26 Received: Feb. 6, 2017
Revised: Feb. 20, 2017 Accepted: Feb. 23, 2017
*Corresponding Author: Dae Sung Lee Tel) +82512007770, Fax) +82512007771 E-Mail) [email protected]
Department of Energy and Mineral Resources Engineering, Dong-A University, Busan, Korea
Measurement of Rock Permeability Considering In-situ Stress Conditions
Jaewon Kim, Junhyung Choi, Keumbong Choe, Sumin Sim, Dae Sung Lee*
Abstract In this study, bedding rock permeability was measured using Berea sandstones with three different beddings.
The fracture permeability was also measured using tight sandstone with two different fracture regimes considering in-situ stress conditions. The Berea sandstone with vertical, horizontal and non-bedding was used to analyze evolution of permeability upon in-situ stress conditions. In order to describe applied effective stress around rock in underground, the triaxial pressure cell & hydrostatic pressure cell was designed and permeability experiments were performed with controlled axial and confining pressures. The measurement of permeability was conducted by increasing and decreasing effective stress. The permeability of non-bedding rock sample is the most sensitive to applied stress conditions and fracture permeability of tight sandstone increases with fracture treatment with proppant.
Key words bedding rock permeability, fracture permeability, in-situ stress, proppant
초 록 본 연구는 유·가스 저류층의 암석 투과도 분석을 위해 다양한 층리를 가진 암석과 치밀사암(tight sandstone) 을 이용하여 실제 현장의 응력조건을 고려한 암석 투과도를 연구하였다. 다양한 층리를 고려하기 위하여 수평/수 직 층리(horizontal & vertical bedding) 및 층리가 존재하지 않는(non-bedding) 암석 시료를 사용하였으며, 균열이 존재하는 저류층의 암석 투과도를 연구하고자 인공균열을 생성시킨 치밀사암을 사용하였다. 실제 심도에서 암석 이 받는 유효응력(effective stress)을 암석 투과도 실험에 구현하기 위해 삼축 압력셀을 이용하여 심도별 암석 투과도 실험을 수행하였다. 암석 시료에 가해지는 유효응력 및 공극압으로 구분하여 응력조건을 고려하였다.
실험은 두 가지 형태의 응력 해방조건을 고려하여 실시하였다. 또한 암석 투과도 개선을 위한 균열 지지제 (proppant)를 주입해 응력조건별 균열 암석 투과도 변화 양상을 분석하였다. 실험결과, 층리 암석투과도에서는 층리가 존재하지 않는 암석 시료가 응력에 가장 민감하게 반응하였으며, 균열 암석 투과도에서는 균열 지지제 주입 유무에 따라 암석 투과도 값이 크게 달라지는 것을 확인 할 수 있었다.
핵심어 층리 암석 투과도, 균열 암석 투과도, 현장 응력, 균열 지지제
1. 서 론
유･가스전 저류층에 존재하는 이방성은 층리에 의한 영향이 크며 수리적 물성에도 영향을 준다(Yang et al., 2013). 저류층의 주변 응력이 증가하게 되면 암석 내 입
자들의 물리적 변화로 인해 암석이 가지는 수리적 물성 또한 변하게 된다. 본 연구에서는 암석의 수리 이방성, 균열 암석의 투과도, 균열 지지제의 투과도 영향을 파 악하고자 층리를 가지는 암석, 인공균열을 포함한 암석 그리고 균열 지지제를 이용하여 투과도를 연구하였다.
해외에서는 석탄 저류층의 암석 투과도와 현장 응력 및 심도의 상관관계를 연구하였으며(Meng et al, 2011), 유･가스전 저류층의 압력조건으로 암석 투과도를 연구 한 사례(Franquet Barbara, 2004)와 수평방향의 응력을 조절하여 연구한 사례(Khan et al., 2000)가 있으며, 암 석 시료를 큐브(cube)형태로 제작하여 세 방향에 따른 암석 투과도를 연구한 사례(Donald et al., 1963)도 있
과도에 어떠한 영향을 미치는지 연구하고자 하였다. Chae et al. (2003)는 자연균열이 존재하는 화강암을 이용하여 응력에 따른 암석 투과도 연구를 진행하였으며, Parsons (1965)는 다공질 암석에서 균열에 따른 암석 투과도를 연구하였다. 원심형 스테인리스 스틸을 이용하여 만든 인공균열코어로 암석 투과도를 연구한 사례(Kim et al., 2001)도 있다. 이를 토대로 선행연구와 같이 균열이 존 재하는 암석 시료를 이용하여 주변 응력의 영향으로 균 열의 닫힘 현상이 암석 투과도에 미치는 영향을 분석하 고자 하였으며, 균열 지지제를 이용하여 암석 투과도 측정 시 균열 지지제의 유무가 균열 암석의 투과도에 미치는 영향에 대해 연구하고자 하였다.
또한, 본 연구에서는 자연균열이 존재하지 않은 무결 암을 사용하였으며, 균열 암석 시료의 경우 실험실에서 인위적으로 절단 및 인장파괴를 통해 제작하여 균열 암 석 투과도 실험을 실시하였다.
또한, 암석이 존재하는 실제 심도의 응력을 모사하기 위한 응력조건과 응력에 따른 균열의 닫힘 현상으로 인한 암석 투과도의 변화 실험이 가능하도록 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치를 설계 및 제작하였으며, 실제 암 석 투과도 값에 매우 가깝게 측정 할 수 있도록 하였다.
2. 이론적 배경
2.1 심도에 따른 암석 투과도 변화
심도에 따른 지층응력은 공극이 존재하는 다공성 암 석을 변형 및 파괴시켜 그에 따라 암석의 수리적 물성 이 변할 수 있으며(Jo et al., 2008), 특히 암석 투과도에 직･간접적으로 영향을 끼친다(Zhang et al., 2007).
Kozeny-Carman은 암석의 절대 투과도는 암석의 공 극률과 입자 크기 등과 선형적인 비례관계가 있는 것을 밝혀냈다(Dvorkin, 2009). 또한, 심도가 깊어질수록 지 층이 받는 주변 응력의 증가(Choi et al., 2004)로 인해 암석 내 입자들은 다짐현상(compaction)을 받아 공극률 이 감소하게 된다(Ramm, 1992; Yasuhara et al., 2008).
또한, 응력 재분포에 따라 암반에 변형이 생겨 암석 투 과도가 변할 수 있다(Yoon, 2003). 이를 바탕으로 암석 투과도는 심도가 깊어질수록 그 값이 감소한다는 것을 알 수 있다
쇄와 같은 다양한 저류층 자극(stimulation)을 통해 인 위적으로 생성되는 균열이 있다. 이러한 균열이 존재하 는 암석의 투과도는 저류층 주변에 작용하는 다양한 응 력 크기에 따라 큰 영향을 받는다(Hui-Hai et al., 2009).
본 연구에서는 응력 증가에 따른 암석 균열의 닫힘이 암석 투과도에 미치는 영향을 분석하기 위해 응력조건 에 따른 암석 투과도 변화 양상을 균열 암석 및 균열 지지제(proppant) 등을 이용하여 분석하였다.
3. 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치 석유가스 개발 및 CO2지중저장을 위한 저류층 암석 의 경우 암석 내 유체를 통과시킬 수 있는 매체의 능력 을 나타내는 암석 투과도가 중요한 지표가 되고 이러한 암석 투과도는 주입되는 유체의 유량과 압력차를 이용 하여 측정 할 수 있다. 이와 같은 암석 투과도 측정에 있어서 일반적인 암석의 경우 투과도가 10-3mD 이상 이면 정상유동(steady state)법을 이용하여 암석 투과도 를 측정할 수 있으나, 이보다 낮은 암석 투과도(10-3mD 이하)를 지닌 치밀사암, 셰일, 치밀 탄산염암의 경우는 상기 방법을 통한 암석 투과도 측정방법이 용이하지 않 아 비정상유동 (unsteady state) 투과도 측정법인 압력 펄스감소(pressure pulse-decay)법과 같은 실험을 통한 측정이 필요하다(Yu et al., 2016).
본 연구에서는 상위에서 제시한 문제점들을 해결하기 위해 실제 깊은 심도의 현장 응력조건을 모사하여 암석 투과도를 측정 할 수 있으며, 삼축 압력셀과 제어판으 로 구성된 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치를 설계 및 제작하였다. 이 측정 장치를 이용하여 일정한 온도와 삼축압축 조건의 암석 투과도 측정을 통해 심도 별 암석 투과도 변화 양상을 분석 할 수 있도록 하였다.
암석 시료에 가해지는 축응력(axial force) 및 구속압 (confining pressure)을 나타내는 압력계와 주입유체가 지나가는 주입부와 배출부의 튜빙(tubing) 내부에 온도 센서를 설치하고, 이를 실시간 데이터 기록장치에 연결 하여 압력 및 온도를 실시간으로 측정 및 저장이 가능 하도록 제작하였다(Fig. 1).
본 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치의 신뢰성 검증을 위해 주입유체가 가스인 경우 가스 유량계(mass
Fig. 1. The isothermal and triaxial pressure conditioned rock permeability measurement system
Fig. 2. Schematic of experimental apparatus using triaxial pressure cell
Fig. 3. The end-pieces with screen(250μm) for holding rock plug sample in hydrostatic pressure cell flow controller)와 가스 유량측정기(wet gasmeter)를
통해 보정하였으며, 물인 경우 정량･정압 펌프와 저울 로 유량을 보정하였다. 각 장비들의 오차범위를 고려하 여 측정범위를 설정하였다. 이러한 보정 및 장비의 오 차범위를 고려하여 선행 연구에서 측정된 표준 암석 시 료의 투과도를 측정한 결과, 선행 연구에서 측정값과 동일한 값으로 측정되었다.
3.1 삼축 압력셀
삼축 압력셀은 축응력과 구속압을 개별적으로 조절이 가능하며 암석시료를 장착하여 측면에서 구속압을 가
하는 부분과 독립적으로 축응력을 수직으로 가할 수 있 는 부분으로 구성되어 있다.
압력셀 내부는 암석 시료를 고정하고 유체가 주입될 수 있는 엔드피스(end-piece)로 구성되어있다. 직경･길 이의 비가 1:2인 원기둥 형태로 제작한 암석 시료(직경 2.54 cm, 3.00 cm)를 열 수축튜브를 이용하여 엔드피스 와 고정시킨 뒤 압력셀에 체결한다(Fig. 2).
3.2 정수압 압력셀(hydrostatic pressure cell)
본 연구에서는 암석 시료를 축응력을 가하며 유체를 흘려보내는 일반적인 엔드피스와 다양한 크기의 스크 린(screen)이 장착 가능한 엔드피스(Fig. 3)를 사용하여 균열 암석 투과도 실험이 가능하도록 정수압 압력셀을 설계 및 제작하였다.
정수압 압력셀은 Fig. 4와 같이 설계되어, 암석 시료 에 구속압을 가할 경우, 좌우로 이동 가능한 엔드피스 가 구속압과 동일한 축응력을 가하기 때문에 정수압 조 건을 구현 할 수 있으며, 동시에 유체를 주입하여 암석 투과도 및 균열 암석 투과도 측정이 가능하다.
또한, 응력에 따른 암석의 변형이나 균열의 변화를 확
Fig. 4. Schematic of experimental apparatus using hydrostatic pressure cell
Fig. 5. Schematic of isothermal and triaxial pressure conditioned rock permeability measurement system
인 할 수 있도록 CT 스캐너 촬영이 가능하도록 고강도 열처리 알루미늄 함금으로 정수압 압력셀을 제작하였다.
3.3 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 시스템 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치는 삼축 압 력셀을 바탕으로 설계 및 제작하였다. 등온 및 삼축압 축 암석 투과도 측정 시스템은 암석 시료가 체결되는 압력셀부, 암석에 축응력을 가하는 축응력부, 유체를 주 입하는 주입부, 암석에 구속압을 가하는 구속압 주입부, 유체가 암석을 통과하여 나오는 배출부로 구성되어있 다(Fig. 5).
주입부는 주입유체를 삼축 압력셀 내부에 주입하는 부분으로 물탱크 및 가스탱크가 각각 연결되어 물을 주 입하는 정량·정압펌프(isco pump), 가스를 주입하는 가 스 유량계 및 주입 유체 역류 방지를 위한 체크밸브(check valve)로 구성되어 있다.
구속압 주입부는 삼축 압력셀 내부의 압력을 조절하 는 장치부로 최대 61 MPa의 압력까지 가할 수 있는 핸 드펌프(hand pump)를 사용하였으나 구속압 주입부 압 력측정기 최대허용 압력을 고려하여 암석 외부에 20 MPa까지 구속압을 가할 수 있게 하였다.
배출부는 암석을 통과하여 나오는 유체를 외부로 배 출시키는 장치로써 역 압력조절기(back pressure regulator) 와 가스 유량측정기, 저울(balance)로 구성되어있다. 최 대 17 MPa까지 조절 가능한 역 압력조절기를 장착하여 시료 내부를 통과하는 유체의 압력을 조절 할 수 있으며, 가스 유량계와 저울을 장착하여 배출되는 유체의 유량 을 측정 할 수 있도록 하였다.
주입부 및 배출부에서의 유체 유동 시 온도에 따른 유체 점성도 변화를 최소화하기 위해 항온항습기와 외 부 온도조절기기를 이용하여 현장 심도 조건에 맞는 온 도를 조절 및 유지 할 수 있도록 설계하였다. 압력측정
Fig. 6. The Berea sandstones with beddings
Fig. 7. Two different applying stress conditions (a) repeated loading condition and (b) continuous loading condition
기는 암석 투과도 값이 최소 약 0.01 mD(milli-darcy)에 서 최대 약 40 D(darcy)까지 측정 가능하도록 측정 오 차범위가 0.02 %이며 측정압력 범위가 다른 두 종류 (0.7 MPa, 20 MPa)의 압력계를 설치하였다. 주입부·배 출부에서 측정된 주입유체의 온도, 압력과 유량을 확인 및 저장 가능하며 실시간으로 데이터가 기록되는 실시 간 데이터 기록 장치(data logger)를 장착하였다.
등온 및 삼축 압축 암석 투과도 측정 장치는 삼축 압 력셀에 국한되지 않고 삼축 압력셀이 아닌 다른 압력셀 을 이용하더라도 암석 투과도 측정이 가능하도록 압력 셀 연결부에 고압 퀵 커넥터를 설치하였다.
또한, 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치는 삼 축압축 조건하에 실험이 가능하기 때문에 실제 현장의 응력조건을 고려하여 암석 투과도 측정이 가능하다.
4. 층리 암석 투과도 4.1 층리 암석 시료
현장 응력조건에 따른 암석 투과도 변화를 연구하기 위하여 선정한 암석 시료는 암석 투과도 값이 약 50～
150 mD 사이인 미국 베레아 사암(Berea sandstone)을 실험 암석 시료로 선정하였다. 암석의 이방성에 따른 암 석 투과도 변화 양상을 확인하기 위하여 수직 층리, 수 평 층리, 층리가 없는 균질한 세 가지 암석 시료를 선정 하였다(Fig. 6).
4.2 층리 암석 투과도 측정
현장 응력조건은 1 km 이내의 응력조건을 고려하기 위하여 3 MPa～17 MPa로 산정하였다. 산정한 응력조
건은 이전에 언급한 삼축 압력셀을 이용하여 암석 시료 측면에서 가하는 구속압과 수직방향으로 가하는 축응 력으로 응력조건을 모사하였다.
실험은 두 가지 형태의 응력 해방조건을 고려하여 실 시하였다. 첫 번째 실험은 반복 응력 재하 실험(repeated loading condition)으로써 3 MPa부터 17 MPa까지 응력 을 1 MPa씩 순차적으로 증가시키며 암석 투과도를 측 정하고, 이후 가해진 전체응력을 해방시킨 뒤 동일한 조건으로 반복하여 암석 투과도 측정 실험을 하였다 (Fig. 7(a)).
두 번째 실험은 연속적 응력 재하 및 제하 실험(continuous loading condition)으로써 첫 번째 실험과 동일한 조건 으로 응력을 증가시키며 암석 투과도를 측정하고, 마지 막 응력조건인 17 MPa까지 가해진 전체응력을 일시에 해방시키지 않고 단계별로 응력을 역으로 감소시키면 서 암석 투과도를 측정하였다(Fig. 7(b)).
두 가지 실험 방법 중 첫 번째 실험 조건은 암석 시료 의 투과도를 반복적으로 측정하여 응력조건에 따른 암 석 투과도의 변화양상을 분석하고자 하였으며, 두 번째 실험 조건에서는 실제 저류층 압력변화에 따른 암석 투 과도 변화에 대해 연구하고자 하였다.
4.3 측정 결과
Fig. 8(a)은 반복 응력 재하 실험으로 수직 층리를 가 지는 암석 시료의 투과도 측정 결과 값이다. 첫 번째 암 석 투과도 측정값은 응력조건 3 MPa에 비해 17 MPa 조건에서 암석 투과도가 약 33% 감소된 측정값을 보였 으며, 두 번째, 세 번째 측정값은 각각 20%, 11% 감소 하는 경향을 보였다.
수평 층리의 암석 투과도 결과 값(Fig. 8(b))에서도 3 MPa의 응력조건 대비 17 MPa 조건하에서의 투과도 감소율이 각각 56%, 34%, 28% 감소하는 일정한 감소 경향을 확인할 수 있었다.
Fig. 8. Evolution of permeability with repeated loading condition
Fig. 9. Evolution of permeability with continuous loading condition
층리가 없는 균질한 암석 시료의 측정 값(Fig. 8(c))은 3 MPa 응력조건 대비 17 MPa 응력조건에서 암석 투과 도 감소 경향이 첫 번째 측정값에서 72% 감소하였으며, 이후 측정한 두 번째, 세 번째 측정값의 경우 감소 경향 이 없는 거의 동일한 값으로 측정되었다.
3가지 암석 시료 모두 암석 투과도 측정을 반복할수 록 첫 번째 측정값에 비해 두 번째, 세 번째 측정된 암 석 투과도 값의 감소율이 작아지는 것을 확인할 수 있 었으며, 암석 투과도 측정값은 응력이 증가할수록 감소 하는 경향을 나타내었다.
두 번째 실험방법은 반복 응력 재하 실험과 같이 3 MPa～17 MPa의 응력을 순차적으로 증가시켜 암석 투 과도를 측정하였다. 주어진 응력을 모두 해방하지 않고 역으로 1 MPa씩 감소시키며 암석 투과도를 측정하고, 다시 한 번 응력을 순차적으로 증가시키며 암석 투과도 를 측정하였다.
Fig. 9(a)은 연속적 응력 재하 및 제하 실험에서 수직 층리를 가지는 암석 시료의 투과도 값이다. 첫 번째 응 력을 증가시키며 측정한 암석 투과도 값은 응력조건 3 MPa 대비 17 MPa 조건에서 약 25% 감소하였으며, 두 번째 응력을 조금씩 해방하며 측정한 암석 투과도 값은 약 6% 감소하였다. 세 번째 해방된 응력을 다시 증가시 키며 측정한 암석 투과도 값은 약 15% 감소하였다.
Fig. 9(b)은 수평 층리를 가지는 암석 시료의 투과도 값이다. 첫 번째 암석 투과도 측정값은 응력조건 3 MPa 대비 17 MPa 조건에서 약 23% 감소하였다. 두 번째
암석 투과도 값은 약 8% 감소하였다. 세 번째 암석 투 과도 값은 약 13% 감소하였지만, 응력 조건 4 MPa～
9 MPa 조건에서의 암석 투과도 값은 두 번째 측정값보 다 오히려 더 높게 측정되었다.
층리가 없는 균질한 암석 시료의 투과도(Fig. 9(c)) 값 은 첫 번째 암석 투과도 측정값에서 응력조건 3 MPa 대비 17 MPa 조건에서 약 28% 감소하였다. 두 번째 암 석 투과도 측정값에서는 약 13% 감소하였으며, 세 번 째 암석 투과도 측정값에서는 약 11% 감소하였다.
반복 응력 재하 실험의 경우 수직 층리와 수평 층리 의 암석 투과도 값은 측정을 반복할수록 암석 투과도가 일정한 경향을 가지며 감소하였다. 층리가 없는 균질한 암석 시료의 초기 암석 투과도 측정값에서는 암석 투과 도가 크게 72% 감소하였으나 이후 암석 투과도 측정값 은 감소하지 않고 거의 동일한 값으로 측정되었다.
본 연구에서 측정한 실험 결과를 토대로 반복 응력 재하 실험에서 세 가지 암석 시료의 투과도 값은 첫 번 째 암석 투과도 값의 감소율이 가장 큰 것으로 확인 할 수 있었다. 이를 바탕으로 층리 암석 시료와 층리가 없 는 균질한 암석 시료 중에서 응력에 가장 민감하게 반 응하고, 암석 투과도가 가장 크게 감소하는 암석 시료는 층리가 없는 균질한 암석 시료로 확인되었다(Fig. 10).
연속적 응력 재하 및 제하 실험에서도 첫 번째 암석 투과도 값의 감소율이 가장 큰 것으로 확인하였다. 수 직 층리는 25%, 수평 층리는 23%, 층리가 없는 균질한 암석 시료는 28%씩 감소하였으며, 두 번째 암석 투과
Fig. 10. The evolution of first permeability measurement with repeated loading condition
Fig. 11. Rock core sample preparaton (a) semicircular saw cutting, (b) tensile fracture using Brazilian test, (c) coring with semicircular cut sample
도 값과 세 번째 암석 투과도 값은 최소 6%, 최대 15%
의 감소율을 보였다. 이는 반복 응력 재하 실험과는 달 리 암석 시료에 가하였던 응력을 모두 해방하지 않고 단계적으로 응력을 해방하여 암석 투과도를 측정하였 기 때문에 응력을 받은 암석 시료의 공극 및 암석 입자 들이 원래 크기대로 회복하지 못해 위 반복 응력 재하 실험과 다른 결과 값이 측정되었다.
반복 응력 재하 실험결과와 연속적 응력 재하 및 제 하 실험결과에서 암석 투과도 값은 응력이 증가할수록
5. 균열 암석 투과도
5.1 균열 암석 시료 및 균열 지지제
현장 응력조건을 고려한 균열 암석 투과도를 측정하 기 위하여 공극률 약 1%이며 암석 투과도 값이 매우 낮은(10-3mD 이하) 치밀사암을 선정하였다. 선정한 암 석시료를 인공 균열 암석 시료로 제작하기 위하여 2가 지 성형방법으로 균열 암석 시료로 성형하였다.
첫 번째 성형방법은 암석 절단기(cutting machine)를 이용하여 암석 시료를 수직방향으로 절단(Fig. 11(a))한 다음, 원형 형태의 형상을 유지하기 위해 절단된 두 암 석을 석고 틀로 고정하여 2차 코어링을 실시하였다(Fig.
11(c)). 석고로 고정시킨 암석 시료는 절단면이 중앙에
Fig. 12. Ceramic type proppant (20/40 mesh)
Fig. 13. Two different artificial fractured core samples (a) semicircular saw cut sample and (b) tensile fractured core sample
위치하도록 코어링기에 고정시킨 뒤 내경이 3.81 cm인 코어 비트를 이용하여 다시 코어링하고 단면적을 연마 하였다.
두 번째 성형방법은 인장파괴를 이용하여 자연 균열 과 흡사한 균열 암석 시료를 제작하는 방법이다. 인장 파괴를 이용한 균열을 만들기 위하여 일축압축 강도 시 험기에 암석 시료를 세로로 고정시킨 뒤, 시료 길이 전 체에 균일한 압축응력이 가해질 수 있도록 고정시켜 파 괴하였다(Fig. 11(b)). 원기둥 형태의의 암석 시료를 만 들기 위한 석고 틀 코어링 방법은 첫 번째 성형방법과 동일한 과정을 거쳐 성형하였다.
균열 지지제를 이용한 균열 암석 투과도 측정을 위하 여 사용한 균열 지지제는 20/40 mesh(420 ㎛～840 ㎛) 의 세라믹 균열 지지제(Fig. 12)로 14 MPa의 닫힘 압력 조건에서 약 570 D의 투과도를 가지는 균열 지지제이다.
상위의 2가지 성형방법으로 제작한 암석 시료(Fig. 13) 의 균열 암석 투과도와 균열 지지제가 주입된 균열 암 석 투과도를 측정하였다.
5.2 균열 암석 투과도 측정
균열 암석 투과도를 측정하기 위해 실험에 적용한 응
력조건은 약 3 MPa～15 MPa이며, 균열의 닫힘 현상을 더욱 자세하게 관찰하기 위해 응력을 1 MPa씩 단계적 으로 가압하면서 암석 투과도를 측정하였다.
균열 암석 투과도 실험방법은 주입유체를 일정한 압 력으로 주입하는 정압(constant pressure) 실험으로 진 행하였으며 등온 및 삼축압축 암석 투과도 측정 장치와 정수압 압력셀을 사용하였다. 정량·정압 펌프로 주입유 체의 압력을 조절하며 주입하였으며 유체를 주입하는 펌프의 유량, 암석을 통과해 나오는 배출부에서 측정한 유량을 이용하여 암석 투과도 측정하였다.
균열 암석 투과도 측정을 위한 균열 지지제의 주입은, 먼저 균열 암석 시료의 한쪽 단면을 V블럭 위에 올린 다음 균열 지지제가 안정적으로 안착할 수 있도록 물로 적셔주었다. 젖은 균열 암석 시료 단면에 균열 지지제 를 안착시킨 후 나머지 균열 암석 시료 단면으로 덮어 주었다. 암석 시료와 균열 지지제를 고정시키기 위하여 물과 반응하지 않는 테프론 테이프(teflon tape)로 감싸 준 다음 정수압 압력셀에 장착하였다. 또한, 암석 투과 도 측정 시 균열 지지제의 유실 방지를 위하여 엔드피 스에 스크린(screen)을 설치하였다(Fig. 14). 본 연구에 서 사용한 스크린의 경우 실제 완결(completion) 현장
Fig. 14. Proppant placement in tensile fractured core sample and end-piece with screens.
Fig. 15. Rock surface after fracture permeability tests
에 사용되는 스크린과 같은 크기(250 ㎛)의 스크린을 사용하였다.
균열 암석 투과도 실험은 층리가 존재하는 암석을 이 용한 투과도 실험 방법과 동일한 방법인 반복 응력 재 하 실험, 연속적 응력 재하 및 제하 실험 방법으로 암석 투과도를 측정하였다.
균열 지지제를 주입한 균열 암석 투과도에서 균열 지 지제의 주입은 저류층 자극 후 주변의 지층 닫힘 응력 으로 인해 균열이 닫히지 않도록 하는 것이 목적이기 때문에 연속적 응력 재하 및 제하 실험은 균열 지지제 주입의 목적에 부합하지 않는다고 판단하여 반복 응력 재하 실험만을 진행하여 균열 암석 투과도 변화 양상을
관찰하였다.
균열 지지제를 주입한 균열 암석 투과도 측정 후, 압 력셀에서 분리한 균열 암석 시료의 균열 지지제는 유체 의 유동으로 인해 균열 지지제가 가장자리로 퍼져나간 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 15). 또한, 구속압과 축응 력에 의해 소량 파괴 된 것을 확인 할 수 있었으며, 암 석 시료 단면에 균열 지지제의 흔적이 남아있었다.(Fig.
15, 16). 이는 균열 지지제가 이동하지 않고 완전히 자 리를 잡아(embedment), 구속압으로 인해 균열이 닫히 지 않도록 균열부를 지지하였기 때문에 이러한 흔적이 나온 것으로 판단하였다.
5.3 측정결과
Fig. 17(a)은 절단(saw cut) 균열 암석 시료의 투과도 결과 값이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 암석 투과도 측 정값은 응력조건 3 MPa 대비 15 MPa에서 약 50% 감 소하는 경향을 보였다.
두 번째 암석 투과도 값은 첫 번째 암석 투과도 값 대비 평균 암석 투과도가 약 11% 감소하였으며, 세 번 째 암석 투과도 값 대비 두 번째 암석 투과도 값은 약 19% 감소하였다.
인장파괴 균열 암석 시료의 투과도(Fig. 17(b))는 첫 번째 암석 투과도 값은 응력조건 3 MPa 대비 15 MPa 조건에서 약 97% 감소하였으며, 두 번째, 세 번째 암석 투과도 값은 각각 87%, 85% 감소하였다.
두 번째 암석 투과도 값은 첫 번째 암석 투과도 값 대비 평균 암석 투과도가 약 80% 감소하였으며, 세 번 째 암석 투과도 값 대비 두 번째 암석 투과도 값은 약 30% 감소하였다.
Fig. 16. Inside view of hydrostatic pressure cell after fracture permeability tests
Fig. 17. The evolution of fracture permeability without proppant in repeated loading condition
Fig. 18. The evolution of fracture permeability without proppant in continuous loading condition
Fig. 18(a)은 연속적 응력 재하 및 제하 실험방법으로 측정한 절단 균열 암석 시료의 암석 투과도 값이다. 첫 번째 응력을 증가시키며 측정한 암석 투과도 값은 응력 조건 3 MPa 대비 15 MPa 조건에서 약 61%가량 감소 하였다. 두 번째 응력을 해방하며 측정한 암석 투과도 값은 약 8% 감소하였다. 세 번째 다시 응력을 증가시키 며 측정한 암석 투과도 값은 약 50% 감소하였다.
두 번째 평균 암석 투과도 값은 첫 번째 암석 투과도 값에 비해 약 45% 감소하였으며, 세 번째 평균 암석 투 과도 값은 두 번째 측정값에 비해 약 18% 감소하였다
Fig. 18(b)는 연속적 응력 재하 및 제하 실험방법으로 측정한 인장파괴 균열 암석 시료의 투과도 값이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 암석 투과도 측정값은 응력조건 3 MPa 대비 15 MPa 조건에서 각각 71%, 43%, 71%
감소하였다.
균열 성형 방법이 다른 두 종류의 암석 시료의 투과 도 값은 최소 3배에서 최대 100배 정도 절단 균열 암석 투과도가 더 크게 측정되었다. 이는 절단 균열 암석 시 료는 절단된 단면이 매끈하며, 인장파괴 균열 암석 시 료는 균열 단면이 불규칙하기 때문에 균열 단면의 거칠
Fig. 19. The evolution of fracture permeability with proppant in repeated loading condition
기에 따라 유체 유동에 필요한 균열 내 유체이동 경로 의 차이 때문이라고 판단하였다.
Fig. 19(a)는 균열 지지제를 주입한 절단 균열 암석 시료의 투과도 값이다. 응력조건 3 MPa 대비 15 MPa 조건에서 암석 투과도가 그래프 상에서는 매우 큰 폭으 로 감소 한 것으로 보이지만 실제 수치상으로는 첫 번 째 암석 투과도 값은 3% 감소하였으며, 두 번째, 세 번 째 암석 투과도 값은 감소하지 않았다.
Fig. 19(b)은 균열 지지제를 주입한 인장파괴 균열 암 석 시료의 투과도 값이다. 첫 번째와 세 번째 암석 투과 도 측정값은 각각 2%, 1% 감소하였지만, 두 번째 암석 투과도 값은 오히려 3% 증가하였다.
실험 결과를 토대로 두 종류 암석 균열시료의 균열 지 지제 주입에 따른 암석 투과도 감소 경향은 거의 동일하 게 나타났다. 암석 투과도 측정 후, 암석 시료의 단면과 균열 지지제 상태(Fig. 15, 16)를 바탕으로 첫 번째 암석 투과도 값은 암석 시료에 가해지는 응력으로 인해 소량의 균열 지지제가 부서지면서 위치 재분배(redistribution)되 어 암석 투과도가 감소한 것으로 판단하였으며, 두 번째, 세 번째 암석 투과도 측정값은 균열 지지제의 재분배가 완료되어 완전히 자리를 잡았기 때문에(embedment) 암 석 투과도가 거의 일정하게 측정된 것으로 판단하였다.
균열 지지제를 주입한 균열 암석 투과도 값으로 균열 이 존재하는 암석에 균열 지지제를 주입할 경우에는 응 력을 증가시키더라도 암석 투과도 값은 1～2% 정도만 감소하는 것을 확인하였다.
실제 현장에서는 균열 저류층의 응력조건을 감안하여 균열 지지제를 주입한다면 암석 투과도 값은 응력에 작 은 영향을 받을 것으로 판단하였다.
6. 결 론
본 연구는 다양한 유·가스전 저류층 암석 투과도와 응
력과의 상관관계 분석을 위해 실제 현장 응력을 모사하 고, 층리를 가지는 이방성 사암, 인공균열이 존재하는 치밀사암, 균열 지지제를 주입한 균열 치밀사암 등을 이 용하여 암석 투과도 및 균열 암석 투과도를 측정하였다.
암석이 존재하는 실제 심도의 응력조건을 모사하기 위하여 축응력과 구속압을 가할 수 있는 압력셀을 이용 하였다. 압력셀 내 공극압이 존재하지 않다는 가정하에 암석 시료의 축방향으로 응력을 가하는 축응력과 측면 에서 응력을 가하는 구속압만을 이용하여 정수압 응력 조건을 모사하였다.
층리 방향에 따른 암석 투과도 변화를 분석하기 위하 여 수직 및 수평 방향 층리를 가지는 베레아 사암을 심 도별 응력조건에 따른 암석 투과도 변화를 측정하였다.
또한 균열이 존재하는 치밀 암석의 균열 양상에 따른 암석 투과도 변화를 분석하기 위해 균열 암석 투과도와 균열 지지제가 주입된 이후의 균열 암석 투과도 변화를 분석하였다.
층리가 존재하는 베레아 사암과 층리가 존재하지 않 는 베레아 사암을 이용하여 암석 투과도 실험을 진행한 결과, 반복 응력 재하 실험의 경우 모든 암석시료의 첫 번째 암석 투과도 값 중 응력조건 3 MPa대비 17 MPa 에서 가장 크게 감소하였으며, 수직 층리, 수평 층리, 및 균질한 암석 시료의 투과도 감소율은 각 각 33%, 56%, 72%로 층리가 없는 균질한 암석 시료의 투과도가 가장 큰 폭으로 감소하였다.
연속적 응력 재하 및 제하 실험에서는 수직 층리, 수 평 층리 및 균질한 암석 시료의 첫 번째 암석투과도 값 에서 응력조건 3 MPa대비 17 MPa에서 각각 25%, 23%, 28%로 층리가 없는 균질한 암석 시료가 가장 크게 투 과도가 감소하였다.
두 가지 다른 응력조건 실험 중 실제 현장성이 더 큰 실험 방법인 연속적 응력 재하 및 제하 실험을 토대로 층리가 없는 균질한 암석 시료가 응력에 가장 민감하게
도 값으로 회복되지 않는 것을 두 가지 응력조건 실험 을 통해 판단하였다.
균열 암석의 경우 암석 투과도가 매우 낮은 치밀 사 암을 선정하여 암석 절단기로 인공 균열을 만들어 균열 단면이 매끈한 암석 시료와 인장파괴로 균열을 내어 균 열 단면이 거친 암석 시료의 암석 투과도를 측정하였다.
그 결과 두 가지 암석 시료는 반복 응력 재하 실험에서 암석 투과도 값이 각 각 0.4 mD, 0.02 mD로 약 20배가 량 차이가 났으며, 연속적 응력 재하 및 제하 실험에서 는 각 각 0.3 mD, 0.004 mD로 약 100배가량 균열 단면 이 거친 암석 시료의 균열 투과도 값이 매우 낮게 측정 이 되었다. 이러한 암석 투과도 값의 차이는 균열 단면 의 거칠기에 따른 유체 유동에 필요한 균열 내 유체이 동 경로의 차이 때문이라고 판단하였다.
균열 지지제를 주입한 균열 암석 투과도 실험에서는 균열 단면이 매끈한 암석시료 및 거친 암석시료 모두 약 1,350 mD정도로 높게 측정되었다. 이는 균열 내 주 입된 균열 지지제가 높은 응력에 따른 균열 닫힘을 줄 여 균열 암석 투과도를 높이 유지하였다. 처음 반복 응 력 재하 실험에서 약 2%～3%가량 암석 투과도 값이 감소하였으며, 이후 반복적으로 응력을 가한 측정구간 에서는 암석 투과도 값이 거의 변화가 없이 동일한 수 준의 값으로 측정되었다. 초기 측정구간에서 암석 투과 도가 다소 감소하는 이유는 균열 지지제가 응력을 받아 균열 내부에서 파괴되거나 이동하는 위치 재분배(re- distribution)과정에서 암석 투과도 값이 다소 감소한 것 으로 판단하였으며, 이후 측정값들은 균열 지지제의 위 치 재분배과정이 완료되어 암석 투과도 값들이 거의 일 정하게 측정된 것으로 판단하였다.
본 연구에서 측정한 응력조건에 따른 암석 투과도 및 균열 암석 투과도 측정 결과를 바탕으로 추후에 층리가 존재하는 암석과 균열 암석의 투과도를 측정 할 경우 온도 및 응력조건 등을 증가시켜 장기적으로 실험을 진 행한다면 암석 시료와 균열 지지제의 화학적 변화와 상 관관계 등을 도출하여 실제 층리를 가지는 이방성 저류 층이나 셰일 및 탄산염암 저류층에서 수압파쇄와 같은 자극 이후 현장 암석 투과도 변화로 인한 생산성 증진 연구에 활용 될 수 있을 것으로 사료된다.
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김 재 원
2015년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학사
2017년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학석사
Tel: 051-200-5584
E-mail: [email protected] 현재 ㈜동아지질
최 금 봉
2016년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학사
Tel: 051-200-5584
E-mail: [email protected] 현재 동아대학교 에너지·자원공학과 석사 과정
이 대 성
1998년 동아대학교 에너지·자원공학과
공학사
2001년 Pennsylvania State University 자원공학과 공학석사
2006년 Pennsylvania State University 자원공학과 공학박사
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현재 동아대학교 에너지·자원공학과 부 교수
최 준 형
2012년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학사
2014년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학석사
Tel: 051-200-5584 E-mail: [email protected] 현재 동아대학교 에너지·자원공학과 박사 과정
심 수 민
2016년 동아대학교 에너지·자자원공학과 공학사
Tel: 051-200-5584
E-mail: [email protected] 현재 동아대학교 에너지·자원공학과 석사 과정
