다중 지층에서의 수압파쇄 요인에 따른 균열 두께 분석 연구

Abstract

저투과도 저류층의 생산성 개선과 매장량 확보를 위한 수압파쇄 작업 시 파쇄균열 두께의 성장은 중요한 고려 사항으로 간주된다. 균열 두께는 파쇄 후 생산성과 밀접한 연관성이 있고 타 지층으로의 균열 성장에 따른 파쇄유체 누출에 따른 오염 문제 등을 발생시킬 수 있다. 적절한 파쇄균열의 두께를 설계하기 위해서는 각 저류층의 구조 및 특성을 정확히 파악하여 적합한 파쇄유체를 선정하고 파쇄유체의 주입압력을 결정하여야 한다. 본 연구에서는 점성 특성과 지층으로의 누출계수가 다른 세 종류의 파쇄유체(Slickwater, Linear Gel, Crosslink)를 적용하여 저류층 온도, 외부지층의 투과도 그리고 파쇄유체 주입유량에 따른 균열 두께의 성장 및 유효생산구간 안에서 외부지층으로의 파쇄유체 누출량을 분석하였다. 본 연구를 위하여 치밀가스사암층을 유효생산구간으로 정하고 상하부에 셰일층이 존재하는 다중의 층서구조를 갖도록 모델링한 후 상업용 시뮬레이터 Mfrac을 사용하여 연구를 수행하였다. 파쇄유체별 고유의 점성 특성 및 누출계수에 따른 분석에서 점도가 높은 Crosslink 적용 시 균열의 두께가 가장 컸으며 외부층으로의 누출량도 가장 많음을 나타냈다. 저류층 온도가 200℉에서 300℉로 증가할 때, 각 파쇄유체의 점도가 Slickwater 6%, Linear Gel 3%, Crosslink 40%로 각각 감소하였고, 파쇄유체의 주입압력이 감소하여 균열 두께가 Slickwater 1%, Linear Gel 5%, Crosslink 10%로 각각 감소하였다. 저류층 온도 증가에 따라 각 파쇄유체 적용 시 파쇄유체의 총 누출계수가 200℉ 일 때와 비교하여 Slickwater, Linear Gel, Crosslink 모두 24%까지 증가 하였으나 균열 두께가 감소하여 누출량은 Slickwater 36%, Linear Gel 22%, Crosslink 22%로 각각 감소함을 나타냈다. 유효생산구간 외부층의 투과도가 0.001 ∼ 0.3md까지 증가 했을 경우 총 누출계수가 각 파쇄유체 적용 시 초기 0.001md 기준대비 Slickwater 13배, Linear Gel 9배, Crosslink 10배까지 커졌다. 투과도 증가에 따른 누출계수의 증가로 셰일층으로 전파된 균열의 면적은 각 파쇄유체 적용 시 초기 0.001md 기준대비 Slickwater 3%, Linear Gel 24%, Crosslink 40%로 각각 감소하였으나, 누출량은 Slickwater 1,123%, Linear Gel 595%, Crosslink 470%로 증가하였다. 파쇄유체의 주입률 변화에 따른 균열 두께 및 누출량 분석에서는 각 파쇄유체 주입률이 20bpm에서 60bpm로 증가할 때 주입압력이 증가하여 균열 두께가 초기 20bpm 기준대비 Slickwater 10%, Linear Gel 30%, Crosslink 29%까지 각각 증가하였다. 주입유량 증가에 따라서 파쇄유체의 지층에 대한 누출시간은 초기 20bpm 기준대비 Slickwater 65%, Linear Gel 62%, Crosslink 56%로 각각 감소하였으나, 균열 두께의 성장에 의한 누출면적의 증가로 누출량 은 Slickwater 297%, Linear Gel 143%, Crosslink 55%로 각각 증가하였다.