcf로 떨 어져 수익성이 악화되었다(Energycentral, 2012). 이에 따 라 악화된 수익성 개선을 위한 대안으로 셰일지역에서 오일생산이 중요한 이슈로 대두되고 있다.
셰일오일은 셰일층에서 생성되어 층 내에 발달된 자연 해 설
Fig. 1. Shale oil play in North America (NPC, 2011).
균열 및 공극 내에 보존되어 있거나, 셰일층 상하부 혹은 셰일층 내에 분포하는 얇은 사암, 규질암, 백운암, 또는 석회암 층에 부존되어 있는 오일을 말한다. 이러한 셰일 오일을 개발하기 위해서는 수직 생산정만으로는 경제성 을 보장할 수 없기 때문에 장공수평시추와 다단계 수압 파쇄기술을 적용하는 개발전략 수립이 필요하다. 실제로 북미의 주요 셰일오일 저류층에 이러한 기술을 도입하여 상업적인 생산이 진행되고 있다.
본 연구에서는 북미지역의 셰일오일의 부존특성을 살 펴보고 셰일오일의 상업적 생산에 필요한 유정완결법, 다 가지 수평정(horizontal and multilateral well) 시추와 다단 계 수압파쇄 수립 전략에 필요한 사항을 분석하였다. 또 한, 수압파쇄에 의해 생성된 균열의 규모와 생산성을 파 악하기 위해 사용되는 다양한 평가기법에 대해 분석하였 으며, 끝으로 대표적인 북미셰일오일 개발지역의 사례연 구를 소개함으로써 셰일오일 개발기술의 이해도를 높이 고자 하였다.
북미 셰일오일 부존 특성
셰일오일은 북미지역을 중심으로 활발히 개발되고 있 으며, 주요 셰일오일 저류층으로서 북미의 Bakken, Monterey, Eagle Ford, Avalon, 그리고 Cardium 셰일 등이 있다. Fig. 1은
북미지역의 셰일오일 저류층 분포를 나타낸 것으로 가채 자원량(recoverable resources)을 살펴보면 Bakken 셰일이 3,600∼4,300 MMbbl(Million barrel), Monterey 셰일이 700
∼3,500 MMbbl, Eagle Ford 셰일은 13∼3,300 MMbbl로 추정되며, 북미 전체 가채자원량은 5,500∼34,000 MMbbl 로 추정된다(NPC, 2011).
셰일오일 저류층은 유체 투과도(permeability)가 10‒6∼ 10‒3 md로 매우 낮아 과거에는 개발기술력의 부재로 상업 성이 결여되었으나, 2000년대 중반 장공의 수평정과 다단 계 수압파쇄 기술을 적용하여 Bakken 셰일오일을 상업적 으로 생산하는데 성공하였다. 이후 장공의 수평시추 기술 및 다단계 수압파쇄 기술이 더욱 발전하여 다양한 셰일 오일층에서 상업적 개발이 가능해 졌다. 이와 같은 신기 술을 도입하여 개발한 대표적인 셰일오일 지역이 Niobrara 와 Eagle Ford이다. 미국의 수평정 시추 리그 중 셰일 오 일정을 시추하는 리그 수의 점유율이 2009년 12%에서 2010년 24%로 증가하는 추세에 있으며 앞으로도 지속적 으로 증가할 전망이다(McDaniel, 2010).
Bakken 셰일은 Fig. 2와 같이 미국 North Dakota 및 Montana 주와 캐나다Saskatchewan 및 Manitoba 주에 걸쳐 있으며, 200,000 평방마일의 넓은 지역에 분포해 있다.
Bakken 셰일은 3개의 층으로 이루어져 있으며 주 생산층 은 Middle Bakken 층이다(Fig. 2(b)). Bakken 층 아래 Three
(a)
(b)
Fig. 2. (a) Extent of Bakken shale (b) Stratigraphic cross section (Rankin et al., 2010).
Fig. 3. Lateral extent of Eagle Ford shale in Texas (Centurion et al., 2012).
Forks 층이 있으며 가채자원량이 1,900 MMbbl에 이르는 것으로 추정된다(Rankin et al., 2010). North Dakota 지역 의 셰일층은 주로 이암과 사암이 교호하며 깊이는 9,500
∼11,000 ft, 두께는 최대 80 ft에 달한다. Montana 지역은 이암성 및 사암성 백운암으로 형성되어 있으며 10,000 ft 깊이에서 두께 15～20 ft로 분포하고 있다. 이와 같이 Bakken 셰일은 광역적으로 서로 다른 지질학적 분포를 보이고 있으나, 평균 공극률 5%, 유체 투과도 0.04 md, 그 리고 저류층 온도 240 ℉ 등 일관된 물리적 특성을 보인 다(Rankin et al., 2010).
Eagle Ford 셰일은 Buda 석회암과 Austin Chalk 사이에 놓여 있으며 Fig. 3과 같이 오일, 컨덴세이트 및 가스가 생산되는 3개의 지역으로 구별되어 있다. 북서쪽으로는 오일이, 남동쪽으로 가스가 생산되는 경향이 있으며, 그 사이에 있는 중간 영역에서는 컨덴세이트가 생산되고 있 다. 저류층의 깊이는 4,000∼15,000 ft이며, 셰일층 두께는 20∼200 ft 범위를 보이나 멕시코 국경지역에서는 두께가 400 ft 이상인 지역도 있다(Centurion et al., 2012). 공극율 은 5∼14%, 유체 투과도는 4×10‒5∼1.3×10‒3 md의 범위를 갖는다.
유정완결 및 다가지 수평정
유정완결 기법
Bakken 셰일층에서 오일을 생산하기 위한 유정완결 기 법은 2000년부터 현재까지 지속적으로 진화해 왔다. 초기 에는 수직정에 대한 수압파쇄만 이루어 졌으나, 이후 수 평시추가 적용되고 수평구간도 길어졌으며 단일 수압파 쇄기법은 다단계 파쇄기술로 진보하였다. 또한, 초기 수 평정은 지층의 최대응력과 평행한 방향으로 시추하고 수 압파쇄를 통해 하나의 긴 종방향 균열(longitudinal fracture) 을 생성하는데 주력하였으나, 2000년대 중반 이후 효율적 인 swell 패커 및 수력학적 패커의 사용으로 다수의 횡방 향 균열(transverse fracture)을 생성하는 기법으로 진화하 였다(O'Brien et al., 2012). 수압파쇄의 단계도 초기 3～4 단계에서 현재는 약 90단계 이상을 한 번의 장비설치로 수행할 수 있게 되었다(Durst et al., 2012).
수압파쇄를 위한 유정완결은 크게 plug-and-perf 법과 ball-activated frac-sleeve 법이 있다. Plug-and-perf 법은 시 멘팅된 케이싱이나 라이너에서 단계별로 균열을 발생시 킬 곳에 천공을 한 후, 수압파쇄를 실시하는 방법이다 (Fig. 4(a)). 수압파쇄는 수평구간 끝부분부터 진행되며 천 공을 통해 다수의 클러스터를 구성한 후 파쇄유체를 주 입하여 균열을 생성한다. 이와 같이 한 단계의 파쇄과정 이 끝나면 브리지 플러그를 설치하여 파쇄된 구간을 격 리시킨 후 다음 단계의 파쇄과정을 반복한다. 설치된 플 러그는 시추장비에 의해 분쇄된 후 생산이 진행된다.
Ball-activated frac-sleeve 법은 라이너를 설치한 나공
(a)
(b)
Fig. 4. Schematic of (a) a plug-and-perf fracturing system (b) a ball-activated frac-sleeve system (Daneshy, 2011).
(a)
(b)
Fig. 5. Multilateral wells (a) dual lateral well (b) stacked lateral well (Johnson and Courrege, 2010).
(open hole)의 구간에 크기가 다양한 공(ball)을 주입하여 플러그 역할을 하게 한 후 파쇄과정을 진행하는 기법으 로 모식도는 Fig. 4(b)와 같다. 그림과 같이 패커에 의해 단계별 파쇄구간이 정해지며 가장 작은 공을 지상에서 보낸다. 굴러간 공은 끝부분의 자리(seat/baffle)에 장착되 고, 동시에 슬리브가 밀려 frac port가 열리게 되며 주입된 파쇄유체에 의해 균열이 발생한다. 다음 단계의 수압파쇄 에서는 이전 단계의 경우보다 조금 더 큰 공을 보내 그 다음 자리에 장착시킨 후 파쇄과정을 진행한다.
Ball-activated frac-sleeve 법은 plug-and-perf 법에 비해 한 번의 완결장비 장착으로 연속적인 파쇄작업을 수행할 수 있으며 플러그 설치 또는 천공과 같은 과정 없이 신속 하고 경제적으로 작업을 진행할 수 있다. 따라서 Bakken 셰일과 같은 심도가 깊은 층에 대한 수압파쇄에 매우 효 율적인 특성을 보인다. Ball-activated frac-sleeve 법은 사용 하는 공의 크기에 제한이 있어 한번에 15∼20 구간을 설 정할 수 있으나, 최근에는 각 구간에 6개의 밸브를 추가 적으로 설치하는 기술이 도입되어 총 90개 이상의 균열 생성 지점을 설정할 수 있다(Durst et al., 2012).
Stegent 등(2011)은 Eagle Ford의 생산정에 대한 분석을 통해 plug-and-perf 법과 ball-activated frac-sleeve 법의 결 과를 비교하였다. 두 개의 생산정에 각각의 방법을 사용 하여 다단계 수압파쇄를 수행한 후 미세탄성파 분석과 추적입자 분석법을 통해 각 균열의 생산성을 비교하였다.
그 결과 두 방법에 의한 균열의 생산성은 차이가 거의 없
는 것으로 나타났다. 따라서 향후 신속하고 경제적인 ball-activated frac-sleeve 법이 주요 완결기법으로 사용될 것으로 전망된다.
다가지 수평정
다가지 수평정을 사용하면 지상에 설치된 하나의 유정 에서 생산되는 오일의 유량뿐만 아니라 누적 생산량도 증대시킬 수 있다. 또한, 두 개의 개별 생산정을 시추하는 것에 비해 하나의 생산정을 운영하여 여러 개의 시추정 을 개발함으로써 이와 관련된 지상설비를 최소화시켜 비 용절감을 달성할 수 있다. 다가지 수평정은 시추에 따른 환경훼손을 최소화시키고 저류층에 대한 접근성을 향상 시키고자 수십 년간 여러 유가스전에서 사용되어 왔다.
다양한 형태의 다가지정이 사용되고 있지만 같은 층에 설치하는 이중 가지정(dual lateral)과 서로 다른 층에 설치 하는 누적 가지정(stacked lateral)이 가장 널리 사용되고 있다(Fig. 5; Johnson and Courrege, 2010).
다단계 수압파쇄를 수행해야 하는 셰일가스 및 셰일오 일과 같은 저류층은 각 수압파쇄 구간에 높은 수압과 완 전한 밀폐성을 요구한다. 이러한 조건에 부합하는 기술의 부재로 셰일 플레이에 대한 다가지 수평정의 사용이 어 려웠으나, 최근 이 조건을 만족하는 완결장비에 대한 기
(a) (b) (c) (d) Fig. 6. Junction ranking (a) Level 2 (b) Level 3 (c) Level 4 (d) Level 5 (Westgard, 2002).
술개발로 다양한 형태의 다가지정 시추가 시도되고 있다.
Fig. 6은 TAML(Technology Advancement of Multilaterals) 에서 정의한 몇 가지 분기점 형태들이다(Westgard, 2002).
Level 2 (L2) 분기점이란 유정의 수직구간에는 케이싱이 설치되고 분기점에는 나공 또는 라이너가 설치되는 완결 법이며, Level 3 (L3)은 수직구간에 케이싱이 설치되고 가 지구간에는 라이너가 수직구간까지 연결되는 방법이다.
Level 4 (L4)는 수직구간과 가지구간 모두 케이싱과 시멘 팅된 것이고, Level 5 (L5)는 L4에서 각 가지마다 충분한 압력과 밀폐성을 확보하여 개별 가지에 대해 압력을 독 립적으로 적용시킬 수 있는 완결법이다.
셰일층에 대한 완결기술로 L2, L3, 또는 L4를 사용할 수 있으며, 이후 개별구간 수압파쇄를 위해 JI System (Junction Isolation System)을 사용하여 분기점을 L5로 임 시 전환시킨다. 수압파쇄가 끝나면 JI system을 제거하여 혼합생산(commingled production)의 형태로 셰일오일을 생산한다.
셰일오일 저류층 중 다가지 수평정 기술을 적용하기에 가장 적합한 곳은 Bakken 셰일로서 다음과 같은 이점이 있다(Johnson and Courrege, 2010). 먼저 Bakken 셰일은 10,000 ft의 수직 깊이에 위치하고 있어 수직시추에 따른 비용을 급감시킬 수 있다. 또한, 누적 및 이중 다가지정을 사용하면 주 대상층인 Middle Bakken 및 Three Forks 층을 동시에 개발할 수 있는 이점이 있다. 따라서 Bakken 셰일 은 다가지 수평정을 설치할 수 있는 최적의 저류층 중 하 나이다. 지금까지 셰일 플레이 개발을 위해 장공의 수평 정과 다단계 수압파쇄 기술개발에 중점을 두었으나 향후 비용절감 및 생산성 향상을 위해 다가지정 시추에 대한 기술개발 또한 활발히 이루어 질 것이다.
다단계 수압파쇄 전략
화학층서학적 검층(Chemostratigraphic log)
화학층서학은 암석의 무기화학물질을 분석하여 퇴적 서열에 대한 특성을 분석하는 분야이다. 화학층서학적 검
층은 X-선 형광분석법(XRF; X-Ray Fluorescence)을 통해 암석 주요 성분의 분포 및 비율을 측정하고, 점토물질의 함량, 상대 취성도(RBI; Relative Brittleness Index), 산화환 원 반응금속, 그리고 바나듐 농축계수(EFV; Enrichment Factor of Vanadium)를 결정한다. RBI는 셰일 내에 점토물 질이 증가할수록, 즉 연성이 클수록 작은 값을 가지며, 바 나듐 농축계수는 총유기탄소(TOC; Total Organic Carbon) 에 대한 상대적 지시자로서 탄화수소의 부존 정도를 의 미한다.
화학층서학적 검층은 수평구간의 수압파쇄 위치를 결 정하는데 사용되어 생산성 향상에 도움을 줄 수 있다 (Stegent et al., 2012). 수평정 부분에 대한 화학층서학 검 층을 수행하기 위해 수평방향 시추 중 암편분리기(shale shaker)에서 나오는 암편을 샘플로 사용한다. 20∼30 ft 마 다 샘플을 채취하여 이수를 제거한 후 XRF 분석을 수행 한다. 이후 분석 결과를 바탕으로 수평부분에 대한 검층 자료를 구축하여 수압파쇄 간격과 천공 클러스터 위치선 정에 활용한다.
수압파쇄 구간
셰일층에 대한 수압파쇄는 대부분 각 파쇄단계에 대해 250∼300 ft의 등간격으로 수평정 구간을 나눠 수행된다.
이 방법은 단순하여 수행하기는 쉽지만 생산성이 좋은 구간에 대해 집중적인 파쇄작업이 이루어지지 않는 단점 이 있다. 이러한 이유로 인해 수평정 생산량의 50∼60%
는 수압파쇄 클러스터의 1/3에서 나온다는 결과가 제시되 었다(Stegent et al., 2012). 따라서 파쇄구간을 등간격으로 하는 대신 RBI, EFV, 그리고 점토물질 함량을 이용한 화 학층서학 검층자료를 바탕으로 파쇄구간을 결정하면 생 산성을 극대화할 가능성이 높아진다. 주요파쇄 대상구간 은 높은 RBI, 높은 EFV, 그리고 낮은 점토함량을 나타내 는 지역이다.
Fig. 7은 Eagle Ford에 위치한 생산정의 화학층서학적 검층, 수압파쇄 위치 및 파쇄유체 압력을 나타낸 것이다 (Stegent et al., 2012). 수평구간 4,514 ft에 대해 ball-activated frac-sleeve 법으로 17단계의 수압파쇄를 실시하였다. 화 학층서학적 검층에서 높은 RBI는 균열 생성이 쉽고 적절 한 복잡성을 보이는 균열망을 생성할 가능성이 높다는 것을 나타내며, 높은 EFV는 탄화수소의 존재를 암시하 고, 낮은 점토함량은 점토팽창이나 균열지지체 꽂힘현상 (proppant embedment)1)이 없어 균열과 공저의 연결성 저 하가 나타나지 않는 것을 의미한다. 그림에서 오른쪽 2개
1) 균열지지체 꽂힘현상: 셰일층에 점토함량이 높으면 셰일층 의 연성이 증가해 견고한 균열지지체가 무른 셰일층을 파고 들어가는 현상을 말한다.
Fig. 7. Chemostratigraphic output log (Stegent et al., 2012).
Fig. 8. Horizontal efficiency-optimization plot (O'Brien et al., 2012).
지점과 왼쪽 3개 지점은 점토함량이 높고 EFV가 낮아 탄 화수소의 양이 적을 것으로 판단되며 RBI가 낮아 단순균 열이 생성될 것으로 예측되었다. 이러한 예측은 실제 추 적입자 분석에서도 생산성이 가장 낮은 것과 일치하였다.
따라서 생산성이 낮을 것으로 판단되는 영역에서는 파쇄 지점을 최소화하였고 RBI가 높은 영역은 파쇄지점을 촘 촘히 하여 수압파쇄 효과를 극대화하였다.
화학층서학 검층을 바탕으로 균열생성 간격을 결정하 는 방법은 비용대비 최대의 생산량을 확보할 수 있으나 너무 좁거나 너무 넓은 간격은 오히려 경제성을 떨어뜨 릴 수 있다. Fig. 8은 Montana 주에 있는 Elm Coulee 유전 의 Bakken 층에 대한 수압파쇄 간격에 따른 경제성을 보 여준다. Elm Coulee 유전의 유체 투과도가 0.02∼0.04 md 인 점을 고려하면 최적의 파쇄구간은 300～500 ft 사이에 있음을 알 수 있다(O'Brien et al., 2012).
균열지지체 선택
균열지지체는 작고 단단한 물질로서 작업시 고압의 파 쇄유체와 함께 균열 내에 주입되어 균열간극을 유지시키 면서 오일 생산시 유체전도도를 확보한다. 균열지지체의 종류로는 모래, 레진 피복 모래(RCS: Resin Coated Sand), 그리고 세라믹 등이 있으며, 모래, RCS, 그리고 세라믹 순 서로 강도가 높으나 고가의 가격으로 인해 대부분 모래 를 사용한다. 그러나 모래는 높은 지층압에 의한 파쇄 및 시간이 지남에 따라 발생하는 균열지지체 성능저하 등으 로 인해 유정의 생산성 저하를 야기한다(Vincent, 2010).
McDaniel(1986)은 실험을 통해 균열지지체로 모래, RCS, 그리고 세라믹을 사용하여 시간에 따른 유체전도도 변화 추이를 연구하였다. 연구결과에 따르면 모래를 사용 한 경우 15일 이내에 유체전도도의 80%가 감소하고, RCS 는 55%, 세라믹은 25∼30% 감소하였다. 또한 균열지지체
Fig. 9. Brinell hardness for various unconventional plays (Mullen et al., 2010).
Table 1. Brittleness factor for completion design (Rickman et al., 2008) 는 온도가 높아지면 열 안정성이 낮아진다(Vincent, 2010).
모래는 온도가 높을수록 그리고 지층압력이 클수록 성능 감소가 크게 나타났다. North Dakota 주에 있는 Bakken 셰 일의 경우 저류층 온도가 240 ℉에 이르기 때문에 모래를 사용할 경우 약 50%의 성능 감소가 예상된다. RCS는 250
℉까지 온도에 의한 영향이 나타나지 않으며 세라믹은 500 ℉까지 영향이 없는 것으로 보고되었다(Vincent, 2010).
실제 Bakken 셰일 개발에 있어서 초기에는 값싼 모래를 주로 사용하였으나, 시간이 갈수록 생산능력이 저하되어 재수압파쇄에서는 세라믹을 많이 사용하고 있다(Vincent, 2011).
파쇄유체
파쇄유체는 균열을 생성하고 균열지지체를 이송하는 기능을 한다. 일반적으로 사용되는 유체로는 slick water, 하이브리드, 선형 및 교차 겔용액(X-linked gelled water)
등이 있다. Slick water는 매우 낮은 점도의 유체로서 파이 프 내의 마찰 감소를 위해 화학물질이 첨가된다. 점성도 가 낮아 매우 빠른 속도로 균열지지체를 균열내로 이송 시킨다. 교차 겔용액은 매우 높은 점성도의 유체로 용액 주입속도는 저류층의 특성 및 유정 형태에 따라 좌우된 다. 하이브리드 용액은 slick water와 교차 겔용액의 중간 에 해당하는 것으로 낮은 점도의 용액으로 시작하여 균 열지지체의 농도를 높이기 위해 점차 용액의 점도를 높 여 나간다.
수압파쇄 설계
단계별 수압파쇄를 적용하기위해 파쇄유체 종류 및 주 입부피, 균열지지체 종류, 농도 및 부피 등에 대한 적절한 선택이 필요하다. Table 1은 암석의 취성도에 따라 파쇄 유체 및 균열지지체의 최적 설계 방향을 보여주며, 수압 파쇄에 의해 발생하는 균열 형태 및 간극의 분포를 보여
(a) (b) Fig. 10. Type of hydraulic fracture (a) longitudinal (b) transverse fracture.
준다. 취성이 클수록 암석이 단단하고 잘 깨지는 특성이 있어 점성도가 낮은 유체에서도 복잡한 균열망을 형성하 는 경향이 있다. 또한, 균열지지체 꽂힘현상이 나타나지 않으며 파쇄균열 주변에 존재하는 자연균열이 쉽게 열리 는 특성이 있다. 이 저류층에서는 slick water와 50/70 메시 (mesh) 이상의 매우 작은 균열지지체를 조금만 사용해도 파쇄가 매우 효과적으로 이루어진다. 이와 같은 특성을 보이는 대표적인 저류층이 Barnett 셰일이다.
반면, Eagle Ford는 Barnett과는 전혀 다른 특성을 가지 고 있다. Fig. 9는 미국의 여러 비전통 오일 및 가스 플레 이에 대한 경도(hardness)를 나타낸 것으로 Eagle Ford의 경우 낮은 경도로 인해 취성이 작고 연성이 큰 저류층의 특징을 보인다. 취성이 작은 경우에는 지층압의 이방성이 크고 판상형의 수직 균열이 발생하는 경향이 있으며 암 석이 무르기 때문에 균열지지체 꽂힘현상이 발생한다. 따 라서 작은 크기의 균열지지체는 효율적이지 않다. 30/50 또는 20/40 메시 범위인 큰 크기의 균열지지체를 고농도 폴리머 용액에 혼합하여 사용하면 균열지지체 꽂힘현상 을 방지하고 다상유동 시 충분한 유체전도도를 확보할 수 있다.
재유정자극(restimulation)
수압파쇄를 이용한 재유정자극 작업은 1953년부터 많 은 유전에 성공적으로 적용되었다. 1970년대까지 전체 수 압파쇄의 약 35%에 해당하는 170,000번의 재유정자극이 수행되었으나 이후 1990년대는 2～3%의 재유정자극만이 이루어져 정체된 시기였다. 그러나 최근 유가의 상승으로 재유정자극 작업이 활발히 전개되고 있으며 Bakken과 같은 셰일오일 저류층에서도 재유정자극을 통해 생산량이 급 증하고 있다(Vincent, 2011).
재수압파쇄의 목적은 균열과 수평정 사이의 각도에 따 라 달라진다. Fig. 10(a)와 같이 수평정의 방향과 동일한 종방향 균열인 경우 균열과 유정이 접하는 부분의 접촉 길이가 충분히 길기 때문에 생산량이 많더라도 유정 주
변의 균열에서 압력감소는 미미한 수준이 된다. 반면, Fig. 10(b)와 같이 수평정 방향에 직교하는 횡방향 균열은 유정과 접하는 접촉길이가 유정 원주의 길이와 같기 때 문에 생산량이 많을 경우 유정주변 균열에서의 압력감소 가 크게 나타난다. 따라서 종방향 균열 유정인 경우 재수 압파쇄는 균열내의 유체전도도 증대보다는 균열길이를 증가시켜 주변 자연균열과의 연결성을 확대하는 것을 목 적으로 한다. 횡방향 균열의 경우 재수압파쇄의 일차 목 적은 새로운 균열을 생성시키고, 더 좋은 성능의 균열지 지체를 사용하여 균열 간극을 넓혀 유정주변의 유체전도 도를 증대하는 것이다.
실제로 Bakken 셰일의 Elm Coulee 유전에서 종방향 균열 을 가진 16개의 유정에 대한 재수압파쇄 결과 1.3 MMbbl 의 EUR(Estimated Ultimate Recovery) 증가가 이루어졌다 (Lantz et al., 2007). 초기 수압파쇄에서 RCS 균열지지체 300,000 lb를 사용하였으나 추적입자 분석법을 통해 균열 이 생성되지 않은 영역을 확인하고 재수압파쇄를 수행한 결과 수평구간 전부분에서 고른 생산결과를 보였다. Vincent (2011)에 따르면 Bakken 셰일에서 초기에 균열지지체로 모래를 사용한 유정의 재수압파쇄 결과 90%의 유정에서 실질적인 생산 증대 효과가 있는 반면, 초기에 세라믹을 사용한 유정의 재수압파쇄는 50% 정도만이 경제적 성공 을 보였다. 이는 모래의 성능유지 기간과 관계가 있는데 고온의 저류층에서 시간이 경과함에 따라 모래가 부서지 는 경향이 두드러져 균열의 유체전도도를 크게 저하시키 기 때문이다. 따라서 재수압파쇄에서는 균열지지체로 대 부분 세라믹을 사용하였다. Fig. 11은 1,000,000 lb의 모래를 사용하여 초기 다단계 수압파쇄를 수행한 후 재수압파쇄 에서 30/50의 가벼운 세라믹을 저농도로 사용한 결과로서 오일 생산량의 변화 양상을 보여준다. Fig. 11(a)는 재수압파 쇄 전후의 누적생산량 그래프로서, 재수압파쇄 후 생산량 증대가 급격히 이루어 졌다. 또한, Fig. 11(b)에 의하면 생산 량이 커짐에도 압력감소는 작아져서 유정의 생산성은 초기 수압파쇄보다 더 좋아진 것을 알 수 있다.
(a) (b)
Fig. 11. Restimulation result (a) cumulative production vs. time (b) production analysis (Vincent, 2011).
Table 2. Fracture diagnostics for horizontal wells and their ability to measure fracture parameters (O'Brien et al., 2012)
수압파쇄 평가
수압파쇄 평가기법
수평정의 수압파쇄 과정은 매우 불확실하고 현재까지 도 완전히 이해되지 않은 영역이다. 이는 수압파쇄가 지 상으로부터 수천 ft 아래에서 이루어지는 것뿐만 아니라 셰일가스 및 오일 층과 같은 비전통 저류층에서의 균열 전파는 초기 예상과는 달리 더욱 복잡하기 때문이다(Cipolla and Wright, 2002). 이 문제를 해결하기 위해 몇 가지 균열 평가 기술이 발전되어 왔으며, 이러한 기술에는 미세탄성 파 기술 및 경사계(tiltmeter)와 같은 원거리 측정기술, 방 사성 추적자, 생산검층, 온도검층, 공저 이미징 기술 등의
유정 주변 근거리 측정기술, 그리고 균열성장모델 및 생 산모델 등과 같은 저류층 모델 분석법 등이 있다.
Table 2는 수평정에서 사용가능한 균열평가기법과 주 요 균열 변수를 결정할 수 있는 기능을 나타낸 것이다. 회 색으로 표시된 것이 높은 신뢰도로 측정 가능한 것이고 흰색은 불확실성이 다소 크나 상황에 따라 측정 가능한 것, 그리고 사선영역은 측정하기 어려운 것을 나타낸다.
진단법 중 주변 관측정에서 사용되는 미세탄성파법이 균 열의 방향, 길이, 높이, 자극된 저류층 영역, 수평구간 균 열 발생범위 등을 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 반면, 균 열에서의 생산과 관련해서는 유정주변의 근거리 측정기 술이 높은 신뢰도를 보인다.
Fig. 12. Schematic diagram of microseismic (Bennett et al., 2005).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 13. Microseismic diagnostic analysis (a) microseismic event (b) cross section view (c) discrete fracture network (d) distribution of stimulated permeability (Detring and Williams-Stroud, 2012).
미세탄성파법
미세탄성파법은 Fig. 12와 같이 주변 관측정이나 지상 에 여러 개의 지오폰(geophone) 배열을 설치하고, 수압파 쇄 시 발생하는 미세한 음파를 탐지하여 균열의 생성 이 미지를 파악하는 기법이다. 압축파 및 전단파로 구성된 미세탄성파를 처리하여 시간에 따른 균열 성장 및 기하 구조에 대한 정보를 만들어 낸다. 이렇게 생성된 균열정 보는 분리균열망 모델 구축과 이후 시뮬레이션을 위한 저류층 모델링의 주요 입력자료로 사용된다.
Fig. 13(a)와 (b)는 Eagle Ford의 3개 유정에 대한 미세탄 성파 적용 결과이다(Detring and Williams-Stroud, 2012).
이 지역의 주요 단층은 NE-SW 및 ENE-WSW의 방향이 며, Fig. 13(a)의 큰 타원이 NE-SW, 작은 타원이 ENE-WSW 를 나타내는 것으로 광역적 단층구조와 일치하는 결과를 보였다. Fig. 13(c)는 미세탄성파 결과를 바탕으로 분리균 열망 모델을 생성한 것이며 Fig. 13(d)는 시뮬레이션을 위 한 저류층 모델을 구축한 것으로 각 격자의 유체 투과도 를 표시하였다.
Fig. 14. Tracer return over time of 30 days (Stegent et al., 2011).
Fig. 15. Stage production of an Eagle Ford well (Stegent et al., 2011).
오일 추적입자 분석
오일 추적입자 분석은 각 수압파쇄 단계의 파쇄 작업시 고유의 유성화학 추적입자를 함께 주입한 후, 생산시 오 일과 함께 생산되는 추적입자를 분석하여 각 파쇄 구간 의 생산성을 파악하는 기법이다. 소수성 추적입자를 각 파쇄단계의 균열지지체 혼합액에 첨가하여 주입하면 소 수성 추적입자는 저류층의 탄화수소와 결합하게 된다. 이 후 오일 생산시 지표에서 샘플을 채취하여 액체 섬광계 측기(scintillation counter), GC/μECD(Gas Chromatography/
Microcell Electron Capture Detection), 그리고 GC/MS(Gas Chromatography/Mass Spectrometry) 등과 같은 특수분석 장비를 사용하여 추적입자의 존재와 농도를 분석한다. 이 러한 특수 장비를 사용하면 극도로 낮은 농도의 추적자 도 분석할 수 있다. 분석결과를 바탕으로 각 균열구간에 서 오일 생산을 확인하고 전체 생산량에 대한 기여도를 파악한다.
생산에 따른 샘플은 20∼30일간 매일 채취되어 시간에 따른 각 구간별 생산변화를 파악하는데 활용된다. Fig. 14
는 Eagle Ford 오일 생산정에서 다단계 수압파쇄 후 생산 유체에 대해 시간에 따른 추적입자의 농도 변화를 나타 낸 것이며 각 선들은 각 파쇄구간에서 생산된 추적입자 의 농도를 의미한다(Stegent et al., 2011). 이러한 추이를 통해 수압파쇄 구간으로부터 오일이 생산되는 양상을 파 악할 수 있다. 특정 파쇄 구간에서 큰 유량의 오일이 생산 되면 추적입자의 농도는 높게 나타나나 시간이 지나면서 급격히 낮아지게 된다. 반면, 추적입자의 농도가 낮으며 시간에 따라 길게 늘어지듯 형성되는 경우는 그 파쇄 구 간에서의 오일 생산이 적은 것을 의미한다.
Fig. 15는 오일 추적입자 분석결과를 바탕으로 14일간 오일 생산량에 대해 각 수압파쇄 단계에서 형성된 균열 이 기여하는 비율을 표시한 것이다(Stegent et al., 2011).
1과 7단계에서는 추적입자를 주입하지 않았으며 10과 13 단계의 균열은 오일 생산에 기여하는 역할이 미미함을 알 수 있다. 오일 추적입자 분석법은 일종의 생산검층에 해당하며 각 단계의 수압파쇄 효율을 파악하는데 결정적 인 도구를 제공한다.
Fig. 16. Two Bakken study area in North Dakoda (Rankin et al., 2010).
Fig. 17. Comparison of 20-stage completion with previous wells (Rankin et al., 2010).
사례분석
본 사례분석 연구에서는 수평정 및 수압파쇄법에 따른 미국 North Dakota 주의 Bakken 셰일층의 생산량 변화 를 분석하였다. 대상지역은 Fig. 16과 같이 Williams와 Mountrail 카운티에 있는 유전이다(Rankin et al., 2010).
Study Area A에는 2005년에서 2006년 사이 4개의 수평 정이 시추되었으며 단일 수압파쇄가 이루어졌다. 수평 정 구간은 Middle Bakken 층에 대해 9,500 ft의 길이로 시추되었으며 초기 생산량은 140∼315 bbl/d 이었으며, 다소 낮은 경향을 보였다. 유정 당 EUR이 110,000 BOE 이며 발견 및 개발비용(F&D cost; Find & Development
cost)은 $39.77/BOE로 나타났다.
2007년에 Study Area B에서 5000 ft 수평구간에 7단계 수압파쇄를 수행한 결과 EUR이 144,000 BOE로 증가하 였으며 F&D 비용은 $34.72/BOE로 감소하였다. 2008년에 는 5,000 ft 수평정 구간에 12단계의 수압파쇄를 수행하 여 EUR은 355,000 BOE로 향상되었으며 F&D 비용은
$15.49/BOE로 낮아졌다. 2009년에 Study Area A에서 9,500 ft의 수평정 구간을 가진 새로운 생산정을 시추하 고 20단계의 수압파쇄를 수행하였다. 그 결과 오일 초기 생산량이 1,200 bbl/d로 나타났으며 Fig. 17의 'Well E'가 이에 해당한다. 이는 기존의 단일 수압파쇄정의 생산능 력(Fig. 17의 Well A∼D)에 비해 월등히 높은 수치이다.
Fig. 18. Operational advancements in Bakken/Three Forks well performance and economics (Rankin et al., 2010).
Fig. 18은 연도별 유정완결 전략에 따른 EUR 및 F&D 비 용을 요약한 것이다. 2009～2010년에 수행된 유정완결은 장공의 수평정에 다단계 수압파쇄 및 고성능의 세라믹 균열지지체를 사용한 것으로 2005～2006년도에 완결된 유정보다 EUR을 급격히 증가시키고 F&D 비용을 60～
70% 감소시키는 결과를 가져왔다.
결 론
본 연구에서 북미 셰일오일 부존현황 및 개발기술에 대 해 고찰한 결과 다음과 같은 몇 가지의 결론을 얻을 수 있었다.
1. 북미 전체 셰일오일의 가채자원량은 5,500～34,000 MMbbl로 추정되며 2012년 현재 셰일가스의 개발단 가는 약 $5/Mcf, 판매가격은 약 $3/Mcf로 이 가격의 격차가 해소가 되지 않는 한 셰일오일은 북미 E&P 사업의 주요한 개발대상이 될 것이다.
2. 셰일오일 저류층은 셰일층 상하부 혹은 셰일층 내에 분포하는 얇은 사암, 규질암, 백운암, 석회암 층에 부 존되어 있어 단일 수직정으로 시추 시 경제성이 보 장되지 않기 때문에 다가지 수평정이나 다단계 수압 파쇄와 같은 신기술을 적용해서 개발해야 한다.
3. 수압파쇄를 위한 유정완결은 크게 plug-and-perf 법과 ball-activated frac-sleeve 법이 있는데, plug-and-perf 법에 비해 ball-activated frac-sleeve 법은 한 번의 설치 로 전구간의 파쇄를 수행할 수 있어 시간과 비용이
절약되며 최근에는 약 90여 단계의 다단계 수압파쇄 를 진행할 수 있어 많은 경우에 있어서 선호되는 기 법이다.
4. 다가지 수평정은 하나의 생산정으로 2개 이상의 수 평정을 개발할 수 있어 경제적, 환경적인 면에서 강 점이 있으며, 다단계 수압파쇄를 적용해야하는 셰일 층에는 최근에 가지 분기점에서 충분한 압력과 밀폐 성을 갖는 장비의 도입으로 향후 적용성이 확대될 것으로 예상된다.
5. 수압파쇄 구간을 결정할 때에는 등간격 대신 각 저류 층의 RBI, EFV, 그리고 점토물질 함량에 따른 화학 층서학 검층자료를 이용하여 각 파쇄구간의 최적화 를 이끌어 낼 수 있다.
6. 단계별 수압파쇄를 적용하기 위해선 파쇄유체 종류, 주입부피, 균열지지체 종류, 농도 및 부피 등에 대한 적절한 선택이 필요하다. Barnett 셰일과 같이 취성이 큰 암석은 잘 깨지는 특성이 있어 점성도가 낮은 유 체에서도 복잡한 균열망을 생성하는 경향이 있다.
이러한 저류층은 slick water와 50/70 메시 이상의 작 은 균열지지체를 조금만 사용해도 파쇄가 매우 효과 적으로 잘 이루어진다. 반면, Eagle Ford와 같이 경도 가 작고 연성이 큰 저류층은 판상형의 수직 균열이 발생하는 경향을 보이는데, 균열지지체 꽂힘현상을 방지하기 위해 30/50 또는 20/40 메시의 큰 균열지지 체와 고농도의 폴리머 주입액을 사용한다.
7. 재수압파쇄의 목적은 균열과 수평정의 교차 각도에 따라 다르게 설정되어야 한다. 수평정 방향과 같은
종방향 균열인 경우 재수압파쇄는 균열길이를 증가 시켜 주변 자연균열과의 연결성을 확대하는 것이 목 적이며, 횡방향 균열의 경우 새로운 균열을 생성시 키고, 고성능의 균열지지체로 균열 간극을 넓혀 유 정주변의 유체전도도를 증대하는 것이 목적이다. 8. 수압파쇄의 결과로 생성되는 균열의 분포 형태를 파
악하기 위해서는 미세탄성파 기술 및 경사계와 같은 원거리 측정기술, 방사성 추적자, 생산검층, 온도검 층, 공저 이미징 기술 등의 유정 주변 근거리 측정기 술, 그리고 균열성장모델 및 생산모델 등과 같은 저 류층 모델 분석법 등이 사용된다.
9. 미국 North Dakota 주의 Bakken 셰일층에 대한 수평 정 및 수압파쇄법의 변화에 따른 생산량 변화를 분 석한 결과 2009～2010년에 수행된 장공의 수평정에 다단계 수압파쇄 및 고성능의 세라믹 균열지지체를 사용한 경우 2005～2006년도에 완결된 유정보다 EUR이 급격히 증가하고 F&D 비용은 60～70% 감소 된 것을 알 수 있었다.
이상과 같이 본 연구를 통해 소개된 기술개념과 방법론 은 국내기업의 북미 셰일오일사업 진출 시 사전 계획수 립에 활용함으로써 많은 시행착오를 줄일 수 있을 것이 며, 이로 인해 사업 성공률을 높이는데 기여할 것으로 기 대된다.
사 사
본 연구는 2011년도 지식경제부 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 과제입니다 (No 2011201030001B).
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장 일 식
1994년 서울대학교 자원공학과 학사 1996년 서울대학교 자원공학과 석사 2002년 서울대학교 지구환경시스템공학
부 박사
2005년 한국석유공사 입사
2012년 조선대학교 에너지자원공학과 조교수
현재 조선대학교 에너지자원공학과 조교수 (E-mail; isjang@[email protected])
김 현 태
현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구본부 책임연구원 (本 學會誌 第50券 第3号 參照)
윤 재 필
현재 과학기술연합대학원대학교 석유자원공학 석-박사통합과정 (本 學會誌 第50券 第3号 參照)
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