Barnett Shale Gas System in the Fort Worth Basin, Texas, U. S. A.

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(1)한국지구시스템공학회지. Vol. 44, No. 5 (2007) pp. 455-473 해. 설. 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템 고재홍1)*. Barnett Shale Gas System in the Fort Worth Basin, Texas, U. S. A. Jaehong Ko*. Abstract : The Mississippian Barnett Shale in the Fort Worth Basin, Texas is a world-renowned, giant, unconventional, continuous, shale gas reservoir with its undiscovered, technically recoverable reserves of 26.2 Tcf of gas. As for other unconventional gas shales, it is extremely tight and impermeable, and for production extensive stimulation is required. It is different from known shale-gas systems where natural fractures play an important role in gas accumulation and form sweet spots. Natural fractures in Barnett Shale are healed and, thus, cannot transmit gas, and furthermore production is poorer in areas of high fracture density such as those near faults and structural flexures of folds. Barnett Shale serves as source and reservoir. Its matrix porosity and permeability are 1-5% and less than 0.001 md, respectively, and the total organic carbon (TOC) averages at ~4.5 wt.%. Critical factors for the productivity of Barnet Shale include thickness, TOC, thermal maturity, and the presence of upper and lower hydraulic fracture barriers (Pennsylvanian Marble Falls Limestone and Ordovician Viola/Simpson Group, respectively). The present cutoffs are thickness 30 m, TOC 2.5-3 wt.%, and vitrinite reflectance Ro≃1.1%. The estimated ultimate reserve (EUR) of the producing wells has the median 0.52 Bcf and the maximum 7 Bcf in the core production area, while 0.28 Bcf and 2.4 Bcf, respectively, in the extended area. Key words : Barnett, Mississippian, Fort Worth Basin, Unconventional, Shale gas 요 약 : 미국 텍사스주 포트워스 분지의 미시시피기 바넷 셰일은 세계적으로 알려진 거대, 비재래, 연속체, 셰일 가스 저류암으로 기술적으로 회수 가능한 가스 매장량이 26.2 Tcf에 달한다. 다른 비재래 가스 셰일과 마찬 가지로 극도로 치밀하고 투과도가 불량하여 생산을 위해서는 대규모 자극이 필요하다. 바넷 셰일은 자연적 단열 이 가스 집적에 중요한 역할을 하고 스위트스폿을 형성하는 다른 셰일 가스 시스템과 달리, 단층 또는 습곡 등 구조 가까이 높은 단열 밀도를 보이는 지역에서 생산이 저조하며, 대부분의 자연적 단열들은 교결물에 의해 막혀서 가스를 통과시키지 못한다. 바넷 셰일은 근원암과 저류암 역할을 동시에 수행한다. 매질 공극율과 투과도 는 각각 1-5%, <0.001 md이며, 유기물 함량은 평균 ~4.5%이다. 바넷 셰일의 생산성을 좌우하는 주요 요소는 층후, 유기물 함량, 유기물 성숙도 및 상, 하부 수압파쇄 저지대 역할을 하는 펜실베이니아기 마블폴 석회암과 오르도비스기 비올라/심슨 그룹의 유무 등이다. 현재 경제적 개발 한계는 두께 30 m, 유기물 함량 2.5-3 wt.%, 비트리나이트 반사도 Ro≃1.1%이다. 공당 회수가능 예상매장량은 핵심 지역에서 중간값 0.52 Bcf, 최대 7 Bcf이 며, 확장 지역에서 각각 0.28 Bcf와 2.4 Bcf이다. 주요어 : 바넷, 미시시피기, 포트워스 분지, 비재래, 셰일 가스. 2007년 8월 29일 접수, 2007년 10월 25일 채택 1) 한국지질자원연구원, 석유해저자원연구부 *Corresponding Author(고재홍) E-mail; [email protected] Address; Gwahang-no 92, Yuseong-gu, Daejeon, 305-350, Korea (Petroleum & Marine Resources Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources). 455.

(2) 456. 고재홍. 서. 론. 미국 텍사스 주 포트워스(Fort Worth) 분지(Fig. 1)의 바넷(Barnett) 셰일 가스는 비재래(unconventional) 가스 원으로 미국에서 2005년 기준 확인매장량 3위, 생산량 2위를 차지한다(EIA, 2007, Tables B2, B4). 바넷 셰일 가스는 비재래-비부수(non-associated)-연속체(continuous) 가스이며 기술적 플레이(technology-driven play)로, 부 수(associated)-개별적(discrete) 재래 가스와 상당히 다른 특성들을 보인다(Fig. 2). 비재래 가스는 양호한 공극율. 과 투과도를 갖는 저류층에 집적되어 비교적 적은 비용 으로 경제적 생산이 가능한 재래 가스와 달리, 대규모 자 극(stimulation) 또는 특별한 회수 기술이 적용되어야만 생산 가능한 가스로 치밀 가스(tight gas), 셰일 가스, 석 탄층 메탄가스(coal bed methane, CBM) 등을 포함한다 (Fig. 3). 비재래 가스는 대부분이 공극을 충진하는 형태 로 나타나는 재래 가스와 달리, 미세 공극 내 유리 가스 (free gas) 또는 유기물 및 광물 입자에 흡착(adsorption) 상태로 존재한다. 비재래 가스는 비교적 작은 규모의 구 조 또는 층서 트랩에 집중 분포하여 발견이 어렵고 개발. Fig. 1. Map showing location of the Forth Worth Basin, major structural elements, extent of Barnet Shale, and oil and gas wells (After Pollastro et al., 2007).. 한국지구시스템공학회지.

(3) 457. 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. Fig. 2. Schematic diagram showing conventional and unconventional, continuous oil and gas occurrences (After Pollastro et al., 2003).. Fig. 3. The resource triangle depicting conventional and future, unconventional oil and gas hierarchy.. 은 손쉬운 재래 가스와 달리, 광역에 걸쳐 연속체 형태로 분포하나 개발이 어려워 비용 및 기술적 요인이 제한요 소로 작용한다. 셰일 가스의 생산은 1821년 미국 뉴욕주 프레도니아 (Fredonia)의 데본기 던커크 셰일(Dunkirk shale)로부터 시작되어 애팔래치아 산맥의 데본기 셰일은 1926년에는 당시 세계 최대 가스 매장량을 기록하기도 하였다 (Curtis, 2002). 1970년대 석유파동으로 셰일 가스를 비 롯한 비재래 에너지원에 대한 관심이 일기 시작하여, 1980~90년대 미시간 분지의 데본기 안트림(Antrim) 셰. 일, 산후안(San Juan) 분지의 백악기 루이스(Lewis) 셰 일, 포트워스 분지의 미시시피기 바넷 셰일 등에 대한 체 계적인 연구 및 평가가 이루어졌다. 비재래 가스에 대한 이해 증진과 개발기술 진보가 근래 급등하는 석유가스 ․ 가격과 맞물려 미국 외에서도 개발활동이 활발해지고 있 는 추세이며 미국의 경우 가스 생산의 25% 이상을 비재 래가 차지하고 있다. 최근 국내기업이 포트워스 분지의 광구 지분을 확보하여 바넷 셰일 가스 개발에 참여하고 있어 비재래 가스에 대한 이해가 필요한 시점이며, 아직 까지 저개발된 에너지원으로 해외자원개발 사업영역 확 제44권 제5호.

(4) 458. 고재홍. 대를 위해 기술 확보가 필요한 부분이다. 또한 비재래 가 스 개발기술은 동해 VI-1광구 치밀층에서의 개발생산에 도 적용될 수 있을 것이다.. 지리 및 지형 경제성 있는 바넷 가스 셰일은 텍사스주 북부 중앙 덴 턴(Denton), 와이스(Wise)를 비롯한 20개 군(county)에 걸 2 쳐 분포하며 면적은 약 18,000 km 에 달한다(Pollastro, 2003). 이 지역은 해발 150~400 m의 남서 멕시코만 방 향으로 경사하는 대체적으로 낮고 평탄한 지역으로 트리 니티(Trinity), 브래저스(Brazos) 강 등이 흐르며, 지표와 천부의 백악기 사암층에 의해 트리니티와 우드바인(Woodbine) 대수층을 형성하고 있다. 지역의 기후는 길고 더운 여름 과 짧고 온화한 겨울의 특징을 갖는 아열대로 1월 평균 기온 0~2℃, 7월 평균기온 36℃, 강수량은 1,000 mm 정 도이다. 지역에 주 3대 도시 댈러스, 5대 도시 포트워스 가 광역 대도시권을 형성하고 있으며, 주 인구의 1/4이 살고 있다. 주요 산업은 에너지 외에 항공 산업과 농업 등이 있으며, 일찍부터 에너지 산업의 발달로 파이프라 인 등 인프라가 잘 갖추어져 있다.. 탐사연혁 포트워스 분지에서의 석유 탐사는 19세기 중반 지하 수 시추정에서 유징이 확인되고 남북전쟁이후 탐사가 간 헐적으로 이루어져 1900년대 초반에 상업성있는 유전이 첫 발견되었으며 1960년대 개발성숙(mature) 단계에 도 달하였다. 포트워스 분지의 재래 석유･가스는 대부분 펜 실베이니아기의 쇄설암과 탄산염암층(Chappel Limestone, Bend Group Conglomerate 등)에서 발견되었으며, 1990년 기준 누적 생산량이 석유 2.1 Bb, 가스 7.8 Tcf, NGL(Natural gas liquid) 0.5 Bb이고(Ball and Perry, 1996), 2003년 기준 가채매장량이 석유 0.1 Bb, 가스 0.47 Tcf, NGL 0.02 Bb로 거의 고갈 단계이다(미국 지질조사소 석유･가스 정보 인터넷 사이트, http://energy.cr.usgs.gov/oilgas/noga/ ass_updates.html). 바넷 셰일에서의 가스 징후(gas show)는 하부 탄산염 암(Ellenburger Group, Viola-Simpson Group 등)에 부 존된 재래 석유･가스를 대상으로 수행되었던 시추를 통 해서 널리 알려져 왔었으나 1980년대 이전에는 관심을 받지 못하였다. 1982년 바넷 셰일에 대한 유정 완결(well completion)이 미첼 에너지사(Mitchell Energy and Development Corporation: 2002년 Devon Energy Corporation 에 흡수)에 의해 와이스 소재 Slay#1공에서 처음으로 시 한국지구시스템공학회지. Fig. 4. Annual and cumulative gas production from Barnett Shale, Fort Worth Basin, Texas (After Pollastro, 2007).. 도되었다. 1986년 수압 파쇄법(MHF: massive hydraulic fracturing)이 도입되면서 바넷 셰일에 대한 유정 완결 및 재완결이 기하급수적으로 증가하기 시작하였으며, 1990년대 중반에 이르러 공당 회수 가능 예상매장량(EUR: estimated ultimate recovery)이 ~1 Bcf로 개선되었다. 1998년 경사 파쇄(LSF: light sand fracturing)에 의한 유정 완결 기술이 개발되면서 연도별 생산량은 1993년 11 Bcf로부터 2005년 480 Bcf로 증가하였으며 2006년 1월까지 누적 생산량이 1,816 Bcf에 이른다(Fig. 4)(Pollastro, 2007). 미국 지질 조사소에 의하면 바넷 셰일의 자원량은 200 Tcf 이상이 며, 기술적으로 회수가능한 가스매장량은 26.2 Tcf로 추 정된다(Pollastro et al., 2004; Montgomery et al., 2005; Pollastro, 2007).. 조구조 포트워스 분지는 고생대 전기 북미를 포함하는 로렌시 아판(Laurentia)의 비활성 대륙 주변부(passive continental margin)에서 안정된 대지(platform)를 구성했던 지역으 로 탄산염암이 주로 퇴적되었다. 고생대 후기 판게아 (Pangea) 형성과 연관된 남미를 포함하는 곤드와나판 (Gondwana)과의 충돌(collision)로 우아쉬타(Ouachita).

(5) 459. 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 구조대가 형성되고, 전진하는 충상단층-습곡대에 의한 하중으로 전면분지(foreland basin)가 발달하게 되는데 포트워스 분지를 비롯한 블랙워리어(Black Warrior), 아 코마(Arkoma), 커(Kerr), 밸버드(Val Verde), 마파(Marfa) 분지가 여기에 속한다(Fig. 5). 포트워스 분지의 주요 지. 질구조는 래노 융기(Llano Uplift), 레드리버-문스터 아 치(Red River-Muenster Arch), 벤드 아치(Bend Arch)가 있는데 기반암을 수반한 단층 또는 휨(flexure)에 의해 형성된 구조이다(Fig. 6). 포트워스 분지의 남쪽 경계를 형성하는 래노 융기는. Fig. 5. Foreland basins associated with the Ouachita orogenic system (Taken from Jarvie, 2004).. Fig. 6. Schematic cross sections of the Fort Worth Basin, Texas (Taken from Jarvie, 2004).. 제44권 제5호.

(6) 460. 고재홍. 지표에 올라온 선캄브리아기 기반암과 고생대(캄브리 아~펜실베이니아기) 퇴적암으로 구성된다. 기반암은 편 마암 및 편암과 이를 관입하는 화강암으로 중기 원생대 (Mesoproterozoic) 그랜빌(Granville) 구조운동으로 형 성되었다. 융기 시기는 명확치 않으나 상부의 고생대 퇴 적암이 쌓인 이후이며, 펜실베이니아기 마블폴 석회암 (Marble Falls Limestone)이 래노 융기를 중심으로 탄산 염암 뱅크(carbonate bank)를 형성하고 있어 주변보다 높았던 것으로 해석되나 단지 9 m 내외였던 것으로 추 정된다(Kier, 1980). 포트워스 분지의 북쪽 경계를 구획하는 레드리버-문스터 아치는 아마릴로-위치타 융기대(Amarillo-Wichita Uplift) 의 연장으로 캄브리아기 열개시 실패축(failed arm)을 형 성했던 오클라호마 퇴행성 열개분지(aulacogen)의 단층 들이 우아쉬타 구조운동으로 재동하여 융기된 구조이다 (Montgomery et al., 2005; Pollastro et al., 2007). 레드 리버-문스터 아치의 형성으로 포트워스와 아코마 분지 가 분리되고 미시시피기에 퇴적된 바넷 셰일의 분포도 영향을 받은 것으로 보인다. 벤드 아치를 경계로 포트워스 분지는 서부 페름기 분지 (Permian Basin)의 이스턴 셸프-미드랜드 분지(Eastern Shelf-Midland Basin) 시스템과 나뉘어 진다. 두 분지는 고생대 전기~미시시피기에는 로렌시아 남단의 대륙 주 변부에서 천해성 대지를 형성하여 비슷한 층서대비를 보 이며, 펜실베이니아기 전기 마블폴 석회암과 이 층의 사 면-분지상(slope-basin facies)인 스미스윅 셰일(Smithwick Shale) 퇴적시 벤드 아치가 대륙붕단(shelf break)으로 역할하였다(Erlich and Coleman, 2005). 우아쉬타 구조운동은 포트워스 분지를 열개성 대지에 서 전면분지로 변화시켰으며, 퇴적물 공급원을 서쪽의 대륙 내부로부터 동쪽에 새롭게 형성되는 습곡 산맥과 북쪽의 레드리버-문스터 아치로 변경시켜 이들로부터 유입되는 막대한 쇄설성 퇴적물로 분지를 충진한다. 우 아쉬타 구조대는 이후 깊이 삭박되고, 중생대 멕시코만 열개로 침강하여 발콘 단층대(Balcones fault zone) 동쪽 으로 백악기층 하부의 기반암을 구성하고 있다.. 실베이니아기 판게아 형성과 관련된 우아쉬타 구조운동 으로 이전 로렌시아 남부 대륙 주변부를 형성했던 지역 에 전면분지가 형성되고 구조대로부터 유입되는 막대한 쇄설성 퇴적물로 분지가 충진된다. 이후 중생대 멕시코 만 열개로 남동 방향으로 침강하고 해수면 상승으로 백 악기 해성층이 퇴적되어 지표 지질을 형성한다. 캄브리아기 포트워스 분지를 포함하는 로렌시아 남부 지역은 중기 원생대 그랜빌 구조운동 이후 캄브리아기 초 열개될 때 까지 지속적인 삭박이 일어났던 것으로 보인다. 캄브리 아기 층서는 분지 남부 래노 지역의 노두를 통해 잘 알 려져 있는데 히코리(Hickory) 사암 멤버 등 기저 쇄설암 으로 구성된 라일리(Riley) 층과 사암, 탄산염암, 셰일, 역암 등 다양한 암상과 일부 해록석을 함유하기도 하는 윌번스(Wilberns) 층을 포함한다. 기저 히코리 멤버는. 층서 포트워스 분지의 퇴적은 선캄브리아기 기반암위에 캄 브리아기 기저 쇄설암으로부터 시작되어, 오르도비스기 내륙해(epeiric sea)가 형성되고 탄산염암이 퇴적된 후 지상에 노출되어 오랜기간 결층이 생겨 카르스트화 되 고, 미시시피기에는 순환이 제한된 상당한 수심의 바다 환경에서 유기물이 풍부한 셰일이 퇴적된다(Fig. 7). 펜 한국지구시스템공학회지. Fig. 7. Stratigraphy of the Fort Worth Basin, Texas (After Pollastro et al. 2003). Dark rectangle: source rock, Thin rectangle: seal rock, circle: reservoir rock..

(7) 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 육성층, 상부는 연안 또는 천해 환경(paralic)에서 퇴적되 었으며, 층서의 두께는 200~800 ft(60~250 m;평균 680 ft, 200 m)의 변화를 보이는데 당시의 지형적 영향에 의한 것으로 해석된다(Bridge et al., 1947). 오르도비스기 열개 후 안정된 침강으로 페름기 분지와 포트워스 분 지를 포함하는 넓은 탄산염암 대지가 확립된 시기로 엘 렌버거 층군(Ellenburger Group)이 하부의 캄브리아기 층과 평행 부정합 또는 정합 관계로 퇴적되었다. 엘렌버 거 층군의 두께는 500~5,000 ft(150~600 m)이며 실루리 아~데본기 사이 지상에 노출되어 상당히 심한 카르스트 화로 공동과 공극이 발달하여 유체의 원활한 이동 통로 또는 저장 공간을 제공한다. 오르도비스기 후기의 비올 라-심슨 층군(Viola-Simpson Group)은 치밀한 미정질의 석회암과 백운암으로 두께가 0~200 ft(0~60 m)로 분지 북동부에 제한적으로 분포하는데 바넷 셰일 퇴적 이전의. 461. 6,500~8,500 ft(1,981~2,591 m)에서 평균 두께 350 ft(107 m) 로 분포하는데, 래노 아치에서 35~50 ft(10~15 m) 두께 를 보이며 북동 문스터 아치 방향으로 두꺼워져 최대 1000 ft(300 m)에 이른다(Fig. 9). 이 시기 분지의 구조 와 퇴적 양상은 문스터 아치 방향으로 경사하는 비대칭 지구대(graben)와 우아쉬타 구조대에 의한 전면분지적 성격이 혼합되어 나타난 것으로 보인다. 바넷 셰일은 중 간에 암설류(debris flow) 기원의 포레스트버그 석회암 (Forestburg Limestone)을 포함하기도 하는데, 이 석회암은 문스터 아치로부터 남쪽으로 급격하게 소멸(pinch-out) 하여 북동부에만 제한적으로 분포하고 두께가 10~200 ft (3~60 m)이다(Fig. 10). 바넷 셰일은 평균 유기물 함량 ~4.5 wt.%, 최대 13 wt.%의 규질 흑색 셰일로 높은 감마 3 (>100API units), 높은 비저항, 낮은 밀도(~2.50 g/cm )의 특성을 보인다(Schmoker et al, 1996; Montgomery et al., 2005; Pollastro et al., 2007). 바넷 셰일의 광물 구성은 석영 45%, 점토광물 27%, 방해석 및 백운석 7%, 장석. 광범위한 삭박의 결과이다. 미시시피기 미시시피기는 우아쉬타 구조운동의 영향을 받기 시작 하여 조구조적 하중으로 과거 탄산염암 대지가 휘어 포 트워스 지역을 비롯한 충상단층대 전면에 곡분이 형성되 고 로렌시아와 곤드와나의 접근으로 대양과의 연결이 제 한된 환경에서 바넷, 우드포드(Woodford; 페름기 분지), 페이예트빌(Fayetteville; 아코마 분지) 셰일 등 유기물이 풍부한 근원암이 퇴적된 중요한 시기이다(Fig. 8)(Loucks and Ruppel, 2007). 포트워스 분지의 바넷 셰일은 깊이. Fig. 8. Regional paleogeography during the Mississippian illustrating that Barnet Shale was deposited when oceanic circulation was restricted and became anoxic resulting from Laurentia and Gondwana approach (After Loucks and Ruppel, 2007).. Fig. 9. Isopach map of Barnett Shale, Fort Worth Basin, Texas (After Montgomery et al., 2005). Contour intervals: 50 ft(0-300 ft), 100 ft(>300 ft).. 제44권 제5호.

(8) 462. 고재홍. Fig. 10. Generalized southwest-northeast cross section showing thickness, lithology and log variations of Barnet Shale (After Pollastro et al., 2007).. 한국지구시스템공학회지.

(9) 463. 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 7%, 황철석 5%, 능철석 5% 등이며, 석영의 대부분은 방 산충류의 속성작용으로 형성되었고 점토광물의 대부분은 일라이트이다(Bowker, 2002). 펜실베이니아기 펜실베이니아기는 벤드 아치가 대륙붕단을 형성하여 대륙붕-사면 조합의 마블폴 석회암-스미스윅 셰일이 베 넷 셰일과 정합 관계로 퇴적되고, 우아쉬타의 본격적인 조산운동으로 몰라세 퇴적물이 유입되면서 삼각주의 서 진(westward prograding) 퇴적으로 하부로부터 선상지 삼각주 퇴적상 벤드 층군(Bend Group), 하천/삼각주 퇴 적상 스트론 층군(Strawn Group), 상부의 탄산염암과 삼 각주상의 쇄설암이 혼합된 캐년 층군(Canyon Group) 등 에 의해 분지가 충진되었다. 이 시기에 문스터 아치도 융 기 운동이 절정에 이르러 주요 퇴적물 공급원으로 작용 하였다. 펜실베이니아기 퇴적층의 누적 두께는 1~3 km 이며 재래 석유가스의 ․ 저류암으로 포스워스 분지의 석 유가스 ․ 3/4 이상(석유 1.6 Bb, 가스 5.1 Bcf)이 발견되었 다(미국 지질조사소 석유가스 ․ 정보 인터넷 사이트, http://certmapper.cr.usgs.gov/noga). 백악기 고생대 분지 충진 이후 트라이아스기~쥐라기 동안은 삭박으로 결층되고, 중생대 멕시코만의 열개로 분지가 침강하고 해수면이 상승하면서 육성층, 증발암층과 삼각 주 쇄설암 또는 탄산염암 해성층이 퇴적하게 된다. 지역 에서의 퇴적은 백악기 전기에 시작되었으며 남동으로 경 사하는 평원화(peneplain)된 부정합면을 얇게 덮는데 최 대 두께가 1,000 ft(300 m) 미만이다.. 석유지질 재래적 개념의 석유시스템은 근원암, 저류암, 덮개암, 트랩 등으로 구성되며 각 구성 요소는 탄화수소의 생성, 방출, 이동, 집적의 과정을 통해 연관된다. 이에 비해 셰 일 가스 시스템은 셰일이 근원암과 저류암 역할을 동시 에 수행하며 가스가 특별히 구조적으로 유리한 조건을 찾아 집중되어 분포하지 않고 광역에 걸쳐 고루 분포한 다. 셰일 가스는 셰일에서 생성된 탄화수소가 재래 저류 암으로 방출된 후, 잔류된 탄화수소와 유기물이 열분해 또는 박테리아에 의해 생분해되어 미세 공극내 유리 가 스 또는 유기물 및 광물 입자에 흡착 상태로 존재한다. 셰일 가스의 생성, 부존 양상, 분포 특성에 대한 이해는. 아직 초기 단계이고, 물리검층 및 3차원 탄성파 자료에 의 한 저류 특성 해석 및 생산에 따른 변화 추적 기술은 개발 중이며, 추출에 첨단 시추 및 완결 기술을 요구한다. 최근 미국 석유지질협회지에 게재된 바넷 셰일에 대한 종합 특 집은 가스 셰일 시스템에 대한 이해를 전반적으로 제고하 였다(2007년 4월호; AAPG Bulletin, v. 91, No. 4).. 유기 지화학 및 가스 생성 유기물 유형 및 함량 바넷 셰일의 유기물 유형은 Type II, 저유황, 석유생성 경향(oil-prone)의 해양 기원 케로겐에 속한다(Montgomery et al., 2005; Hill et al., 2007). 유기물 함량은 암상 및 열적 성숙도에 따라 많은 차이를 보이는데, 점토 함량이 많을수록 그리고 심도가 얕을수록 증가한다. 깊은 심도 의 규질 셰일은 4~5%, 노두 또는 얕은 깊이의 미성숙된 시료(<0.5% Ro)는 11~13%의 범위를 보인다. 원래 초기 유기물 함량(TOCo)은 5~12%, 평균 6.41%로 추정되며, 36% 정도가 탄화수소로 전환된 것으로 보인다(Jarvie et al., 2007). 유기물 속성 유기물 속성은 탄화수소의 생성 시기, 양과 유형, 잔류 하여 2차 열적분해에 의한 셰일 가스 생성 퍼텐셜을 좌 우한다. 포트워스 분지는 과거 현재보다 훨씬 높은 온도 조건에 놓여 있었으며(80~100℃ vs. 140~180℃; Jarvie, 2004), 현재 깊이와 다른 유기물 성숙도 분포를 보인다. 바넷 셰일은 미시시피기 퇴적후 펜실베이니아기~페름기 동안 매우 빠른 침강과 매몰을 겪은후, 백악기까지 ~3 km 깊이, 130℃ 이상의 온도에서 속성되고, 백악기 말~제3기 동안 융기하여 현재의 심도에 놓이게 되었다(Fig. 11) (Montgomery et al., 2005, 2006; Ewing, 2006). 석유･가 스는 펜실베이니아기 후기부터 생성되기 시작하여, 상당 히 복잡하고 다단계적 생성, 방출 과정을 수반했던 것으 로 보이며, 현재 분지 서부에는 석유가 우세하게 분포하 고 동부에는 가스가 주로 분포한다(Fig. 12). 이러한 석 유･가스의 분포는 유기물 속성과 밀접하게 연관되어 있 으며, 신뢰성있는 유기물 속성 척도인 비트리나이트 반 사도에 의해 보다 명확해 진다. 비트리나이트 반사도는 동쪽으로 증가하고, 분지 중부 로부터 남북으로 감소하는 동서 및 남북 방향의 경향성 을 띄는데, 매몰 심도, 우아쉬타 구조대로부터의 열수 유 입, 미너럴웰즈(Mineral Wells) 단층대를 비롯한 지역적 제44권 제5호.

(10) 464. 고재홍. 유체이동 통로 등의 영향이 복합적으로 작용한 결과이다 (Fig. 13)(Montgomery et al., 2005; Pollastro et al. 2007). 이러한 경향은 열적 성숙도(thermal maturity)의 직･간접적 척도인 석유･가스 분포, Tmax, 초기 가스-석유비(GOR; gas oil ratio), 단위 가스열량(Btu) 등과도 잘 대비된다.. 석유는 비트리나이트 반사도(Ro) 0.6~0.9%, 가스는 Ro ≥1.1% 지역에 주로 분포하고, 비트리나이트 반사도가 높아질수록 Tmax는 커지며 초기 가스-석유비는 증가하 고 단위 가스열량은 줄어드는 반면에, 반대의 경우 역으 로 된다(Pollastro et al., 2007; Zhao et al., 2007).. Fig. 11. Burial history of Barnett Shale (After Montgomery et al., 2005).. Fig. 12. Petroleum system events chart for Barnett-Paleozoic Total Petroleum System of the Fort Worth Basin, Texas (After Pollastro et al., 2007).. 한국지구시스템공학회지.

(11) 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 465. Fig. 13. Vitrinite reflectance map of Barnett Shale, Fort Worth Basin, Texas (After Pollastro et al., 2007). Contour interval: Ro = 0.2%.. 셰일 가스 함량 셰일 가스는 미세 공극내 유리 가스 또는 유기물 및 광물 입자에 흡착 상태로 부존한다. 바넷 셰일의 매우 치 밀하여 매질 공극율(matrix porosity) 5% 이하, 투과도 0.001 md 이하이며 공극의 상당 부분은 유기물 속성에 의해 생성되었다(Zhao et al., 2007; Jhonson, 2004a). 케 로겐이 탄화수소로 전환되면 유기물 함량이 감소하고 공 극이 생성되는데, 예를 들어 초기 유기물 함량 6.41 wt.% (12.7 vol.%)중 1.56 wt.%가 탄화수소로 전환되면 4.3 vol.%의 공극이 생성된다(Jarvie et al., 2007). 가스 흡착은 온도, 압력 조건 및 입자의 수용 능력 (sorption capacity) 등에 따라 변화하는데, 바넷 셰일을. 대상으로 다양한 온도, 압력 조건에서 실시한 실험에 의 하면 바넷 셰일의 흡착 가스 함량은 60~125 scf/t(standard cubic ft/ton)이며 전체 가스(170~250 scf/t)의 ~45%를 차지한다(Fig. 14)(Jarvie, 2004; Montgomery et al., 2005). 바넷 셰일에서 생성 가능한 가스는 1,579 Mcf/ac-ft로 추정되며, 이중 658 Mcf/ac-ft는 석유와 함께 방출되고 921 Mcf/ac-ft가 바넷 셰일에 보유될 수 있다(Fig. 15) (Jarvie et al., 2007). 현재 저류층 온도, 압력 조건(70℃, 3,800 psi)에서 바넷 셰일(공극율 6% 가정)의 가스 저장 능력(gas storage capacity)은 540 Mcf/ac-ft 또는 159 scf/t이다(Jarvie et al., 2007). 바넷 셰일의 GIP(gas in place)는 평균적으로 25~35 제44권 제5호.

(12) 466. 고재홍. 2 2 Bcf/mi (9.6~13.5 Bcf/km )로 추정되었으나(Schmoker et al., 1996; Kuuskraa et al., 1998), 재평가와 추가적인 확인 작업이 진행되면서 계속 커지고 있다(Bowker, 2003).. 치를 적용할 경우 이 지역(면적 400 mi2; 1,036 km2)의 자원량만 57 Tcf에 달하며, 포트워스 분지의 확장 지역까 지 확대 적용할 경우 256.5 Tcf로 불어난다(Montgomery. 핵심 지역인 뉴왁 이스트 지역(Newark East Field)에서 2 2 의 GIP는 150 Bcf/mi (57.9 Bcf/km )에 이르고, 이 추정. et al., 2005; Pollastro, 2007).. Fig. 14. Experimental methane adsorption isotherms for Barnett Shale core samples, Mitchell Energy T.P. Sims #2 well, Wise County, Texas (After Montgomery et al., 2005).. Fig. 15. Hydrocarbon generation scenario for Barnett Shale. Original TOC is assumed 6.41 wt.%, and part of TOCo (2.32 wt.%) is converted to hydrocarbons. About 60% of generated hydrocarbons is expelled from Barnett Shale. The expelled components are approximately 70% oil and 30% gas. Retained oil is further cracked to gas. Unexpelled gas and gas formed from secondary cracking of oil yield the total gas placed in Barnett Shale, which is 921 Mcf/ac-ft. For detailed discussion, see Jarvie et al. (2007).. 한국지구시스템공학회지.

(13) 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 저류 특성 바넷 셰일은 규질 흑색 셰일로 높은 감마(100~200 API units), 높은 비저항, 낮은 P파 속도(3,650~3,810 m/s), 높은 유기물 함량에 따른 낮은 밀도(2.45~2.60 g/cm3)의 특성을 보이며, 탄산염(또는 인산염) 성분이 높은 층리들 이 부차적 암상을 구성하여 검층 곡선에 변화를 초래한다 (Fig. 16). 검층 곡선상 바넷 셰일의 하부는 오르도비스기 석회암 과의 부정합면으로 뚜렷이 구별되며, 상부 경계는 모호 하여 마블폴 석회암으로 전이하는 셰일-석회암 교호대 의 시작 부분으로 정한다. 마블폴 석회암은 덮개 및 수압 파쇄 저지대 역할을 수행하며, 비올라-심슨 석회암은 북 동부에 제한적으로 분포하여 수압 파쇄 단열이 카르스트 화로 공극이 발달한 엘렌버거 층군으로 전달되는 것을 차단하여 유정 완결 및 자극 효율 향상에 지대한 영향을 미친다(Fig. 17). 일반적으로 가스 셰일 등 비재래 저류층은 매질 공극 율이 매우 낮고 투과도가 극도로 불량하여 자연적 단열 이 발달한 경우에 최적 집적환경(sweet spot)을 형성하 고 단열의 분포 및 밀집도가 생산성을 좌우한다(Curtis, 2002). 하지만 바넷 셰일은 매우 치밀하여 자연적 단열 이 거의 발달하지 않고 일부 나타나는 단열도 방해석에 의해 충진되어 공극으로서의 역할은 하지 못하며, 단층 또는 습곡 등의 구조적 영향으로 단열이 발달한 지역에. Fig. 16. Log characteristics of Barnett Shale (Taken from Simon, 2005). Gamma ray, density, P-sonic, and S-sonic logs.. 467. 서는 생산이 훨씬 저조한 것으로 알려져 있다. 바넷 셰일의 자연적 단열은 ESE-WNW(N60W) 주향 으로 문스터 아치에 거의 평행하며 수직에 가까운 경사 (>80°)를 보인다(Fig. 18)(Jhonson, 2004a, b; Simon, 2005; Gale et al., 2007). 시추로 인하여 생성된 인위적 단열은 SW-NE 방향으로, 현재의 응력 방향이 자연적 단열 형성 당시와 다른 것으로 해석된다. 수압 파쇄로 형 성되는 단열은 현재 최소 응력 방향, 즉 최대 수평응력 방향과 평행인 SW-NE로 발달하는데, 자연적 단열과 교 차 연결되어 복합적인 유체 통로망을 구성한다. 자연적 단열은 파쇄 단열의 전파를 방해하기 보다는 충진 광물 과 셰일의 경계면이 역학적 연약면으로 작용, 재개되어 수압 파쇄 효과를 증진시킨다. 바넷 셰일에서의 생산성은 층후, 유기물 함량, 유기물 성숙도에 의해 좌우되며, 현재 경제적 개발 한계(cutoff)는 층후 100 ft(30 m), 유기물 함량 2.5~3%, 비트리나이트 반사도 Ro≃1.1이다(Figs. 9, 13, 17)(Pollastro, 2007, Bowker, 2007). 바넷 셰일의 핵심 지역은 위 요건들을 다 충족하면서, 마블폴 및 비올라-심슨 석회암이 각각. Fig. 17. Map showing high potential areas for Barnett Shale production where limestone barriers exist to contain stimulated fractures in the formation (After Montgomery et al., 2005). Also shown is the gas maturation limit.. 제44권 제5호.

(14) 468. 고재홍. 상, 하부에서 파쇄 저지대를 형성하여 가장 유리한 지역 2 이다. 이 지역은 면적 ~4,000 km , 회수가능 매장량 14.7 Tcf 에 달하며, ~1,700개 생산정에서의 EUR 중간값(median) 이 0.52 Bcf(최대 7 Bcf)으로 생산성이 매우 높은 지역 이다(Fig. 19). 확장 지역은 핵심 지역에 비해 바넷 셰일 의 두께가 얇고 상, 하부 파쇄 저지대의 일부가 결여된 2 지역으로 면적이 ~12,500 km 이다. 이 지역은 아직까지 탐사개발이 ․ 미진하여 생산 이력이 짧으며, ~134개 생산 정에서 EUR 중간값은 0.28 Bcf(최대 2.4 Bcf)이고 회수 가능 매장량은 11.6 Tcf로 추정된다.. 유정 완결 및 시추 기술 바넷 셰일 가스는 유정 완결 및 시추 기술의 진보에 따라 생산이 가능하게 되고 회수가능 매장량이 증가하고 있는 대표적인 기술적 플레이로 바넷 셰일에 적용되는 수압 파쇄와 수평 시추에 대해 개괄한다. 유정 완결 셰일은 연약해서 시추는 쉽지만 투과도가 매우 낮아 자극 없이는 회수가 어렵기 때문에 특별한 완결을 필요 로 한다. 시추공에 고압으로 유체를 주입하여 주위를 파 쇄시켜서 생산대(production zone)를 확립하고, 유체에 혼합된 지지물(proppant; 모래 등)이 단열을 열린 상태로. 유지하는 자극 기술이 핵심 기술이다. 1980년대에 행해진 초기의 자극에는 겔(gel)-이산화탄소 또는 질소 혼합물에 의한 파쇄(nitrogen foam frac)를 하였으나 그다지 성공 적이지 못했다. 1986년에 MHF(massive hydraulic gel frac) 가 도입되었는데, 겔 : 모래 혼합비가 13,000 bbl : 1,000,000 3 lb(20,657 m : 453,599 kg)로 이론적 파쇄 반경 1,500 ft (457 m)로 고안되었다. 겔 조성에는 매우 비싼 점토광물 안정제를 비롯한 여러 가지 화학 물질이 첨가제로 사용 되었으며, 파쇄 유체로 겔을 선택했던 이유는 바넷 셰일 에 포함된 점토광물이 물과 접촉시 활성화하여 초래될 수 있는 투과도 저하를 우려해서였다. 1997년까지 MHF 는 통상적인 자극기술로 사용되었으나 매우 고비용으로 시추와 케이싱(casing)에 들어간 비용보다 더 큰 비용이 소요되었다. 1997년 겔 대신 물을 파쇄 유체로 사용하는 경사 파쇄 기술(LSF; light sand frac, water frac or slick water frac)이 도입되면서 바넷 셰일 개발은 새로운 전기 를 맞게 된다(Fig. 20). 물이 겔보다 파쇄 강도는 약하나 점토광물의 속성도가 높아 물과 접촉하여도 반응하지 않 고, 바넷 셰일의 원래 투과도가 극도로 낮아 약간의 틈만 생겨도 유체 유동성(fluid conductivity)이 높아져서 충분한 생산이 가능하였다. 물과 모래의 통상적 혼합비는 1,000,000 3 gallon: 50,000 lb(3,785 m :22,680 kg)이며, 지지물을 부 유상태로 유지시키기 위해 점성도를 높여 주는 고분자 화학물질을 첨가하기도 한다. 자극 비용은 70% 이상 줄. Fig. 18. Natural (pre-existing) and induced (by the drilling or hydraulic frac) fractures. Rose diagram showing fracture trends (Simon, 2005), hydraulic fracture growth pattern, and a core photo (Gale et al., 2007).. 한국지구시스템공학회지.

(15) 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템. 469. Fig. 19. Map showing extent of core and extended areas of the Barnett gas shale play (After Pollastro, 2007). A. Core area (Greater Newark East fracture-barrier continuous Barnett Shale unit), B. Extended area (Extended continuous Barnett Shale unit).. Fig. 20. Timeline of wells drilled and major fracture technique breakthroughs (Source: http://www.republicenergy.com/ Arcticles/Barnett_Shale/Barnett.aspx; Givens and Zhao, 2004, The Barnett Shale: Not so simple after all).. 제44권 제5호.

(16) 470. 고재홍. 어 들었으며 개발 비용이 $1.00/Mcf로 떨어지게 되면서 수 익성이 크게 향상되어 바넷 셰일을 대상으로 한 유정 완 결 및 재완결과 충진 및 확장 시추(infill & expansion drilling)가 기하급수적으로 증가하였다. 파쇄 작업은 구간(stage)으로 나누어 진행되는데 구간 별로 천공(perforation)하여 고압으로 유체와 지지물을 주입하고 플러그(plug)하면서 이동하는 작업을 반복한 다. 일반적으로 500 ft(150 m)당 2~4 천공대(perforation cluster)를 형성하며 자극 작업을 수행하는데, ~90% 구 간이 파쇄 영향을 받지 못한 채 생산에 들어간다. 이 문 제를 해결하기 위해서 구간을 세분하거나 구간내에서 자 극 간격을 좁히는 시도를 하고 있으나 비용이 과도하게 소요된다. 또 다른 해결 방법으로 단열 형성 방향을 제어 하는 기술이다. 단열 형성 방향은 자연적 응력과 자극시 인위적 압력의 상호 작용에 의해 결정되는데, 일반적으 로 시추공에 직각 즉 가로축(transverse) 방향으로 형성 되도록 설계하고 있다. 하지만, 발상을 전환하여 단열을 시추공과 평행하게 세로축(longitudinal) 방향으로 형성 시킨다면 저비용으로 다단계의 가로축 방향 자극에 버금 가는 자극 효과를 얻을 수 있어 현재 연구가 진행중이다. 주입 유체 및 지지물 소재에 대한 연구도 활발하게 수 행되고 있다. 유체는 지지물을 단열 깊숙이 이동시키고 이동 과정에서 침전하는 양을 최소화해야 하며, 지지물 은 가스 이동을 제한하지 않으면서 단열을 열린 상태로 유지시킬 수 있어야 한다. 단열 벽면과의 마찰을 줄이는 미량의 고분자 화합물을 넣기도 하며(slickwater), 장시 간 부유 능력 유지를 위해 점성을 높이거나 섬유질 물질 을 혼합하기도 한다. 또한 지지물로 모래 대신 사용 가능 한 기능성 소재도 개발하고 있다. 수평 시추 바넷 셰일에 대한 수평 시추의 필요성은 수압 파쇄 단 열이 카르스트화로 공동과 공극이 발달된 엘렌버거 층과 연결되어 물이 산출되거나 생산하지 못하는 경우가 발생 하고, 생산이 확장 지역으로 확대됨에 따라 바넷 셰일의 두께가 감소하여, 파쇄 영역을 제한하는 한편 시추공과의 접촉 면적을 늘이는 수단으로 제기되었다(Fig. 21). 1992년 바넷 셰일에 대한 시험 목적의 수평 시추(Mitchell T.P. Sims B #1)가 시도되었으며, 2003년부터 본격적으로 수평 시추로 전환되기 시작하여 2003~2005년 동안에만 1,100공 이상이 수평 시추되었다(Pollastro, 2007). 수평 시추정 에서의 생산은 핵심 지역에서 2.5~6.0 Bcf/정, 확장지역 에서 1.5~3.0 Bcf/정으로 수직 시추정에서의 생산 핵심 지역 1.5~2.5 Bcf/정, 확장 지역 500~750 MMcf/정을 훨 씬 뛰어 넘는다. 한국지구시스템공학회지. 수평 시추는 방향성 시추(directional, slant, or sideway drilling)의 일종으로 직하 방향에서 벗어난 예정된 목표 지점에 도달하기 위하여 미리 설계된 방향, 각도 및 경로 에 따라 시추하는 기술이다. 수평 시추는 환경(수원지, 공원 등) 또는 인구밀집 등의 이유로 시추 장비의 접근 이 제한 또는 불가능하여 수직 시추로는 도달하기 어렵 거나, 해상에서의 수직 시추보다 육상에서의 수평 시추 가 훨씬 경제적이거나, 한 장소에서 여러 개의 시추공 굴 착을 통해 비용을 절감할 수 있으며 환경 피해를 줄일 수 있어서, 또는 저류층과의 접촉면을 넓혀 회수율을 개 선하고 생산성을 증대시키는 등 그 적용 영역이 다양하다. 수평 시추의 종류에는 휘는 부분의 곡률 반경에 따라 단, 중, 장반경이 있다. 단반경은 곡률 반경이 25~40 ft (8~12 m)로 급격하게 꺾어 목표에 접근할 수 있어서 기 존의 수직 시추정으로부터 저류층에 수평으로 굴착하여 회수율을 높이거나, 투과도가 낮은 비재래층 개발에 적 절하다. 중반경은 곡률 반경이 300~700 ft(90~210 m)로 수평 성분 3,500 ft(1,067 m) 이내에 적용되며 띄엄띄엄 분포하는 여러 개의 저류층을 동시에 개발하는데 효과적 이다. 장반경은 곡률 반경이 1,000~4,500 ft(305~1,372 m) 로 멀리 떨어져 있는 목표에 접근할 수 있어서 주로 해 상의 단일 플랫폼에서 다수의 개발 대상을 시추하는데 사용된다. 수평 시추의 정밀한 경로 제어는 전향 모터(steerable downhole motor), 굴곡자(bent sub), 전향 쐐기(whipstock) 등 시추공저장비(bottom hole assembly)의 발달과 시추 중 측정기술(MWD: measurement while drilling techonology or borehole telemetry)의 진보에 의해 이루어졌다. 이수. Fig. 21. Horizontal vs. vertical drilling in Barnett Shale..

(17) 471. 미국 텍사스 주 포트워스 분지의 바넷 셰일 가스 시스템 Table 1. Simple economic model for vertical and horizontal wells in the Barnett Shale (After Berman, 2007). Year 2 Year 3 Year 4 Year 5 Payout Year 1 BCF 50% BCF 80% BCF 85% BCF 90% amount BCF ANN DEC ANN DEC ANN DEC ANN DEC Vert. $1.5 MM 0.200 Wells. 0.100. 0.020. 0.003. 0.0003. Year 5 Year 4 Year 3 Year 2 Payout Year 1 BCF 75% BCF 90% BCF 90% BCF 70% amount BCF ANN DEC ANN DEC ANN DEC ANN DEC Horiz. $3.5 MM 0.575 Wells. 0.144. 0.014. 0.001. 0.0004. 순환에 의해 작동하는 전향 모터가 개발되면서 시추동의 움직임 없이 비트만 공저에서 회전하고, 모터와 시추동 사이에 굴곡자가 위치하여 시추공저장비의 굴절을 일으켜서 경로를 제어한다. 시추 방위(azimuth)와 기울기(inclination) 등 시추 진행 상황을 MWD로 실시간으로 측정하고 비 트 회전의 멈춤없이 3차원 자동 제어하는 시추공저시스 템의 개발 등 수평 시추 전과정의 자동화도 이루어지고 있다. 수평 시추는 수직 시추에 비해 보통 2~3배의 비용이 소요되나 높은 생산성에 의해 보전된다. 미국 에너지부에 의하면 수평 시추를 통해 회수가능 매장량이 평균 2% 증대하며, 생산성은 수직 시추에 비해 3.2:1로 높아진다. 바넷 셰일에 대한 수평 시추는 평균 비용이 $350만으로 수직 시추 평균 $150만에 비해 2.3배 높다(Berman, 2007). 경제성 평가 모의 시험(simulation)에 따르면 수직 시추 는 200 MMcf 초기 생산 및 전형적 생산량 감소율을 적 용할 경우 비용 회수에 5년이 소요되며, 수평 시추가 동 일 기간에 비용 회수를 위해서는 초기 생산이 적어도 575 MMcf가 되어야 한다(Table 1). 최근 현장 자료에 의하면 수평 시추 비용은 상당히 낮아져서 회수가능 매 장량 2.5 Bcf, 초기 생산 1,500 Mcf/일인 수평 시추정에 서 1.6년@$5.00/MMBtu 정도면 비용 회수가 가능하여 수평 시추 작업의 급격한 증가로 이어지고 있다.. 결. 론. 비재래 가스에 대한 관심은 수요 증대, 재래 에너지원 고갈, 가격 상승과 맞물려 지속적으로 높아져 왔다. 1980년대 치밀 사암층 가스로부터 시작하여, 1990년대 에는 석탄층 메탄가스, 2000년대 들어 셰일 가스로 산업 적 관심이 확대되면서 미국의 경우 약 28,000개의 셰일 가스정에서 연간 700 Bcf 이상을 생산하고 있다. 캐나다 도 셰일 가스 개발에 동참하기 시작하여 자국의 셰일 가. 5yr. total BCF. 5yr. total MMBTU. 0.323. 0.358. 5yr. total BCF. 5yr. total MMBTU. 0.735. 0.303. $ Gross $ Net after $ Net after # Wells % Wells (@$6.25/ royalty tax payout payout MMSTU) $2.2222.688 $1.667.016 $1.541.989. 619. 34%. $ Gross $ Net after $ Net after # Wells % Wells (@$6.25/ royalty tax payout payout MMBTU) $5.053.082 $3.789.812 $3.505.576. 78. 13%. 스 자원량 평가에 들어갔으며, 특히 B.C.주는 북동부에 분포하는 데본기 셰일을 비롯한 가스 셰일에 대한 종합 적인 개발 계획을 수립하고 광구 설명회 등 시장 홍보를 강화하고 있으며 가까운 장래에 본격적인 개발 투자 유 치에 나설 예정이다. 최근 우리나라 기업이 대표적인 가 스 셰일인 텍사스 포트워스 분지 바넷 셰일의 광구 지분 을 확보하여 개발에 참여하고 있으며, 셰일 가스는 아직 까지 저개발된 에너지원으로 해외자원개발 사업영역 확 대를 위해 기술 확보가 필요한 부분이다. 포트워스 분지는 로렌시아 남단의 대륙 주변부에서 천 해성 대지를 형성했던 지역이 고생대 후기 판게아 형성 과 관련된 우아쉬타 구조운동에 의해 전면분지로 전이된 복합적 분지이다. 바넷 셰일 퇴적 당시 분지는 북쪽 문스 터 아치 방향으로 경사하는 비대칭 지구대로 바넷 셰일 은 북동부 최대 300 m에서 남쪽 및 서쪽 방향으로 얇아 지는 두께 분포를 보이며 평균 두께는 107 m이다. 바넷 셰일은 평균 유기물 함량 ~4.5 wt.%, 최대 13 wt.%로 재래 석유가스 ․ 및 셰일 가스의 근원암이며, 매질 공극율 5% 이하, 투과도 0.001 md 이하로 자극에 의해서만 생 산이 가능한 매우 불량한 저류암이다. 바넷 셰일의 생산성은 층후, 유기물 함량, 유기물 성숙 도에 의해 좌우되는데, 현재 cutoff는 층후 30 m, 유기물 함량 2.5~3%, 비트리나이트 반사도 Ro≃1.1이다. 바넷 셰일은 자연적 단열이 발달하여 sweet spot을 형성하는 일반적 가스 셰일과 달리, 매우 치밀하여 자연적 단열이 거의 발달하지 않고 일부 나타나는 단열도 방해석에 의 해 충진되어 공극으로서의 역할은 하지 못하며, 단층 등 구조적 영향으로 단열이 발달한 지역에서는 생산이 훨씬 저조하다. 마블폴 및 비올라-심슨 석회암 등 상, 하부의 파쇄 저지대 유무도 유정 완결 및 자극 효율 향상에 지 대한 영향을 미치는데, 특히 수압 파쇄 단열이 카르스트 화로 공극이 발달한 엘렌버거 층군으로 전파하게 되면 생산에 심각한 타격을 초래한다. 바넷 셰일의 핵심 지역은. 제44권 제5호.

(18) 472. 고재홍. cutoff 요건들을 충족하며, 상, 하부에 마블폴 및 비올라심슨 석회암이 다 존재하는 가장 유리한 지역으로, 면적 2 ~4,000 km , 회수가능 매장량 14.7 Tcf에 달하며, ~1,700개 생산정에서의 EUR 중간값이 0.52 Bcf(최대 7 Bcf)으로 생산성이 매우 높다. 확장 지역은 핵심 지역에 비해 바넷 셰일의 두께가 얇고 상, 하부 파쇄 저지대의 일부가 결여 2 된 지역으로 면적이 ~12,500 km 이다. 이 지역은 아직 까지 탐사개발이 ․ 미진하여 생산 이력이 짧으며, ~130개 생산정에서 EUR 중간값은 0.28 Bcf(최대 2.4 Bcf)이고 회수가능 매장량은 11.6 Tcf로 추정된다.. 사. 사. 본 연구는 한국지질자원연구원의 산업자원부 출연사 업인 ‘해외 석유가스 자원협력 및 기술정보 구축’ 과제 의 일환으로 수행되었다.. 참고문헌 Ball, M. M. and Perry, W. J. Jr., 1995, “Bend Arch-Fort Worth Basin Province (045),” In D. L. Gautier, G. L. Dolton, K. I. Takahashi, and K. L. Varnes (Eds), 1995 National Assessment of United States Oil and Gas Resources-Results, Methodology, and Supporting Data, U. S. Geological Survey Digital Data Series DDS-30, U. S. Geological Survey, Reston, VA, U. S. A., CD ROM. Berman, A., 2007, “What’s New in Exploration: Barnett Shale Wells are not Always Profitable,” Worldoil.comOnline Magazine Article Columns April 2007, Vol. 228, No. 4. Bowker, K. A., 2002, “Recent Developments of the Barnett Shale Play, Fort Worth Basin,” In B. E. Law and M. Wilson (Eds), Innovative Gas Exploration Concepts Symposium, Rocky Mountain Association of Geologists and Petroleum Technology Transfer Council, October 2002, Denver, Colorado, 16p. Bowker, K. A., 2003, “Recent Developments of the Barnett Shale Play, Fort Worth Basin,” West Texas Geological Society Bulletin, Vol. 42, No. 6, pp. 4-11. Bowker, K. A., 2007, “Barnett Shale Gas Production, Fort Worth Basin: Issues and Discussion,” American Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 91, No. 4, pp. 523-533. Bridge, J., Barnes, V. E., Cloud, P. E. Jr., 1947, “Stratigraphy of the Upper Cambrian, Llano Uplift, Texas,” Geological Society of America Bulletin, Vol. 58, pp. 109124. Curtis, J. B., 2002, “Fractured Shale-Gas Systems,” American. 한국지구시스템공학회지. Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 86, No. 11, pp. 1921-1938. EIA (Energy Information Administration), 2007, “Annual Energy Review 2006,” U. S. Department of Energy, Energy Information Administration Report DOE/EIA-0384 (2006), June 2007, 441p. Erlich, R. N. and Coleman, J. L. Jr., 2005, “Drowning of the Upper Marble Falls Carbonate Platform (Pennsylvanian): A Case of Conflicting “Signals?”,” Sedimentary Geology, Vol. 175, pp. 479-499. Ewing, T. E., 2006, “Mississippian Barnett Shale, Fort Worth Basin, North-Central Texas: Gas-shale Play with Multi-Trillion Cubic Foot Potential: Discussion,” American Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 90, No. 6, pp. 963966. Gale, J. F. W., Reed, R. M., and Holder, J., 2007, “Natural Fractures in the Barnett Shale and Their Importance for Hydraulic Fracture Treatments,” American Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 91, No. 4, pp. 603622. Hill, R. J., Jarvie, D. M., Zumberge, J., Henry, M., and Pollastro, R. M., 2007, “Oil and Gas Geochemistry and Petroleum Systems of the Fort Worth Basin,” American Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 91, No. 4, pp. 445-475. Jarvie, D. M., 2004, “Evaluation of Hydrocarbon Generation and Storage in the Barnett Shale, Ft. Worth Basin, Texas,” Presentation material, Humble Instruments & Services, Inc. Jarvie, D. M., Hill, R. J., Ruble, T. E., and Pollastro, R. M., 2007, “Unconventional Shale-Gas Systems: The Mississippian Barnett Shale of North-Central Texas as One Model for Thermogenic Shale-Gas Assessment,” American Association of Petroleum Geologists Bulletin, Vol. 91, No. 4, pp. 475-499. Jhonson, D., 2004a, “Barnett Shale -1: Technological Advances Expand Potential Play,” Oil and Gas Journal, Vol. 102, No. 3, pp. 51-59. Jhonson, D., 2004b, “Barnett Shale-Conclusion: Reservoir Characterization Improves Stimulation, Completion Practices,” Oil and Gas Journal, Vol. 102, No. 4, pp. 35-39. Kier, R. S., 1980, “Depositional History of the Marble Falls Formation of the Llano Region, Central Texas,” Fieldtrip Guidebook, October 19-21, 1980, West Texas Geological Society, Publication Vol. 80-73, pp. 59-75. Kuuskraa, V. A., Koperna, G., Schmoker, J. W., and Quinn, J. C., 1998, “Barnett Shale Rising Star in Fort Worth Basin,” Oil and Gas Journal, Vol. 96, No. 21, pp. 71-76. Loucks, R. G. and Ruppel, S. C., 2007, “Mississippian.

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