캐나다 아사바스카 오일샌드 지질특성

권이균,Kwon, Yi-Kwon 한국석유지질학회 2008 한국석유지질학회지 Vol.14 No.1

As conventional oil and gas reservoirs become depleted, interests for oil sands has rapidly increased in the last decade. Oil sands are mixture of bitumen, water, and host sediments of sand and clay. Most oil sand is unconsolidated sand that is held together by bitumen. Bitumen has hydrocarbon in situ viscosity of >10,000 centipoises (cP) at reservoir condition and has API gravity between $8-14^{\circ}$. The largest oil sand deposits are in Alberta and Saskatchewan, Canada. The reverves are approximated at 1.7 trillion barrels of initial oil-in-place and 173 billion barrels of remaining established reserves. Alberta has a number of oil sands deposits which are grouped into three oil sand development areas - the Athabasca, Cold Lake, and Peace River, with the largest current bitumen production from Athabasca. Principal oil sands deposits consist of the McMurray Fm and Wabiskaw Mbr in Athabasca area, the Gething and Bluesky formations in Peace River area, and relatively thin multi-reservoir deposits of McMurray, Clearwater, and Grand Rapid formations in Cold Lake area. The reservoir sediments were deposited in the foreland basin (Western Canada Sedimentary Basin) formed by collision between the Pacific and North America plates and the subsequent thrusting movements in the Mesozoic. The deposits are underlain by basement rocks of Paleozoic carbonates with highly variable topography. The oil sands deposits were formed during the Early Cretaceous transgression which occurred along the Cretaceous Interior Seaway in North America. The oil-sands-hosting McMurray and Wabiskaw deposits in the Athabasca area consist of the lower fluvial and the upper estuarine-offshore sediments, reflecting the broad and overall transgression. The deposits are characterized by facies heterogeneity of channelized reservoir sands and non-reservoir muds. Main reservoir bodies of the McMurray Formation are fluvial and estuarine channel-point bar complexes which are interbedded with fine-grained deposits formed in floodplain, tidal flat, and estuarine bay. The Wabiskaw deposits (basal member of the Clearwater Formation) commonly comprise sheet-shaped offshore muds and sands, but occasionally show deep-incision into the McMurray deposits, forming channelized reservoir sand bodies of oil sands. In Canada, bitumen of oil sands deposits is produced by surface mining or in-situ thermal recovery processes. Bitumen sands recovered by surface mining are changed into synthetic crude oil through extraction and upgrading processes. On the other hand, bitumen produced by in-situ thermal recovery is transported to refinery only through bitumen blending process. The in-situ thermal recovery technology is represented by Steam-Assisted Gravity Drainage and Cyclic Steam Stimulation. These technologies are based on steam injection into bitumen sand reservoirs for increase in reservoir in-situ temperature and in bitumen mobility. In oil sands reservoirs, efficiency for steam propagation is controlled mainly by reservoir geology. Accordingly, understanding of geological factors and characteristics of oil sands reservoir deposits is prerequisite for well-designed development planning and effective bitumen production. As significant geological factors and characteristics in oil sands reservoir deposits, this study suggests (1) pay of bitumen sands and connectivity, (2) bitumen content and saturation, (3) geologic structure, (4) distribution of mud baffles and plugs, (5) thickness and lateral continuity of mud interbeds, (6) distribution of water-saturated sands, (7) distribution of gas-saturated sands, (8) direction of lateral accretion of point bar, (9) distribution of diagenetic layers and nodules, and (10) texture and fabric change within reservoir sand body. 오일샌드는 비재래형(unconventional) 석유자원의 하나로서 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합물이다. 오일샌드 비투멘은 API 비중이 $8-14^{\circ}$이고 점도가 10,000 cP 이상인, 매우 무겁고 점성이 큰 탄화수소 자원으로서 일반적으로 지표나 천부퇴적층에서 유동성을 갖지 않는다. 오일샌드 비투멘은 주로 캐나다 앨버타주와 사스캐추완주에 분포하고 있으며, 캐나다에만 원시부존량이 1조 7천억 배럴, 확인매장량이 1천 7백억 배럴에 달한다. 대부분은 앨버타주 포트 멕머레이(Fort McMurray) 인근의 아사바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake), 피스리버(Peace River) 지역에 매장되어 있다. 캐나다 오일샌드 저류지층은 아사바스카 지역의 멕머레이층(McMurray Fm)과 클리어워터층(Clearwater Fm), 콜드레이크 지역의 멕머레이층(McMurray Fm), 클리어워터층(Clearwater Fm), 그랜드래피드층(Grand Rapid Fm), 피스리버 지역의 블루스카이층(Bluesky Fm)과 게팅층(Gething Fm)이다. 이들 지층은 하부 백악기 지층으로서 중생대 초-중기에 발생한 북미판과 태평양판의 충돌과 그로 인한 대륙전면분지(foreland basin)의 형성과정에서 퇴적되었다. 분지의 기반암은 복잡한 지형을 갖는 고생대 탄산염암이며, 그 위에 북미대륙 북쪽의 보레알해(Boreal Sea)로부터 현재의 북미대륙 서부를 남북으로 관통하는 전기백악기내해로(Early Cretaceous Interior Seaway)를 따라 해침이 발생하면서 오일샌드 저류지층이 형성되었다. 세 개의 주요 오일샌드 분포지역 가운데 80% 이상의 오일샌드를 매장하고 있는 아사바스카 지역의 저류지층인 멕머레이층과 크리어워터층의 최하부층원인 와비스코 층원(Wabiskaw Mbr)은 전기 백악기 시기의 해침층서를 잘 반영하고 있다. 멕머레이층 하부에는 하성기원의 퇴적층이 발달하고, 상부로 가면서 점차로 조석기원의 천해 퇴적층이 우세해지며, 와비스코 층원에 와서는 의해 세립질 퇴적층이 광역적으로 분포한다. 이러한 해침기원의 상향 세립화 경향은 아사바스카 오일샌드 부존지역에서 일반적으로 관찰된다. 오일샌드 부존지층은 일반적으로 불균질 저류층이며, 주요 저류층은 하성퇴적층이나 에스츄어리(estuary) 기원의 퇴적층에 발달한 하도-포인트 바 복합체(channel-pont bar complex)이다. 이러한 하도-포인트바 복합체는 범람원 및 조수평원 세립질 퇴적층이나 만-충진(bay-fill) 퇴적층과 함께 멕머레이층을 형성한다. 멕머레이층 상부에 오는 와비스코 층원은 주로 외해 세립질 퇴적층으로 이루어져 있으나, 멕머레이층을 대규모로 침식하는 하도사암층이 지역적으로 발달하기도 한다. 캐나다에서 오일샌드는 주로 노천채굴(surface mining)과 심부열회수(in-situ thermal recovery) 방식으로 생산한다. 50 m 미만의 심도에 묻혀있는 오일샌드는 노천채굴 방식으로 회수하여 비투멘 추출(extraction)과 개질(upgrading)과정을 거쳐 합성원유(synthetic crude oil)로 생산된다. 반면에 150-450 m 심도에 묻혀있는 오일샌드는 주로 심부열회수 방식으로 비투멘을 회수하여 비교적 간단한 비투멘 블렌딩(blending)과정을 통해 유동성을 증가시켜 정유시설로 운반한다. 심부열회수 방식으로 오일샌드를 개발할 경우 주로 스팀주입중력법(SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage)이나 주기적스팀강화법(CSS: Cyclic Steam Stimulation)이 사용된다. 이러한 방법들은 저류층에 스팀을 주입하여 저류층 내의 온도를 상승시킴으로써 비투멘의 유동성을 증가시켜 회수하는 기술을 사용한다. 따라서 오

오일샌드 탐사 및 개발을 위한 현생유사퇴적환경 연구의 중요성

최경식,Choi, Kyung-Sik 한국석유지질학회 2008 한국석유지질학회지 Vol.14 No.1

캐나다 오일샌드는 사우디아라비아의 원유 부존량과 맞먹을 만큼 방대한 매장량을 자랑하고 있는 대표적인 비재래 원유이다. 오일샌드 저류층을 구성하는 퇴적층은 조수우세 퇴적환경에서 형성된 수로충진층으로 구성되어 있다. 조수퇴적층은 외부에서 작용하는 에너지의 상호작용 결과 공간적으로 복잡하고 불균질한 물성을 가지는 것이 특징적이다. 오일샌드의 성공적인 개발을 위해서는 저류층내 물성의 공간적인 분포에 대한 심도있는 이해를 기반으로 하는 공법이 적용되어야 한다. 오일샌드 저류층의 특성화를 위해 사용되는 지질모델은 고기와 현생의 유사퇴적환경에 대한 비교연구를 기반으로 구축되며, 특히 현생 유사퇴적환경 연구는 저류층의 형성과정과 저류층 물성의 불균질성을 제어하는 외부 기구에 대한 정보를 제공하므로 정교한 지질모델 구축에 필수적인 요소로 인식되고 있다. 한국 서해안 조수우세퇴적환경은 캐나다 오일샌드 저류층이 형성된 퇴적환경과 유사한 것으로 판단되며, 이암파편층 분포, 퇴적상 및 층서 아키텍쳐 등과 같은 오일샌드 저류층 특성화에 필수적인 개념의 정립에 중요한 단서를 제공하는 것으로 평가받고 있어 그 중요성이 최근 큰 주목을 받고 있다. Oil sands in Canada are representative example of unconventional resources whose reserve estimates are as large as those in Saudi Arabia. Typical reservoir rocks of oil sands consist of channel-related deposits formed in a tide-dominated depositional setting. The tidal deposits are commonly characterized by spatially complicated and heterogeneous properties. Successful engineering methods to develop oil sands require in-depth understanding in the spatial distribution of reservoir properties. Geological model for oil sand reservoir characterization can be built on the basis of comparative studies of ancient and modem analogues. In particular, modern analogue studies become increasingly indispensable, since they provide better understanding in the reservoir-rock forming process and more importantly in the external mechanism responsible for the reservoir heterogeneity. Tide-dominated environment along the west coast of Korea is considered as one of the most excellent modem analogues of oil-sand forming depositional environment. Korean tidal environment provides insights on the origin of mud breccia, facies and stratigraphic architecture which are key issues to the characterization of oil sand reservoirs.

오일샌드 오일 처리기술의 특허분석에 의한 기술동향 연구

박근익(Kunyik Park),한삼덕(Sam Duck Han),한혜정(Hye Jung Han),강경석(Kyung Seok Kang),배위섭(Wisup Bae),이영우(Young Woo Rhee) 한국청정기술학회 2009 청정기술 Vol.15 No.3

오일샌드 기술(技術)의 특허정보(特許) 분석(分析)

이기봉,전상구,노남선,김광호,신대현,이흥연,Lee, Ki-Bong,Jeon, Sang-Goo,Nho, Nam-Sun,Kim, Kwang-Ho,Shin, Dae-Hyun,Lee, Heoung-Yeoun 한국자원리싸이클링학회 2009 資源 리싸이클링 Vol.18 No.1

오일샌드는 원유성분이 함유되어 있는 모래로 종전에는 높은 생산비용으로 인하여 큰 관심을 받지 못했지만, 최근 초고유가 시대를 맞아 새로운 대체 원유로서 세계적으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 오일샌드로부터 합성원유 생산과 관련되어 한국을 포함하여 미국, 캐나다, 일본, 유럽, 중국에서 공개된 출원특허를 대상으로 분석하였고, 전체기술을 채굴, 추출, 개질, 연료화, 기타 기술로 나누어 세부기술 분석을 실시하였다. 오일샌드로부터 합성원유 생산 기술에 관한 특허는 1969년에 첫 출원이 이루어진 후, 꾸준히 출원건수를 보이고 있으며 특히 국제유가변동 추이에 출원건수가 영향을 받는 것으로 나타나고 있다. 미국과 캐나다 특허의 점유율이 전체의 약 90%로 오일샌드 기술을 주도하고 있음을 알 수 있다. 전체 기술 특허 중 추출 기술과 채굴 기술이 77% 이상을 차지하여 가장 활발한 활동을 보였지만, 2000년대 이후에는 출원건수가 감소하거나 일정한 양상을 보이고 있다. 반면, 개질 기술은 출원건수가 최근 들어 증가하고 있는데. 이는 근래에 관련 기술 중 개질 기술에 대한 연구가 활발함을 나타내고 있다. Oil sands are sands containing bitumen similar to crude petroleum. Oil sands had not received enough interest because of the high production cost. However, in the current record-high oil price situation, oil sands are considered as new sources for unconventional oil. In this study, patents analysis was performed for the technologies of production of synthetic crude oil from oil sands. The patents covered were open patents applied in Korea, US, Canada, Japan, Europe, and China. The patents were divided into five detailed technologies; mining and in-situ, extraction, upgrading, fuelling, and other technologies. For oil sands technologies, there have been steady patent applications, since the first patent was applied in 1969. The number of patents applied appeared to be affected by the variation of world oil price. The portion of patents applied in US and Canada was about 90% of the overall patents and it means 05 and Canada have led oil sands technologies. Mining and in-situ technologies, and extraction have been developed actively and occupied more than 77% of the overall patents. However, the number of patents applied for mining and in-situ technologies, and extraction has been constant or started to decrease since 2000. The number of patents applied for upgrading technologies increases recently and it shows the development of upgrading technologies is active now.

특허분석을 통한 오일샌드 플랜트 모듈화 기술 동향 연구

박권우,황인주,Park, Gwon Woo,Hwang, In-Ju 대한자원환경지질학회 2016 자원환경지질 Vol.49 No.3

원유 생산의 정점이 예상되기 때문에 비전통 자원과 대체에너지에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 비전통 자원 중 오일샌드에 한정하였고, 동토 지역은 건설 가능한 기간이 제한적이고 현지건설인력 확보가 쉽지 않으며, 공사기간을 단축시킬 수 있는 오일샌드 플랜트 모듈화에 대한 관심이 크기 때문에 특허를 통한 기술동향을 분석해 보았다. 특허 분석은 1994년-2015년 데이터를 이용하였고 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다 특허를 분석 대상으로 하였다. 기술분류체계로 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술 분야로 나누었고 이를 국가별 landscape, 세부기술 동향분석, 주요 경쟁사 심층분석을 하였다. 특허 분석결과, 오일샌드 플랜트 기술은 미국 및 캐나다에 89%의 특허가 집중 되어 출원되고 있었다. 주로 경쟁사로는 Shell, Suncor 그리고 Exxon-mobil로 각각의 핵심특허를 분석하였다. 오일샌드는 타유전개발과 달리 장기간 안정적 생산량 유지가 가능한 사업적 특성을 가지므로, 장기적 관점에서 특허를 확보하여 오일샌드 사업의 경쟁력을 확보하는 것이 중요할 것으로 분석된다. Non-conventional resource and alternative energy were researched for predicting oil peak. In this study, one of many non-conventional resources, specifically oil-sands, was investigated due to the increasing interest of oil-sands plant modularization in permaforst areas for reducing the construction periods through modular transportation while limiting local construction workers. Hence, tehcnological trends were analyzed for oil-sand plant modularization. Data used were between 1994 and 2015 for patent analysis while targets included Korea, US, Japan, Europe and Canada. Technology classification system consisted of mining, steam assisted gravity drainage(SAGD), separation/upgrading/tailors ponds, module design/packaging, module transportation and material/maintenance. Result of patent analysis, patent application accounts 89% in US and Canada. The main competitive companies were Shell, Suncor and Exxon-mobil. Unlike other oil developments, oil-sands have a long-term stable production characteristic, hence, it is important to ensure the competitiveness of oil-sands for obtaining a patent in the long run.

화학적 항유화제에 의한 물/비튜멘 에멀젼의 분리특성

박근익(Kunyik Park),한삼덕(Sam Duck Han),노순영(Soon Young Noh),배위섭(Wisup Bae),이영우(Young Woo Rhee) 한국청정기술학회 2009 청정기술 Vol.15 No.1

오일샌드 역청의 부분 개질 기술 개발 현황

노남선 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

대표적인 비전통원유인 캐나다의 오일샌드 역청(Oil Sands Bitumen)은 원시부존량이 약 1.84조 배럴이며, 이 중에서 현재 기술과 경제성을 고려하여 생산 가능한 매장량은 약 10 %인 1,800억 배럴 규모로서 경질 원유 고갈과 유가 상승에 대비할 수 있는 중요한 석유 자원으로 주목받고 있다. 최근 2년간 오일샌드 역청의 생산량은 총 18억 배럴로 높은 생산량을 유지하고 있으며, 일일 생산량의 경우 2018년 기준으로 290만 배럴/일에서 2030년까지 380만 배럴/일까지 증가가 예상되고 있다. 현재 오일샌드 역청의 파이프라인 이송을 위해서 고가의 희석제(Diluent)가 대량으로 사용되고 있기 때문에 희석제 사용을 최소화한 조건에서 파이프라인 이송이 가능한 품질(API 비중 : 19 oAPI 이상, 동점도 300 cSt 이하)의 합성원유를 생산하는 부분 개질(Partial Upgrading) 기술에 대한 관심이 계속적으로 증가하고 있다. 본 발표에서는 지하 회수(In-situ Recovery) 공법으로 생산된 오일샌드 역청을 지상 현장에서 개질하기 위한 목적으로 2010년대 초반부터 본격적으로 추진되고 있는 부분 개질 공정에 대한 기술 개발 현황을 소개하고자 한다.

염제거 효율 상승을 위한 유동해석 주요인자 분석

이상준(Sang-Jun Lee),김종근(Chong-Gun Kim) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

다수의 유전에서 생산되는 오일에는 물과 염 덩어리, 주로 NaCl이 동반되어 상당한 운영상의 문제를 발생시킨다. 따라서 탈염 및 탈수 설비는 원유 생산 장치에 설치되어 오일 흐름 에 서 수용성 염을 제거하는 경우가 많다. 본 연구는 4가지 변수(온도, 압력, 침전시간, 전압)가 탈염 공정의 성능에 미치는 영향을 분석 하였다 탈염 효율에 대한 주요인자의 영향을 분석하기 위해 CFD 유동해석를 통한 분석을 진행하였다. 염제거를 위해 먼저 용량과 베셀 사이즈를 정해준 뒤 물량과 오일량을 정하고, 전압을 정해 해석하였다. 실제 사용되고 있는 탈염설비를 활용하여 용량과 사이즈를 측정하고, 상사법칙을 이용하여 스케일 다운을 시켜 해석을 진행하였다. 본 연구에 서는 온도와 전기 공급 이 미치는 영향을 파악하기 위한 실험으로 물/오일 비율 및 양을 상수로 고정하였으며, 염도 정도 또한 상수로 고정 하여 해석을 진행 하였다. 온도의 경우 100, 130, 150°C 3가지 케이스로 해석하였으며, 각각의 케이스마다 전기 공급 lOOV를 On/Off 하여 6가지 케이스로 해석을 진행하였다. 해석 분석 결과, 탈염을 위해 온도가 미치는 영향이 아주 큰 경향성을 보였으며, 전기 공급의 경우, 전압을 통한 물과 오일의 유동현상의 경향성을 확인하였다. 차후 연구에서는 온도, 전압, 농도 등의 변수를 다양하게 활용하여 전압과 염도의 상관관계를 연구할 예정이다.

열유실층이 있는 오일샌드 유전에서 질소주입을 통한 SAGD 기법의 효율 개선

최영락,정승필,유재훈 한국자원공학회 2013 한국자원공학회지 Vol.50 No.2

Thief zone is defined as top gas or water formations in a bitumen reservoir. It can cause a significant heat loss and result in the less production efficiency during SAGD process by obstructing growth of heated chamber. Furthermore, it can reduce recovery factor due to melted bitumen flow to thief zones. This paper suggests a SAGD with N2 injection for more efficient method rather than conventional LP-SAGD method in oil sand reservoir with thief zones. Injected gas enables a steam chamber not to be communicated with thief zones. This study analyzes production performance of the SAGD with N2 injection method comparing to conventional LP-SAGD method by reservoir simulations. It improved oil productions compared to the conventional LP-SAGD by increasing cumulative oil production and decreasing cSOR. In conclusions, the suggested method shows a commercial potential to develop an oil sand reservoir. 열유실층은 비튜멘층 상부에 존재하는 가스층 또는 대수층을 말한다. 열유실층은 SAGD 공법에서 주입한 증기의 유출통로로 작용하여 스팀챔버의 효과적인 형성을 방해하고 경제성을 악화시킨다. 뿐만 아니라 증기에 의해 녹은 비튜멘이 열유실층을 따라 흘러나감으로써 회수율을 감소시키기도 한다. 이 연구에서는 열유실층이 있는 오일샌드 유전에서 기존 SAGD 공법의 효율을 향상시키기 위해 질소를 주입하여 열유실층을 차단하는 질소주입 SAGD 공법을 제시하였다. 이 공법의 생산성을 평가하기 위하여 전산시뮬레이션을 수행하였으며 기존의 LP-SAGD 결과와 비교분석하였다. 그 결과 질소주입 SAGD 공법은 LP-SAGD에 비해 누적 오일생산량을 증가시켰으며, 누적 증기오일비는 감소시켰다. 이를 통해 기존의 공법으로 상업적 생산이 불가능한 열유실층을 포함한 오일샌드 유전에서 질소주입 SAGD 공법의 가능성을 확인하였다.

오일샌드를 이용한 pilot급 합성가스 제조 및 활용 시스템 개발

정석우(Chung, Seok-Woo),이도연(Lee, Do-Yeon),정우현(Jung, Woo-Hyun),황상연(Hwang, Sang-Yeon),박준성(Park, Jun-Sung) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

오일샌드는 아스팔트와 같은 중질유를 10% 이상 함유한 모래 또는 사암으로서, 겉으로 보기에는 시커먼 흙이나 모래처럼 보이나 내부에는 모래(점토)와 같은 광물질이 70~80%, 에너지원으로 활용이 가능한 중질유 성분인 bitumen이 10~18%, 물이 3~5% 정도 혼합되어 있다. 본 연구에서는 이러한 오일샌드 활용방안 개발을 위하여 오일샌드로부터 bitumen의 추출 및 증류 특성에 대한 시험을 진행하였으며, 가스화를 통한 합성가스 제조, 합성가스 중 분진제거 및 탈황, CO/H₂비 제어를 위한 합성가스 전환 등의 시험을 진행하였는데, pilot급 시스템을 이용한 합성가스 제조 시험 결과 중질잔사유를 5~7 kg/h 공급하는 조건에서 CO 40~50%, H₂ 20~30%, CO₂ 10~20% 조성의 합성가스 18~22 Nm³/h를 제조하였다.