컨덴세이트 저류층의 지하저장시설 활용 해석에 대한 다성분 시뮬레이션과 블랙오일 시뮬레이션의 특성 비교 연구
신창훈1)· 이정환1)*
A Comparison Study between Compositional Simulation and Black Oil Simulation on the Conversion Analysis of Gas Condensate Reservoir into Underground Storage
Changhoon Shin and Jeonghwan Lee
*Abstract : In order to examine the validity of the previous results done by the black oil simulation, an investigation on the differences between results of compositional simulation and black oil simulation for the case that a condensate reservoir is used as an underground gas storage was carried out. Concludingly, the compositional simulation model was successfully developed to examine the multi-component multi-phase behavior for the gas which is expected to be imported and stored into the storage and predict the composition changes of produced gas. Hence, additional investigations on the pressure changes due to the phase change which is not shown in the black oil simulation are possible in this compositional simulation. The pressure difference between two models and gradual expanding of pressure difference by operation are observed as well. Besides, in case of the higher CGR condensate reservoir, the compositional simulation is necessary since the error and it's increment by operation become more serious.
Key words : Natural gas, Underground storage, Gas condensate reservoir, Compositional simulation, Black oil simulation
요 약 : 컨덴세이트 저류층의 지하저장시설 활용 검토 시 블랙오일 모델을 통한 해석의 신뢰도를 판단하고자, 다성분 시뮬레이션과 블랙오일 시뮬레이션을 동시에 수행하여 두 모델의 차이점에 대한 비교 검토를 시행하였 다. 결과적으로, 향후 도입, 저장이 예상되는 대표성분의 가스에 대한 저류층 다성분 다상거동 특성을 검토하고 생산가스의 성분예측과 품질관리를 위한 다성분 해석모델을 성공적으로 구축하였다. 이를 통하여, 기존 블랙오 일 모델에서는 규명될 수 없었던 상변화에 따른 저류층의 압력변화에 대한 추가적인 검토가 가능하였다. 결과적 으로, 주입되는 가스 성분차이에 따른 두 모델간의 압력차이가 발생함과 압력차이가 운영의 지속에 따라 점차적 으로 확대될 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 아울러 CGR이 높은 컨덴세이트 저류층의 경우는 편차 의 수준이나 운영에 따른 편차의 증가가 심각하여 다성분 해석모델의 적용이 필수적임을 확인하였다.
주요어 : 천연가스, 지하저장, 가스 컨덴세이트, 다성분 시뮬레이션, 블랙오일 시뮬레이션
2010년 7월 26일 접수, 2010년 8월 17일 채택 1) 한국가스공사 연구개발원
*Corresponding Author(이정환) E-mail; [email protected]
Address; R&D Division, Korea Gas Corporation, 638-1, Il-dong, Sangnok-gu, Ansan, Gyeonggi-do, 426-790, Korea
서 론
천연가스 지하저장이란 대수층, 암염공동, 고갈된 가 스전 등의 지하구조에 천연가스를 저장하여 사용하는 것
으로 주로 천연가스 소비에 대한 수요와 공급의 균형을 맞추기 위하여 이용된다(Coffin et al., 2007; Khan, 2006).
국내의 경우, 국내소비 천연가스 거의 대부분을 해외 LNG(Liquefied Natural Gas)에 의존하고 있고, 매년 도 시가스 동･하절기 수요편차가 심화되어 LNG 저장시설 증설이 지속되면 향후 저장탱크 건설을 위한 적절한 부 지 확보가 곤란한 상황에 처해 있다(이정환 외, 2009).
이러한 시점에 고갈가스전을 저장시설로 활용한다면 LNG 생산기지 및 저장탱크 건설에 소요되는 막대한 투자비를 절감 할 수 있게 될 것이다(한국가스공사, 2008).
연구논문
Table 1. Basic reservoir parameters
Parameter Value
Top Region Depth 79,954 [ft]
Initial Reservoir Pressure 3,626 [psig]
Initial Shut-in Wellhead Pressure 3,017 [psig]
Reservoir Temperature 226.4 [°F]
Dead Condensate Gravity 0.77
API Gravity 52.5
CGR (Condensate Gas Ratio) 15-17 [stb/MMscf]
Table 2. Composition of the produced gas
Component Gas-1 [Mol %] Gas-2 [Mol %]
Carbon Dioxide 1.66 1.66
Nitrogen 0.22 0.22
Methane 88.86 85.86
Ethane 4.24 4.24
Propane 2.07 2.07
Iso-Butane 0.5 0.5
n-Butane 0.61 0.61
Iso-Pentane 0.26 0.26
n-Pentane 0.2 0.2
Hexanes 0.22 0.22
Heptanes plus 1.16 4.16
Table 3. Properties of Heptanes plus
Property Value
API Gravity @ 60ºF 45.92 Molecular Weight 124.16 가스 컨덴세이트 저류층을 지하저장시설로 사용하는 경
우, 다양한 다른 성분 가스의 주입과 생산에 따른 저류층 내부거동의 변화와 생산가스의 조성변화에 대한 검토를 위해서는 다성분 시뮬레이션이 필수적인 것으로 판단된 다(Katz, 1990). 아울러, 비교적 압력이 높은 수준에서 유 지되는 생산초기에는 저류층 내부의 상변화가 적어 다성 분 다상변화를 고려하지 않는 것이 가능하나 생산의 지속 에 따라 압력이 포화압력선 이하로 저하되는 경우는 이러 한 다성분 시뮬레이션의 적용이 필수적이다. 또한 성분조 성의 차이가 큰 다른 산지의 천연가스를 저류층에 주입하 고 다시 생산하는 과정이 반복되는 경우는 저류층에 잔존 하는 가스 컨덴세이트 성분과 주입되는 천연가스 성분의 차이에 따라 지속적인 조성변화가 발생할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 가스저장시설로의 활용을 계획 하고 있는 Gas-1 가스 컨덴세이트 저류층에 대한 다성분 해석모델(Compositional Simulation Model)을 구축하 고, 향후 저장시설운영에 따른 운영예측에 활용하고자 하였다. 또한, 다성분 시뮬레이션과 블랙오일 시뮬레이 션을 동시에 수행하여, 두 해석 결과간의 차이점에 대한 비교 검토를 시행함으로써 기존 블랙오일 모델을 통한 해석 결과의 신뢰도 판단 및 해석모델의 적용성을 검토 하였다. 아울러, CGR(Condensate Gas Ratio)이 높아지
는 가스인 Gas-1 성분조성 가스와 두 해석간의 편차를 검토하기 위하여 CGR이 높은 가스 컨덴세이트를 가정 한 가스인 Gas-2 성분조성 가스의 성분과 조성을 정리한 것이고, 이때 Heptanes(C7)+ 중질성분의 주요 물리량은 Table 3에 표시하였다. 저류층 해석은 상용 소프트웨어 인 Schulumberger(사)의 Eclipse simulator를 도입하여 수행하였다(Schulumberger Co., 2009; 박완문 외, 2009).
사용된 저류층 격자모델은 Fig. 1과 같다. 가스전은 전체 적으로 Region 1～5의 5개의 지층으로 구분되어 있으나, 격자모델은 실제운영 중인 Region 2～5의 4개의 지층만 을 대상으로 구성하였다. 단, Region 5 지층은 공극율과 투과도가 낮아 저장시설로의 활용도가 낮은 것으로 판단
Fig. 1. Grid model of the depleted gas reservoir.
Table 4. Basic simulation parameters
Parameter Value
Simulator Schulumberger ECLIPSE S/W
Grid type Block type
Dimension 80 × 80 × 46
Wellbore radius 0.51 [ft]
Number of wells History Matching (3), prediction (12)
(a) Gas-1 gas composition
(b) Gas-2 gas composition
Fig. 2. Phase envelopes for each gas composition by PVTi S/W.
되어, 모델은 구성되어 있으나, 본 저장시설 운영 검토를 위한 해석에서는 제외하였다. Table 4는 본 저류층 해석 에 적용된 주요사항을 정리한 것이다.
PVT 해석 및 모델 구성
본 저류층의 다성분 해석모델, 즉 저류층 유체의 다성 분 다상거동 특성을 고려하기 위해서는 저류층 유체의 성 분조성을 기반으로 한 PVT 해석이 우선적으로 수행되어 야 한다. 본 연구에서는 실험적 자료가 존재하지 않음에 따라, Eclipse PVTi 소프트웨어 모듈을 통하여 상평형도 (Phase Envelope) 등의 PVT 해석을 수행하였다. Fig. 2 는 Table 2의 Gas-1(a)과 Gas-2(b)의 조성을 기반으로 PVTi 모듈에서 산출된 각각의 상평형도이다. 다성분 시 뮬레이션을 위한 상태방정식으로는 수정 Peng-Robinson 3 Parameter Equation을 사용하였고, 이때 저류층의 기 준온도는 226.4°F 이며, 고려한 성분은 Table 2의 11가
(a) well - 1
(b) well - 2
(c) well - 3
Fig. 3. Gas-1 reservoir BHP comparison at each well.
구성된 다성분 해석모델의 신뢰성을 검토하고, 궁극적 으로 수행하고자 하는 운영예측을 위한 기반모델인 이력 검증(History Matching) 다성분 모델의 구성을 위하여, 생 산 첫해 7월부터 3년 9개월간의 운영이력을 적용한 이력 검증해석(History Matching Simulation)을 실시하였다.
해당 생산기간동안 운영된 유정은 3개이고, 각 유정별 압력에 대한 해석을 다성분 시뮬레이션과 블랙오일 시뮬 레이션을 각각 수행하였다.
이력검증 해석을 통해 산출된 결과는 현재 구성된 모 델의 신뢰성 검토와 기존 블랙오일 모델과의 차이에 대 한 검토를 위하여, 실제 운영이력과 매칭된 블랙오일 모 델의 해석결과와 함께 아래 Fig. 3에 비교 도시되었다.
Fig. 3(a)는 유정 Well-1의 BHP(Bottom Hole Pressure)를 블랙오일 모델의 결과(E100) 및 본 다성분 해석모델의 결 과(E300)를 대비하여 도시한 것이다. Fig. 3(b)와 (c)는 각각 유정 Well-2와 Well-3의 결과를 마찬가지로 대비 하여 도시한 것이다.
우선, 설치 운영된 모든 유정에 대하여 본 다성분 해석 결과는 블랙오일 해석결과와 대부분 일치하는 경향을 나 타내고 있어, 본 연구에서 구축된 모델은 비교적 신뢰할 수 있음을 확인할 수 있다. 다만 다성분 해석모델의 결과 와 블랙오일 모델의 결과에는 다소의 압력 차이를 나타내 고 있음을 볼 수 있으며, 이는 두 모델간의 다성분 다상거 동 해석특성의 차이에 따라 발생되는 결과로 여겨진다.
그러나 전체적으로 두 모델간의 압력차이는 크지는 않 으며, 이는 운영 초기의 운영조건이 다성분 다상거통 특 성을 보이는 포화압력이하로 내려가지 않았고 기본적으 로 가스 성분이 대부분 경질의 가스성분으로 이루어져 생산에 따른 다상거동의 특성이 크게 발생되지는 않는 것에 따른 것으로 생각된다. 따라서 본 연구의 주된 검토 대상인 Gas-1 성분조성의 컨덴세이트 저류층에 대한 블 랙오일 모델을 기반으로 한 검토는 적절하며, 비교적 타 당한 결과를 산출할 수 있음을 확인할 수 있다.
반면에, 이러한 두 모델간의 일치가 컨덴세이트 거동
(a) well - 1
(b) well - 2
(c) well - 3
Fig. 4. Gas-2 reservoir BHP comparison at each well.
Table 5. Operation scenario for the prediction simulation
Parameter Value
Capacity of Working Gas 89 [Bscf]
Capacity of Cushion Gas 79 [Bscf]
GIIP(Gas Initially In Place) 168 [Bscf]
Minimum Reservoir Pressure 2,100 [psig]
Maximum Reservoir Pressure 3,580 [psig]
Number of Well 12
Minimum WHP (Well Head Pressure) 750 [psig]
Maximum WHP (Well Head Pressure) 3,650 [psig]
Fig. 5. Injection and withdrawal pattern.
도시한 것이다. 그림에서 보듯이 앞선 Gas-1에 대한 해 석결과인 Fig. 3과 비교할 때, 현재 결과에서 블랙오일 시뮬레이션과 다성분 시뮬레이션의 결과 차이가 많이 확 대되어 있음을 알 수 있다. 이는 CGR이 높은 Gas-2 가 스에서 다상거동이 더욱 민감해졌으며, 두 해석모델의
결과간의 편차가 확대됨을 알 수 있다.
저류층 운영(Depletion) 조건 해석
다음으로, 앞 절에서 구축된 다성분 해석 고갈 모델을 바탕으로 향후 저장시설의 운영을 위한 실제 시뮬레이션 해석 검토를 시행하였다. 검토에 적용된 운영 용량, 적정 압력조건 등은 관계된 별도의 연구를 통해 도출된 안을 기준으로 하였다(한국가스공사, 2009). 이를 위해서는 우 선, 앞 절에서 구축된 가스전의 다성분 해석모델을 바탕 으로 향후 저장시설 운영시점에서의 저류층 상태, 즉 가 스전의 저장시설 운영의 초기상태를 조건에 부합되는 모 델을 얻기 위한 저류층 해석을 수행하여야 한다. 가스 저 장전의 운영은 최초 생산개시 후 약 13년이 경과한 시점, 즉 각 저류층의 최저 BHP(Bottom Hole Pressure) 압력 조건과 저류층의 안정화 및 설비 재정비 기간 등을 고려 하여, 이력검증 모델로부터 9년 3개월이 경과된 시점에 개시되는 것으로 계획하였다(Knepper, 1997). 각 유정의 BHP 한계는 1,100 psi로 하였으며, 이에 따라 Well-1은 최초 생산이후 약 6년이 경과한 시점, Well-2와 3는 6년 8개월 이후에 생산을 중단하는 것으로 가정하였다. 기타 해석 조건은 앞선 이력검증 해석의 경우와 동일하나 생 산량은 각 유정별 평균 생산량을 가정하여 적용하였다.
Table 5는 별도의 관련 연구에서 도출된 가스 저장전
(a) Full view
(b) Magnified view
Fig. 6. Gas-1 reservoir peak pressure variation during storage operation.
(a) Full view
(b) Magnified view
Fig. 7. Gas-2 reservoir peak pressure variation during storage operation.
운영조건과 관련된 사항을 정리한 것이고, 저장전의 주 입공정과 생산공정의 월별 운영시나리오는 Fig. 5에 도 시하였다(한국가스공사, 2009). 일반적으로 워킹가스의 용량은 GIIP(Gas Initially In Place)를 기준으로 50% 이 상에서 결정되나, 운영요구조건을 맞추기 위해 허용 가 능한 수준에서 상향 조정하였다. 기타 압력조건과 유정 수량은 MBAL SW 해석을 통해서 산출하였고 월별 주 입생산량은 설비용량과 저류층 압력조건의 변화를 감안 하여 설정하였다.
Fig. 6은 가스 저장전 운영 가상 시나리오에 따른 가스 저장전 운영의 해석결과로, 운영 개시 후 10년간의 저류 층의 압력(FPR, Field Pressure) 변화를 관찰하기 위하여 도시한 것이다. 저장과 생산운영을 위한 총 유정의 수는 12개이고 기타 주요한 운영조건은 Table 5와 같다. Table 6은 10년간 저장시설에 주입되는 것으로 가정된 가스의 성분을 정리한 것이다.
Fig. 6의 그림에서 전반적으로 가스의 저장과 생산이 타당한 범위내에서 원활히 진행되고 있음을 알 수 있다.
또한 다성분 해석모델과 블랙오일 모델간의 특성비교를 위하여 다성분 해석모델의 결과뿐만 아니라 블랙오일 모
델의 해석결과도 비교 도시하였다. Fig. 6(a)에서 초기에 거의 일치되던 압력변화가 저장시설 운영이 반복적으로 수행됨에 따라 두 피크 압력의 차이가 점차적으로 증가 되는 현상을 확인할 수 있다. Fig. 6(b)는 6(a)의 주입과 생산 사이클 부분을 확대하여 도시한 것으로, 블랙오일 모델에서는 10년간 약 50 psi, 저류층 최대압력대비 약 1.4% 정도의 피크압력감소가 점진적으로 증대되어 발생 되고 있음을 알 수 있다. 즉, 기존의 블랙오일 모델에서 는 저장시설운영에 따라 점차적으로 감소되던 압력이 주 입가스의 성분이 고려되는 다성분 해석모델에서는 성분 해석의 보완에 따라 원활한 운영이 이루어짐을 알 수 있 다. 그러나 상대적으로 두 모델간의 압력차이가 크지 않 고, 공정의 반복에 따른 증가 폭도 심각하지 않아, 결과 적으로 본 연구 대상 가스전의 저장시설운영과 관련된 블랙오일 시뮬레이션을 통한 검토는 비교적 신뢰할 수 있음을 확인할 수 있다.
반면, 앞의 이력검증의 경우에서 보았듯이 CGR이 높은 가스 컨덴세이트로 가정된 Gas-2 가스의 경우인 Fig. 7에 서는 그 양상이 다르다. Fig. 7(a)에서 보듯이 저장시설 운 영에 따른 두 모델간의 각 주기에서 압력차이가 지속적으
로 발생하고 있으며, Fig. 7(b)에서 운영의 반복에 따라 상 부와 하부의 피크 압력에서 두 모델간의 차이가 계속적으 로 증가하여 결과적으로 심각한 수준의 편차를 나타내고 있음을 알 수 있다. 운영에 따른 최대 압력차는 Gas-1에서 약 50 psi 이었으나, Gas-2는 약 140 psi, 저류층 최대압력 대비 약 3.9% 정도로 확대되었다. 결과적으로, 컨덴세이트 저류층의 저장시설 활용의 경우, 다성분 시뮬레이션 해석 이 보다 정확하고 안정적인 결과를 제공하고, 향후 실제 시설 및 운영계획의 수립에 있어 보다 면밀한 검토가 가능 하게 함을 확인할 수 있었다. 본 연구의 주 대상 가스전의 저장시설 운영의 경우, 당초 우려하였던 블랙오일 시뮬레 이션에 따른 편차의 수준은 크지 않아 관련 검토결과를 신 뢰할 수 있으나 CGR이 높은 컨덴세이트 저류층의 경우는 편차의 수준이나 증가가 심각함을 아울러 확인하였다.
결 론
본 연구에서는 향후 지하 가스 저장전에 저장이 예상 되는 다양한 성분의 가스에 대하여 저류층내 다성분 다 상거동과 생산가스의 성분을 예측하고 품질을 관리할 수 있는 다성분 해석모델을 성공적으로 구축하였다. 이를 통하여, 기존 블랙오일 모델에서는 규명될 수 없었던 상 변화에 따른 저류층의 압력변화에 대한 추가적인 검토가 가능하였다. 결과적으로 주입되는 가스의 성분차이에 따 른 두 모델간의 압력차이가 발생함과 압력차이가 운영이 지속됨에 따라 점차적으로 확대될 수 있음을 해석을 통 하여 확인하였다.
아울러, 본 연구에서 구축된 다성분 모델의 해석을 통 하여, 가스 컨덴세이트 저류층에 적용된 기존 블랙오일 모델과의 차이를 검토하고 관련된 영향을 분석하고자 시 도하였다. 이를 통하여, 공학적 측면에서 가스 컨덴세이 트 저류층에 대한 두 모델간의 해석결과 차이에 대한 비 교, 검토를 수행하였다. 결과적으로, 컨덴세이트 저류층 의 저장시설 활용의 경우, 다성분 시뮬레이션 해석이 보 다 정확하고 안정적인 결과를 제공하고, 향후 실제 시설 및 운영계획의 수립에 있어 보다 면밀한 검토가 가능하 게 함을 확인할 수 있었다. 본 연구의 주 대상 가스전, 즉 Gas-1 성분조성 저류층의 저장시설 운영의 경우, 당 초 우려하였던 블랙오일 시뮬레이션에 따른 편차의 수준 은 크지 않아 기존 블랙오일 모델과 관련된 검토결과를 신뢰할 수 있었다. 그러나 Gas-2 성분조성 저류층, 즉 CGR이 높은 컨덴세이트 저류층의 경우는 두 모델간의 결과 차이가 크고 운영의 반복에 따른 편차의 증가가 확 대되어 두 해석결과에 심각한 차이가 발생함을 아울러 확인하였다.
추가적으로 본 다성분 해석모델을 통하여 향후 가스- 오일 분리시설의 용량과 운영방법 및 비용에 대한 기술 적 자료의 확보가 가능하였다. 이를 통해, 향후 최적 운 영 시나리오 및 설비 계획 수립과 관련된 후속연구에 본 연구에서 개발된 해석모델과 결과가 반영될 수 있으리라 기대된다.
사 사
본 연구는 한국가스공사 및 2007년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받 아 수행한 연구 과제입니다(No. 2007RER20P010000).
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