파쇄유체의 접촉상태가 초기파쇄압에 미치는 영향

Abstract

비전통 자원은 기존의 석유자원 보다는 탐사위험은 낮지만 생산비용이 높았으나 생산기술의 발전으로 인해 전통석유자원을 대체 할 수 있는 자원으로 부상하고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 전세계 비(非)전통적 천연가스(유정이 아닌 퇴적층에서 추출하는 가스)의 매장량이 920조㎥로 이중 절반이 셰일가스로 추정된다. 나머지 절반은 사암층 및 석탄층에 저장된 가스다.

셰일가스는 탄화수소가 풍부한 셰일층에서 개발, 생산되는 천연가스로 저류층의 공극률이 매우 낮고 투과도가 불량하여 일반적인 시추기술로는 경제적인 생산이 어렵다. 따라서 낮은 투과성을 가진 저류층의 생산성을 향상시키기 위해 유정자극법(stimulation)이 실시된다. 유정자극법은 크게 수압파쇄법(hydraulic fracturing)과 산처리 기법(acidizing)으로 나눌 수 있다. 산처리 기법은 탄산염으로 이루어진 저류층에서 화학작용을 통해 탄산염을 용해시켜 저류층의 투과성을 향상시키는 방법이고 수압파쇄법은 유정에 높은 압력으로 유체를 주입하여 인위적으로 균열을 발생시켜 유체유입 경로를 확보하고 시추과정에서 발생한 이수에 의한 유정 인근의 저류층 손상을 복구함으로써 저류층의 생산지수를 극대화시키는 방법이다. 수압파쇄법은 기존 유전의 생산성 향상 방안 모색으로 사용되거나 최근 대형 전통유전의 발굴 감소로 인하여 비전통자원개발이 활성화됨으로써 2000년대 들어서 현장에 활발히 적용되고 있다(Kim et al., 2014).

수압파쇄의 매커니즘에 대한 균열발생에 대한 연구는 Hubbert와 Willis(1957)의 선형탄성모델을 시작으로 Haimson과 Fairhurst(1967)의 공극 탄성모델, Ito 와 Hayash(1991)의 점응력 모델, 그리고 Rummel(1987)의 선형 탄성 파괴역학 모델등이 발표되었다.

그 외 국내외 연구를 살표보면 Zoback 외(1977)는 균열개시압(crack initiation pressure), 초기파쇄압(breakdown pressure)에 미치는 유체 점도의 영향을 고찰하였으며, Lockner와 Byerlee(1977)는 미소파괴음 측정을 이용하여 균열개시압을 추정하였다. 또 Ishida (2001)는 미소파괴음 측정을 통해 균열의 성장 방향을 예측하였다. 이후 많은 연구에서 미소파괴음 측정을 통한 수압파쇄 균열의 위치 추적 및 균열 특성 분석이 이루어지고 있다.

Rhee 외(1995)는 주입률과 온도가 암석의 수압파쇄특성에 미치는 영향을 연구하였고, Choi와 Lee (1995)는 인공슬롯을 고려한 수압파쇄 균열의 발전양상을 연구 하였으며, Choi (2011)는 수압파쇄 시험결과 해석에 대한 파괴역학모델의 적용성을 검토하였다.

Mun 등(2014)은 모의실험을 통해 인공적으로 시추공 내 유도홈을 만들어 초기파쇄압을 낮추게 하는 방법을 제시하였으나, 실제 현장에서 깊은 심도 내에 효과적으로 유도홈이 활성화되는 방법을 제시하지 못하였다.

따라서 본 연구에서는 별도의 유도홈 생성과정 없이 나선형비트를 사용하여 굴진과 동시에 유도홈을 만든 시추공을 모의하기 위해 삼각, 사다리꼴 모양의 홈을 가지고 있는 Round bar를 이용하였으며, 유도홈을 생성한 시추공과 유도홈이 없는 일반 시추공에 케이싱, 시멘팅 처리를 하여 현장과 유사한 수압파쇄 축소모델 시편을 만들고 각 모델의 초기파쇄압과 유체접촉면적을 비교 검토하였다. 또 그 결과를 3차원 개별요소 프로그램인 3DEC을 이용한 수치해석 모델링 값과 비교하였으며, 선행연구 자료와 비교하여 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다.