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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 오일 조성별 해저 저류층 모델을 구축하고 1차 회수에 따른 유체 생산량을 분석하고자 한다. 또한 생산정 모델을 이용하여 주입가스 조성별 가스리프트 공법의 최적 설계를 수행하고, 저류층 모델과 생산정 모델의 연계를 통해 해저 저류층의 오일 조성과 주입가스 조성에 따른 오일 생산 증진량을 분석함으로써 가스리프트 공법의 효용성을 평가하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 오일 조성별 해저 저류층 모델을 구축하고 1차 회수에 따른 유체 생산량을 분석하고자 한다. 또한 생산정 모델을 이용하여 주입가스 조성별 가스리프트 공법의 최적 설계를 수행하고, 저류층 모델과 생산정 모델의 연계를 통해 해저 저류층의 오일 조성과 주입가스 조성에 따른 오일 생산 증진량을 분석함으로써 가스리프트 공법의 효용성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 가스리프트 공법 특성상 주입가스의 종류, 주입량, 저류층 유체 조성 등의 운영조건에 따라 가스리프트 설계 결과와 오일 생산량이 상이하다. 따라서 저류층 유체 조성과 주입가스 조성을 가스리프트 설계 영향인자로 선정하였으며, 각 설계조건에 따라 저류층 및 생산정 시뮬레이션 모델을 구축하였다.
- 또한 주입가스 조성이 가스리프트 생산증진에 미치는 영향을 분석하고자 가스 비중에 따라 천연가스(natural gas), 메탄, 에탄을 선정하였다. 천연가스의 비중은 0.
- 저류층의 공극률은 19%이며, 수평 투과도와 수직 투과도는 각각 300 md, 80 md로 설정하였다.
- 저류층의 공극률은 19%이며, 수평 투과도와 수직 투과도는 각각 300 md, 80 md로 설정하였다. 그리고 Fig. 3과 같이 총 8개의 생산정을 설치하고, 생산정의 최대 오일 생산량 평균값은 7,000 STB/day, 최저 공저압력은 3,500 psi로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 OIL-1 저류층을 기본 모델로 설정하였으며, Table 2에서 주어진 오일 조성별 저류층을 구성하고 동일 기간 시뮬레이션을 수행하여 생산 결과를 비교 분석하였다.
- 3과 같이 총 8개의 생산정을 설치하고, 생산정의 최대 오일 생산량 평균값은 7,000 STB/day, 최저 공저압력은 3,500 psi로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 OIL-1 저류층을 기본 모델로 설정하였으며, Table 2에서 주어진 오일 조성별 저류층을 구성하고 동일 기간 시뮬레이션을 수행하여 생산 결과를 비교 분석하였다.
- 가스리프트 반응 분석을 위한 생산정 모델은 Schlumberger사의 PIPESIM 시뮬레이터를 이용하여 구축하였다. 해저 저류층임을 고려하여 생산정, 매니폴드, 파이프라인, 라이저(riser)를 포함하여 생산 플랫폼으로 연결되도록 생산정 모델을 구성하였다. Fig.
- OIL-1, OIL-2, OIL-3 저류층에 관계없이 전체 생산정 구조는 동일하나 유정으로 유입되는 유체 조건, 즉 물 생산비율과 GOR은 유정 폐쇄시점에서의 값을 적용하였다. 또한 각 생산정의 완결층 심도를 고려하여 생산정 길이를 설정하였다.
- OIL-1, OIL-2, OIL-3 저류층에 관계없이 전체 생산정 구조는 동일하나 유정으로 유입되는 유체 조건, 즉 물 생산비율과 GOR은 유정 폐쇄시점에서의 값을 적용하였다. 또한 각 생산정의 완결층 심도를 고려하여 생산정 길이를 설정하였다. 이 때 생산정의 GOR이 높을 경우, 가스리프트 적용에 따른 공저압력 변화가 크지 않기 때문에 가스리프트 적용성이 낮다.
- 또한 생산성이 높은 유정에서는 별도의 인공 채유법을 적용해야 할 필요성이 낮다. 따라서 저류층 구조의 영향을 받아 생산성이 낮은 P1, P4, P7, P8 생산정에 대해 가스리프트 설계를 수행하였다.
- 가스리프트 공법에 의한 생산량 변화는 가스 주입량 및 주입압력에 따른 가스리프트 반응곡선을 통해 파악할 수 있다. OIL-1 저류층 P1 생산정에 천연가스를 주입하였을 경우의 가스리프트 반응곡선을 산출하기 위해 주입 가스량 범위와 주입압력을 각각 0.2~1.8 MMscf/day, 800 psia로 설정하여 분석을 수행하였다. 이때, 플랫폼 생산압력은 200 psia, 최대 주입가능 심도는 튜빙심도와 동일하게 설정하였다.
- 이때, 플랫폼 생산압력은 200 psia, 최대 주입가능 심도는 튜빙심도와 동일하게 설정하였다. 그리고 가스리프트를 통한 목표 생산량은 저류층 모델에서 설정한 최대 오일 생산량과 같이 6,800 STB/day로 설계하였다.
- 이때, 주입압력에 의해 주입심도를 결정하고, 밸브 개폐를 조절할 수 있도록 가스리프트 밸브는 IPO 밸브로 선택하였다. 킥오프 압력은 가스 주입압력을 고려하여 1,000 psi로 설정하고, 최소 밸브 간격은 322.6 ft임을 고려하여 다중밸브 가스리프트 최적 설계를 수행하였다.
- 수직거동관계 산출에 필요한 자료는 유체 생산량, 정두압력, 가스-오일 생산비, 물 생산비율, 주입 가스량 등이다. 가스리프트 최적 설계 결과를 바탕으로 각 입력 자료의 범위를 설정하여 수직거동관계를 도출하였다. 그리고 이를 저류층 시뮬레이션에 적용하여 가스리프트에 의한 오일 생산 증진 분석을 수행하였다.
- 가스리프트 최적 설계 결과를 바탕으로 각 입력 자료의 범위를 설정하여 수직거동관계를 도출하였다. 그리고 이를 저류층 시뮬레이션에 적용하여 가스리프트에 의한 오일 생산 증진 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 해저 저류층의 오일 조성과 가스 리프트 주입가스 조성을 고려하여 가스리프트 설계를 수행하고, 저류층 모델과 생산정 모델을 연계하여 가스리프트 적용에 따른 저류층 오일 생산 증진량을 분석하였다. 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
- (3) 다중밸브를 이용한 가스리프트 최적 설계를 통해 주입지점별 가스 주입량과 주입압력을 분석하였다.
- (4) 저류층 모델과 생산정 모델 연계를 통해 가스리프트 적용에 따른 오일 생산증진 효율을 분석하였다. 그 결과, API 비중이 낮을수록 가스리프트 적용기간과 오일 생산량이 증가하였으며, 천연가스 주입 시 가스리프트에 의한 생산효율이 가장 크게 나타났다.
- 오일은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 15 °API 이상인 조건에서 조성에 따라 경질유(light oil, OIL-1), 중(中)질유(intermediate oil, OIL-2), 중(重)질유(heavy oil, OIL-3) 로 분류하였다.
- OIL-1 저류층에 메탄과 에탄 주입 시, 플랫폼 생산압력, 주입심도, 목표 생산량은 천연가스 주입조건과 동일하며, 각각 설정된 주입 가스량과 압력범위에 따라 생산정별 가스리프트 반응곡선을 분석하였다(Table 7). 분석 결과, 주입가스의 비중이 증가할수록 혼합 유체 밀도를 감소시키는데 필요한 가스량이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다.
이론/모형
- 저류층 유체 조성에 따른 가스리프트 생산증진 분석을 위해 Burke 등[8]의 실험에 사용된 오일을 활용하여 모델링을 수행하였다. 오일은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 15 °API 이상인 조건에서 조성에 따라 경질유(light oil, OIL-1), 중(中)질유(intermediate oil, OIL-2), 중(重)질유(heavy oil, OIL-3) 로 분류하였다.
- 본 연구에서는 Schlumberger사의 다성분 시뮬 레이터인 ECLIPSE 300을 이용하여 배사구조를 갖는 해저 오일 저류층 모델을 구성하였다. Fig.
- 가스리프트 반응 분석을 위한 생산정 모델은 Schlumberger사의 PIPESIM 시뮬레이터를 이용하여 구축하였다. 해저 저류층임을 고려하여 생산정, 매니폴드, 파이프라인, 라이저(riser)를 포함하여 생산 플랫폼으로 연결되도록 생산정 모델을 구성하였다.
성능/효과
- 4는 20년간 오일 조성별 저류층의 누적 오일 생산량과 저류층 평균압력을 도시한 것이다. OIL-1 저류층의 누적 오일 생산량은 72,463 MSTB이었으며, OIL-2와 OIL-3의 누적 오일 생산량은 각각 92,505 MSTB, 99,564 MSTB로 분석되었다. 따라서 저류층 오일의 API 비중이 낮을수록 생산 가능 기간과 누적 오일 생산량이 증가하는 것으로 나타났다.
- OIL-1 저류층의 누적 오일 생산량은 72,463 MSTB이었으며, OIL-2와 OIL-3의 누적 오일 생산량은 각각 92,505 MSTB, 99,564 MSTB로 분석되었다. 따라서 저류층 오일의 API 비중이 낮을수록 생산 가능 기간과 누적 오일 생산량이 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 오일의 API 비중이 높을수록 구성성분 중 C1과 C2와 같은 가벼운 성분들의 비율이 높아 가스-오일 생산비(Gas to Oil Ratio; GOR)가 증가하는 결과를 보였다.
- 따라서 저류층 오일의 API 비중이 낮을수록 생산 가능 기간과 누적 오일 생산량이 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 오일의 API 비중이 높을수록 구성성분 중 C1과 C2와 같은 가벼운 성분들의 비율이 높아 가스-오일 생산비(Gas to Oil Ratio; GOR)가 증가하는 결과를 보였다.
- 8년까지 지속적으로 감소하였다. 이 시점 이후로 공저 압력이 생산 제한조건인 3,500 psia에 도달하여 각 저류층의 유체 생산이 현저하게 감소하였다. 이러한 조건에서 저류층을 운영할 경우, 생산정을 통해 유체를 생산시킬 수 있는 충분한 포텐셜을 갖지 못하기 때문에 추가적인 유체 회수를 기대하기 어렵다.
- 2 MMscf/day임을 알 수 있다. 또한 가스 주입심도는 약 7,000 ft로 확인되었으며, 해당 조건에서의 최대 주입심도 분석결과도 동일하였다.
- OIL-1 저류층의 P4, P7, P8 생산정별 목표 생산량 도달을 위한 가스 주입량 및 주입압력은 Table 6과 같다. OIL-1 저류층에서 모든 생산정의 주입압력은 800 psi로 동일하지만 P4, P7, P8 생산정에 비해 P1 생산정의 GOR이 상대적으로 높아 목표 생산량이 가장 낮음에도 불구하고 생산량 증진에 필요한 주입 가스량이 높게 산출되었다. OIL-2와 OIL-3의 각 생산정에 천연가스 주입을 통한 가스 리프트 반응곡선 분석 결과, 목표 생산량이 동일함에도 불구하고 OIL-1에 비해 OIL-3에서 더 높은 주입 가스량과 주입압력이 요구됨을 확인하였다.
- OIL-1 저류층에서 모든 생산정의 주입압력은 800 psi로 동일하지만 P4, P7, P8 생산정에 비해 P1 생산정의 GOR이 상대적으로 높아 목표 생산량이 가장 낮음에도 불구하고 생산량 증진에 필요한 주입 가스량이 높게 산출되었다. OIL-2와 OIL-3의 각 생산정에 천연가스 주입을 통한 가스 리프트 반응곡선 분석 결과, 목표 생산량이 동일함에도 불구하고 OIL-1에 비해 OIL-3에서 더 높은 주입 가스량과 주입압력이 요구됨을 확인하였다. 따라서 저류층 유체의 API 비중이 감소할수록 밀도가 증가하며, 유체 밀도를 감소시키기 위해서는 많은 양의 가스가 높은 압력으로 주입되어야 한다.
- OIL-1 저류층에 메탄과 에탄 주입 시, 플랫폼 생산압력, 주입심도, 목표 생산량은 천연가스 주입조건과 동일하며, 각각 설정된 주입 가스량과 압력범위에 따라 생산정별 가스리프트 반응곡선을 분석하였다(Table 7). 분석 결과, 주입가스의 비중이 증가할수록 혼합 유체 밀도를 감소시키는데 필요한 가스량이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 생산정별로 살펴보면 주입가스의 종류에 관계 없이 GOR이 높은 P1 생산정의 주입 가스량이 가장 많다.
- 이때 밸브의 포트 크기는 1/8~1/2 inch이었으며, 가스리프트 주입량이 높을수록 밸브 포트 크기가 증가하는 경향을 나타내었다. 주입가스 종류에 따른 설계 결과, 가스리프트 밸브 수 범위는 오일 조성별 결과와 동일했으나, 밸브의 포트 크기 범위가 1/8~5/16 inch로 확인되었다. 따라서 주입 가스량이 감소할 경우 가스리프트 밸브 포트 크기도 감소하는 것을 알 수 있다.
- 따라서 주입 가스량이 감소할 경우 가스리프트 밸브 포트 크기도 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 다중밸브 설치 시, 최대 가스 주입심도가 감소하여 지표에서의 가스 주입압력이 단일밸브를 설치했을 때의 압력보다 낮게 산출되었다.
- 4년 동안 가스리프트가 적용되어 2,076 MSTB의 오일이 추가로 생산되었다. 이를 통해 공저압력이 생산 제한조건에 가까워졌을 때부터 가스리프트가 적용되는 것을 확인하였다. OIL-2 저류층과 OIL-3 저류층은 각각 3년과 3.
- 5년 동안 가스리프트가 적용되어 각각 2,540 MSTB, 2,985 MSTB만큼 오일 생산증진이 발생하였다. 따라서 API 비중이 낮을수록 가스리프트 적용기간과 오일 생산량이 증가하였으며, 누적 주입 가스량도 증가하였다. 그 결과, API 비중이 낮은 OIL-3 저류층의 생산 증진량이 기존 누적 생산량 대비 약 3%로 가장 높게 발생하였다.
- 따라서 API 비중이 낮을수록 가스리프트 적용기간과 오일 생산량이 증가하였으며, 누적 주입 가스량도 증가하였다. 그 결과, API 비중이 낮은 OIL-3 저류층의 생산 증진량이 기존 누적 생산량 대비 약 3%로 가장 높게 발생하였다.
- 9는 OIL-1 저류층을 대상으로 주입가스 조성에 따른 가스리프트 오일 생산 증진량을 나타낸 것이다. 주입가스 조성에 따른 오일 생산 증진 분석 결과, 평균적으로 약 2.5년 동안 가스리프트가 적용되었다. 비중이 높은 에탄을 주입했을 때 가스리프트 적용기간이 가장 짧았으며, 가스리프트 적용기간에 주입된 누적 가스량(total injection gas) 또한 낮게 산출되었다.
- 5년 동안 가스리프트가 적용되었다. 비중이 높은 에탄을 주입했을 때 가스리프트 적용기간이 가장 짧았으며, 가스리프트 적용기간에 주입된 누적 가스량(total injection gas) 또한 낮게 산출되었다. 이에 따라 오일 생산량도 가장 적게 증진되었음을 확인하였다.
- 비중이 높은 에탄을 주입했을 때 가스리프트 적용기간이 가장 짧았으며, 가스리프트 적용기간에 주입된 누적 가스량(total injection gas) 또한 낮게 산출되었다. 이에 따라 오일 생산량도 가장 적게 증진되었음을 확인하였다. 비중이 낮은 메탄을 주입했을 때 가스리프트의 적용 기간이 가장 길었으며, 누적 주입 가스량도 가장 높게 산출되었다.
- 이에 따라 오일 생산량도 가장 적게 증진되었음을 확인하였다. 비중이 낮은 메탄을 주입했을 때 가스리프트의 적용 기간이 가장 길었으며, 누적 주입 가스량도 가장 높게 산출되었다. 누적 오일 생산량도 1,821 MSTB로 에탄에 비해 약 263 MSTB가 증가하였다.
- 누적 오일 생산량도 1,821 MSTB로 에탄에 비해 약 263 MSTB가 증가하였다. 반면에 가스리프트 적용기간 대비 오일 생산량을 비교했을 때, 가장 높은 효율을 나타낸 것은 천연가스로 확인되었다. 천연가스 주입 시, 메탄 주입에 비해 저류층 상부에 위치한 P7 생산정의 오일 생산량과 생산기간이 증가하였으며 주변 생산정에도 영향을 미쳐 누적 오일 생산량이 2,076 MSTB 증가하였다.
- 반면에 가스리프트 적용기간 대비 오일 생산량을 비교했을 때, 가장 높은 효율을 나타낸 것은 천연가스로 확인되었다. 천연가스 주입 시, 메탄 주입에 비해 저류층 상부에 위치한 P7 생산정의 오일 생산량과 생산기간이 증가하였으며 주변 생산정에도 영향을 미쳐 누적 오일 생산량이 2,076 MSTB 증가하였다. 또한 가스리프트 미적용 저류층 대비 누적 생산 증진율도 천연가스를 주입했을 때 2.
- 천연가스 주입 시, 메탄 주입에 비해 저류층 상부에 위치한 P7 생산정의 오일 생산량과 생산기간이 증가하였으며 주변 생산정에도 영향을 미쳐 누적 오일 생산량이 2,076 MSTB 증가하였다. 또한 가스리프트 미적용 저류층 대비 누적 생산 증진율도 천연가스를 주입했을 때 2.7%로 가장 높았으며, 메탄과 에탄이 각각 2.5%, 2.2%로 확인되었다. 가스리프트 적용에 따른 오일 생산량 분석 결과, API 비중이 낮은 저류층에 천연가스와 유사한 비중의 가스를 주입할 때 가스리프트를 통한 오일 생산 증진량이 극대화될 수 있다.
- 2%로 확인되었다. 가스리프트 적용에 따른 오일 생산량 분석 결과, API 비중이 낮은 저류층에 천연가스와 유사한 비중의 가스를 주입할 때 가스리프트를 통한 오일 생산 증진량이 극대화될 수 있다.
- (1) 저류층 오일 조성에 따라 생산특성을 분석한 결과, API 비중이 낮을수록 생산기간과 누적 오일 생산량이 증가함을 확인하였다. 이때 최소 6년에서 최대 7.
- (1) 저류층 오일 조성에 따라 생산특성을 분석한 결과, API 비중이 낮을수록 생산기간과 누적 오일 생산량이 증가함을 확인하였다. 이때 최소 6년에서 최대 7.8년까지 저류층 압력이 지속적으로 감소하였으며, 이 후 시점부터 공저압력이 생산 제한조건에 도달하여 유체 생산량이 급감하였다. 이를 통해 오일 조성과 관계없이 가스리프트의 적용 가능성이 높음을 확인하였다.
- 8년까지 저류층 압력이 지속적으로 감소하였으며, 이 후 시점부터 공저압력이 생산 제한조건에 도달하여 유체 생산량이 급감하였다. 이를 통해 오일 조성과 관계없이 가스리프트의 적용 가능성이 높음을 확인하였다.
- (2) 가스리프트 반응곡선 분석 결과, 저류층 유체의 API 비중이 감소할수록 유체 밀도를 감소시키기 위해 필요한 가스량과 주입압력이 높게 산출되었다. 또한 주입가스의 비중이 증가할수록 혼합 유체 밀도를 감소시키는데 필요한 가스량이 비례적으로 증가하였다.
- (2) 가스리프트 반응곡선 분석 결과, 저류층 유체의 API 비중이 감소할수록 유체 밀도를 감소시키기 위해 필요한 가스량과 주입압력이 높게 산출되었다. 또한 주입가스의 비중이 증가할수록 혼합 유체 밀도를 감소시키는데 필요한 가스량이 비례적으로 증가하였다.
- (3) 다중밸브를 이용한 가스리프트 최적 설계를 통해 주입지점별 가스 주입량과 주입압력을 분석하였다. 단일밸브 결과와 비교했을 때, 가스 주입심도와 주입압력이 감소함을 확인하였다.
- (4) 저류층 모델과 생산정 모델 연계를 통해 가스리프트 적용에 따른 오일 생산증진 효율을 분석하였다. 그 결과, API 비중이 낮을수록 가스리프트 적용기간과 오일 생산량이 증가하였으며, 천연가스 주입 시 가스리프트에 의한 생산효율이 가장 크게 나타났다.
후속연구
- 이 밖에 킥오프 압력은 주입압력을 고려하여 설정할 수 있으며, 최소 밸브 간격은 언로딩 압력 구배와 가스리프트 밸브 개방에 필요한 최소 압력 차이 값을 통해 계산할 수 있다. 이러한 입력자료를 바탕으로 가스리프트 밸브 수와 설치 지점, 포트 크기(port size), 주입점별 주입량 등을 분석하여 가스리프트 최적 설계를 수행할 수 있다.
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