[논문]CO2 지하저장과 연계한 원유회수증진 기술

김형목; 배위섭

doi:10.7474/tus.2013.23.1.001

초록
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본 고에서는 $CO_2$ 지중저장과 연계한 원유회수증진 기술을 소개하였다. 원유회수증진을 목적으로 $CO_2$를 저류층 내에 주입하는 $CO_2$ EOR 기술은 장기적인 관점에서 $CO_2$를 지하 심부 암반에 저장하는 CCS 기술로 전환할 수 있다. CCS와 연계한 $CO_2$ EOR 기술은 EOR에 필요한 대규모 $CO_2$ 공급원을 확보할 수 있는 장점이 있으며 원유 회수율 증진에 따른 편익 발생으로 CCS를 위한 일련의 프로세스 중, 특히 포집 분야에 경제성을 부가할 수 있는 장점이 있다. 이러한 CCS와 연계한 $CO_2$ EOR 기술의 특징 및 시장 전망을 살펴보고 국외의 대표사례로 Weyburn $CO_2$ EOR 프로젝트를 소개하였다. 또한, 안정적이고 경제적인 $CO_2$ EOR 실시에 필요한 제반 기술 요소를 분석하고 $CO_2$ 주입중 및 주입후 장기운영과정에서의 미소진동 계측, $CO_2$의 최소혼화압력 및 최대주입압력의 사전설계 등의 암반공학적 쟁점들을 소개하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Enhanced oil recovery (EOR) technology coupled with underground carbon dioxide sequestration is introduced. $CO_2$ can be injected into an oil reservoir in order to enhance oil production rate and $CO_2$ EOR can be turned into CCS in a long term sense. Coupling $CO_2$

Enhanced oil recovery (EOR) technology coupled with underground carbon dioxide sequestration is introduced. $CO_2$ can be injected into an oil reservoir in order to enhance oil production rate and $CO_2$ EOR can be turned into CCS in a long term sense. Coupling $CO_2$ EOR with CCS may secure a large scale and consistent $CO_2$ source for EOR, and the $CO_2$ EOR can bring an additional economic benefit for CCS, since the benefit from enhanced oil production by $CO_2$ EOR will compensate costs for CCS implementation. In this paper, we introduced the characteristics of $CO_2$ EOR technology and its market prospect, and reviewed the Weyburn $CO_2$ EOR project which is the first large-scale $CO_2$ EOR case utilizing an anthropogenic $CO_2$ source. We also introduced geotechnical elements for a successful and economical implementation of $CO_2$ EOR with CCS and they were a miscroseismic monitoring during and after injection of $CO_2$, and determination of minimum miscible pressure (MMP) and maximum injection pressure (MIP) of $CO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 CO₂를 지하 암반층에 대용량으로 저장하기 위한 CCS 기술과 원유 생산 증진을 위한 CO₂ EOR 공법을 연계한 CCS-EOR 기술 동향 및 특징을 살펴보고자 한다. 또한, CCS와 연계한 CO₂EOR 프로젝트의 대표 사례인 캐나다 Weyburn 프로젝트 사례를 분석함으로써 이들 프로젝트의 성공적 수행을 위한 관련 기술 개발 요소를 도출하였다.
본 고에서는 온실가스 저감방안으로서의 CO₂ 지하암반층 저장과 원유 생산 증진을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대되는 CO₂ EOR 기술을 살펴보고, CCS 와 연계한 CO₂-EOR 프로젝트의 대표 사례로서 캐나다 Weyburn 프로젝트 사례를 소개하였다.

제안 방법

10c). CO₂ 주입은 2000년부터 시작하였으나 다운홀(downhole) 지오폰을 이용한 미소지진 모니터링은 2003년부터 개시하여 5년 동안의 모니터링 기간동안 총 86개의 미소지진을 관측하였다(Fig. 11). 이들 발생 미소지진의 진원 추적 결과, 대부분의 미소지진 거동은 주입정과 생산정 주변 저류층 상부 피복암(overburden)에서 발생한 것으로 추정되었으며 (Fig.
EOR 공법을 연계한 CCS-EOR 기술 동향 및 특징을 살펴보고자 한다. 또한, CCS와 연계한 CO₂EOR 프로젝트의 대표 사례인 캐나다 Weyburn 프로젝트 사례를 분석함으로써 이들 프로젝트의 성공적 수행을 위한 관련 기술 개발 요소를 도출하였다. CCS와 연계한 CO₂ EOR 기술 개발 자립화는 인도네시아 등과 같은 석유기술 개발도상국 시장에의 진출, 온실가스 저감을 통한 기후변화협약에의 적극적 동참, 신규 상업적 부가가치 창출 등의 기대효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

성능/효과

또한, 생산정에서의 원유 회수량 조절을 통해 저류층 내 압력을 능동적으로 조절할 수 있어 주입에 의한 공극내 유체 압력 영향 영역을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한, CO₂주입을 통한 원유 회수 증진 효과는 단순 CCS과정에서의 포집에 소요되는 비용을 보상함으로써 CCS의 경제성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 기존 원유 생산지역에 CO₂만 추가주입하게 되므로 CCS를 위한 신규 인허가 절차를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 주민 수용성을 향상시키는 효과도 기대할 수 있다.
또한, 육상 CO₂ EOR의 경제성 분석 결과에 의하며 CO₂ 1톤당 45$, 원유가 70$/barrel인 조건에서 대략 15~25$/Barrel의 이익 마진을 가지는 것으로 분석된 바 있다(Table 2).
11). 이들 발생 미소지진의 진원 추적 결과, 대부분의 미소지진 거동은 주입정과 생산정 주변 저류층 상부 피복암(overburden)에서 발생한 것으로 추정되었으며 (Fig. 10d), 특히 수직 방향의 주입정보다 수평 방향의 생산정 주변 영역에서 상대적으로 많은 미소지진이 발생한 것으로 파악되었다. 미소지진 발생은 취성재료 내에서의 전단파괴 양상을 설명하는 균열 잠재성(fracture potential) 지수를 이용하여 간략하게 파악할 수 있다 (Connolly & Cosgrove, 1999).

후속연구

한편, Kim et al.(2010)은 CO₂ EOR 프로젝트 과정 중 미소지진 모니터링 배열을 위한 기초연구 결과를 발표한 바 있으며 균열 방향성 및 지류층 이방성을 고려한 최적 센서 배열 및 센서 종류에 대한 연구도 추가적으로 실시되어야 할 것으로 보인다.
또한, CCS와 연계한 CO₂EOR 프로젝트의 대표 사례인 캐나다 Weyburn 프로젝트 사례를 분석함으로써 이들 프로젝트의 성공적 수행을 위한 관련 기술 개발 요소를 도출하였다. CCS와 연계한 CO₂ EOR 기술 개발 자립화는 인도네시아 등과 같은 석유기술 개발도상국 시장에의 진출, 온실가스 저감을 통한 기후변화협약에의 적극적 동참, 신규 상업적 부가가치 창출 등의 기대효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
EOR 시장은 향후 해상 가스전을 중심으로 형성될 수 있을 것으로 보인다. CO₂ EOR 관련 요소 기술은 다수 개발되어 있으나, 이들 요소 기술들을 CO₂EOR 목적으로 통합하고 국내 육상현장을 대신하여 해외 유전을 대상으로 현장 기술실증을 실시하고 운영경험을 축적함으로써 해상 가스전에의 확대 적용 및 해외 CO₂EOR 시장에까지 진출할 수 있을 것으로 기대된다. Table 3은 전세계의 CO₂ EOR 대상부지 분석 결과를 요약한 것으로 중동 및 북아프리카 지역에서 CO₂EOR 시장의 급격한 성장이 예상됨을 알 수 있다.
CO₂ EOR 기술은 원유 회수 증진 목적으로 주입되는 대규모 CO₂ 공급원 확보 측면에서 CCS와의 연계가 유용할 것으로 보이며 또한 원유 회수율 증진에 따른 신규 부가가치 창출로 CCS의 일련과정, 특히 포집분야에 추가적인 경제성을 부여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존 유전지역을 대상으로 CCS를 실시하기 때문에 신규 CCS용 부지 선정에 비해 상대적으로 주민 수용성 및 인허가 절차를 간소화할 수 있는 장점도 있다.
따라서, Weyburn 프로젝트 미소지진 관측결과만을 가지고 주입 CO₂의 누출 가능성을 평가하기에는 한계가 있음을 알 수 있으며 정확한 누출여부 파악을 위해서는 저류층 내 유체 및 주입 CO₂의 유동 양상, 공극압력 변화 및 역학적 변형을 함께 고려한 지오메카닉스 모델 해석과의 통합적 해석을 통한 분석이 필요하다고 할 수 있다. 또한, 주입 CO₂의 절대압력치에 따라서는 주입압을 고려한 유효응력 해석과 같은 일방향 연계해석이 아닌 공극구조 변형에 따른 유체유동 양상까지 고려한 양방향 연계해석을 실시해야 할 것으로 보인다.
또한, CO₂ EOR 프로젝트의 안정적이고 경제적인 운영을 위한 MMP와 MIP(Maximum Injection Pressure) 등의 적정주입압력을 사전 설계하고 장기운영과정 중 시뮬레이션을 통한 누출 가능성을 예측할 필요가 있다. 이를 위해서는 기존의 지하 심부를 대상으로 한 열-수리-역학적 연계거동 해석기법에 원유/CO₂/지하수 등 저류층 내 유체 유동 및 PVT 거동을 고려한 지오메카닉스 해석모듈을 추가 개발하고 주입과정에서의 지표면 융기량, 미소지진 발생 양상 등의 계측결과와 비교/분석/수정과정을 반복함으로써 대상지역의 지오메카닉스 모델을 업그레이드하고, 누출 시나리오 해석 및 대응방안, 원유 회수율 증진 효과의 사전 예측 정밀도를 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혼화(miscible) CO2 EOR의 경우, 어떤 원인으로 인해 석유자원의 회수율을 증진시키는가?	혼화(miscible) CO2 EOR의 경우, 주입 CO2와 원유가 완전히 혼화됨으로써 유체의 점성도 감소, 유동성의 증가 및 표면장력의 해소로 인한 상대투과특성의 향상 등의 효과로 인해 잔류 원유를 재유동시켜 회수율을 증진시키게 된다.
	Gas EOR 공법은 무엇인가?	3차 원유 생산과정에 해당하는 EOR 공법은 크게 3가지로 세분할 수 있다(Table 1). Gas EOR 공법은 CO2및 질소(N2) 가스를 저류층에 주입함으로써 원유와의 혼 화(miscible)/비혼화(immiscible) 과정을 통해 유체 점성도를 저감시켜 생산량을 증대하는 기술이다. 화학적 EOR은 폴리머 및 계면활성제 등을 활용하여 잔류 석유의 상대적인 유동도를 조절하는 기술이다.
	원유 생산 과정 중, 2차 생산은 무엇인가?	1차 생산에 의한 원유 생산량은 초기 원유 매장량(Original Oil In Place, OOIP)의 약 10-20%에 불과한 것으로 알려져 있다. 2차 생산(secondary production)은 1차 생산 과정에서의 저류층 내 압력 저하로 자연적인 생산이 불가능한 시점에 물(혹은 가스)을 저류층에 인위적으로 주입하여 저류층 내 원유를 밀어내어 생산하는 과정(water flooding)을말한다. 이러한 2차 생산에 의한 원유 회수량은 OOIP 의 약 20-40%에 해당하는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (18)

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박의섭, 김현우, 천대성, 최헌수, 2012, $CO_2$ 지중저장의 암반공학적 해결과제, 2012 한국자원공학회 추계학술발표회 CCS 특별세션, pp. 84-96.
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Andrei, M., Simoni, M., Delbianco, A., Cazzani, P., 2010, Enhanced Oil Recovery with $CO_2$ Capture and Sequestration, World Energy Concil
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상세보기
Rutqvist, J., 2012, The geomechanics of $CO_2$ stroage in deep sedimentary formations, Geotechnical and Geological Engineering 30, pp. 525-551.

상세보기
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