약한 층리면이 발달된 셰일층의 방향성 시추공의 안정성 분석
윤재필1)· 김현태2)* · 박희원3)
A Stability Analysis of Directional Drilling on the Shales with Weak Bedding Planes
Jae Pil Yoon, Hyun Tae Kim
*and Hee Won Park
Abstract : In this paper, directional wellbore stability analysis is carried out for the shales in which weak bedding planes are developed. Shale layers in Northeastern British Columbia area has been selected for the wellbore stability analysis due to well-known geological and geomechanical properties. In the case of shale layer with weak bedding planes, it was found that breakouts around the wellbore developed asymmetrically. It was also found that wellbore is more stable with the trajectory almost perpendicular to the weak bedding planes. In this case, less mud weight can be applied to achieve more stable directional wellbore with this trajectory. It is expected that the methodologies and results in this paper can be beneficial to wellbore stability analyses for shale layers with similar geological and geomechanical setting to this research area.
Key words : Weak bedding planes, Shales, directional wellbore stability, drilling trajectory, Mud weight 요 약 : 본 연구에서는 약한 층리면이 발달된 셰일층에서 방향성 시추시 발생할 수 있는 안정성 문제를 분석하 였다. 분석을 위해 대체로 지질학적 특성과 암석역학적 자료가 잘 알려진 캐나다 북동 브리티시 콜롬비아 지역의 셰일층을 선택하였다. 연구 결과 약한 층리면이 발달되어 있는 셰일층의 경우에는 붕괴 시 비대칭적 붕괴가 일어나는 것을 알 수 있었다. 또한, 약한 층리면이 발달한 경우에는 시추공이 층리면에 대해 수직에 가까울수록 더욱 안정적인 것을 알 수 있었다. 이러한 경우 최적의 방향성 시추궤도의 선정은 시추이수의 비중을 높이지 않고서도 안정적 시추를 가능케 함을 알 수 있었다. 이 연구 방법 및 결과는 향후 지질학적으로 이 연구지역과 유사한 퇴적특성을 지닌 셰일층에서의 방향성 시추 안정성 평가에 활용할 수 있을 것이다.
주요어 : 약한 층리면, 셰일층, 방향성 시추 안정성, 시추궤도, 시추이수비중
2012년 12월 21일 접수, 2013년 4월 30일 심사완료 2013년 6월 13일 게재확정
1) UST 석유자원공학전공
2) 한국지질자원연구원 석유해저연구본부 3) 에너지홀딩스그룹
*Corresponding Author(김현태) E-mail; [email protected]
Address; Petroleum and marine Resources Division, Gwahang-no 124, Yuseong-gu, Daejeon 305-350, Korea
ISSN 2288-2790(Online) http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2013.50.3.329
서 론
최근 셰일·치밀 가스전 및 유전 등과 같은 비전통석유 가스전의 개발이 활성화 되면서 방향성 및 수평 시추에 대한 수요가 증가되고 있다. 방향성 시추에서 가장 중요 한 사항은 시추공 붕괴가 발생하지 않고 시추가 이루어 지도록 시추작업을 이끌어가는 것이다. 시추공이 붕괴되 어 시추파이프가 지층에 묻히게 되어 고착(stuck pipe)
상태가 되면 시추작업이 지연 된다. 시추작업의 지연은 막대한 비용을 발생하기 때문에 시추작업 전에 시추공 안정성 분석(wellbore stability analysis)을 통해 시추공 붕괴를 철저히 대비해야 한다(Gallant et al., 2007;
McLellan and Cormier, 1996; Mingxin et al., 2009;
Al-Wardy and Urdaneta, 2010).
셰일층은 시추 시 다른 암석층 보다 시추공 안정성 문 제를 더욱 야기한다. 특히 약한 층리(weak bedding plane) 로 인한 이방성이 존재하는 셰일층은 시추공의 진행 궤 도에 따라 시추공 안정성에 상당한 영향을 주므로 이를 고려한 안정성 분석 연구가 절대적으로 필요하다(Tare and Mody, 1999; Gallant et al., 2007; Zhang et al., 2006).
셰일층에 대한 시추공 안정성분석의 연구는 현재까지 지속적으로 이루어지고 있다. Aadnoy(1988)는 암석 강 연구논문
도, 물성 및 응력장의 이방성을 고려한 시추공 안정성 분 석을 실시하였고, 셰일층의 약한 층리가 거대 현장응력 의 지역화 현상을 일으킴을 언급하였다. Yi 등(2008)은 인도네시아 수마트라의 Kotabatak 유전에서의 수평정 및 경사정의 시추 안정성 분석을 실시하였으며, 적절한 궤도를 선정할 경우 이수 비중을 높이지 않고서도 시추 공 붕괴를 방지 할 수 있음을 보고하였다. Mingxin 등 (2009)은 또한 중국의 보하이 베이 지역의 사헤지에 셰 일층의 안정성 분석을 하였으며 방위각 보다는 경사각이 더 욱 시추공 안정성에 영향을 준다고 언급하였다. McLellan 과 Cormier (1996)는 셰일층에서의 방향성 시추의 안정 성 분석을 통해 약한 층리의 존재를 규명하였다. 그러나 그들의 연구에서는 안정성 문제를 해결하기 위한 개략적 인 방안은 제시하였으나, 실현가능성 있는 현실적인 방 안은 제시하지 않았다.
본 연구에서는 셰일층의 시추공 안정성 분석에 필요한 인자를 산출하는 암석역학 모델링 과정과 암석강도의 이 방성을 고려한 암석파괴조건을 규명하고 McLellan과 Cormier(1996)가 제시하지 못한 최적의 시추궤도와 적 절한 시추이수의 비중을 제시하기 위해 시추공 안정성 분석이 수행되었다. 또한 약한 층리면이 존재하는 셰일 층에서 층리면에 의한 암석강도의 이방성을 고려한 방향 정 시추궤도도 제시하고자 하였다. 이 같은 안정성 분석 을 위해 베이커휴즈사에서 개발한 상업용 소프트웨어인 GMI-SFIB를 이용하였으며, 대상 지역은 대체로 암석역 학 물성자료가 잘 알려진 캐나다 북동 브리티쉬 콜롬비 아 지역의 셰일층을 선택하였다. 연구결과의 정확성을 파악하기 위해 연구지역과 유사한 지역의 선행연구 결과 와 비교하였고, 방향성 시추가 이루어지는 지점에서의 최적 시추궤도 방향과 이수비중 값을 도출하였다. 이 연 구 결과는 향후 지질학적으로 유사한 특성을 지닌 셰일 층에서의 방향성 시추 안정성 평가에 활용할 수 있을 것 으로 판단된다.
이론적 고찰
시추공 안정성(wellbore stability)
지하 지층을 구성하는 암석은 지진이나 단층으로 인한 특별한 힘이 작용하지 않는 한, 붕괴되지 않고 현장응력 (in-situ stress)을 지탱하는 상태에서 평형을 유지하게 된 다. 그러나 시추에 의해 시추공이 생성됨으로 인해 현장 응력은 시추공벽으로 집중되고, 이는 시추공의 붕괴를 유발할 수 도 있다. 수직공을 기준으로 할 경우, Fig. 1에 서 볼 수 있는 바와 같이, 최소수평응력이 작용하는 방향 에서 시추공붕괴가 발생하고, 최대수평응력이 작용하는
방향에서 균열이 발생하게 된다(Zoback, 2008).
시추공에 집중된 응력이 시추공 벽의 암석강도를 초과 할 경우 시추공벽은 붕괴되기 시작한다. 하지만 붕괴가 시작 된 것만으로 안정성 문제가 발생하지 않는다. 붕괴 가 시작되고 붕괴의 범위(breakout width)가 일정범위 이상이 되어 붕괴된 암편들이 시추이수의 순환으로 처리 가능한 양을 초과할 경우 안정성문제가 발생하므로 이에 대한 대책이 필요하다. 수직정의 경우 붕괴의 범위가 공 둘레(총 둘레 360°)의 90° 미만, 방향정 및 수평정일 경 우 30° 미만은 안정적이라 할 수 있다(Zoback et al., 2003). 수직정의 경우, 식 (1)-(4)를 이용하여 공벽의 위 치에 따른 집중응력을 구할 수 있다.
×
cos
(1)
×
cos
(2)
sin (3)
(4)
,, 는 시추공벽에 작용하는 현장주응력을 원기둥좌표로 변환시킬 경우 시추공의 ,, 지점에 집 중된 응력들을 나타낸다. 여기서 Sv, SHmax, 그리고 Shmin
은 각각 수직응력, 최대수평응력, 그리고 최소수평응력 을 나타낸다. 는 최소수평응력방향으로부터 공벽의 위 치를 나타내며, r은 시추공 중심부터의 거리, R은 시추공 반경, Pp는 지층의 공급압, 그리고 ΔP는 시추이수압력과 공극압의 차이다. 는 지층의 온도와 이수의 온도차 이로 인하여 발생하는 응력을 나타낸다. 단, 식 (1)-(4)는 암석의 탄성계수의 이방성이 존재하는 경우를 나타내지 못하는 한계를 가지고 있으며, 탄성계수의 이방성이 존 재할 경우 시추공벽 집중응력분포에 대한 연구가 진행중 이다(Kim and Min, 2012; Amadei, 1996). 수직정의 경 우 현장응력이 작용하는 방향을 알면 붕괴지점을 쉽게
Fig. 1. Stress concentration around the wellbore and breakouts and tensile fractures (Zoback, 2008; Al-Wardy and Urdaneta, 2010).
파악할 수 있고 계산과정 또한 단순하나, 방향정 및 수평 정의 경우 궤도 축에 따라 변형된 값의 차이가 있으므로 반드시 변환과정을 거쳐야 한다. 변형된 식은 식 (5)에서 (10)과 같다. 이 식들은 시추공 안정성 분석 시뮬레이터 에서 공벽에 집중되는 응력을 산출하는 지배식으로 사용 된다.
cos sin (5)
cos sin (6)
cos sin (7)
(8)
(9)
(10)암석역학 모델링(geomechanical modeling)
암석역학 모델링(geomechanical modeling)은 안정성 분석에 필요한 인자들을 여러 기법과 현장 데이터를 통 하여 산출하는 작업이다. 이들 인자의 종류는 현장주응 력의 작용 방향과 강도, 암석강도 및 탄성계수(포아송비, 내부마찰각 등), 그리고 공극압이다. 이 인자들은 공벽에 집중되는 응력을 계산하는 데에 필수적인 인자들이다.
또한 암석강도와 공벽에 집중되는 응력은 각 암석파괴조 건에 적용되어 공벽이 파괴되는지를 알아보는데 중요한 역할을 한다. 이들 인자들의 산출작업에 대한 정밀도 및 신뢰성에 따라 안정성 분석의 결과는 달라진다. 따라서 암석역학 모델링 인자의 산출은 산출오차의 범위를 줄이 는 게 중요하다.
현장주응력(in-situ principal stress)은 수직응력(vertical stress 또는 overburden stress, ), 최대수평응력(maximum horizontal stress, ), 그리고 최소수평응력(minimum horizontal stress, )으로 나눠진다. 현장주응력의 강 도와 방향은 공벽 주변의 집중되는 응력을 계산하는데 필요한 인자이다. 현장주응력의 강도와 방향에 따라 집 중되는 응력의 강도와 지점도 달라지기 때문에 정확한 측정이나 산출이 요구된다.
수직응력은 밀도검층을 통하여 구해진다. 수직응력은 밀도검층 그래프를 시추 깊이에 대한 적분을 통해 구해 진다. 이를 수식화하면 다음과 같다(Teichrob et al., 2010).
(11)여기서 z는 수직 깊이, g는 중력가속도, ρb(z)는 수직 깊이 z에서의 체적 밀도이다.
최소수평응력은 시추공에서 직접 측정할 수 있으며, 또한 관계식을 통하여 간접적으로 추정할 수 있다. 이때 관계식을 사용할 경우 관계식에는 수직응력과 포아송비 가 사용된다. 따라서 관계식을 통한 최소수평응력값 산 출은 수직응력과 포아송비 값에 따라 좌우된다. 일반적 으로 관계식은 가정을 전제로 만들어진 식을 사용할 경 우 많은 제한조건이 따르기 때문에 이와 같은 제한조건 을 고려한 후 사용해야 한다(Fjaer et al., 2008).
최소수평응력을 현장에서 직접 측정하는 방법은 미세 균열시험(mini-frac test)과 LOT(leak-off test)등이 있다.
미세균열시험은 케이싱 후 천공(perforation)이 이루어진 지층 또는 케이싱을 설치하지 않은 지층에 수압을 가하 여 균열을 낸 후, 균열이 닫힐 시의 압력을 측정하는 방 법이다. LOT는 최소수평응력을 측정하기 위하여 석유
Table 1. Dynamic Poisson’s ratio and Young’s modulus using density log and sonic log
(Poisson’s
ratio)
×
E (Young’s modulus)
×
×
×
× ×where,= shear wave interval transit time (μs/ft)
= compressive wave interval transit time (μs/ft)
= bulk density from density log (gm/cm3)
Fig. 2. Schematic illustration of XLOT (Zoback et al., 2003).
업계에서 가장 흔히 사용되는 기법이다. LOT는 케이싱 설치 단계별로 수행되며, 각 케이싱을 설치한 후, 약 5 m 정도 추가 시추를 한 다음 수압력을 가하여 균열이 일 어나는 시점의 압력을 측정하는 방법이다. 균열이 일어 나는 시점을 넘어서 계속 압력을 가할 경우 이를 XLOT (extended leak-off test)라 칭하는데, 이는 최소수평응력 을 더 정확하게 측정할 수 있게 한다. Fig. 2는 XLOT의 결과 그래프이다. 균열이 일어나는 시점의 압력을 LOP(leak-off point), 압력의 정점을 넘어 안정된 압력을 FPP(fracture propagation pressure)이라 칭한다. LOP의 구분이 어려울 경우 FPP와 LOP의 값은 유사하므로 FPP 가 최소응력으로 사용된다(Zoback et al., 2003).
석유개발 업계에서는 미세균열법이나 수압파쇄를 이 용한 최소수평응력이 더 신뢰성이 있는 값이라고 하나, 테스트 비용이 고가이므로, 가장 경제적이면서 어느 정 도의 신뢰성을 동반하는 방법을 사용하는 것이 바람직하 다. 어떠한 테스트의 값도 존재하지 않을 경우 올바른 가 정을 하여 관계식으로 최소수평응력이 산출되어야 한다 (Blanton and Olson, 1999).
최대수평응력을 직접 측정하는 방법은 존재하지 않는 다. 최소수평응력과 시추공의 붕괴상태와 암석강도를 이 용하여 최대수평응력이 추정된다(Zoback, 2008)
공극압은 투과율이 높은 사암층에서는 직접 측정이 가 능 하나, 셰일층과 같이 투과율이 낮은 곳에서는 검층자 료를 이용하여 산출한다. 공극압은 어느 정도 깊이까지 정수압과 동일하나, 셰일층에는 과압력지대(overpressure zone)가 존재한다. 대부분의 안정성 문제를 일으키는 층 이 셰일층이므로 셰일층의 공극압을 정확히 산출 하는
방안이 제안되었다(Zoback, 2008; Zoback et al., 2003).
안정성 분석 시, 암석의 일축압축강도(unconfined com- pressive strength)가 필요하다. 또한 탄성계수(Young's modulus)와 포아송비도 필요하다. 이 인자들은 실험실 에서 일축압축 및 삼축압축 시험으로 구할 수 있다. 하지 만 셰일층의 경우 온전한 시료를 구하는 것이 힘들며, 비 용 또한 많이 들기 때문에 물리검층자료를 이용하여 인 자를 구하기도 한다. 물리검층으로 구한 인자는 동적 (dynamic)인자이므로 이를 정적인자로의 변환이 필요하 다. 사용되는 물리검층자료는 체적밀도검층(density log) 과 음향검층(sonic velocity log)이며, 이를 이용한 산출 식은 Table 1과 같다(Son et al., 2007).
암석파괴조건(rock failure criteria)
암석강도는 일련의 삼축압축 시험 및 여러 강도 시험 을 통해 여러개의 Mohr 응력원으로 나타 낼 수 있다. 파 괴포락선(rock failure envelope)은 이 각 원들의 공통접 선을 이은 것이다. Fig. 3은 파괴포락선을 설명하기 위한 예화이다.
암석파괴조건은 이 파괴포락선을 각 고유의 인자를 이 용해 일종의 관계식으로 표현한 것이다. 시추공벽을 구 성하는 암석은 시추공벽에 작용하는 응력 상태로 인한 Mohr 응력원이 파괴포락선과 겹칠 때 부서지므로, 해당 지역의 암석파괴현상을 나타내는 적절한 암석파괴조건 을 선택하는 것은 시추공 안정성 분석에 있어서 중요하 다. 암석파괴조건은 여러 종류가 있으나, 이 연구에서는 Hoek and Brown 파괴조건을 사용하였으며 이는 식 (12)와 같다.
(12)Fig. 3. Illustration of Mohr’s circle and rock failure envelope.
Fig. 4. Lower hemisphere projection (GMI-SFIB Manual, 2010).
는 암석이 파괴될 시의 최대주응력, 는 최소주응 력 또는 구속봉압(confining pressure), 는 일축압축암 석강도를 나타낸다. 무단위 인자 과 는 암석강도테 스트 이전의 암석시료의 상태를 내포한다. 은 암석의 종류, 는 암석 보존 상태를 일반적으로 나타낸다.
약한 층리면이 존재하는 셰일은 암석의 강도가 방향에 따라 달라지는 암석강도의 이방성을 가지고 있다. 이러 한 경우는 위에 언급한 등방적인 파괴조건과 더불어 이 방성 암석강도를 고려한 암석파괴조건을 고려하여야 한 다. 약한 층리면의 경사와 층리면 접착력, 그리고 층리면 마찰각을 고려한 암석파괴조건은 식 (13)과 같다(Fjaer et al., 2008)
′ sincos cos sin
cos sin
(13)
는 층리면 접착력, 는 층리면 마찰각, 그리고 는 층리면과 최대주응력과의 각도이다. 즉, 약한 층리면 이 존재하는 셰일층의 안정성 분석을 할 경우에는 등방 성과 이방성을 동시에 고려해야 하므로 이들을 나타내는 암석파괴조건들을 같이 사용하여야 한다.
셰일층에서 약한층리 영역의 안정성 분석
안정성 분석 시뮬레이터
연구에서 셰일층의 방향성 시추 안정성 분석에 사용한 시뮬레이터는 베이커휴즈사에서 개발한 상업용 소프트 웨어인 GMI-SFIB이다. 이 소프트웨어는 앞서 설명한
이론과 암석역학적 인자를 이용하여 시추공 붕괴의 정도 를 모사할 수 있는 소프트웨어로 시추 심도에서 가장 안 정적인 시추를 가능케 하는 최적 방위각 및 경사각과 그 에 따른 최소요구이수비중(minimum required mud weight) 을 산출할 수 있다(GMI-SFIB Manual, 2010).
시뮬레이션 결과는 해당 깊이에서 시추공의 경사각 및 방위각에 따른 최소요구이수비중 또는 최소 암석강도를 Fig. 4와 같이 평사투영망(또는 하반구 투영도) 형태로 나타난다. 평사투영망의 상단은 북쪽이며, 시계방향으로 30°씩 증가한다. 평사투영망 정중앙은 수직공방향이며, 원의 경계지점은 90°의 시추공 경사각을 나타낸다(GMI- SFIB Manual, 2010).
연구대상 지역의 지질학적 특성
이 연구대상 지역은 캐나다 북동 브리티쉬 콜롬비아 퇴적층이다. 이 지층은 쥐라기 시대에 퇴적된 Nikanassian 층과 Fernie 층을 포함하고 있다. 이 지층들은 다수의 균 열대가 발달된 연약층이 역단층 형태로 쌓여있다. 연구 대상인 Fernie 층은 캐나다 서부지역에 넓게 분포되어 있는데, 이층의 연약한 암질은 얇은 층이 겹겹이 쌓였으 며, 깨지기 쉬운 특성을 지녔고, 석영, 일라이트가 많은 셰일과 실트스톤이 교호적으로 쌓인 암석으로 구성되어 있다(McLellan and Cormier, 1996).
셰일층에서 방향성시추의 안정성 분석
앞서 설명한 바와 같이 이 연구에서는 베이커휴즈사에 서 개발한 상업용 소프트웨어인 GMI-SFIB를 사용하였 으며, 연구지역은 층리면과 균열이 발달된 연약층을 포 함하고 있는 캐나다 북동 브리티쉬 콜롬비아의 Fernie 층을 대상으로 하였다. 총 시추 길이(measured depth, MD)는 3002 m (TVD=2595 m)이며, Fernie층은 MD 2250 m 지점에서 통과되었다.
Table 2. Geomechanical modeling parameters for wellbore stability analysis(McLellan and Cormier, 1996)
Parameter Value
Depth TVD 2100 m
Hole Size 222 mm
Mud density 9.9 kPa/m
Well azimuth 47°
Well inclination 35°
SHmax gradient 28 kPa/m
Shmin gradient 20 kPa/m
Sv gradient 25 kPa/m
SHmax azimuth 50°
Sv azimuth vertical
Shmin azimuth 140°
Pore pressure gradient 9.8 kPa/m
Young’s modulus 30 GPa
Poisson's ratio 0.3
Unconfined rock strength 14.9 MPa Bedding dip angle (from horizon) 60°
Bedding dip direction (from North) 205°
Bedding plane fracture cohesion 0.1 MPa Bedding plane fracture friction angle 25° (0.4663) Hoek and Brown m and s m=48.9 s=1
Table 2는 연구대상 지역의 안정성 분석에 필요한 입 력 자료를 정리한 표이다(McLellan and Cormier, 1996).
이 표에서 현장응력의 강도와 방향은 서부캐나다지역의 총체적인 암석역학 인자 조사를 통해 구해진 값이다 (Bell et al., 1994).
문제를 일으키는 층은 셰일층이며 셰일의 암석강도와 물성이 표준 규격 일축-삼축압 강도 시험에 의해 측정되 었다. 이 셰일층은 비교적 작은 충격에도 잘 부서지는 특 성을 지니고 있다. 이러한 이유로 인하여 실제 암석강도 또한 비교적 약한 값(< 50 Mpa)으로 측정되었다(Zoback, 2008). 지질학적 조사 결과 이 층은 일련의 역단층이 겹 쳐 놓여 있는 형태를 보이고 있다. 따라서 응력상태(stress regime) 또한 역단층 상태로 예상이 되었으나, 실제 암 석역학 모델링 결과, 응력상태는 주향이동단층 상태 (SHmax>Sv>Shmin)임이 확인되었다. 이수비중은 특별히 과 압지대가 존재하지 않은 것으로 판단되어 정수압으로 사 용하여 킥과 이수손실을 방지하고자 하였다. 하지만, 실 제 수직 깊이(TVD) 2100 m 지점에서 경사각 35°와 방 위각 47°로 시추가 진행하는 도중, 굴진율이 현저히 줄
어들었으며, 더 이상의 시추 진행이 어려워졌다.
McLellan과 Cormier(1996)는 이러한 문제를 해결하 기 위하여 총체적인 시추공 안정성 분석을 실시하였다.
이를 위해 문제를 일으키는 셰일층의 시료를 획득하여 분석한 결과 셰일에는 약한 층리(weak bedding plane)가 존재하는 것을 확인하였다. 이들은 암석강도 측정 후, Hoek and Brown 파괴조건 하에 암석강도를 묘사하였 고, 암석 시료의 방향을 달리하여 암석강도를 측정함으 로써, 약한 층리면의 특성(bedding plane fracture cohesion, bedding plane friction angle)을 구하는데 성공하였다.
이 역시 Table 2에 나타나 있다. 이들은 자신들이 만든 시뮬레이터를 통해 시추가 이루어지고 있는 궤도에서 발 생하는 붕괴현상을 모사하는데 성공하였다. 하지만 분석 결과에서, 안정성 문제를 해결하기 위한 구체적인 시추 궤도의 범위와 이수비중을 제시하지는 않았다. 다만, 이 들은 안정성 문제를 방지하기 위해서는 이수비중 컨트롤 만으로는 방지를 할 수 없으며, 시추의 경사각이 증가할 때 대개 안정성 문제가 많이 발생하므로 경사각을 줄이 며, 약한 층리와의 교차각(angle of intersection)을 감소 시키는 게 시추공 안정성에 도움이 될 것이라는 의견을 제안하였다.
이 연구에서는 McLellan과 Cormier(1996)의 분석의 한계성을 극복하고 구체적인 시추궤도와 이수비중을 제 시하기 위해 그들이 연구한 동일한 지역의 자료를 이용 하였다. 또한, 이들이 측정한 약한 층리면의 특성을 이용 하여 층리면이 시추궤도에 미치는 영향을 살펴보았다.
공벽에 집중되는 응력과, Heok and Brown 파괴조건, 이 방성 암석파괴조건을 적용하여 시추공 붕괴를 시뮬레이 션한 결과는 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5의 빨간 영역은 시추공의 붕괴 영역으로 시추공벽 전체에 걸쳐 붕괴가 일어났음을 알 수 있다. Fig. 6은 McLellan과 Cormier (1996)가 제시한 시추공 이미지 자료로서 붕괴영역은 화 살표로 표시하였다. Fig. 5와 Fig. 6을 통해 동일지점에 서 시추공벽 전체에 걸쳐 붕괴가 일어났음을 알 수 있다. 본 연구의 시뮬레이션 결과에서는 대칭형으로 붕괴되는 Fig. 1과는 달리 Fig. 5와 같이 비대칭으로 붕괴가 일어 남을 확인 할 수 있었다. 이는 셰일의 약한 층리면, 즉 암석강도의 이방성이 시추공 안정성에 영향을 주고 있는 것이라고 볼 수 있다.
Fig. 7은 실제 약한 층리면에 의한 붕괴가 어떠한지를 확인하기 위한 시뮬레이션 결과 화면이다. Fig. 7에서 볼 수 있는 바와 같이 우측하단과 좌측상단의 흰색 영역은 Fig. 5의 붕괴영역 중에서 약한 층리면으로 인해 붕괴된 영역을 나타내고 있다. 이러한 요인으로 인한 붕괴는 McLellan과 Cormier(1996)가 언급한 것처럼 이수비중
Fig. 5. Breakouts simulation at TVD 2100 m.
Fig. 6. Ultrasonic borehole images at MD 2203.6-2309.9 m (TVD around 2100 m) (McLellan and Cormier, 1996).
Fig. 7. Wellbore breakouts due to weak bedding slippage.
Fig. 8. Minimum required mud weight for any inclination and azimuth at TVD 2100 m.
컨트롤만으로는 방지 할 수 없기 때문에 이를 방지하기 위해선 궤도를 조정하여야 한다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 붕괴현상으로 인한 안정성 문제를 해결하는데 필요 한 최적 궤도와 그에 따른 최소요구이수비중을 구하기 위하여 시추공 안정성 분석이 실시되었다. Fig. 8은 수직 깊이 2100 m 지점에서 경사각 및 방위각에 따른 최소요 구이수비중을 평사투영망 그래프로 나타내었다. 이때 붕 괴최소 범위(breakout width)는 안정성 문제를 일으키지 않는 최대범위로 25°를 설정한 후 분석을 실시하였다.
Fig. 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 연구에서는 먼저 기존시추궤도(경사각: 35°, 방위각: 47°, 결과화면의 빨간 정사각형)에 대한 최소요구이수비중을 다시 계산하였고 그 값은 약 14.3 kPa/m인 것으로 확인되었다. 이 값은 McLellan과 Cormier(1996)가 사용한 이수비중인 9.9
kPa/m보다 훨씬 높은 값임을 알 수 있다. 따라서 연구대 상 지층이 붕괴되지 않기 위해선 McLellan과 Cormier(1996) 가 사용한 이수비중보다 더 높은 15.0 kPa/m 정도는 사 용해야 했음을 알 수 있었다. 하지만, 15 kPa/m의 이수 비중은 비교적 높은 값이며, 공내 균열(drilling induce fracture)을 일으킬 수 도 있으므로, 보다 낮은 이수비중 을 사용하기 위해선 시추궤도 변경이 불가피 하다는 것 을 알 수 있었다. 본 연구지역의 권장할만한 시추궤도는 Fig. 8에서 파란 영역이다. 이 파란영역이 존재하는 범위 는 방위각 10°에서 50°, 그리고 경사각 45°에서 75° 사 이이다. 이 영역의 평균 최소요구이수비중은 약 13 kPa/m 정도이다. 보다 정확히 약한 층리의 영향을 알아보기 위 하여 Fig. 9와 같이 파란 영역에서 각 경사각 별 최소요 구이수비중을 분석하였다.
Fig. 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 경사각이 60°를 기
Fig. 9. Minimum required mud weight inside of blue area.
Table 3. Recommended well azimuth and inclination with minimum required mud weight after wellbore stability analysis
Azimuth and inclination (degree)
Mud Weight (kPa/m)
20, 60 12.6
30, 60 12.6
40, 75 12.4
50, 75 12.4
점으로 변할 경우, 최소요구이수비중이 증가, 즉 시추공 안정성이 영향을 받음을 확인 할 수 있었다. 이는 약한 층리를 고려할 경우, 시추 궤도가 약한 층리면과 수직방 향(방위각 25°, 경사각 60°)에 가까울수록 시추공은 붕 괴로부터 더 안정적일 수 있음을 보여주고 있다. 게다가 방위각 40°와 50°는 경사각 75°로 시추 할 시, 시추이수 의 비중은 더 낮은 값이 되며, 시추의 안정성도 좋아지게 된다. 다만, 이런 경우 시추궤도의 각도가 시추 시 시추 파이프와 지층의 마찰에 의해 시추가 불가능해지는 버클 링현상이 일어나지 않는다는 전제하에 선택이 가능하다.
이 같은 결과는 최근 약한 층리면을 고려한 시추공 궤도 안정성 분석 연구결과들과 잘 일치한다. 즉, 약한 층리면 이 존재할 경우, 시추공 궤도의 각도가 층리면과 수직에 가까운 각도를 유지하며 층리면의 up-dip 방향으로 시추 를 하여야 보다 안정적인 시추가 가능하다(Lee et al., 2012; Willson et al., 1999).
이상과 같은 연구결과를 Table 3에 요약하였다. 여기 서 제안된 값은 안정적으로 시추가 가능한 방위각 및 경 사각과 이수비중이다. 이와 같은 지점들은 Fig. 8에 녹색 별표로 표시하였다. 이들 값들은 모두 약 12.6 kPa/m 내 외로 시추궤도의 방향성을 고려하지 않고 이수비중만 고
려했을 때 필요한 이수 비중인 15.0 kPa/m보다 낮은 값 인 것을 알 수 있었다. 이는 최적의 방향을 선정할 경우 낮은 이수비중으로도 안정성 있는 방향성시추가 가능하 다는 것을 의미한다.
결 론
본 연구에서는 약한 층리면이 발달한 셰일층에서 방향 성 시추시 발생할 수 있는 안정성 문제를 분석하였다. 안 정성 분석을 위한 시뮬레이터는 베이커휴즈사에서 개발한 상업적 소프트웨어인 GMI-SFIB를 사용하였으며, 대상지 역은 대체적으로 지질학적 특성과 암석물성이 잘 알려진 캐나다 북동 브리티쉬 콜롬비아 지역의 Fernie 셰일층이 다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 약한 층리면이 발달된 셰일층에서의 시추공 안정성 문제를 해결할 경우, 이수비중 조절만으로는 안정 성 문제를 최적으로 해결할 수 없는 것을 알 수 있 었다. 약한 층리면은 암석강도의 이방성을 나타내 므로, 이수비중 조절뿐 아니라 시추공의 궤도 또한 조절이 되어야 함을 알 수 있었다. 이와 같은 최적 의 시추궤도 방향과 이수비중은 GMI-SFIB 시뮬레 이터에 의해 도출이 가능하다. 다만, 이와 같은 시 뮬레이션이 성공적으로 이루어지기 위해선 연구대 상지역에 대한 신뢰성 있는 지질학적 특성과 암석 역학적 물성자료, 특히 암석의 이방성에 대한 물성 (bedding plane angle and direction, bedding plane cohesion, bedding plane friction angle)자료가 확보 되어야 한다.
2. 셰일층에 약한 층리면이 발달한 경우에는 암석강도 의 이방성이 존재한다. 이는 암석강도의 이방성에 의한 시추공벽의 비대칭적 붕괴를 통하여 확인 할 수 있다. 이러한 경우, 시추공 경사가 조금 높아지 더라도 층리면에 대해 수직에 가깝게 시추를 진행 할 경우 더욱 안정적인 시추를 진행할 수 있는 것을 알 수 있었다. 다만, 이때 시추공 궤도의 경사는 버 클링 현상이 발생하지 않는 범주에 있어야 한다.
이상과 같은 연구로부터 다양한 지질학적 퇴적 조건을 가진 셰일층에서 방향성 시추시 최적의 시추궤도와 시추 이수비중을 산출할 수 있음을 알 수 있었다. 여기서 도출 된 연구 방법이나 결과는 향후 국내기업이 해외셰일가스 전 개발 참여시 방향성 시추의 안정성 분석에 활용함으 로써 시추공 안정성 문제를 근본적으로 해결하는데 도움 이 될 것으로 판단된다.
사 사
본 연구는 2011년도 지식경제부 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 과제입니다 (No 2011201030001B). 이에 감사드립니다.
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윤 재 필
2010년 University of Oklahoma 석유공 학학사
현재 과학기술연합대학원대학교 석유자원공학 석-박사통합과정 (E-mail; [email protected])
김 현 태
현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구본부 책임연구원 (本 學會誌 第49券 第5号 參照)
박 희 원
현재 에너지홀딩스그룹(주) 대표 (本 學會誌 第49券 第3号 參照) Ward, C.D. and Wiprut, D.J., 2003, “Determination of
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