Technical Review of the Drilling UK-1 Exploratory Well in South Karpovksy Block, Kazakhstan

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카자흐스탄 South Karpovsky광구 UK-1 탐사정 시추작업에 대한 기술적 고찰

이도행¹⁾·조보규¹⁾·배재연¹⁾·이준석¹⁾*·장광훈¹⁾·류상수²⁾

Technical Review of the Drilling UK-1 Exploratory Well in South Karpovksy Block, Kazakhstan

DoHaeng Lee, BoGyu Cho, JaeYeon Bae, JunSeog Yi

*

, GwangHoon Jang, and SangSoo Ryou

Abstract : Drilling campaign for the exploratory well(UK-1) was performed for 260 days from July 29, 2010 on the North Pre-Caspian basin in South Karpovksy block, northwestern part of Kazakhstan. This well is not only the first exploratory well ever operated by KNOC in South Karpovsky block but the first well drilled through salt formation including abnormal high pressure zone. This project is meaningful in that prospective reservoir formation data and technical data was obtained as a result of reaching to target depth through long salt formation, which is useful for increasing drilling efficiency forward in this kind of drilling environment. This study aims to suggest considerations for improvements in drilling performance of future operations through technical review of salt drilling, well control and remedial job with coiled tubing.

Key words : Abnormal high pressure zone, Salt formation drilling, Well control, Coiled tubing

요 약 : 한국석유공사의 공동 운영광구인 카자흐스탄 북서부 North Pre-Caspian분지에 위치한 South Karpovksy 광구에서 2010년 7월부터 약 260일에 걸쳐 탐사시추가 수행되었다. UK-1 시추공은 한국석유공사가 주도하여 수행한 South Karpovsky광구에서의 첫 탐사시추인 동시에 이상 고압대를 동반하는 암염층을 관통한 첫 시추이 기도 하다. 목표지점까지 시추를 완료함으로써 North Pre-Caspian분지의 지질정보뿐만 아니라 각종 시추관련 자료를 취득할 수 있었으며 이는 향후 동일지역 또는 유사지역에서의 시추작업 시, 효율성 증진을 위한 참고자료 로 유용하게 쓰일 수 있을 것이다. 본 기술보고에서는 시추운영 전반에 대한 내용과 함께 암염층 시추과정에서 발생한 시추공벽의 유실, 지층의 유동 및 협착, 지층유체의 유입, 시추이수의 손실 현상과 코일드 튜빙을 이용한 치유 및 제어 과정을 기술 하였으며 이를 통해 향후 시추작업의 개선방안을 제시하였다.

주요어 : 이상 고압대, 암염층 시추, 유정제어, 코일드 튜빙

2011년 8월 22일 접수, 2011년 10월 6일 심사완료 2011년 10월 17일 게재확정

1) 한국석유공사 시추운영단 2) 한국석유공사 카자흐스탄 사무소

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

Address; Drilling & Subsea Dept. Korea National Oil Corporation, 1588-14 Gwanyang, DongAn, AnYang, Kyeonggi, 431-711, Korea

서 론

한국석유공사가 주도하는 공동운영사인 Kazkorumnai LLP는 2008∼2009년 탐사자료 해석 작업을 통해 2개의

유망구조(Koktau, Derkulskaya)를 도출하고 기술위원회 를 거쳐 Koktau구조를 시추 대상으로 선정하였다. 이에 따라 최종 시추위치 및 시추계획을 수립하여 지난 2010 년 7월 29일 시추를 개시하였다. UK-1 시추공은 카자흐 스탄 북서부의 Pre-Caspian분지 북부 가장자리에 위치 하고 있으며, 최종 목표심도는 4,857 m(수직정), 주요 목 표층은 데본기(Devonian)와 석탄기(Carboniferous)의 탄 산염암층(Carbonate Formation)이다. 이 지역의 Sub-Salt Reef Play에서 대형 유전이 발견된 사례가 있으며, 중소 규모의 Supra-Salt 쇄설성 저류층(Clastic Reservoir)도 다수 존재한다. 이러한 심부시추 작업은 굴진률이 낮을 뿐만 아니라 장시간의 시추 기간과 높은 온도, 압력으로

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Fig. 1. Structure of UK-1 Well.

Fig. 2. Access Road under Construction.

Fig. 3. Concrete Plates & Cellar on Wellsite.

인해 문제가 발생할 수 있는 위험과 시추비용이 증가하 므로 다양한 장비와 기술이 필요하다(임종세 등, 2010).

목표층에 도달하기 위해서는 이상 고압대(Abnormal Pressure Zone)인 Kalinovsky층을 포함하고 있는 약 1,600 m 두 께의 암염층(Salt Formation)을 굴착해야 하는데(Fig. 1), 이 과정에서 이수손실(Lost Circulation)과 지층유체의 유입 (Kick), 케이싱 변형(Casing Deformation) 등의 문제가 발생하였지만 최종 목표지점까지 시추를 완료하였다.

본 연구에서는 암염층 시추와 관련한 케이싱 및 시추 이수 설계와 시멘팅(Cementing) 작업과정 중 발생한 지 층유체의 유입과 이를 제어하기 위한 코일드 튜빙(Coiled Tubing) 작업 등에 대한 기술적 고찰을 통해 향후 암염 층 시추작업의 효율성 및 안정성 개선을 위한 기술적 고 려사항들을 제시하고자 한다.

시추장비 및 토목작업

시추기(Drilling Rig)는 2002년 제작된 중국 Xibu사 소유의 ZJ-70D 모델로, TDS(Top Drive System)가 장착 되었고 2,000 마력의 권동기(Drawworks) 1대와 1,600 마력의 이수펌프(Mud Pump) 3대를 갖추고 있으며 최대 심도 6,000 m까지 굴착이 가능하다. 육상에 위치하고 있 는 UK-1 시추공은 시추작업 전 진입도로(Fig. 2)와 시추 부지(Well Site) 건설이 필수적이며 각각 약 20,240 m² 의 면적과 8.4 km의 길이의 규모로 건설하였다.

시추기가 위치하는 시추부지 중심부에는 시추기의 하 중을 고려한 안정성과 작업의 용이성을 고려하여 225 mm 두께의 콘크리트판(Concrete Plate) 1,114개를 5,013 m² 의 면적에 설치하였으며 3 × 2 × 3 m 규격의 Cellar를 만

들고 30 in Conductor를 설치하였다(Fig. 3).

카자흐스탄 정부는 2009년 12월부터 기존에 행해오던 시추부지 내 폐기물 처리 구덩이를 통한 시추암편과 이 수의 처리를 법으로 금지하고 있어, 페기물 처리 구덩이 를 건설하지 않고 용역업체를 통해 정부에서 지정한 장소 로 폐기물을 운반하여 처리하였다. 따라서 향후 작업 시 별도의 시추암편 및 이수 처리 예산을 확보하고 비용절약 을 위해 추가적인 폐기이수 발생을 최소화해야 한다.

시추작업 개요

26 in 시추공 구간(20∼507 m)의 지층은 불안정한 반응 성 셰일, 투수성 석회암 및 파쇄 백악(Fractured Chalkstone) 으로 구성되어 시추작업 도중에 공벽 붕락(Caving)과 유 실(Washout) 현상이 현저하게 발생하였다. 이로 인해 Fig. 4의 공경검층에서 확인할 수 있듯이 공경이 불규칙 하게 확장되었다.

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Fig. 4. Caliper Log for 26" Section.

0 10 20 30 40 50 60

Drilling Round trip Reaming Etc BHA Logging Casing & Cement

57.2 14.7

9.18 2.89 2.6 0.8

6.34

Da y s

Fig. 5. Operations Breakdown for 17 1/2" hole.

붕락을 최소화시키기 위해 이수 비중(Specific Gravity) 을 1.20에서 1.32까지 증가시켜 목표지점까지 굴착하였 으나 20 in 케이싱을 내리는 과정(Casing Running) 중 시 추공 내부와 지층의 압력차(Differential Pressure)에 의 한 케이싱 고착이 수차례 발생하였다. 압력차에 따른 고 착을 방지하기 위해 이수를 순환시키며 비중을 1.20까지 낮추어 압력차를 줄임과 동시에 붕락의 증가로 인한 시 추공 내 환체(Annulus)의 폐쇄(Pack Off) 발생을 방지하 기 위해 염화칼륨(KCl) 함량을 증가시켜 셰일의 반응을 억제시키고, 윤활제(Lubricant)를 첨가한 후 목표지점(505 m) 에 케이싱을 설치할 수 있었다. 17 1/2 in 구간(507∼2,496 m) 은 지층을 주로 구성하고 있는 반응성 셰일로 인해 셰일 암편이 비트표면에 진흙처럼 달라붙어 비트의 굴착작업 을 방해하는 비트 볼링(Bit Balling)현상이 심각했으며 이로 인해 낮은 굴진률을 기록하였고 굴진에 많은 시간 이 소요되었다(Fig. 5).

낮은 굴진률은 비트, 시추이수의 수력학(Hydraulic), 유동학(Rheology) 및 화학적 성질(Chemistry), 암편제거 공정(Hole Cleaning & Solid Control) 등이 같이 유기적 으로 연결되어 있는 여러 가지 요소들의 복합적인 결과 라 할 수 있다. 적절한 비트의 선택은 굴진률을 높이는데 중요한 요소이나 주변 시추공의 비트 사용기록과 지층의 강도분석을 위한 물리검층 자료가 부족한 상태에서 비트 선택의 적절성을 판단하기는 쉽지 않다. 또한 현지 규정 상 단일 업체와 계약을 체결해야 하는 제약으로 인해 다 양한 종류와 디자인의 제품을 예비하는 것도 불가능한 상황이었으나 가용한 비트 중 트리콘(Tri-Cone) 비트에

비해 이수모터(Mud Motor)와 함께 PDC(Polycrystalline Diamond Cutter) 비트를 사용하는 것이 더 나은 굴진률 을 보였으며 6중날 PDC 보다 5중날 PDC 비트를 사용 할 때 굴진률이 보다 향상되었다. 이는 비트 볼링 현상이 굴진률에 지배적인 영향을 미치고 있었음을 반증하는 것 이며 따라서 이 구간의 굴착 시 이수모터와 함께 5중날 이하의 PDC 비트 사용이 권장된다.

비트 볼링 현상을 완벽하게 방지하지는 못하겠지만 암 편 제거의 효율성을 높여 시추이수의 유동 특성을 적절 히 유지하고 압력 손실 최적화(Hydraulic Optimization) 를 통해 비트표면의 세척 효과를 극대화 시킨다면 이러 한 현상을 감소시킬 수 있을 것이다. 하지만 UK-1 시추 공의 경우 이수 내의 미세암편들이 효과적으로 제거되지 않음에 따라 점성이 필요이상으로 증가하였고 압력손실 또한 증가하여 비트 노즐(Nozzle)에서 충분한 분사 압력 을 얻는데도 어려움이 있었다. 따라서 암염층 상부와 하 부 구간에서 고속 원심분리기(High Speed Centrifuge)를 사용하여 미세입자들을 효과적으로 제거하는 작업이 이 루어져야 하며 셰일층의 화학적 안정성을 위해 이수회사 에서 제공하는 글리콜(Glycol)과 같은 첨가제의 사용도 고려할 수 있다. 시추작업관련 변수들(Drilling Parameters) 의 변화를 통한 굴진률 개선 시도는 이러한 상황에서 효 과를 거두진 못했지만 비트의 볼링과 마모, 베어링 (Bearing) 파괴, 시추동(Drill String) 진동 등을 적절하게 진단하고 이에 대한 대처방안을 수립하는 것은 굴진률 향상을 위한 앞으로의 과제라 할 수 있다(Dupriest and Koederitz, 2005).

12 in 시추공 구간(2,496∼3,778 m)은 암염층을 관통 하는 구간으로 이상 고압대와 암염 특유의 물리적, 화학 적 특성으로 인해 가장 큰 불확실성을 가지고 시추를 수 행했던 구간이기도 하다. 이 구간의 암염층 시추와 9 5/8 in 케이싱 설치 후 지층 유체의 유입으로 인한 유정제어 및 치유 작업은 다음 두 장에서 각각 별도로 다루었다.

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20000

Fig. 6. Pressure Bleed-Off History.

Coiled Tubing을 이용한 유정통제 작업

12 in 시추공 구간의 9 5/8 in 케이싱은 두 단계(Two Stage)로 나누어 시멘팅을 실시하였다. 이 방법은 일반 적으로 이수손실 지역이나 이상 고압대와 같은 잠재적 문제를 가지고 있는 지층이 동반되거나 나공(Open Hole) 구간이 길어 시멘트의 손실 또는 불규칙한 시멘팅이 예 상될 때 상, 하부 두 단계로 나누어 시멘팅을 실시하는 것이다. 하지만 작업시간과 비용의 증가, 장비의 기계적 결함발생 가능성 등 단점 및 잠재적 문제점이 존재하므 로 사용 시 충분한 검토가 필요하다.

하부 구간(1차) 시멘트 주입 후 시멘트의 역류 방지용 체크 밸브(Check Valve)가 정상 작동하지 않는 것이 확 인되어 지표의 시멘팅 헤드(Cementing Head)에서 압력 을 유지한 상태로 12시간의 응고대기시간을 가졌으며, 이 후 시추공내 압력이 정상(Static) 상태를 유지하여 상 부 구간(2차) 시멘팅 작업에 들어갔으나 시멘트 주입 직 후 지표에서 약 900 psi의 공내 압력이 감지되었다. 시멘 트 주입 후, 응고 시 발생하는 열에 의한 이수의 팽창 또 는 시멘트로부터 나온 여과수(Filtrate)에 의해 일시적으 로 압력이 증가할 수 있지만 UK-1 시추공의 경우 38시간의 충분한 대기시간을 거친 후 3번의 압력배출(Bleed-Off) 를 실시하였음에도 압력은 1,400 psi까지 증가하였으며 이는 지층유체의 유입 즉, Kick이 발생했다는 것을 의미 한다(Fig. 6). Kick이라고 판단될 경우 불필요한 압력배 출은 지층유체의 유입을 가속화 시켜 시추공 내 압력을 높임과 동시에 유정폭발(Blowout)을 초래할 가능성이 있어 압력배출 후 반드시 동일한 양의 고비중 이수를 주 입하여 지층압력을 제어해야 한다. UK-1시추공의 경우

지층압이 높은 이상고압대로 압력이 누출되고 있을 가능 성이 가장 컸으며 이는 케이싱과 지층 사이를 시멘트가 제 대로 막고 있지 않거나 미세한 틈(Channel)이 생겼음을 의미한다. 누출경로는 케이싱 최하단부의 슈(Casing Shoe)를 통해 누출되는 경우(Fig. 7)와 케이싱의 중간에 설치한 스테이지 칼라(Stage Collar)를 통해 누출되는 경 우를 예상할 수 있다(Fig. 8). 그러나 두 경우 모두 시추 공 내에 압력이 존재하고 시추동이 없는 상태에서는 원 인파악과 치유작업이 불가능하다.

스테이지 칼라로 누출되는 경우를 가정했을 때, 지층 과 케이싱 사이 환체공간(Annulus Space)과 케이싱 내 부의 일정한 압력차에 의해 폐쇄되는 스테이지 칼라가 기계적 결함이나 다른 이유에 의해 완전히 닫히지 않았 을 가능성을 고려하여 다시 한 번 압력을 가하여 폐쇄를 시도할 수도 있었으나 시멘트 내 추가 유동경로 발생이 나 케이싱 파열(Burst) 가능성을 고려하여 추가적인 시 도는 실시하지 않았다. 따라서 시추관(Drill Pipe) 또는 튜빙(Tubing) 등의 관을 내려 시추공 내에 시멘트 플러 그(Cement Plug)를 설치하여 압력을 차단하고 케이싱 헤드(Casing Head)와 유정폭발 방지장비(Blowout Preventer) 를 설치한 뒤 누출지점을 확인하였으며 시멘트가 제대로 분포하고 있지 않은 지점에 추가적으로 시멘트를 주입하 는 작업인 스퀴즈 시멘팅(Squeeze Cementing)을 실시하 였다.

시추공 내 압력이 존재하는 상태에서 시멘트 플러그를 설치하기 위한 장비는 지표에서 압력을 제어하는 동시에 이수를 순환시키고 왕복운동도 가능해야할 것으로 판단 하였다. 이를 위해 가장 적합한 장비는 코일드 튜빙이며 (Sas-Jaworsky, 2000; Portman, 2004) 단기간 내에 시장

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Fig. 7. Leakage on Casing Shoe.

Fig. 8. Leakage on Stage Collar. Fig. 9. Ball Valve & Cross-over.

상부에 장착해야 하는 볼 밸브(Ball Valve)와 UK-1 시 추공에 사용된 Tenaris Blue 케이싱의 연결을 위한 크로

약하기 위해 계획단계에서 코일드 튜빙의 가용성 또는 계약이나 조달 기간 등에 대해 미리 조사함은 물론 볼 밸브와 케이싱, 코일드 튜빙의 연결방법 또는 볼 밸브가 장착된 시멘팅 헤드의 사용 등에 대해서도 사전에 논의 하여 대비가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 10과 같이 코일드 튜빙은 자체적인 유정폭발 방 지장비를 갖추고 있으며 인젝터 헤드(Injector Head)를 통해 코일드 튜빙을 시추공 내로 투입하게 된다. 9 m 전 후의 각 결합부(Joint)를 연결(Make-up)하여 시추공 내 로 투입해야하는 일반적인 튜빙과는 달리 코일드 튜빙은 연결부가 없는 강관으로서 별도의 연결 작업 없이 시추 공내로 연속적으로 투입할 수 있다. 이는 시추공 내 압력 이 존재하는 경우에도 이를 제어하면서 작업이 가능하고 작업시간도 단축할 수 있다. 코일드 튜빙을 이용하여 약 50 m 구간(1,936∼1,995 m)에 시멘트 플러그를 설치한 후 9 5/8 in 케이싱헤드와 유정폭발 방지장비 설치작업 을 성공적으로 수행하였으며 시멘트 플러그 굴착 후 비 중 1.97의 이수를 주입하여 시추공을 안정한 상태로 유 지하고 폭발 위험을 제거하였다.

또한 지층유체의 유입지점을 찾기 위해 시추이수를 순 환 시키며 이수 내 가스 함량을 측정한 결과 스테이지 칼라 부근에서의 가스함량은 미미했으나 케이싱 슈에서 14.7%의 가스 함량을 기록함에 따라 케이싱 슈에서의 유체유입을 방지하기 위한 스퀴즈 시멘팅을 결정하고 지 층으로의 유체 주입 시험(Injectivity Test)을 실시하여 시멘트 주입의 효율성을 확인하였다(Fig. 11). 최종 스퀴

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Fig. 10. Coiled Tubing Rigged up.

Fig. 11. Injectivity Test - Pumping Schedule.

즈 시멘팅 작업을 실시하고 가스유입이 차단된 것을 확 인한 후 이수비중을 낮추고 계획된 작업을 재개하였다.

암염층 시추

암염층 특성

일반적으로 암염층은 불투수성이며 수성이수(Water Based Mud)에 용해되기 쉽고 점탄성(Viscoelastic) 및 소성(Plastic)을 갖고 있어 시간이 지남에 따라 유동하는 크립(Creep) 현상을 동반한다. 또한 등방성의 응력 상태 를 가지고 있어 수직응력과 수평응력이 비슷하다(Baker et al., 1994). 두꺼운 경석고(Anhydrite)와 탄산염암 등 의 불용성 층이 교호되는 경우가 많다. 일축압축강도는 상대적으로 낮은 편이지만 굴착 시 동일한 일축압축강도 의 다른 지층보다 더 높은 시추동의 토크(Torque)와 비 트에서의 하중(Weight on Bit)이 필요하며 이는 암염층 의 소성으로 인한 것이다(Rongzun et al., 1989). 또한 암염은 그 구성에 따라 다른 성질을 나타내는데 나트륨 기반인 Clean Salt(Halite)에 비해 칼륨, 황산염 등의 불 순물이 섞인 Dirty Salt는 굴진률, 드릴 스트링의 고착과 충격, 진동 등의 경향이 Clean Salt에 비해 불규칙적인 결과를 보인다. 또한 암염 결정은 물에 노출되면 연성 (Ductility)이 증가하고 파쇄대의 발생 없이 비탄성적인 변형이 증가하는데, 점토 입자와 같은 불순물을 포함하 고 있는 Dirty Salt는 물과 접촉이 많아져 유동을 가속화 시킬 수 있다(Charter et al., 2010).

암염층 시추 예상 문제

위와 같은 암염의 고유한 특성들은 공벽의 협착 또는 과다한 유실, 환체 내 유체이동 속도의 저하(Poor Annular Velocity), 시추암편 제거 효율성의 저하, 케이싱 변형 또는 붕괴, 시추동의 고착(Stuck Pipe), 환체의 폐쇄, 수 성이수의 오염, 이벽의 질 저하(Poor Filter Cake Quality) 등과 같은 문제를 발생시킬 수 있으며 암염 하부 층의 지층압과 응력구조는 예측하기 매우 어려우므로 시추공 벽의 안정성(Wellbore Stability) 확보 및 유정제어 상황 에 대비하여야 한다(Wilson and Fredrich, 2005).

UK-1 시추공 암염층 케이싱 설치

UK-1 시추공의 암염층은 칼륨(K)-마그네슘(Mg) 암염 으로 구성되어 있으며 경석고, 탄산염암, 점토층을 포함 하고 있어 시추작업 상의 많은 잠재적인 문제점과 위험 성을 가지고 있다. 암염은 2,100∼3,756 m의 약 1.6 km 구간에 걸쳐있고, 그 중 2,987∼3,160 m의 173 m 구간 은 이상 고압대와 함께 교호된 탄산염층인 Kalinovsky 층이며 암염 하부층의 최상부층인 3,756∼3,826 m의 70 m 구간은 백운석과 이암이 협재된 경석고층인 Filippovsky층 이다. 케이싱 설치심도는 암염구간과 비정상 압력구간을

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인 2,496 m 지점에 설치하고 9 5/8 in 케이싱을 암염 하 부층인 Filippovksy층 내 3,774 m 지점에 설치하였다.

이수 선택

셰일 수화 방지를 위해 염화칼륨(KCl)-폴리머(Polymer) 이수를 사용하였으며 암염층 구간에서는 암염의 과도한 용해를 방지하기 위해 염화칼륨, 염화나트륨(NaCl)으로 포화된 이수를 사용하였다. 주변공의 Kalinovsky층 시추 기록에 의하면 1.8의 이수로 안정적인 시추를 수행한 기 록이 있으나 UK-1 시추공은 저류유체의 유입으로 인해 이수비중을 1.8에서 1.98까지 증가시켰다.

시추작업 시 발생한 문제점 해결

일반적으로 암염층 시추 시 암염의 유동을 방지하기 위해 비교적 높은 비중의 이수를 사용하는데 UK-1 시추 공은 교호된 탄산염암층의 이상고압으로 인해 더 높은 비중의 이수가 필요하였다. 이러한 경우 암염층을 벗어 날 때 이수손실이 발생할 수 있고 암염 하부층 공극압 (Pore Pressure)과 파쇄압(Fracture Pressure)의 추정이 불확실하여 사전에 충분한 계획을 수립하기 어렵다. 따 라서 암염층 하부로부터의 지층유체 유입 또는 이수손실 등의 확인을 위해 이수의 유동량을 확인하면서 암염층을 시추하는데, 이러한 굴착 절차를 체계화 시키는 것이 필 요할 것으로 판단된다. UK-1 시추공은 암염층 통과 중 혼합층인 이암, 점토암 구간에서 한 차례의 이수손실이 발생하였고 암염층을 통과하여 하부층인 Filippovsky층 까지 도달하는 과정에는 별다른 문제가 발생하지 않았 다. 하지만 9 5/8 in 케이싱을 시추공 내에 설치하는 과정 에서 이수손실이 발생하여 이수손실 치유물질(Lost Circulation Material)을 사용하여 문제를 해결하였다. 이는 1.98의 이수 비중이 해당 심도의 파쇄압력에 매우 근접해 있었 음을 의미하며 케이싱을 설치하는 동안 발생한 서지 압 력(Surge Pressure)에 의해 지층파쇄가 발생한 것으로 보 인다. 따라서 케이싱의 설치속도(Running Speed)를 조절 하여, 서지 압력 발생을 최소화시켜야 하며 중정석 (Barite) 등의 충분한 가중물질과 이수손실 치유물질의 준비가 요구된다.

암염층 굴착은 다수의 확공(Reaming) 작업이 필요하 므로 비트와 함께 리머(Reamer)를 사용하는 것이 일반 적이지만 환체 공간의 폐쇄 위험성이 존재하는 경우에는 리머를 사용하지 않고 굴착 후 별도의 시추공 안정화작 업을 수행하는 것이 위험 부담을 줄일 수 있다. 이러한 확공 작업은 암염의 유동으로 좁아진 시추공을 다시 확

인해 토크가 증가하는 현상이 발생하였다. 시추작업을 수행하는데 문제는 없었지만 암염의 유동 정도가 더 심 화되었다면 작업에 큰 지장을 초래할 수도 있었을 것이 다. 암염층의 유동은 온도에 매우 민감하고 온도가 높은 암염 하부층에서 심해진다. 또한 이수가 불포화 상태로 변하여 시추공의 유실을 발생시켜 시멘팅을 불규칙하게 만들고 케이싱 붕괴를 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위 해 염화칼륨이나 염화나트륨 등의 첨가제를 이수에 추가 하거나 이수의 온도를 높임으로서 용해도를 증가시켜 과 포화된 이수를 사용하는 방법이 있다. 이뿐만 아니라 유 성이수를 사용하여 암염의 용해를 방지할 수도 있으나 수성이수를 사용하는 경우보다 시추공의 협착 가능성이 증대되는 단점이 있다(Dusseault et al., 2004). 따라서 가능한 높은 이수 비중을 사용하거나 Under-Reamer 또 는 Bi-Centered 비트로 시추공을 확장하여 협착 시간을 지연시키거나 냉각된 이수를 주입하여 암염층의 유동을 둔화시켜야 한다. 이수 냉각효과는 해양 시추일 경우 라 이저(Riser)를 통과하면서 자연스럽게 이루어지지만 카 자흐스탄 육상시추에서처럼 회수되는 이수의 온도가 70

∼80℃ 인 지역에서는 계획적인 이수 냉각을 고려해야 한다(Whitfill et al., 2002).

학습 및 개선사항

UK-1 시추공을 시추하면서 경험한 일련의 과정들 특 히, 암염층과 이상고압대 굴착, 코일드 튜빙을 이용한 유 정제어 및 치유작업, 굴진률 개선 노력 등을 통해 향후 이 지역 또는 유사한 지역에서의 시추작업을 시 효율성 과 안정성 개선을 위한 고려사항들을 도출하였다.

Pre-Caspian분지의 불안정한 셰일을 포함한 지층에서 는 미세한 시추암편의 효율적 제거를 위해 고속 원심분 리기를 충분히 사용하여 시추이수의 유동특성 및 물리 적, 화학적 특성을 적절히 유지하고 충분한 수력 에너지 를 얻으며, 이수모터와 함께 5중날 이하의 PDC 비트를 사용하는 것이 비트 볼링을 감소시킴과 동시에 굴진률 향상에 큰 도움이 될 것으로 사료된다. 또한 적절한 비트 의 선택 및 시추작업관련 변수들의 최적화를 위해 물리 검층 자료와 각종 변수의 데이터베이스를 구축하고 지층 강도와 역학적 에너지 효율성을 분석하여 시추동의 문제 점을 진단하고 대처하는 것 또한 굴진률 개선을 위한 좋 은 수단이라 할 수 있다(Cooper and Hatherly, 2003).

암염층의 주요한 문제점은 암염의 유동으로 인한 시추 공의 협착 또는 과도한 유실로 인한 시추공의 넓어짐 그

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리고 불규칙한 응력분포와 지층압력 예측의 어려움으로 인한 지층유체의 유입 또는 이수손실의 발생이라 할 수 있다. 따라서 사전에 충분한 이수손실 치유물질과 가중 물질을 준비하여 지층 유체의 유입에 대비한 유정제어 방법을 수립하고 필요 장비의 사양 및 가용성 확인과 함 께 코일드 튜빙과 같은 특수 장비 사용에 대비해 크로스 오버 등의 연결부 호환성에 대한 확인도 요구된다. 또한 암염층 하부구간의 이수 손실 발생 가능성을 최소화 시 키거나 발생 시 효율적인 대처를 위해 암염층을 벗어나 기 위한 굴착 절차를 수립할 필요가 있다. 2단계 시멘팅 은 1단계 시멘팅이 불가한 경우가 아니라면 위험성 및 비용효율적인 측면에서 실행 여부에 대해 충분한 사전 논의가 필요하며 시멘트의 부피 계산 시 유실량을 고려 하여 충분한 초과량(Excess Volume)을 주입하는 것이 안정적이다.

시추작업 운영상의 관점에서 몇 가지 염두에 두어야 할 사항은 카자흐스탄 정부의 석유개발 관련, 환경 및 안 전 법규와 기후이다. 시추암편 및 이수를 전량 정부지정 장소를 통해 폐기 처리해야 하므로 계획 단계에서 이에 대한 예산확보와 함께 현지 사정을 확인해둘 필요가 있 으며 유정폭발 방지장비 압력시험 시 정부지정 기관의 현장 입회 후 승인 없이는 시추 작업을 진행할 수 없으 므로 절차상 차질이 없도록 준비하여야 한다. 또한 카자 흐스탄 북부의 겨울철(1∼3월) 기온은 ‒30∼‒40℃ 이하 로 내려가므로 이 기간의 작업은 동결로 인한 작업 차질 이 발생하지 않도록 혹한에 충분히 대비해야 하며 4∼5 월은 겨울철 동안 쌓인 눈이 녹아 홍수가 발생하여 도로 의 유실 등으로 인해 보급에 큰 차질이 발생하므로 이 기간의 작업은 피하는 것이 좋다.

사 사

본 기술보고는 한국석유공사 시추운영단에서 Meridian Petroleum(카자흐스탄), GS 홀딩스, 경남기업, 금호석유 화학, 현대중공업과 공동 수행한 시추작업 결과를 토대 로 작성되었으며, 시추작업 내내 조언을 아끼지 않으셨 던 한국석유공사 카자흐스탄 사무소 류상수 법인장 이하 관련자 분들께 감사드립니다.

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2005년 2월 한국해양대학교 에너지자원 공학과 공학사

현재 한국석유공사 시추 2팀 (E-mail; [email protected])

배 재 연

1993년 2월 한양대학교 자원공학과 공학사

현재 한국석유공사 시추운영단 시추 2팀장 (E-mail; [email protected])

장 광 훈

1978년 2월 서울대학교 자원공학과 공학사

현재 한국석유공사 시추운영단장 (E-mail; [email protected])

2002년 2월 인하대학교 자원공학과 공학사

현재 한국석유공사 시추 1팀 (E-mail; [email protected])

이 준 석