물-CO2-탄화수소 혼합물간의 상거동 해석을 위한 CPA EOS 모델 개발 및 응용

Abstract

일반적으로 유전에서 1, 2차 회수 이후에도 많은 양의 오일이 저류층에 잔류하게 되는데, 이러한 잔류오일의 상당부분은 3차 회수증진 공법인 CO₂ 미서블 공법에 의해 회수될 수 있다. CO₂ 미서블 공법은 오일의 추가 회수뿐만 아니라 지구온난화의 주범인 CO₂를 처리할 수 있다는 장점을 가지고 있어서 최근에 급격히 공법 적용이 증가하는 추세이다. 이에 따라 저류층의 조건에서 CO₂와 오일간의 상거동 해석에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 물은 탄화수소와 반응을 하지 않으므로 석유업계에서는 일반적으로 상거동 해석에서 물을 고려하지 않았으나 물의 포화도가 높은 경우 물과 물간의 회합현상으로 인하여 혼합물의 상거동에 영향을 미치게 된다. 화학공학에서는 물이나 알코올과 같은 극성화합물의 회합현상을 고려한 상태방정식들이 이전부터 개발되어져 왔다. 이에 본 연구에서는 CO₂와 물, 탄화수소 화합물간의 상거동 해석을 실시하였다. 혼합물의 상거동 해석을 실시하기 위해 대표적인 3차 상태방정식인 SRK (Soave-Redlich-Kwong) 상태방정식과 함께 화학공학에서 물이나 알코올과 같은 극성화합물이 포함된 시스템에서의 상평형 계산이 좀 더 정확하다고 알려져 있는 CPA (Cubic-Plus-Association) 상태방정식을 이용하여 상평형 모델을 개발하였다. 우선 개발된 모델의 타당성 검증을 위하여 단일성분에 대한 포화압력 및 밀도 계산을 수행하여 실제 데이터와 비교하였으며, 이성분에 대한 성분비에 따른 포화압력 및 이슬점 압력의 변화를 파악하였다. 그 결과 실제 데이터와 전반적으로 일치함으로 모델의 타당성을 확인 할 수 있었다. 모델의 타당성이 확인된 후 CO₂와 물, 탄화수소 혼합물에 대한 상거동 해석을 실시하였다. 일정한 온도와 압력에서 혼합물의 성분비에 따른 상의 변화를 ternary diagram에 나타내어 상의 영역을 파악할 수 있었으며, 플래시 계산을 통해 일정 성분비에서의 기체와 액체의 부피비를 알 수 있었다. 생산 중인 유전인 스코틀랜드 북서부 해상에 위치한 Captain field의 오일 성분에 대해서도 상평형 모델을 적용하였다. 실제 오일 성분에 대한 상거동 해석을 함으로서 현장 조건에서 오일의 상태를 파악할 수 있었으며, CO₂ 주입을 가정할 경우 ternary diagram을 통하여 MMP (Minimum Miscible Pressure)를 예측하였다. 그 결과 현재의 조건에서는 비미서블 유동이 발생함을 알 수 있었다. 또한, 일정한 온도와 성분비에서 압력을 증가시켜가며 상의 변화를 예측함으로서 현장 조건에 따른 저류층 내에서의 오일과 가스의 부피비를 파악할 수 있었다.; Miscible CO₂ flooding is applied to producing additional oil that still remains remarkably in reservoir after primary and secondary recovery process. CO₂ miscible flooding method has proliferated due to its advantages that it can increase total production of fields and CO₂ can be simultaneously sequestrated. A lot of researches that analyze CO₂-Water phase behavior under reservoir conditions have performed on these advantages. Petroleum engineers have never considered the effect of water which doesn't react to hydrocarbon, when water saturation is high, however, phase behavior of mixture will be affected considerably by association effect of water. The equations of state considering the association effect of polar compound, such as water and alcohol, have developed in chemical industry. Thus, SRK equation which is typical third order EOS and CPA which is also renowned for its accuracy of phase behavior prediction for system that contains polar compound, like water, were used to develop a new phase behavior prediction model, in order to analyze phase behavior of water-CO₂-HC mixture. The feasible study was performed with simulation on one-phase and two-phase condition, prior to the analysis of phase behavior for 3-phase, Water-CO₂-HC, which is mainly focused in this study. The simulation was also run for the oil composition of the Captain field which is still producing and is located in northwestern part of Scotland sea.