셰일가스 저류층은 공극률이 매우 낮고 투과도가 극도로 불량하여 기존의 유·가스자원 개발 방식으로 생산하기에는 어려움이 따르기 때문에 상업적 생산을 위해서는 수평정 시추와 더불어 저류층에 자극(stimulation)을 발생시키는 것이 필수불가결하다. 이러한 셰일가스 저류층에 수행하는 자극법 중 가장 대표적인 공법이 수압파쇄(hydraulic fracturing)이며, 이 공법은 높은 수압을 이용하여 저류층에 인위적으로 균열을 형성시키고 일련의 과정을 통해 저류층의 투과도를 개선시켜 ...
셰일가스 저류층은 공극률이 매우 낮고 투과도가 극도로 불량하여 기존의 유·가스자원 개발 방식으로 생산하기에는 어려움이 따르기 때문에 상업적 생산을 위해서는 수평정 시추와 더불어 저류층에 자극(stimulation)을 발생시키는 것이 필수불가결하다. 이러한 셰일가스 저류층에 수행하는 자극법 중 가장 대표적인 공법이 수압파쇄(hydraulic fracturing)이며, 이 공법은 높은 수압을 이용하여 저류층에 인위적으로 균열을 형성시키고 일련의 과정을 통해 저류층의 투과도를 개선시켜 탄화수소의 생산을 향상시키는 유정자극법이다. 저류층에 수압파쇄를 발생시킬 때 수직정이나 수평정의 천공부와 직접 맞닿아 형성된 균열을 1차 균열이라고 하며, 1차 균열에서 추가적으로 발생하여 암체 내부로 성장하는 균열을 2차 균열이라고 한다. 또한 균열지지체의 지지여부에 따라 1차 및 2차 균열을 구분 짓기도 한다. 일반적으로 셰일가스와 같은 저투과성 암체로 구성된 저류층에 수압파쇄시 균열 형태가 복잡할수록 생산성이 개선되며, 이러한 균열의 발생과 성장은 대상 저류층의 물성 및 수압파쇄 운영인자에 의해 결정된다. 따라서 수압파쇄시 발생되는 1차 및 2차 균열이 저류층 물성에 따라 생산에 미치는 영향을 분석하고 이에 따라 수압파쇄 설계 영향인자를 고려해야한다.
이에 본 연구에서는 수압파쇄시 균열망을 구성하는 1차 및 2차 균열 파쇄인자가 셰일가스 생산성에 미치는 영향을 규명하기 위해 CMG사의 상용모듈인 GEM을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 이를 위해 상업적으로 생산이 진행되었고 저류층 물성 자료 취득이 비교적 용이한 미국의 바넷 셰일(Barnett shale)을 대상으로 가상의 셰일가스 저류층을 구축하였다. 구축된 모델에 수압파쇄 영향인자인 파쇄대 수, 파쇄 길이, 1차 균열전도도, 2차 균열전도도, 2차 균열 간격에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 이를 통해 균열자극부피 증가 또는 파쇄대와 셰일가스 암체간의 접촉효율 증가에 따라 저류층 생산성이 향상됨을 확인하였다. 또한 선행연구와 같이 단순 변수 적용에 의한 민감도 분석만으로는 2차 파쇄인자가 셰일가스 저류층의 생산성에 미치는 영향을 규명하기 어려워 다양한 저류층 조건 하에서 추가적인 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 셰일의 물성 범위내에서 다양한 저류층 모델(저류층 투과도, 저류층 심도, 자연 균열 전도도, 수압파쇄 1차 균열 전도도 모델)을 구성하였다. 이 때 2차 균열 전도도는 일반적으로 셰일가스 저류층 수압파쇄시 균열망이 형성될 때 측정되는 범위내에 포함되는 0.5, 1.25, 2.5, 3.75, 5 mD-ft을 사용하였으며, 균열망의 복잡성을 대표하기 위한 2차 균열 간격의 경우, 각 12.5, 25, 33.334, 50, 66.667 ft를 적용하였다. 또한 저류층의 투과도, 심도 등의 물성에 따라 원시부존량이 달라지기 때문에 보다 정확한 생산성 비교를 위해 각 모델의 누적 가스 생산량(cumulative gas production)이 아닌 회수율(recovery factor) 비교를 통해 생산성을 분석하였다. 그 결과 저류층의 투과도가 낮을 때, 자연균열 전도도가 높을 때, 1차 균열 전도도가 낮을 때 2차 균열에 의해 생산성이 개선됨을 확인하였다. 또한 2차 균열 발생시 저류층 심도에 대해서는 큰 영향을 받지 않는 것으로 확인되었으며, 분석 결과를 토대로 셰일가스 저류층 생산 개선을 위한 수압파쇄 설계 방안을 제시하였다.
본 연구에서 제안한 2차 균열 발생 및 성장을 고려한 셰일가스 수압파쇄 설계 방안은 다양한 저류층 조건하에서 셰일가스 수압파쇄 설계시 수압파쇄 운영인자 및 파쇄수 인자를 결정할 수 있는 주요한 척도가 될 것으로 사료된다.
셰일가스 저류층은 공극률이 매우 낮고 투과도가 극도로 불량하여 기존의 유·가스자원 개발 방식으로 생산하기에는 어려움이 따르기 때문에 상업적 생산을 위해서는 수평정 시추와 더불어 저류층에 자극(stimulation)을 발생시키는 것이 필수불가결하다. 이러한 셰일가스 저류층에 수행하는 자극법 중 가장 대표적인 공법이 수압파쇄(hydraulic fracturing)이며, 이 공법은 높은 수압을 이용하여 저류층에 인위적으로 균열을 형성시키고 일련의 과정을 통해 저류층의 투과도를 개선시켜 탄화수소의 생산을 향상시키는 유정자극법이다. 저류층에 수압파쇄를 발생시킬 때 수직정이나 수평정의 천공부와 직접 맞닿아 형성된 균열을 1차 균열이라고 하며, 1차 균열에서 추가적으로 발생하여 암체 내부로 성장하는 균열을 2차 균열이라고 한다. 또한 균열지지체의 지지여부에 따라 1차 및 2차 균열을 구분 짓기도 한다. 일반적으로 셰일가스와 같은 저투과성 암체로 구성된 저류층에 수압파쇄시 균열 형태가 복잡할수록 생산성이 개선되며, 이러한 균열의 발생과 성장은 대상 저류층의 물성 및 수압파쇄 운영인자에 의해 결정된다. 따라서 수압파쇄시 발생되는 1차 및 2차 균열이 저류층 물성에 따라 생산에 미치는 영향을 분석하고 이에 따라 수압파쇄 설계 영향인자를 고려해야한다.
이에 본 연구에서는 수압파쇄시 균열망을 구성하는 1차 및 2차 균열 파쇄인자가 셰일가스 생산성에 미치는 영향을 규명하기 위해 CMG사의 상용모듈인 GEM을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 이를 위해 상업적으로 생산이 진행되었고 저류층 물성 자료 취득이 비교적 용이한 미국의 바넷 셰일(Barnett shale)을 대상으로 가상의 셰일가스 저류층을 구축하였다. 구축된 모델에 수압파쇄 영향인자인 파쇄대 수, 파쇄 길이, 1차 균열전도도, 2차 균열전도도, 2차 균열 간격에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 이를 통해 균열자극부피 증가 또는 파쇄대와 셰일가스 암체간의 접촉효율 증가에 따라 저류층 생산성이 향상됨을 확인하였다. 또한 선행연구와 같이 단순 변수 적용에 의한 민감도 분석만으로는 2차 파쇄인자가 셰일가스 저류층의 생산성에 미치는 영향을 규명하기 어려워 다양한 저류층 조건 하에서 추가적인 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 셰일의 물성 범위내에서 다양한 저류층 모델(저류층 투과도, 저류층 심도, 자연 균열 전도도, 수압파쇄 1차 균열 전도도 모델)을 구성하였다. 이 때 2차 균열 전도도는 일반적으로 셰일가스 저류층 수압파쇄시 균열망이 형성될 때 측정되는 범위내에 포함되는 0.5, 1.25, 2.5, 3.75, 5 mD-ft을 사용하였으며, 균열망의 복잡성을 대표하기 위한 2차 균열 간격의 경우, 각 12.5, 25, 33.334, 50, 66.667 ft를 적용하였다. 또한 저류층의 투과도, 심도 등의 물성에 따라 원시부존량이 달라지기 때문에 보다 정확한 생산성 비교를 위해 각 모델의 누적 가스 생산량(cumulative gas production)이 아닌 회수율(recovery factor) 비교를 통해 생산성을 분석하였다. 그 결과 저류층의 투과도가 낮을 때, 자연균열 전도도가 높을 때, 1차 균열 전도도가 낮을 때 2차 균열에 의해 생산성이 개선됨을 확인하였다. 또한 2차 균열 발생시 저류층 심도에 대해서는 큰 영향을 받지 않는 것으로 확인되었으며, 분석 결과를 토대로 셰일가스 저류층 생산 개선을 위한 수압파쇄 설계 방안을 제시하였다.
본 연구에서 제안한 2차 균열 발생 및 성장을 고려한 셰일가스 수압파쇄 설계 방안은 다양한 저류층 조건하에서 셰일가스 수압파쇄 설계시 수압파쇄 운영인자 및 파쇄수 인자를 결정할 수 있는 주요한 척도가 될 것으로 사료된다.
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