셰일 저류층에서 케로젠, GOR 변화에 따른 속도 변화 및 AVO 반응 분석 Analysis of Seismic Velocity Change and AVO Response Depending on Saturation of Kerogen and GOR in Shale Reservoirs원문보기
최근 셰일 저류층의 암석물리학적 모델(Rock Physics Model)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 셰일 저류층에서는 케로젠(Kerogen)과 GOR (Gas-Oil Ratio)을 통해서 숙성도를 파악할 수 있는데, 케로젠에 대한 암석물리학적 모델연구는 활발히 진행된 반면, GOR 변화에 대한 셰일 저류층 연구는 아직 미미하다. 따라서 이 연구에서는 GOR 및 케로젠 변화에 따른 속도 및 밀도 변화와 AVO (Amplitude Variation with Offset) 반응을 분석하였다. 판상구조로 이루어진 셰일은 수직 가로 등방성(Vertical Transverse Isotropy; VTI) 성질을 갖기 때문에 Backus averaging 기법을 적용하여 셰일 저류층의 속도 및 밀도를 도출하였고 이를 기반으로 AVO 반응을 분석하였다. GOR변화에 대해서는 속도 변화가 작았지만 케로젠 함량에 따른 속도 변화는 상대적으로 크게 나타났다. 중질오일과 경질오일을 구분할 수 있는 GOR이 180 (Litre/Litre)일 때에는 케로젠의 부피비가 5%에서 35%으로 증가할 때 층에 대해 수직방향인 P파 속도가 51%까지 증가하였다. 즉, 속도 구분을 통해 케로젠의 숙성도를 파악하는데 도움을 줄 수 있다. 한편, 가스와 오일을 합친 유체의 비율이 클 때에는 GOR 변화에 따른 속도 변화가 상대적으로 크게 나타났다. 케로젠의 부피비가 5%일 때에는 중질오일(GOR 40)에서의 층에 대해 수직방향인 P파 속도가 $1.46km/s^2$로 측정되었지만 경질오일(GOR 300)일 때에는 $1.36km/s^2$로 측정되었다. AVO 반응을 분석해본 결과, GOR과 케로젠 함량을 변화시켜도 포아송 비의 변화량이 작게 나타났으므로 Class 4의 양상이 나타났다. 이를 통하여 셰일 저류층에서는 Class 4의 양상이 나타날 수 있음을 확인할 수 있었다.
최근 셰일 저류층의 암석물리학적 모델(Rock Physics Model)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 셰일 저류층에서는 케로젠(Kerogen)과 GOR (Gas-Oil Ratio)을 통해서 숙성도를 파악할 수 있는데, 케로젠에 대한 암석물리학적 모델연구는 활발히 진행된 반면, GOR 변화에 대한 셰일 저류층 연구는 아직 미미하다. 따라서 이 연구에서는 GOR 및 케로젠 변화에 따른 속도 및 밀도 변화와 AVO (Amplitude Variation with Offset) 반응을 분석하였다. 판상구조로 이루어진 셰일은 수직 가로 등방성(Vertical Transverse Isotropy; VTI) 성질을 갖기 때문에 Backus averaging 기법을 적용하여 셰일 저류층의 속도 및 밀도를 도출하였고 이를 기반으로 AVO 반응을 분석하였다. GOR변화에 대해서는 속도 변화가 작았지만 케로젠 함량에 따른 속도 변화는 상대적으로 크게 나타났다. 중질오일과 경질오일을 구분할 수 있는 GOR이 180 (Litre/Litre)일 때에는 케로젠의 부피비가 5%에서 35%으로 증가할 때 층에 대해 수직방향인 P파 속도가 51%까지 증가하였다. 즉, 속도 구분을 통해 케로젠의 숙성도를 파악하는데 도움을 줄 수 있다. 한편, 가스와 오일을 합친 유체의 비율이 클 때에는 GOR 변화에 따른 속도 변화가 상대적으로 크게 나타났다. 케로젠의 부피비가 5%일 때에는 중질오일(GOR 40)에서의 층에 대해 수직방향인 P파 속도가 $1.46km/s^2$로 측정되었지만 경질오일(GOR 300)일 때에는 $1.36km/s^2$로 측정되었다. AVO 반응을 분석해본 결과, GOR과 케로젠 함량을 변화시켜도 포아송 비의 변화량이 작게 나타났으므로 Class 4의 양상이 나타났다. 이를 통하여 셰일 저류층에서는 Class 4의 양상이 나타날 수 있음을 확인할 수 있었다.
Recently, the studies about rock physics model (RPM) in shale reservoir are widely performed. In shale reservoir, the degree of the maturity can be estimated by kerogen and GOR (Gas-Oil Ratio). The researches on the rock physics model of shale reservoir with the amount of kerogen have been actively ...
Recently, the studies about rock physics model (RPM) in shale reservoir are widely performed. In shale reservoir, the degree of the maturity can be estimated by kerogen and GOR (Gas-Oil Ratio). The researches on the rock physics model of shale reservoir with the amount of kerogen have been actively carried out but not with GOR. Thus, in this study, we analyzed the changes in seismic velocity and density, and AVO (Amplitude Variation with Offset) response depending on changes in GOR and the amount of kerogen. Since the shale consists of plate-like particles, it has vertical transverse isotropy (VTI). Therefore we estimated the seismic velocity and density by using Backus averaging method and analyzed AVO responses based on these estimated properties. The results of analysis showed that the changes in the velocity with the GOR variation are small but the velocity changes with the variation in kerogen amount are relatively larger. In case, GOR 180 (Litre/Litre) which is boundary between heavy oil and light oil, when volume fraction of kerogen increased from 5% to 35%, the P-wave velocity normal to the layering increased 51%. That is, it helps estimating maturity of kerogen through the velocity. Meanwhile, when rates of oil-gas mixture are large, the effect of GOR variation on the velocity change became larger. In case volume fraction of kerogen is 5%, the P-wave velocity normal to the layering was estimated $1.46km/s^2$ in heavy oil (GOR 40) but $1.36km/s^2$ in light oil (GOR 300). The AVO responses analysis showed class 4 regardless of the GOR and amount of kerogen because variation of poisson's ratio is small. Therefore, shale reservoir has possibility to have class 4.
Recently, the studies about rock physics model (RPM) in shale reservoir are widely performed. In shale reservoir, the degree of the maturity can be estimated by kerogen and GOR (Gas-Oil Ratio). The researches on the rock physics model of shale reservoir with the amount of kerogen have been actively carried out but not with GOR. Thus, in this study, we analyzed the changes in seismic velocity and density, and AVO (Amplitude Variation with Offset) response depending on changes in GOR and the amount of kerogen. Since the shale consists of plate-like particles, it has vertical transverse isotropy (VTI). Therefore we estimated the seismic velocity and density by using Backus averaging method and analyzed AVO responses based on these estimated properties. The results of analysis showed that the changes in the velocity with the GOR variation are small but the velocity changes with the variation in kerogen amount are relatively larger. In case, GOR 180 (Litre/Litre) which is boundary between heavy oil and light oil, when volume fraction of kerogen increased from 5% to 35%, the P-wave velocity normal to the layering increased 51%. That is, it helps estimating maturity of kerogen through the velocity. Meanwhile, when rates of oil-gas mixture are large, the effect of GOR variation on the velocity change became larger. In case volume fraction of kerogen is 5%, the P-wave velocity normal to the layering was estimated $1.46km/s^2$ in heavy oil (GOR 40) but $1.36km/s^2$ in light oil (GOR 300). The AVO responses analysis showed class 4 regardless of the GOR and amount of kerogen because variation of poisson's ratio is small. Therefore, shale reservoir has possibility to have class 4.
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문제 정의
따라서 이 논문에서는 숙성도를 결정하는 요소로 케로젠뿐만 아니라 GOR이 오일을 함유하는 셰일 저류층의 속도 및 밀도를 어떻게 변화시키는 가에 대해 살펴보고자 하였다. 숙성도를 결정하는 것뿐만 아니라 속도에 따른 GOR을 구분할 수 있다면 중질오일과 경질오일을 구분하는데에 유용하다.
가설 설정
셰일층은 암석입자와 공극 내 유체 및 케로젠 혼합물로 구성되는데, 이 때 두 구성물들은 판상구조를 이루면서 존재하고 있다고 가정한다. Backus averaging 기법을 이용하면 수직 가로 등방성을 띠는 층에서의 각 방향에 대한 대표적인 stiffness (#)를 구할 수 있다.
Backus averaging 기법을 이용하기 위해서는 암석입자와 물, 공극을 점유하는 유체(오일, 가스)와 케로젠 각각의 stiffness 값들이 필요하다. 이 때 암석입자는 이방성으로, 공극 내 유체 및 케로젠 혼합물은 등방성이라고 가정하였다. 오일과 가스의 체적탄성률(K) 및 밀도(ρ)는 Batzle & Wang’s Equation (Batzle and Wang, 1992)을 이용하여 구하였으며 오일의 체적탄성률 및 밀도는 GOR에 따라 달라진다.
779 g/cm³으로 설정하였다. 전체 매질 중 케로젠-오일-가스가 차지하는 부피비는 0.4, 암석입자에 속박되어 있는 물이 차지하는 전체 매질에 대한 부피비는 0.05로 고정하였다. GOR 값은 40, 80, 120, 180, 240, 300 (Litre/Litre), 케로젠 함량은 5%, 15%, 25%, 35% 로 두고 계산하였다.
제안 방법
05로 고정하였다. GOR 값은 40, 80, 120, 180, 240, 300 (Litre/Litre), 케로젠 함량은 5%, 15%, 25%, 35% 로 두고 계산하였다. 먼저 케로젠, GOR 변화에 대한 속도를 Fig.
먼저 수직 가로 등방성을 반영한 셰일 저류층의 암석물리학적 모델 중의 하나인 Backus averagnig 기법을 설립하기 위해서 유체(오일, 가스)와 케로젠의 물성을 구하였다. 그러한 후에 Backus averaging 기법을 이용하여 케로젠, GOR을 변수로 두고 속도 및 밀도값을 도출하였다. 도출한 속도 및 밀도를 이용하여 AVO 반응 분석을 실시하였다(Fig.
다음으로 셰일 저류층에서의 케로젠과 GOR의 변화에 따른 속도 및 밀도 변화를 계산하였다. 케로젠-오일-가스 혼합물의 부피비는 φk + φf =φk + φo + φg , 암석입자와 물의 부피비는 φs + φw 로 나타낼 때 공극률은 φ = φw + φo + φg이고 φs + φw + φk + φo + φg = 1로 나타낼 수 있다(Carcione and Avseth, 2014).
그러한 후에 Backus averaging 기법을 이용하여 케로젠, GOR을 변수로 두고 속도 및 밀도값을 도출하였다. 도출한 속도 및 밀도를 이용하여 AVO 반응 분석을 실시하였다(Fig. 3).
또한 케로젠의 체적탄성률, 전단탄성률, 밀도는 Carcione and Avseth (2014) 논문을 참조하여 체적탄성률은 6.6 GPa 전단탄성률은 2.7 GPa, 밀도는 1.4 g/cm³으로 설정하였다.
숙성도를 결정하는 것뿐만 아니라 속도에 따른 GOR을 구분할 수 있다면 중질오일과 경질오일을 구분하는데에 유용하다. 먼저 수직 가로 등방성을 반영한 셰일 저류층의 암석물리학적 모델 중의 하나인 Backus averagnig 기법을 설립하기 위해서 유체(오일, 가스)와 케로젠의 물성을 구하였다. 그러한 후에 Backus averaging 기법을 이용하여 케로젠, GOR을 변수로 두고 속도 및 밀도값을 도출하였다.
오일과 가스의 밀도와 체적탄성률을 구하기 위해서는 압력, 온도, 가스비중, 오일의 참조밀도를 알아야 하는데 이들 또한 Carcione and Avseth (2014) 의 논문을 참조하여 P = 80 MPa, T = 126 ℃, G = 0.95 API, ρo = 0.779 g/cm³으로 설정하였다.
이 연구에서는 수직 가로 등방성을 띠는 셰일 저류층에서 케로젠의 함량과 GOR에 따른 탄성파속도의 변화와 AVO 반응을 암석물리학적 모델을 이용하여 분석하였다. 암석물리학적 모델을 만들 때 수평방향과 수직방향에 대한 P파 속도와 S파 속도는 Backus averaging 기법을 이용하여 구하였다.
한편 셰일 저류층에서의 GOR 및 케로젠 함량에 따른 속도 및 밀도 변화를 알아보기 위해 암석물리학적 모델(Rock Physics Model; RPM)을 설계하였다. 여기서 암석물리학적 모델이란 암석의 물성과 탄성파속도간의 관계를 이용한 모델로, 저류층 내 물성 변화(공극률, 압력, 온도, 유체)에 따른 암석의 탄성상수 및 속도의 변화를 정량적으로 모델링을 할 수 있는 방법이다.
이론/모형
Batzle & Wang’s Equation을 이용하여 구한 오일과 가스의 체적탄성률 및 밀도는 Wood’s Equation (Avseth et al., 2005)을 이용하여 전체적인 유체의 체적탄성률과 밀도를 구하는데 사용되었다.
공극 내 유체와 케로젠의 밀도 및 탄성계수가 구해지면 Kuster & Toksoz Model (Kuster and Toksoz, 1974)을 이용하여 공극 내 유체 및 케로젠 혼합물의 stiffness를 구할 수 있다.
속도 및 밀도는 암석물리학적 모델방법 중의 하나인 Backus averaging 기법을 이용하여 구하는데, 이 기법은 케로 젠-오일-가스와 암석입자-물을 하나의 대표적인 stiffness를 구하는 것이다. 또한 암석입자의 stiffness와 밀도가 필요한데 이 연구에서는 Carcione et al. (2011) 논문에서 측정한 Bakken Shale에서의 물성 값을 참조하였다. 또한 케로젠의 체적탄성률, 전단탄성률, 밀도는 Carcione and Avseth (2014) 논문을 참조하여 체적탄성률은 6.
셰일의 수직 가로 등방성을 고려하기 위하여 여러 개의 얇은 판상구조로 이루어진 층의 stiffness를 구하는 Backus averaging 기법을 이용하였다. Backus averaging 기법을 이용하기 위해서는 암석입자와 물, 공극을 점유하는 유체(오일, 가스)와 케로젠 각각의 stiffness 값들이 필요하다.
케로젠-오일-가스 혼합물의 부피비는 φk + φf =φk + φo + φg , 암석입자와 물의 부피비는 φs + φw 로 나타낼 때 공극률은 φ = φw + φo + φg이고 φs + φw + φk + φo + φg = 1로 나타낼 수 있다(Carcione and Avseth, 2014). 속도 및 밀도는 암석물리학적 모델방법 중의 하나인 Backus averaging 기법을 이용하여 구하는데, 이 기법은 케로 젠-오일-가스와 암석입자-물을 하나의 대표적인 stiffness를 구하는 것이다. 또한 암석입자의 stiffness와 밀도가 필요한데 이 연구에서는 Carcione et al.
이 연구에서는 수직 가로 등방성을 띠는 셰일 저류층에서 케로젠의 함량과 GOR에 따른 탄성파속도의 변화와 AVO 반응을 암석물리학적 모델을 이용하여 분석하였다. 암석물리학적 모델을 만들 때 수평방향과 수직방향에 대한 P파 속도와 S파 속도는 Backus averaging 기법을 이용하여 구하였다. GOR이 증가함에 따른 속도는 약간 작아지는 반면, 케로젠이 증가함에 따른 속도는 커졌다.
공극 내 유체와 케로젠의 밀도 및 탄성계수가 구해지면 Kuster & Toksoz Model (Kuster and Toksoz, 1974)을 이용하여 공극 내 유체 및 케로젠 혼합물의 stiffness를 구할 수 있다. 암석입자의 stiffness값은 Carcione et al. (2011)의 측정값을 이용하였다.
오일과 가스의 체적탄성률(K) 및 밀도(ρ)는 Batzle & Wang’s Equation (Batzle and Wang, 1992)을 이용하여 구하였으며 오일의 체적탄성률 및 밀도는 GOR에 따라 달라진다.
이 중에서 분석하고자 하는 셰일 저류층인 Bakken Shale은 여러 개의 얇은 수평층으로 이루어져 있는 수직 가로 등방성을 띤다. 이를 고려하여 암석물리학적 모델을 수립하는 기법으로 Backus averaging 기법(Schoenberg and Muir, 1989)을 이용하였다. Backus averaging 기법은 케로젠의 함량을 고려한 여러 개의 얇은 판상구조로 이루어진 매질의 stiffness를 구하는 방법이며 저 주파수이고 파장이 층들의 두께보다 길 때에 유효하다고 알려져 있다.
케로젠의 체적탄성률 및 전단탄성률 (Shear Modulus; μ), 밀도는 Carcione and Avseth (2014)의 논문에서 제시한 측정값들을 이용하였다.
Backus averaging 기법은 케로젠의 함량을 고려한 여러 개의 얇은 판상구조로 이루어진 매질의 stiffness를 구하는 방법이며 저 주파수이고 파장이 층들의 두께보다 길 때에 유효하다고 알려져 있다. 특히 정확한 값을 측정할 수는 없지만 속도의 상한과 하한에 대한 정보는 비교적 정확하게 제시해주므로 이 기법을 사용하였다 (Carcione et al., 2011).
혼합물의 stiffness는 Kuster & Toksoz model (1974)을 이용하여 구한다.
성능/효과
GOR이 증가함에 따른 속도는 약간 작아지는 반면, 케로젠이 증가함에 따른 속도는 커졌다. GOR이 180 (Litre/litre)일 때 케로젠이 5%에서 35%로 증가함에 따른 속도의 변화를 비교해보면, 층에 대해 수직방향인 P파 속도는 1.38 km/s2에서 2.09 km/s2까지 51% 증가하였고, 층에 대해 수평방향인 P파 속도는 2.13 km/s2에서 2.74 km/s2까지 29% 증가하였다. 즉, 속도 차이를 통해 케로젠의 숙성도를 파악하는데 도움을 줄 수 있다.
암석물리학적 모델을 만들 때 수평방향과 수직방향에 대한 P파 속도와 S파 속도는 Backus averaging 기법을 이용하여 구하였다. GOR이 증가함에 따른 속도는 약간 작아지는 반면, 케로젠이 증가함에 따른 속도는 커졌다. GOR이 180 (Litre/litre)일 때 케로젠이 5%에서 35%로 증가함에 따른 속도의 변화를 비교해보면, 층에 대해 수직방향인 P파 속도는 1.
27이었다. 또한 GOR이 증가할수록 속도가 감소하므로 상부층과의 임피던스 차이가 커지고, 이로 인해 Y-절편의 절대값이 더 커졌다 (Fig. 8).
GOR이 증가함에 따라 속도는 약간 감소하는 반면, 케로젠이 증가할수록 유체의 부피비가 작아지는 효과를 가져오므로 속도가 상대적으로 증가한다. 중질오일과 경질오일의 경계점이 되는 GOR이 180 (Litre/Litre)일 때 케로젠이 5%에서 35%로 증가함에 따른 속도의 변화를 비교해보면, 층에 대해 수직방향인 P파 속도는 1.38 km/s2에서 2.09 km/s2까지 51% 증가하였고, 층에 대해 수평방향인 P파 속도는 2.13 km/s2에서 2.74 km/s2까지 29% 증가하였다. 즉, 속도 구분을 통해 케로젠의 숙성도를 파악하는데 도움을 줄 수 있다.
후속연구
GOR의 증가는 Y-절편의 절대값을 증가시켰지만 그 정도는 매우 작았다. 케로젠 함량이 낮고 GOR이 클수록 Y-절편 값이 음으로 크므로 이를 통해 케로젠 함량을 비교할 수 있으므로 숙성도를 어느 정도 파악할 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GOR란 무엇을 결정하는 요인인가?
케로젠이란 유기물들이 바다나 호수에 퇴적된 후에 물리적, 화학적 작용을 받아 생성되는 탄화 수소 화합물을 일컫는데 고온, 고압을 받아 숙성되면 오일 또는 가스로 변형된다. 다음으로 GOR이란 가스와 오일의 부피비를 나타내는 것으로써 투과율이 낮은 셰일에서는 생산방법에 있어서 점성도가 매우 중요한데 이 때 점성도를 결정하는 요인이 바로 GOR이다(Fig. 1).
Backus averaging 기법이란 무엇인가?
이를 고려하여 암석물리학적 모델을 수립하는 기법으로 Backus averaging 기법(Schoenberg and Muir, 1989)을 이용하였다. Backus averaging 기법은 케로젠의 함량을 고려한 여러 개의 얇은 판상구조로 이루어진 매질의 stiffness를 구하는 방법이며 저 주파수이고 파장이 층들의 두께보다 길 때에 유효하다고 알려져 있다. 특히 정확한 값을 측정할 수는 없지만 속도의 상한과 하한에 대한 정보는 비교적 정확하게 제시해주므로 이 기법을 사용하였다 (Carcione et al.
셰일 저류층의 암석물리학적 모델을 설계할 때 고려하는 이방성은 무엇이 있는가?
셰일 저류층의 암석물리학적 모델을 설계할 때에는 이방성을 고려해주어야 한다. 셰일 저류층의 이방성은 크게 여러 개의 얇은 수평층으로 인해 수평방향으로는 동일한 값을 가지나 수직방향으로는 다른 값을 가지는 수직 가로등방성(Vertical Transverse Isotropy; VTI)과 자연균열대에 의해 수직방향으로는 동일한 값을 가지나 수평방향으로는 다른 값을 가지는 수평 가로 등방성(Horizontal Transverse Isotropy; HTI)이 있다. 이 중에서 분석하고자 하는 셰일 저류층인 Bakken Shale은 여러 개의 얇은 수평층으로 이루어져 있는 수직 가로 등방성을 띤다.
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