오일샌드 상하부 열유실층 종류에 따른 열공법 성능 민감도분석 = Sensitivity analysis of thermal recovery performance for the type of top and bottom thief zones oil sands reservoir

국문 초록 (Abstract)

오일샌드는 비투멘, 모래, 물, 점토 등으로 구성되어 있고, 10,000 cp 이상의 높은 점성으로 인해 비전통자원으로 분류된다. 오일샌드는 캐나다 알버타주에 1,650억 배럴이 부존 되어있으며, 전 세계의 에너지 소비가 증가함에 따라 생산가치가 증가하고 있다. 75m 이상의 깊이에 매장되어있는 오일샌드를 생산하는 대표적인 지하회수법은 SAGD(steam assisted gravity drainage)공법이다. SAGD공법은 고온의 스팀을 오일샌드층에 주입하여 오일의 점성을 감소시키는 원리로 생산한다. 하지만 오일샌드층에 열유실층 존재시 cSOR(cumulative steam oil ratio)이 급격히 증가한다(Alturki et al., 2013; Wang et al., 2015). 이러한 단점을 보완하고자 저류층 내부에서 가스상태를 유지하는 비응축가스(non-condensable gas)를 스팀과 함께 주입하는 SAGP(steam and gas push)공법이 개발되었다. 현재 SAGP공법의 주요영향인자에 대한 민감도분석을 통한 최적설계연구가 진행되고 있으나, 열유실층 종류와 위치에 따른 민감도분석 연구는 아직 진행되지 않았다. 본 연구에서는 열유실층 종류(대수층, 가스층)와 위치(저류층 상부, 하부)에 따라 SAGD공법과 SAGP공법을 비교하였다. 또한 SAGD공법의 주요영향인자(주입속도, 주입압력, 스팀온도)와 SAGP공법의 주요영향인자(몰분율, 비응축가스 주입시점, 스팀온도, 주입압력)에 대한 민감도분석을 수행하였다.
민감도분석 결과 SAGD공법은 열유실층의 유무에 관계없이 주입압력, 스팀온도, 주입속도 순서로 민감하며, 주입속도는 주입압력을 조절하기 위한 보조 운영인자로 판단되어 이후 SAGP공법의 민감도분석인자에서 제외하였다. SAGD공법 중 열유실층이 없는 기본 모델이 cSOR 3.17 대비 오일회수율이 58.45%로 가장 우수한 열공법 성능을 보였다. 하부 대수층 모델의 cSOR은 4.08로 기본 모델보다 0.91 더 높으며 오일회수율은 36.2%로 기본 모델 대비 38% 감소되어 가장 부정적인 열공법 운영결과를 보였다. SAGP공법에서도 하부 대수층 모델이 cSOR 3.34 가장 부정적인 결과를 보였다. SAGP공법의 민감도분석결과 몰분율과 비응축가스 주입시점이 가장 민감한 인자이며, cSOR의 범위는 상부 대수층이 열유실층으로 존재할 때 각각 0.68와 0.44이다. SAGD공법과 SAGP공법에 대해 cSOR과 회수율을 복합적으로 고려하는 열공법지표인 R값을 비교해본 결과, 비응축가스 주입시점을 70%시점(총 8년의 생산기간 중 5.6년 시점)으로 설정한 SAGP가 SAGD보다 향상된 결과를 보였다. 즉, SAGP공법은 비응축가스의 주입시기, 주입농도 등 주요인자에 대한 최적화가 열공법 수행 성공의 핵심적인 역할을 하게 된다. 본 연구에서 사용된 저류층 모델의 시뮬레이션 결과와 민감도분석 결과는 향후 열유실층 종류에 따른 열공법의 접근방법에 대한 방향성을 제시할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• List of Figures Ⅳ
• List of Tables Ⅶ
• 국 문 요 약 Ⅹ
• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1. 지하회수법 3
• 2.1.1. SAGD공법 4
• 2.1.2. SAGP공법 6
• 2.2. 열유실층(thief zone) 8
• 2.3. 민감도분석 10
• 3. 연구 방법 11
• 3.1. 오일샌드 저류층 모델링 11
• 3.1.1. 오일샌드 저류층 격자모델 11
• 3.1.2. 오일샌드 저류층 모델 물성 12
• 3.1.3. 기본모델 운영조건 15
• 3.2. 민감도분석 수행 16
• 3.2.1. 민감도분석 영향인자 선정 16
• 3.2.1.1. 스팀주입속도 16
• 3.2.1.2. 스팀온도 16
• 3.2.1.3. 스팀주입압력 17
• 3.2.1.4. 비응축가스 몰분율 17
• 3.2.1.5. 비응축가스 주입시점 17
• 3.2.2. 영향인자별 민감도분석 범위 18
• 3.2.2.1. 스팀주입속도 18
• 3.2.2.2. 스팀온도 18
• 3.2.2.3. 스팀주입압력 19
• 3.2.2.4. 비응축가스 몰분율 20
• 3.2.2.5. 비응축가스 주입시점 20
• 4. 연구 결과 21
• 4.1. 저류층 모델 시뮬레이션 결과 21
• 4.1.1. 기본모델 시뮬레이션 결과 23
• 4.1.1.1.1. Case 1 23
• 4.1.1.1.2. Case 5 23
• 4.1.2. 열유실층 모델 시뮬레이션 결과 27
• 4.1.2.1. 상부 대수층모델 시뮬레이션 27
• 4.1.2.1.1. Case 2 27
• 4.1.2.1.2. Case 6 27
• 4.1.2.2. 하부 대수층모델 시뮬레이션 31
• 4.1.2.2.1. Case 3 31
• 4.1.2.2.2. Case 7 31
• 4.1.2.3. 가스 열유실층모델 시뮬레이션 35
• 4.1.2.3.1. Case 4 35
• 4.1.2.3.2. Case 8 35
• 4.1.3. 열공법 운영 39
• 4.1.3.1. SAGD공법 운영 39
• 4.1.3.1.1. Case 1 39
• 4.1.3.1.2. Case 2 39
• 4.1.3.1.3. Case 3 39
• 4.1.3.1.4. Case 4 39
• 4.1.3.2. SAGP공법 운영 41
• 4.1.3.2.1. Case 5 41
• 4.1.3.2.2. Case 6 41
• 4.1.3.2.3. Case 7 41
• 4.1.3.2.4. Case 8 41
• 4.2. 저류층 모델 민감도분석 결과 43
• 4.2.1. SAGD공법 민감도분석 43
• 4.2.1.1. 주입압력 민감도분석 결과 45
• 4.2.1.2. 스팀온도 민감도분석 결과 45
• 4.2.1.3. 주입속도 민감도분석 결과 45
• 4.2.2. SAGP공법 민감도분석 48
• 4.2.2.1. 비응축가스 몰분율 민감도분석 결과 50
• 4.2.2.2. 주입시점 민감도분석 결과 51
• 4.2.2.3. 주입압력 민감도분석 결과 52
• 4.2.2.4. 스팀온도 민감도분석 결과 52
• 5. 결론 56
• 6. 참고문헌 58
• ABSTRACT 61