Simulation Study on Water-Drive Gas Reservoir Performance

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(1)한국지구시스템공학회지. Vol. 43, No. 4 (2006) pp. 282-292 연구논문. 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구 1). 1). 2). 이원석 * ․ 김세준 ․ 남상호. Simulation Study on Water-Drive Gas Reservoir Performance Won Suk Lee*, Se-Joon Kim and Sang Ho Nam Abstract : Water-drive gas reservoirs can be managed to significantly improve their recovery, and in this process detailed reservoir simulation is necessary to model the dynamics of a gas/aquifer system and predict the productivity of the reservoir. In this study, the sensitivities of reservoir fluids, rock properties, and aquifer characteristics were analyzed and reservoir management strategies for improving recovery were simulated. In order to effectively manage a reservoir, it is important to lower reservoir pressure near depletion process. And increasing water production rate is more effective than increasing gas production rate in lowering reservoir pressure and improving recovery. The results of this study can be utilized in the management of gas and gas-condensate reservoir with strong aquifer.. Key words : Aquifer, Gas reservoir, Simulation, Reservoir management 요 약 : 대수층이 존재하는 가스 저류층의 경우 효과적 저류층 관리에 의한 회수율 제고가 가능하며, 이를 위해 저류층 시뮬레이션을 통한 정확한 생산 메커니즘의 이해 및 생산성 예측 과정이 필수적이다. 이 연구에서는 시뮬 레이션을 위한 적절한 시스템을 설정하여 저류 유체, 암석 물성 및 대수층 특성 등에 따른 민감도를 분석하였으며, 회수율 증진을 위한 저류층 관리 기술을 적용하여 저류층의 거동 특성을 관찰하였다. 그 결과 자연 고갈에 가깝도 록 압력을 적절히 감소시키는 것이 생산성 향상에 있어 매우 중요한 인자임을 알 수 있었으며, 저류층 관리를 위한 방법으로는 가스 생산량 증가보다 물 생산량 증가에 의한 저류층 압력 감소 방법이 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 이러한 과정을 통해 도출된 결과 및 관리 기술들은 향후 대수층의 영향이 큰 가스 및 가스-컨덴세이트 저류층 관리에 있어서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 주요어 : 대수층, 가스 저류층, 시뮬레이션, 저류층 관리기술. 서. 론. 천연가스 저류층의 경우 생산에 의한 자연적인 압력 감소로 인한 회수율은 약 90%까지 이를 수 있으나, 대 수층의 영향을 받는 가스 저류층의 경우 50% 이하의 회 수율을 보이는 것이 일반적이며 극단적인 경우 15% 이 하의 회수율이 보고되기도 하였다(Schafer et al., 1993). 직관적으로 물이 가스를 밀어내는 과정을 통해 회수율 이 증가될 것으로 생각할 수 있으나, 가스의 생산 메커 니즘은 압력 강하에 의한 가스 팽창에 의해 유동이 발생 하고 이를 통해 생산이 이루어지는 것이므로, 대수층의 2006년 5월 4일 접수, 2006년 7월 18일 채택 1) 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 2) 한국석유공사 석유기술연구원 *Corresponding Author(이원석) E mail; [email protected] Address; Gajeong-dong 30, Yuseong-gu, Daejeon, 305-350, Korea. 282. 영향이 클 경우 저류층의 압력강하가 상대적으로 약화 되어 가스 팽창에 의한 영향이 감소하므로 고립된 형태 로 저류층에 잔류하는 가스의 양은 증가하게 된다. 미국의 경우 대수층의 영향으로 당시에는 생산되지 못하였으나 적절한 생산기법을 적용하면 생산 가능한 가스양이 약 17tcf(1992년 기준으로 미국의 1년 가스 공 급량)에 이를 것으로 추정되고 있다(Schafer et. al., 1993). 이를 효율적으로 생산하기 위해 GRI(Gas Research Institute, 현재 Gas Technology Institute) 주도하에 1984년 부터 연구가 수행되어 왔으며, 생산성 극대화를 위한 여 러 회수율 증진 방안이 제안되어 현장에 적용되었다. 대수층이 존재하는 가스 저류층의 경우 효과적 저류 층 관리에 의한 회수율 제고가 필수적이며, 이를 위해서 는 저류층 시뮬레이션을 통한 생산성 예측 과정이 필수 적이다. 이 연구에서는 대수층에 의한 가스 및 가스 컨 덴세이트 저류층의 생산성 변화 양상을 고찰하고자 하 였으며, 이를 위해 저류층 시뮬레이션을 통한 분석을.

(2) 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구. 수행하였다. 먼저 시뮬레이션을 위한 적절한 시스템을 설정하여 저류 유체, 암석 물성 및 대수층 특성 등에 따 른 민감도를 분석하였으며, 회수율 증진을 위한 저류층 관리 기술을 적용하여 저류층의 거동 특성을 관찰하였 다. 이러한 과정을 통해 도출된 결과 및 관리 기술들은 향후 대수층이 존재하는 가스 및 가스-컨덴세이트 저류 층 관리에 있어서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각 된다.. 영향인자 및 저류층 시뮬레이션 영향인자 저류층 관리를 통한 생산성 향상을 위해서는 생산 메 커니즘을 정확하게 이해하고, 민감도 분석을 통한 특성 인자에 대한 영향을 파악한 후, 적절한 생산성 향상 방법 을 적용하여 회수율을 극대화하여야 한다. 특히 대수층 의 영향이 큰 가스 저류층의 경우 복잡한 생산 메커니즘 과 적절한 방법의 조기 적용을 통하여 생산성이 크게 변 화할 수 있으므로 위의 과정은 필수적으로 요구된다. 직관적으로 물이 가스를 밀어내는 과정을 통해 회수율 이 증가될 것으로 생각할 수 있으나, 가스의 생산 메커니 즘은 압력 강하에 의한 가스 팽창에 의해 유동이 발생하 고 이를 통해 생산이 이루어지는 것이므로, 대수층에 의 한 압력 유지는 매우 불리하게 작용할 수 있다. 따라서 대수층이 존재하지 않고 자연적인 압력 강하에 의한 회 수율은 80～90%에 이르지만, 대수층의 영향이 클 경우 50% 이하의 회수율이 관측되기도 하였다. 대수층이 존재하기 않을 경우 시간에 따른 정확한 생 산량과 압력을 측정하여 이를 분석하는 것으로 생산 메 커니즘 및 생산성을 예측할 수 있으나, 대수층의 영향을 받는 저류층에 대해서는 특히 상대투과도, 모세관압 및 잔류 가스포화도 등과 같은 인자에 대한 보다 정밀한 자 료가 필요하다. 모세관압 곡선에서 배수과정(drainage) 곡선은 저류층 시뮬레이션의 초기 유체 분포 계산에 사 용되지만, 유입과정(imbibition) 곡선은 대수층에 의한 물 유입 과정 및 잔류 가스포화도 계산에 사용되며, 물에 대한 상대투과도 곡선은 유입되는 물의 침투 속도를 결 정한다. 또한 궁극적으로 가스 생산량 변화는 암석의 물 성인 잔류 가스포화도 값에 의해 결정되며, 실험에 의한 정확한 측정이 요구되지만 그 값이 존재하지 않을 경우 가장 실제 저류층과 유사한 경험식을 이용하여야 한다 (Keelan and Pugh, 1975). 잔류 가스포화도와 투과도는 상관성이 없는 것으로 알려져 있으며, Katz 등(1966)에 의하면 공극율 증가에 따라 잔류 가스포화도가 감소하는 경향이 있다.. 283. 대수층이 존재하는 저류층에서의 가스 생산량을 극대 화하기 위한 방법으로는 물 생산량 증가, 가스 생산량 증 가, 추가정 설치 등의 방법이 있으며, 이러한 방법은 모 두 저류층의 압력을 강하하여 자연 고갈에 의한 가스 생 산에 가깝도록 하기 위한 방법들이다. 저류층 시뮬레이션 대수층이 존재하는 가스 및 가스-컨덴세이트 저류층에 대한 거동을 분석하기 위해 상업용 모델인 Eclipse 100 (black-oil simulator), Eclipse 300(compositional simulator) 및 PVT 분석 모듈인 PVTi를 이용하였다. Eclipse 시뮬 레이터는 전 세계 석유업계에서 이미 25년 이상을 사용 되어 온 검증된 모델로써, 풍부한 적용 사례 및 사용자 친화적 환경을 특징으로 한다.. 결과 분석 대수층의 영향을 받는 저류층에서 여러 인자에 대한 민감도 및 가스 생산량 변화 등을 관찰하고 생산성 향상 을 위한 저류층 관리 기법 적용 분석을 위해 각각 건가 스(dry gas)와 가스-컨덴세이트(gas-condensate) 저류층 을 설정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 건가스 저류층의 경우 상대투과도의 끝점(end point) 변화에 따른 생산성 변화, 대수층 크기 및 저류층과의 연결상태에 따른 영향 등을 관찰하였으며, 생산성 향상을 위해 가스 생산량 증 가, 추가정 설치 및 물 생산량 변화에 따른 영향을 살펴 보았다. 가스-컨덴세이트 저류층에서는 보다 많은 컨덴 세이트 생산을 위해 실제 현장에서 사용되는 가스 재주 입에 의한 압력 유지 효과와 대수층에 의한 압력 유지 효과를 상호 비교하였다. 건가스 저류층 시스템 설정: 저류층에 대한 모식도 및 격자 체계는 3 Fig. 1과 같다. 저류층 체적은 약 18,000×9,000×150ft 이 며 이를 묘사하기 위한 격자는 18×18×3로 구성하였다. 저류층은 y 방향으로 심도가 증가하며 x 방향으로는 동 일한 심도를 갖는다. y=1인 지점의 심도는 7,000ft 이며, y=18 지점은 7300ft이다. 저류층에는 9개의 정호가 위치 하고 있으며, 정저압(bottome hole pressure)이 500 psia 에 도달할 때까지 유체(가스와 물)를 생산하도록 설정하 였다. 대수층을 묘사하기 위하여 Fetkovitch(1971) 이론 대수층을 사용하였으며, 저류층의 모든 층이 대수층과 접하도록 하였다. 시뮬레이션에 사용된 저류층의 기본적 인 물성은 Table 1과 같으며, 시뮬레이션에 사용된 Fetko11 -5 vitch 대수층의 총체적은 1.0×10 stb, 압축율은 1.0×10 제43권 제4호.

(3) 284. 이원석 ․ 김세준 ․ 남상호. Fig. 2. Comparison of gas in place profiles for aquifer.. Fig. 1. Reservoir model grid of dry gas reservoir. Table 1. Basic properties of dry gas reservoir NX=NY=18, NZ=3 DX=1,000 ft, DY=500 ft, DZ=50 ft Porosity Permeability (kx, ky, kz), md Datum depth, ft Presssure at datum, psia Water density at surface, lbm/ft3 Gas sensity, lbm/ft3 Water compressibility at surface, 1/psi Rock compressibility at 4000 psia, 1/psi. 0.30 300, 300, 30 7290 3000 63.0 0.05508 3.5×10-6 4.0×10-6. Fig. 3. Comparison of reservoir pressure profiles for aquifer.. 7. 1/psi, 그리고 생산성지수(productivity index)는 1.0×10 stb/day/psi이다. 민감도 분석: 설정된 저류층 시스템에 대하여 대수층 유무에 의한 영향을 관측하기 위해 약 20년간 시뮬레이 8 션을 수행하였다. Fig. 2는 초기 가스 매장량 7.85×10 Mscf에서 출발하여 생산에 의해 저류층 내의 가스양이 감소되는 것을 나타내는 것으로 대수층이 존재하지 않을 8 경우 생산되지 못한 가스의 양은 1.28×10 Mscf이지만 8 (약 84% 회수율) 대수층이 존재할 경우에는 1.93×10 Mscf 가스가 저류층에 잔류(약 75% 회수율)하는 것을 알 수 있다. 저류층이 균질하고 투과도가 매우 높은 것을 고려하면 대수층의 영향으로 상당한 양의 가스가 저류층 에 잔류할 수 있음을 보여주고 있다. 그러나 약 900일 전까지는 오히려 대수층이 존재할 경우 가스가 더 생산 되는 것을 나타내는데, 이는 Fig. 3의 저류층 압력 변화 를 도시한 것에서 확인할 수 있듯이 약 900일 이전까지 대수층에 의한 영향이 미비하여 자연 고갈의 양상을 보 이기 때문인 것으로 생각되며, 900일 후부터는 대수층 영향이 본격적으로 나타나기 시작하여 저류층 압력이 상 한국지구시스템공학회지. Fig. 4. Variation of relative permeability curves to water for sensitivity studies.. 승하여 가스 생산이 감소하는 전형적인 모습을 나타내고 있다. 다상의 유체가 유동하는데 있어서 가장 큰 영향을 미.

(4) 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구. 285. Fig. 5. Comparison of cumulative gas production profiles for variation of irreducible water saturation.. Fig. 7. Comparison of cumulative gas production profiles for variation of aquifer strength.. Fig. 6. Comparison of reservoir pressure profiles for variation of irreducible water saturation.. Fig. 8. Comparison of reservoir pressure profiles for variation of aquifer strength.. Table 2. Aquifer parameters for sensitivity studies AQUIFER VOL. (STB). AQUIFER CONNECTION. CASE 1. 1011. Layer 1, 2, 3. CASE 2. 10. 8. Layer 1, 2, 3. CASE 3. 1013. Layer 1, 2, 3. CASE 4. 11. 10. Layer 3. 치며, 민감한 변수로 알려져 있는 상대투과도에 대한 민 감도 분석을 수행하였다. 동일한 초기 유체 포화도 분포 를 갖도록 구성한 후 잔류 수포화도(irreducible water saturation)를 Fig. 4와 같이 변화시켜 각각에 대한 시뮬 레이션을 수행하였다. Case 1은 기본으로 설정된 상대투 과도 곡선이고, Case 2와 3은 물 유동이 시작되는 잔류 수포화도의 값을 각각 0.1, 0.3으로 변화시킨 경우이며, Case 4는 물에 대한 상대투과도 끝점을 1.0까지 증가시 킨 경우이다. 누적 가스 생산량을 나타내는 Fig. 5와 저. 류층 압력인 Fig. 6을 살펴보면 Case 1(1,360psia)에 비 해 Case 2의 압력이 최소점 기준으로 1,290psia까지 감 8 소하였으며, 이에 의해 누적 가스 생산량이 약 5.95×10 8 Mscf에서 약 6.80×10 Mscf로 14%정도 증가한 것을 관 측할 수 있다. 이는 저류층 내에서 물의 유동이 상대적으 로 초기(수포화도 10%부터)에 발생하기 때문에 저류층 압력 강하가조기에 나타나고, 이로 인해 가스 생산량이 증가되는 것으로 해석할 수 있다. Case 3의 경우는 Case 2의 경우와 반대로 물 유동이 상대적으로 지연되어 저류 층 압력이 최소점 기준으로 1,560psia까지 상승한 것을 8 알 수 있으며, 가스 생산량 또한 약 4.8×10 Mscf까지 감 소하였다. 물에 대한 상대투과도 끝점 값을 변화시킨 Case 4의 경우, 잔류수포화도 값을 변화시킨 Case 2, 3 에 비해 그 영향이 미비하였다. 대수층의 크기 및 연결 상태에 따른 민감도 분석을 수 행하기 위해 Table 2와 같은 대수층을 설정한 후 시뮬레 9 이션을 수행하였다. 저류층 공극체적이 약 1.3×10 rb이 므로, Case 2는 저류층과 비교해 소규모의 대수층으로 제43권 제4호.

(5) 286. 이원석 ․ 김세준 ․ 남상호. Fig. 9. Comparison of cumulative water production profiles for variation of aquifer strength.. 설정하였으며, Case 3은 그 규모를 크게 하였다. 다음으 로 Case 4는 하부층만 대수층과 연결하여 연결 면적에 따른 영향을 관찰하고자 하였다. 대수층의 영향이 가장 작은 Case 2의 경우 Fig. 7에서와 같이 가스 생산량이 가장 큰 것을 알 수 있는데, Fig. 8의 압력 곡선에서와 같이 저류층 압력이 제한 압력인 500 psia까지 감소하였 으며, 대수층이 가장 큰 Case 3의 경우 약 2400일 후에 는 초기 압력상태까지 복원되는 것을 알 수 있다. Case 4의 경우 Case 1과 거의 동일한 가스 생산 및 저류층 압 력 양상을 보이는데, 이는 대수층의 크기에 비해 접촉면 적에 의한 영향은 미약한 것을 나타내며, Fig. 9의 물 생 산량 역시 Case 1과 동일한 양상을 보이다가 생산 말기 에 약간 감소하는 양상을 보이는데, 이는 접촉면이 작기 때문에 저류층으로 영향을 미치는 시간이 다소 지연된 것으로 생각된다. 생산성 향상 연구: 대수층의 영향으로 궁극적인 가스 생산량(회수율)이 감소하게 되므로 이를 극대화 할 수 있는 저류층 관리기법에 대한 분석을 수행하였다. 실제 현장에서 사용되는 일반적인 방법은 가스 생산량 증가, 물 생산량 증가, 그리고 추가정 설치 등의 있으며, 물 생 산 증가와 추가정 설치의 경우 물처리 및 추가정 설치 등의 추가 비용이 소요되므로 이에 대한 경제성 분석이 동반되어야 한다. 그러나 본 연구는 실제 현장 자료를 대 상으로 한 것이 아니며, 상대적 회수율 증가 효과를 관찰 하기 위한 것이므로 경제성 분석은 배제하였다. 가스 생산량을 증가시킬 경우 이론적으로는 가스가 물 에 비해 유동 속도가 빠르므로 overrun 효과가 발생하여 회수율이 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 사례 연 구(Hower, 1993; Hones et. al, 1993; Hower and Uttley, 1993)에서와 같이 그 영향은 미약하며, 저류층 상태에 따라 오히려 물 생산이 증가하여 조기 정호 폐쇄에 의한. 한국지구시스템공학회지. Fig. 10. Comparison of gas production rate profiles for variation of production rate.. Fig. 11. Comparison of cumulative gas production profiles for variation of production rate.. 회수율이 감소하는 경우도 발표된 바 있다. 또한 가스-컨 덴세이트 저류층의 경우 정호 주위에서의 유체 생성으로 인해 이 방법은 신중히 사용되어야 하며, 건가스 저류층 의 경우 정해진 계약 생산량으로 인해 생산량 변동이 제 한적일 수도 있다. 그러나 이 방법은 가장 손쉽게 추가비 용 없이 사용될 수 있으므로, 시뮬레이션을 통한 생산성 예측 및 관리에 있어서 반드시 고려해야 할 방법이다. 민감도 분석에서 설정한 방법(정저압 500psia 기준으 로 생산)을 수정하여 각 정호에서의 일산 생산량을 Case 1의 경우 50,000Mscf/day, Case 2는 80,000Mscf/ day, Case 3은 100,000Mscf/day으로 설정하였다. Fig. 10의 가스 생산율 곡선에서와 같이 일생산량이 증가될 경우 정호 한계에 빨리 도달되기 때문에 정호가 조기에 폐쇄 되지만 Fig. 11의 누적 생산량 곡선에서와 같이 약간의 생산량 증가를 관찰할 수 있다. 그러나 Fig. 12에서와 같 이 저류층 압력 감소 효과가 일어나는 시점이 다를 뿐, 정도는 미비하기 때문에 총 가스 생산량 증가를 기대할 수 없다..

(6) 287. 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구. Fig. 12. Comparison of reservoir pressure profiles for variation of production rate.. Fig. 14. Gas condensate reservoir model grid.. Table 3. Basic properties of gas condensate reservoir NX=NY=18, NZ=4 DX=DY=146.65 ft Datum, ft Porosity Gas/Water contact, ft Water saturation at contact Capillary pressure at contact, psi Initial pressure at contact, psi 3 Water density at contact, lbm/ft Water compressibility, 1/psi PV compressibility, 1/psi Fig. 13. Comparison of cumulative water production profiles for infill wells.. 다음으로 추가정 설치에 의한 영향을 살펴보았다. 추 가정에 의한 생산성 향상 효과를 살펴보기 위해 대수층 과 가까우면서 가스의 잔류 포화도가 비교적 높은 지점 에 두 개의 추가정(WP1, WP2)을 격자위치(6,13), (16, 13)에 각각 설치하였으며, 다른 정호와 같은 조건으로 생산을 수행하였다. 추가정에 의해 가스 생산량이 WP1 9 과 WP2가 존재하지 않은 경우(Base case, 5.95×10 9 Mscf)에 비해 6.2×10 Mscf로 증가한 것을 확인할 수 있 었으며, Base case에 비해 최소점 기준으로 약 1,200 psia까지 압력이 감소하여, 압력 감소에 상당히 효과적 인 방법임을 알 수 있다. 그러나 추가정의 위치가 대수층 과 근접하기 때문에 Fig. 13의 물 생산량이 급격히 증가 하였으며, 이에 의한 경제적 손실이 상당히 증가할 수 있 음을 보여주고 있다. 가스-컨덴세이트 저류층 가스 컨덴세이트 저류층의 경우 컨덴세이트의 생산량 을 극대화하기 위해 생산되는 가스를 재주입하여 저류층. 7,500 0.13 7,500 1.00 0.0 3,550 63.0 -6 3.0×10 -6 4.0×10. 의 압력을 유지하기도 하는데, 대수층이 존재할 경우 저 류층 압력 유지 효과가 있으므로 이에 의한 영향을 비교 해 보았다. 가스 컨덴세이트 저류층에 대한 시뮬레이션 자료 구성에 있어서 복잡한 유체 거동 특성 등으로 인해 입력자료에 대한 상호 연관성을 고려한 구성이 어려우므 로 문헌에 발표(Kenyon and Behie, 1987)된 자료를 수 정하여 이용하였다. 문헌에 제시된 저류층은 컨덴세이트 저류층에서 가스 사이클링에 의한 거동을 분석하기 위해 제시된 모델로써, 본 연구에서는 문헌에 제시된 저류층 격자 체계 및 입력자료(대수층, 암석물성, PVT 자료 등) 를 연구목적에 맞게 수정하여 이용하였으며, 생산 거동 예측을 위한 시뮬레이터는 Eclipse 300을 이용하였다. 저류층 모델 설정: 저류층에 대한 모식도 및 격자 체계 는 Fig. 14와 같으며, 저류층의 기본 물성은 Table 3과 2 같다. 저류층은 약 2,639.7×2,639.7ft (약 160 acre)의 면 적을 가지며, 이를 묘사하기 위한 격자는 18×18×4로 구 성하였다. 층 1과 4가 상대적으로 투과도가 높기 때문에 유동의 주 통로가 될 것으로 판단되며, 수직 투과도는 일 괄적으로 수평투과도의 1/10을 취했다. 상대투과도 자료 에 의하면, 저류층에서 생성된 컨덴세이트는 포화도가 제43권 제4호.

(7) 288. 이원석 ․ 김세준 ․ 남상호. Fig. 15. Comparison of cumulative gas production profiles for aquifer strength and gas injection.. Fig. 17. Comparison of reservoir pressure profiles for aquifer strength and gas injection.. Fig. 16. Comparison of cumulative oil production profiles for aquifer strength and gas injection.. Fig. 18. Comparison of cumulative water production profiles for aquifer strength and gas injection.. 약 24%에 이르기 전까지 유동되지 않으며, 잔류 수포화 도(0.16) 상태에서 컨덴세이트가 유동 할 수 있는 포화 도에 이르기까지 가스에 대한 상대투과는 0.74에서 0.40 까지 감소함을 알 수 있다. 주어진 12개 성분에 대한 조 성 자료를 이용해 EOS 시뮬레이션 및 실험 자료에 대한 매칭을 수행하였다. 이를 위해 PVT 분석 패키지인 PVTi 를 사용하였으며, 9개 조성(CO2, N2, C1, C2, C3, C4-6, C7+1, C7+2, C7+3)으로 재구성한 후 이 물성 값을 시뮬레 이션에 이용하였다. 시나리오 설정: 생산되는 가스를 재주입 할 때의 생산 성에 대한 영향과 대수층에 의한 영향을 비교하기 위해 다음의 4가지 경우를 설정하였다. “Base Case”는 대수 층이 존재하지 않는 경우로써 생산정은 격자(14, 14)에 위치하여 일산 6,200Mscf로 가스를 생산하도록 설정하 였으며, “Gas Injection”은 6,200Mscf/day로 생산되는 가스 중 4,700Mscf/day를 격자(1, 1)에 위치하고 있는 주입정을 통해 10년간 재주입 한 후 폐쇄되도록 설정하 였다. “Aquifer 1”과 “Aquifer 2”는 “Base Case”와 동일. 한 조건에서 대수층이 존재하는 경우로써 1은 생산정과 가까운 쪽에 대수층이 위치한 경우이고, 2는 생산정에서 떨어진 쪽에 대수층이 위치한 경우이다. 대수층을 묘사 하기 위해 Cater와 Tracy(1960) 대수층 모델을 사용하였 으며, 대수층의 투과도, 공극율, 압축율 및 두께는 각각 -5 300md, 10%, 1.0×10 1/psi, 50.0ft이다. 그리고 생산정의 정저압이 500psia 이하에 도달하면 폐쇄되도록 하였다. 결과 분석: Fig. 15와 같이 가스 주입의 경우 지속적으 로 가스 생산이 증가하는 것을 확인할 수 있으나, 이는 10년간 생산된 가스의 재주입 효과이며, Aquifer 2의 경우 Base Case에 비해 오히려 가스 생산량이 증가한 현 상을 보였다. 이는 건가스 저류층과는 상반되는 현상으 로 저류층 내부에서 컨덴세이트가 생성되고, 상대적으로 대수층 영향이 미비하여 건가스 저류층 거동과는 다소 상이한 결과를 보이는 것으로 판단된다. 컨덴세이트 생 산량의 경우 Fig. 16에서와 같이 누적 총 생산량이 Base Case는 1.4 MMSTB, Aquifer 2는 2.9 MMSTB로써 약 2배의 생산량 차이를 나타내는데, Fig. 17에서 확인할. 한국지구시스템공학회지.

(8) 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구. 289. Fig. 19. Comparison of cumulative gas production profiles for variation of gas production rate.. Fig. 21. Comparison of cumulative oil production profiles for variation of gas production rate.. Fig. 20. Comparison of cumulative reservoir pressure profiles for variation of gas production rate.. Fig. 22. Comparison of gas production rate profiles for variation of water production rate.. 수 있는 것과 같이 저류층 압력 강하가 작을수록 오일 생산량이 증가함을 알 수 있다. 그러나 생산이 진행될수 록 Fig. 18과 같이 물 생산량이 급격히 증가하므로 이에 의한 영향을 고려하여야 할 것으로 생각된다. 생산성 향상 연구: 대수층이 존재하는 가스 컨덴세이 트 저류층은 건가스 저류층과는 상이하게 가스나 물 생 산량 증가에 의한 압력 강하는 가스 총 생산량은 증가시 킬 수 있지만 컨덴세이트 생산량은 감소시킬 수 있음을 보여주었다. 따라서 생산성 향상을 위한 저류층 관리에 있어서 가스 생산량이나 물 생산량을 증가시키는 방법은 목적하는 유체가 가스일 경우와 컨덴세이트일 경우, 또 는 가스와 컨덴세이트 생산량을 동시에 증가시키고자 할 경우에 대한 고려가 필요할 것으로 생각된다. 가스 생산량 증가에 의한 가스 및 컨덴세이트 생산량 변화와 저류층 거동 변화를 관찰하기 위해 다음과 같은 세 가지 경우를 설정하였다. 저류층 시스템은 앞의 시나 리오 분석에서 사용된 AQUIFER 2(가스생산량: 6,200 Mscf/day)와 동일하며, 이를 Case 1로 명명하였다. Case. 2는 가스 생산량을 3,000Mscf/day로 감소시킨 경우이며, Case 3은 8,000Mscf/day이다. 누적 가스 생산량을 나타 낸 Fig. 19에서와 같이 가스 생산량을 증가하여도 누적 7 생산량은 약 2.3×10 Mscf로 변화가 나타나지 않았으며, Fig. 20과 같이 가스 생산량 증가에 의한 저류층 압력 감 소 양상이 Case 3이 Case 1에 비해 조기에 나타나므로 정호의 폐쇄 및 이로 인해 컨덴세이트 생산량이 감소 (Fig. 21)하는 것을 알 수 있다. 따라서 가스 컨덴세이트 저류층 관리에 있어서 가스 생산량 증가는 효과가 미약 하며, 오히려 생산성에 악 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 물 생산량 증가에 의한 저류층 거동을 살펴보기 위해 다음의 세 가지 경우를 설정하였다. 저류층 시스템은 시 나리오 분석에서 사용된 AQUIFER 2를 사용하였으며, 생산정에서의 가스 생산량은 모두 6,200Mscf/day로 고 정하고 물 생산량을 변화시켰다. Case 1은 물 생산량이 1,000stb/day, Case 2는 1,500이며, Case 3은 2,500이다. Fig. 22와 같이 물 생산량 증가에 따라 가스의 일산 생산. 제43권 제4호.

(9) 290. 이원석 ․ 김세준 ․ 남상호. Fig. 23. Comparison of cumulative gas production profiles for variation of water production rate.. Fig. 25. Comparison of cumulative oil production profiles for variation of water production rate.. Fig. 24. Comparison of reservoir pressure profiles for variation of water production rate.. Fig. 26. Comparison of cumulative water production profiles or variation of water production rate.. 량이 Case 3의 경우 Case 1에 비해 약 420일 더 지속되 는 것을 보여주고 있으며, 이는 Fig. 23의 누적 가스 생 산량으로 표현된다. 컨덴세이트 생산량의 경우 Fig. 24 와 같이 Case 3의 저류층 압력이 가장 많이 감소하였음 에도 불구하고 Fig. 25와 같이 오히려 생산량은 증가하 는 양상을 나타내었는데, 이는 물 생산량 증가로 인해 저 류층 내의 잔류 유체가 감소했기 때문으로 생각되며, Fig. 26과 같이 약 2,400일을 기준으로 물 생산량이 증 가하므로 이를 고려한 영향 평가가 필요할 것으로 생각 된다. 물 생산량 증가에 의해 가스 및 컨덴세이트의 회수 율이 향상될 수 있으므로 가스 컨덴세이트 저류층 관리 를 위한 가장 효과적인 방법으로 생각되며, 생산되는 물 처리 비용을 고려한 분석을 통해 그 영향을 정량적으로 분석할 수 있을 것으로 생각된다.. 결. 론. 이 연구에서는 대수층에 의한 건가스 및 가스 컨덴세 한국지구시스템공학회지. 이트 저류층의 생산성 변화 양상을 고찰하고자 하였으 며, 이를 위해 저류층 시뮬레이션을 통한 분석을 수행하 였다. 먼저 시뮬레이션을 위한 적절한 시스템을 설정하 여 저류 유체, 암석 물성 및 대수층 특성 등에 따른 민감 도를 분석하였으며, 회수율 증진을 위한 저류층 관리 기 술을 적용하여 저류층의 거동 특성을 관찰하였다. Table 4는 분석 시스템에 대한 개요, 조건, 결과 등을 정리한 것이며, 이러한 과정을 통해 도출된 결론은 다음과 같다. 1. 균질하고 투과도가 높은 저류층에서도 대수층에 의 한 영향으로 회수율이 감소하는 것을 관찰할 수 있었으 며, 자연 고갈에 가깝도록 압력을 적절히 감소시키는 것 이 생산성 향상에 있어 매우 중요한 인자임을 알 수 있 었다. 2. 건가스 저류층에 대한 민감도 분석 결과, 상대투과 도의 경우 잔류 수포화도에 민감하였으며, 대수층 크기 에 생산 거동이 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. 저류층 관리 기법 적용 결과, 가스 생산량 증가를 통한 가스 회.

(10) 291. 대수층이 존재하는 가스저류층의 생산성 거동에 대한 시뮬레이션 연구 Table 4. System configurations and simulation results System. Parameter. gas:↑ gas:↓. Irreducible Water Saturation. Case1: Case2: Case3: Case4:. gas:↑, pres.:↓ gas:↓, pres.:↑ no difference. Aquifer Vol. & Connection. Table 2. Gas Production Rate. Case1: 50,000 mscfd Case2: 80,000 mscfd Case3: 100,000 mscfd. Infill Well. Aquifer Gas Injection Gas Condensate Reservoir. Result. No aquifer With aquifer. Aquifer. Dry Gas Reservoir. Condition. 0.18 (Base) 0.10 0.30 end-point 1.0. gas:↑, pres.:↓ gas:↓, pres.:↑ no difference. Base Case Two Infill Well. not effective. gas:↑, pres.:↓ (water:↑). Base Gas Injection Aquifer 1: close to production well Aquifer 2: far form production well. oil:↑ gas: no differnece, oil:↑ (water:↑↑) gas:↑, oil:↑, (water:↑). Gas Production Rate. Case1: 6,200 mscfd Case2: 3,000 mscfd Case3: 8,000 mscfd. not effective. Water Production Rate. Case1: 1,000 stb/d Case2: 1,500 stb/d Case3: 2,500 stb/d. gas:↑, oil:↑, (water:↑) gas:↑↑, oil:↑↑, (water:↑↑). Ref> pres.: 압력, gas: 가스생산량, oil: 오일생산량, water: 물생산량, ↑: 증가, ↓: 감소, ↑↑: 증가심화. 수율 증가는 미약하며, 오히려 악영향을 미칠 수 있으므 로 분석을 통한 신중한 선택이 요구되었다. 가장 효과적 인 방법은 물 생산량 증가에 의한 저류층 압력 감소 방 법이며, 물생산에 따른 처리비용을 고려한 경제성 분석 을 통해 정량적 해석이 가능할 것으로 판단되었다. 3. 가스 컨덴세이트 저류층은 건가스 저류층과는 달리 물처리 비용을 배제할 경우 대수층에 의한 압력 유지가 컨덴세이트 생산에 유리하게 작용할 수 있음을 보여주었 다. 저류층 관리를 위한 가스 생산량 증가 효과를 관찰한 결과, 생산량 증가에 따른 궁극적인 누적 생산량 증가는 관측되지 않았으며, 오히려 이에 의한 영향으로 정호가 조기 폐쇄되어 컨덴세이트 생산량이 감소할 수 있음을 보여주었다. 물 생산량 증가에 의해 가스 및 컨덴세이트 의 회수율이 향상될 수 있으므로 건가스 저류층 뿐 아니 라 가스-컨덴세이트 저류층 관리를 위한 가장 효과적인. 방법으로 판단된다. 이 연구에서 임의로 설정된 균질 저류층에서도 대수층 이 가스 생산에 악영향을 미치는 것으로 관측되었으므 로, 불균질한 실제 저류층에 있어서 포획되는 가스의 양 은 더욱 증가될 것으로 생각된다. 따라서 대수층의 영향 이 큰 저류층의 경우 회수율 증가를 위한 저류층 관리 기술의 적용은 필수적이며, 이를 위해 저류층 개발 환경 을 고려한 저류층 압력 감소방법이 선택되어야 한다. 또 한 궁극적으로는 저류층 관리를 위해 소요되는 추가비용 을 고려한 경제성 분석을 통해 정량적 분석이 수행되어 야 할 것으로 생각된다.. 제43권 제4호.

(11) 292. 이원석 ․ 김세준 ․ 남상호. 사. 사. 이 연구는 한국지질자원연구원 기관고유사업인 “대륙 붕 석유시스템 및 저류층 통합관리 기술연구” 및 석유공 사 학술연구용역 “저류층 시뮬레이션을 통한 가스전에 서의 대수층 영향연구”의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.. 참고문헌 Carter, R.D. and Tracy, G.W., 1960, “An Improved Method for Calculating Water Influx,” JPT, Dec., pp. 58-60. Fetkovitch, M.J., 1971, “A Simplified Approach to Water Influx Calculation - Finite Aquifer Systems,” JPT, July, pp. 814-828. Hones, R.E., Jirik, L.A. and Hower, T.L., 1993, “Production Management Techniques for Water-Drive Gas Reservoirs - Field #2; Offshore Gulf Coast, Over-Pressured Dry Gas Reservoir,” GRI Topical Report No. GRI-5090-212-. 1991. Hower, T.L., 1993, “Production Management Techniques for Water-Drive Gas Reservoirs - Field #1; Onshore Gulf Coast, Over-Pressured High Yield Condensate Reservoir,” GRI Topical Report No. GRI-5090-212-1991. Hower, T.L. and Uttley, S.J., 1993, “Production Management Techniques for Water-Drive Gas Reservoirs - Field #3; Offshore Gulf Coast, Normally Pressured Dry Gas Reservoir,” GRI Topical Report No. GRI-5090-2121991. Katz, D.L, Legatski, M.W., Tek, M.R., Gorring, L. and Neilson, R.L., 1966, “How Water Displaces Gas from Porous Media,” Oil and Gas Journal, Jan. 10, pp. 55-60. Keelan, D.K. and Pugh, V.J., 1975, “Trapped Gas Saturations in Carbonate Formations,” SPEJ, Apr., pp. 149-160. Kenyon, D.E. and Behie, G.A., 1987, “Third SPE Comparative Solution Project: Gas Cycling of Retrograde Condensate Reservoirs,” JPT, pp. 981-997. Schafer, P.S, Hower, T. and Owens, R.W., 1993, “Managing Water-Drive Gas Reservoirs,” Gas Research Institute.. 이 원 석. 김 세 준. 1993년 한양대학교 자원공학과 공학사 1995년 한양대학교 자원공학과 공학석사 2000년 한양대학교 자원공학과 공학박사. 1987년 서울대학교 자원공학과 공학사 1989년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사 1995년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학박사. 현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 선임연구원 (E-mail; [email protected]). 남 상 호 1992년 한국석유공사 입사 1993년 한양대학교 자원공학과 공학사. 현재 한국석유공사 석유기술연구원 (E-mail; [email protected]). 한국지구시스템공학회지. 현재 한국지질자원연구원 석유해저자원연구부 선임연구원 (E-mail: [email protected]).

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