셰일저류층의 다단계 수압파쇄에서 응력그림자 효과를 고려한 수압파쇄 균열형태 분석

Abstract

투과성이 극히 낮은 셰일층에서의 다단계 수압파쇄 시, 파쇄단계 간의 서로 근접한 균열로 인해 균열 주변의 지층응력에 간섭현상이 발생하는‘응력그림자 효과(stress shadow effect, SSE)’가 나타날 수 있다. 순차적으로 수압파쇄 시, 전 단계 균열의 발생으로 인하여 수평정 주변 지층의 응력이 변화하게 되고 그로 인해 다음 균열이 저류층을 벗어나거나 비정형적인 형태의 균열이 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 수압파쇄 모델링에서 고려하지 않을 경우 실제 생산성과 크게 다른 결과를 가져오는 오류를 범할 수 있다. 이러한 응력그림자 효과는 파쇄단계 간의 간격과 지층의 영률, 포아송비와 같은 지력학적 물성에 따라 영향성이 달라진다. 따라서 본 연구에서는 셰일저류층에서의 다단계 수압파쇄 시, 지층의 응력변화에 따른 수압파쇄 균열 형태와 그에 따른 생산성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 상용 수압파쇄 시뮬레이터인 『GOHFER 3D』를 사용하였다. 시뮬레이션 결과, 선행 파쇄단계의 균열에 의해 발생한 응력변화는 지층의 최소수평주응력에 더해지는 효과로 작용함으로 인해 균열의 방향성을 결정하게 되는 지층의 최대수평주응력과의 차이가 감소된다. 이에 따라 최대-최소수평주응력 방향의 역전 현상이 일어나게 되어 다음 단계의 균열은 수평정의 횡방향(transverse, T-방향)으로만 균열이 발생하지 않고, 생산성이 크게 떨어지는 종방향(longitudinal, L-방향)으로도 발생하는 것으로 나타났다. 또한 파쇄단계 간 간격이 가까울수록 응력그림자 효과가 크게 작용하여 T-방향보다는 L-방향 균열이 주로 발생하였고 이는 파쇄균열의 유정자극 면적의 감소를 야기하였다. 따라서 다단계 수압파쇄 시, 파쇄단계 간 적정 간격 설계가 매우 중요함을 확인하였다. 이어 지층의 지력학 물성인 영률과 포아송비의 비로 나타내는 취성특성에 따른 응력그림자 효과를 비교하기 위해 Marcellus 셰일과 Eagle ford 셰일에 대한 분석을 수행하였다. 그 결과, Marcellus 셰일의 경우 연성 특성을 갖는 Eagle ford 셰일에 비해 높은 취성으로 인해 균열의 두께가 더 두껍게 형성되어 균열 체적이 더 크게 산출되었다. 결국 Marcellus 셰일에서 발생된 파쇄균열들이 저류층과의 접촉면적을 더 크게 형성하면서 생산성에도 영향을 미치게 됨을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고 Marcellus 셰일지층의 영률이 Eagle ford 셰일층에 비해 크게 낮은 값을 가지므로 응력그림자 효과가 보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 이와 같이 파쇄단계 간 간격뿐만 아니라 지층의 지력학적 물성이 복합적으로 작용하여 응력그림자 효과의 영향성이 크게 달라짐을 알 수 있었다.