비전통가스 자원을 개발하기 위해서는 저류층 암체의 치밀성을 도출하는 물성 분석이 요구된다. 특히, 치밀가스와 같은 비전통자원의 경우, 전통적인 천연가스전과 비교하여 투과도가 특징적으로 낮아서 통상적인 물성 측정 기술을 적용하기에는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 비정상상태에서 저투과성 암체의 물성을 측정하는 압력펄스감소법을 기반으로 실험 장치를 개발하였다. 개발된 기기는 우리나라 경상분지 치밀사암의 물성 분석에 이용되었으며, 각 시료의 투과도와 공극률을 도출하였다. 또한, 실험을 통해 얻은 자료와 이론해 모델 간의 회귀분석 결과 모두 0.96 이상의 상관계수를 나타냈으며, 개발된 장치에 대한 높은 신뢰성을 확인할 수 있었다.
비전통가스 자원을 개발하기 위해서는 저류층 암체의 치밀성을 도출하는 물성 분석이 요구된다. 특히, 치밀가스와 같은 비전통자원의 경우, 전통적인 천연가스전과 비교하여 투과도가 특징적으로 낮아서 통상적인 물성 측정 기술을 적용하기에는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 비정상상태에서 저투과성 암체의 물성을 측정하는 압력펄스감소법을 기반으로 실험 장치를 개발하였다. 개발된 기기는 우리나라 경상분지 치밀사암의 물성 분석에 이용되었으며, 각 시료의 투과도와 공극률을 도출하였다. 또한, 실험을 통해 얻은 자료와 이론해 모델 간의 회귀분석 결과 모두 0.96 이상의 상관계수를 나타냈으며, 개발된 장치에 대한 높은 신뢰성을 확인할 수 있었다.
To develop a unconventional gas reservoir, an analysis of tight rock property are required. Especially, conventional measurements are difficult to be applied to unconventional resources such as tight gas reservoir because the permeability are extremely low compared to a conventional gas reservoir. I...
To develop a unconventional gas reservoir, an analysis of tight rock property are required. Especially, conventional measurements are difficult to be applied to unconventional resources such as tight gas reservoir because the permeability are extremely low compared to a conventional gas reservoir. In this study, an apparatus was developed for measuring low permeability and porosity based on a pressure pulse decay method under unsteady state conditions. The apparatus was applied for measuring the porosity and permeability of tight sand core samples from Gyeongsang basin in Korea. As a validation of the measurement, regression analysis was carried out using the dimensionless pseudo-pressure between the measured data and analytical solution. The results show the correlation coefficients above 0.96. Therefore, it is believed that the apparatus has a high accuracy.
To develop a unconventional gas reservoir, an analysis of tight rock property are required. Especially, conventional measurements are difficult to be applied to unconventional resources such as tight gas reservoir because the permeability are extremely low compared to a conventional gas reservoir. In this study, an apparatus was developed for measuring low permeability and porosity based on a pressure pulse decay method under unsteady state conditions. The apparatus was applied for measuring the porosity and permeability of tight sand core samples from Gyeongsang basin in Korea. As a validation of the measurement, regression analysis was carried out using the dimensionless pseudo-pressure between the measured data and analytical solution. The results show the correlation coefficients above 0.96. Therefore, it is believed that the apparatus has a high accuracy.
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문제 정의
본 연구에서는 압력펄스감소법을 기반으로 다양한 부피 변화가 가능하고 시간적 효율을 향상시킨 저투과도 측정 장치(LPMA; low permeability measurement apparatus)를 개발하였다. 개발된 장치를 이용하여 우리나라 경상분지에서 채취한 치밀사암시료에 대한 투과도 및 공극률을 측정하였으며, 도출된 물성에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 Hsieh 등[6]이 제안한 이론해 모델과의 비교 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 저투과도 암체의 물성 측정에 압력펄스감소법을 적용하기 위해 Fig. 2와 같은 모식도를 갖는 저투과도 측정 장치를 개발하였다. 개발된 장치는 온도 변화를 방지하기 위해 코어 홀더 및 상ㆍ하류부분을 비롯한 장치의 주요 설비는 인큐베이터 안에 위치시켰으며, 상류부분과 하류부분에는 탈부착이 가능한 용기를 설치하여 밸브, 튜빙 등에 의해 발생할 수 있는 사장부피(dead volume)를 줄임으로써, 내부 요인에 의한 오차를 최소화시켰다.
본 연구에서는 저투과성 암체의 물성을 도출하기 위해 저투과도 측정 장치를 설계 및 개발하였다. 개발된 장치를 이용하여 우리나라 경상분지의 치밀사암에 대한 물성을 취득하였으며, 이를 통해 다음의 결과를 도출하였다.
하지만 국내에서 저투과도 측정 장비가 없고, 인공 코어 시료 제작에는 기술적ㆍ비용적인 한계가 존재한다. 이에 본 연구에서는 Hsieh 등[6]이 제안한 압력펄스감소법의 이론해 모델을 이용하여 도출된 물성에 대한 신뢰성 검증을 수행하였다. 이를 위해 물성을 도출한 시료별로 조정된 시간에 따른 실험 자료와 이론해 모델에 의해 도출된 무차원 유사압력의 거동을 비교하였으며, 상ㆍ하류 압력 거동에 대한 각각의 회귀곡선 분석을 수행하였다.
제안 방법
(1) 치밀사암 저류층과 같은 저투과성 암체의 물성 분석을 위해 압력펄스감소법을 기반으로 한 저투과도 측정 장치를 개발하였다. 개발된 장치는 물성측정에 주요 매개변수로 작용하는 상ㆍ하류의 부피비를 고려하기 위해 상ㆍ하류에 설치된 용기를 탈부착 가능하도록 제작하였으며, 장치 내부를 소형화하여 사장부피를 줄임으로써, 물성 취득시 발생할 수 있는 오차를 최소화시켰다.
개발된 실험 장치를 통해 TS-1, TS-2, TS-3의 압력 거동을 취득하였으며, 취득된 자료를 통해 각각의 투과도와 공극률을 산출하였다. 도출된 값에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 Hsieh 등[6]에 의해 제안된 이론해 모델의 압력거동과 비교 분석을 수행하였다.
개발된 장치를 이용하여 우리나라 경상분지 치밀사암의 투과도와 공극률 도출실험을 수행하였다. 경상분지는 Fig.
본 연구에서는 압력펄스감소법을 기반으로 다양한 부피 변화가 가능하고 시간적 효율을 향상시킨 저투과도 측정 장치(LPMA; low permeability measurement apparatus)를 개발하였다. 개발된 장치를 이용하여 우리나라 경상분지에서 채취한 치밀사암시료에 대한 투과도 및 공극률을 측정하였으며, 도출된 물성에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 Hsieh 등[6]이 제안한 이론해 모델과의 비교 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 저투과성 암체의 물성을 도출하기 위해 저투과도 측정 장치를 설계 및 개발하였다. 개발된 장치를 이용하여 우리나라 경상분지의 치밀사암에 대한 물성을 취득하였으며, 이를 통해 다음의 결과를 도출하였다.
또한, 코어의 양단 연결부에 우회라인(by-pass line)을 설치하여 주입유체의 유동 방향에 따른 물성변화를 고려하였으며, 이를 통해 양방향 투과도를 산출할 수 있다. 상ㆍ하류부분과 코어 홀더의 연결부에 솔레노이드 밸브를 설치하였으며, 밸브의 개폐를 인큐베이터 외부에서 조절하여 실험장치 내의 외부영향을 줄이고, 시간의 효율성을 극대화했다.
시스템 내부 압력 주입에 앞서, 저류층에서 지층 압력을 받는 현상을 모사하기 위해 코어 외부에 위치한 코어 홀더 내에 1,300 psi 이상의 하중압을 발생시켰다. 물성 도출시 요구되는 유사압력을 사용하기 위해서는 고압의 초기 조건이 요구되기 때문에 실험 초기 조건을 1,000 psi 이상의 압력으로 평형을 이루었으며, 상류부분에 압력펄스를 만들기 위하여 평형압력의 3%에 해당하는 압력을 추가적으로 발생시켰다. 물성 측정 실험은 압력펄스 발생 후 상류부분에 위치한 솔레노이드 밸브를 열었을 때 시작되며, 상류부분과 하류부분의 압력이 평형상태에 도달한 후에 실험을 종료하였다.
물성 도출시 요구되는 유사압력을 사용하기 위해서는 고압의 초기 조건이 요구되기 때문에 실험 초기 조건을 1,000 psi 이상의 압력으로 평형을 이루었으며, 상류부분에 압력펄스를 만들기 위하여 평형압력의 3%에 해당하는 압력을 추가적으로 발생시켰다. 물성 측정 실험은 압력펄스 발생 후 상류부분에 위치한 솔레노이드 밸브를 열었을 때 시작되며, 상류부분과 하류부분의 압력이 평형상태에 도달한 후에 실험을 종료하였다.
본 연구에서는 경상분지 하양층군에 분포한 세립질이나 조립질 모래로 구성된 치밀사암을 채취하여 직경 1.5 인치로 코어링 하였으며, Table 2와 같이 TS-1, TS-2, TS-3 시료로 명명된 시료를 코어 홀더에 장입될 수 있게 길이 1.65 인치 이상으로 절단하였다.
또한, 코어의 양단 연결부에 우회라인(by-pass line)을 설치하여 주입유체의 유동 방향에 따른 물성변화를 고려하였으며, 이를 통해 양방향 투과도를 산출할 수 있다. 상ㆍ하류부분과 코어 홀더의 연결부에 솔레노이드 밸브를 설치하였으며, 밸브의 개폐를 인큐베이터 외부에서 조절하여 실험장치 내의 외부영향을 줄이고, 시간의 효율성을 극대화했다. 실험이 수행되는 동안 시스템 내부에서 발생하는 압력 거동은 데이터 취득시스템을 거쳐 사용자가 설정한 시간 간격별로 저장되며, 최종적으로 실험 시간, 온도, 상ㆍ하류부분의 압력, 코어 홀더 양단의 압력 차이를 취득할 수 있다.
시스템 내부 압력 주입에 앞서, 저류층에서 지층 압력을 받는 현상을 모사하기 위해 코어 외부에 위치한 코어 홀더 내에 1,300 psi 이상의 하중압을 발생시켰다. 물성 도출시 요구되는 유사압력을 사용하기 위해서는 고압의 초기 조건이 요구되기 때문에 실험 초기 조건을 1,000 psi 이상의 압력으로 평형을 이루었으며, 상류부분에 압력펄스를 만들기 위하여 평형압력의 3%에 해당하는 압력을 추가적으로 발생시켰다.
이에 본 연구에서는 Hsieh 등[6]이 제안한 압력펄스감소법의 이론해 모델을 이용하여 도출된 물성에 대한 신뢰성 검증을 수행하였다. 이를 위해 물성을 도출한 시료별로 조정된 시간에 따른 실험 자료와 이론해 모델에 의해 도출된 무차원 유사압력의 거동을 비교하였으며, 상ㆍ하류 압력 거동에 대한 각각의 회귀곡선 분석을 수행하였다. TS-1의 경우, 실험과 이론해 모델을 통해 도출된 무차원 유사압력 거동이 Fig.
준비된 코어 시료는 코어홀더에 장입전에 176℉의 온도에서 24시간 동안 건조과정을 거쳤으며, 코어 홀더에 장입 후에는 잡가스 제거를 위해 진공 펌프를 사용하여 1시간 동안 진공시키는 전처리 과정을 수행하였다.
실험 시작 후 약 13시간 만에 압력이 평형상태에 도달하였다. 천이유동 구간에서 취득된 물성 변화 자료와 사용된 시료의 길이, 직경 등을 이용하여 투과도를 산출했고, 공극률의 경우 초기 압력 평형상태와 실험 종료 시점의 평형압력, 시료의 부피 등을 이용하여 도출했다. TS-1 시료의 투과도는 0.
대상 데이터
(2) 개발된 장치는 우리나라 경상분지의 치밀사암 시료인 TS-1, 2, 3의 물성 측정 실험에 사용되었다. 물성 측정에 소요된 총 시간은 시료별로 최소 50분에서 최대 13시간이었으며, 각각 투과도는 0.
데이터처리
(3) 도출된 결과에 대한 검증을 위해 이론해 모델과 실험 결과를 비교 분석하였다. 그 결과, 각 시료의 상ㆍ하류구간에서 발생한 무차원 유사압력 거동의 상관계수가 모두 0.
개발된 실험 장치를 통해 TS-1, TS-2, TS-3의 압력 거동을 취득하였으며, 취득된 자료를 통해 각각의 투과도와 공극률을 산출하였다. 도출된 값에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 Hsieh 등[6]에 의해 제안된 이론해 모델의 압력거동과 비교 분석을 수행하였다. 각 시료에 대한 전처리 과정과 실험과정은 모두 동일하게 적용되었으며, 각 시료의 물성측정 결과를 도출하였다.
성능/효과
물성 측정에 소요된 총 시간은 시료별로 최소 50분에서 최대 13시간이었으며, 각각 투과도는 0.0002, 0.0004, 0.0035 md, 공극률은 4.2, 4.9, 4.3%로 도출되었다.
천이유동 구간에서 취득된 물성 변화 자료와 사용된 시료의 길이, 직경 등을 이용하여 투과도를 산출했고, 공극률의 경우 초기 압력 평형상태와 실험 종료 시점의 평형압력, 시료의 부피 등을 이용하여 도출했다. TS-1 시료의 투과도는 0.0002 md, 공극률은 4.3%로 나타났으며, 일반적으로 사암이 가지는 물성 범위에 비해 매우 낮은 값이 도출되었다.
TS-1, TS-2, TS-3의 실험과 이론해 모델의 무차원 유사압력 거동을 회귀분석한 결과, Table 4와 같이 상관계수가 모두 0.96 이상으로 높은 수치를 나타냈으며, 개발된 장치를 통해 도출된 물성에 대한 높은 신뢰성을 확인할 수 있었다. TS-1의 경우, 높은 상관계수를 나타내기는 했지만, 상류부분에서 다소 큰 차이가 발생하였다.
9894를 나타냈다. TS-2의 경우 상류부분과 하류부분 모두 실험과 이론해 모델의 무차원 유사압력이 잘 일치하였으며, 도출된 물성에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.
(1) 치밀사암 저류층과 같은 저투과성 암체의 물성 분석을 위해 압력펄스감소법을 기반으로 한 저투과도 측정 장치를 개발하였다. 개발된 장치는 물성측정에 주요 매개변수로 작용하는 상ㆍ하류의 부피비를 고려하기 위해 상ㆍ하류에 설치된 용기를 탈부착 가능하도록 제작하였으며, 장치 내부를 소형화하여 사장부피를 줄임으로써, 물성 취득시 발생할 수 있는 오차를 최소화시켰다.
2와 같은 모식도를 갖는 저투과도 측정 장치를 개발하였다. 개발된 장치는 온도 변화를 방지하기 위해 코어 홀더 및 상ㆍ하류부분을 비롯한 장치의 주요 설비는 인큐베이터 안에 위치시켰으며, 상류부분과 하류부분에는 탈부착이 가능한 용기를 설치하여 밸브, 튜빙 등에 의해 발생할 수 있는 사장부피(dead volume)를 줄임으로써, 내부 요인에 의한 오차를 최소화시켰다.
(3) 도출된 결과에 대한 검증을 위해 이론해 모델과 실험 결과를 비교 분석하였다. 그 결과, 각 시료의 상ㆍ하류구간에서 발생한 무차원 유사압력 거동의 상관계수가 모두 0.96 이상으로 나타남으로써 도출된 물성에 대한 충분한 신뢰성을 확인할 수 있었다.
TS-2 시료의 경우, 실험 시작 후 약 6시간 30분 만에 압력이 평형상태에 도달하였다. 무차원 유사압력과 시료의 물성, 초기 평형압력, 최종 평형압력을 통해서 TS-2 시료의 투과도와 공극률을 산출했으며, 각각 0.0004 md와 4.9%로 나타났다.
4463로 점점 증가하는 형태를 보였다. 무차원 유사압력과 시료의 물성, 초기 평형압력, 최종 평형압력을 통해서 TS-3 시료의 투과도와 공극률을 산출했으며, 각각 0.0035 md와 4.3%로 나타났다.
9692의 상관계수를 갖는 것으로 나타났다. 상류부분에서 실험과 이론해 모델의 무차원 유사압력이 다소 차이를 보였으나, 물성 도출에 사용되는 압력 거동의 기울기에는 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 무차원 유사압력의 거동 차이는 균질한 코어상태를 가정하고 있는 이론해 모델에 의해 발생할 수 있는 영향으로 판단된다.
후속연구
(4) 본 연구를 통해 개발된 장치는 향후 저투과성 암체로 구성된 저류층의 생산 평가를 위한 저류층 시뮬레이션의 주요 입력 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
개발된 장치는 이미 검증과정까지 마친 또 다른 기기에서 도출된 물성과 비교하거나, 투과도가 정확히 계산될 수 있는 인공 코어 시료를 이용하여 물성을 측정함으로써 신뢰성이 확인될 수 있다. 하지만 국내에서 저투과도 측정 장비가 없고, 인공 코어 시료 제작에는 기술적ㆍ비용적인 한계가 존재한다.
선행 연구에 따르면, 가스하이드레이트를 제외한 비전통가스 자원의 전 세계 추정 부존량이 약 32,000 Tcf(trillion cubic feet)에 달하며, 이는 기존 천연가스 매장량의 80%에 해당한다[2]. 따라서 성공적인 개발이 이루어진다면 많은 양의 에너지자원 확보가 가능할 것으로 기대된다. 하지만 비전통가스 자원은 전통적인 천연가스전과 비교하여 투과도 및 공극률이 특징적으로 낮아서 통상적인 물성 측정 기술적용에는 한계가 있다.
TS-1의 경우, 높은 상관계수를 나타내기는 했지만, 상류부분에서 다소 큰 차이가 발생하였다. 이는 치밀사암 시료의 지질학적변형이나 시료가 가지고 있는 불균질성에 의한 영향으로 추정되며, 향후 Microfocus CT X-ray, SEM 등을 통해 보다 복합적인 연구를 통한 정확한 물성 규명이 요구됨을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비전통가스 자원의 한계점은?
따라서 성공적인 개발이 이루어진다면 많은 양의 에너지자원 확보가 가능할 것으로 기대된다. 하지만 비전통가스 자원은 전통적인 천연가스전과 비교하여 투과도 및 공극률이 특징적으로 낮아서 통상적인 물성 측정 기술적용에는 한계가 있다.
비전통가스 자원은 무엇인가?
기존 유․가스전의 매장량 감소와 수평정 시추나 수압파쇄 공법과 같은 자원개발 기술 향상에 힘입어 비전통가스 자원(unconventional gas)에 대한 관심이 증가하고 있다. 비전통가스 자원이란 근원암에서 발생한 가스가 근원암층에 갇혀서 한곳으로 집적되지 못하거나 1차 이동을 하였으나 다른 치밀한 암체에 갇혀 2차 이동을 하지 못한 채 근원암에 근접하여 광범위하게 분포하는 가스를 말한다[1].
정상상태 측정법의 단점은?
정상상태 측정법은 전통적인 석유․ 가스 저류층의 암체 물성을 측정하기 위해 통상적으로 사용되며, 일반적으로 원통형 시료를 이용하여 물성을 도출하는 방법이다. 하지만 암체의 저투과성으로 인하여 정상상태가 되기까지의 시간 소요가 크며, 일정한 유동량을 유지하기 어렵다. 이에 Brace[4]는 비정상상태에서 암체 물성을 측정할 수 있는 압력펄스감소법(pressure pulse decay)을 제안하였다.
참고문헌 (17)
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