탄산염암 저류층에서 Nano-EOR 공법 메커니즘 및 기술개발 동향

김지환,이정환 한국자원공학회 2021 한국자원공학회지 Vol.58 No.6

Although more than half of the world's petroleum reserves exist in carbonate reservoirs, various enhanced oil recovery (EOR) methods have been studied because of the low oil recovery resulting from its strong lipophilicity. In particular, nano-EOR, which incorporates advanced nanotechnology, has received considerable attention as a new technology that can overcome the limitations of common chemical substances used in conventional EOR. These limitations include degradation when these substances are exposed to reservoir environments and high injection cost due to high volumes of injection. In this study, the technical characteristics and mechanisms of nano-EOR in carbonate reservoirs were investigated and the latest technical trends were analyzed. Results showed that an understanding of oil recovery mechanisms such as improved wettability and reduced interfacial tension is essential for successful nano-EOR applications. In addition, it was confirmed that nano-EOR has a synergistic effect when combined with conventional EOR methods. These results can be used as basic data in designing EOR projects using the nano-EOR method in carbonate reservoirs. 탄산염암 저류층에는 전 세계 석유 매장량의 절반 이상이 부존되어 있으나 강한 친유성으로 인해 오일 회수율이 낮아 다양한 EOR 공법들에 대한 연구가 이루어져 왔다. 특히 첨단 기술인 나노 기술을 접목한 나노-EOR은 기존 EOR에서 사용되는 폴리머, 계면활성제와 같은 화학물질들이 가지는 저류층 환경에서의 기능 저하, 다량 주입으로 인한 높은 주입 비용 등의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 공법으로 각광받고 있다. 본 연구에서는 탄산염암 저류층에서 나노-EOR의 기술 특성 및 메커니즘을 조사하고, 최신 기술개발 동향을 분석하였다. 조사 결과, 성공적인 나노-EOR 공법을 수행하기 위해서는 습윤도 개선, IFT 감소와 같은 오일 회수 메커니즘에 대한 분석이 필수적이며, 기존 EOR 공법과의 결합을 통해 시너지 효과가 발생함을 확인하였다. 제시된 결과는 향후 탄산염암 저류층에서 나노-EOR 공법을 적용한 오일 회수 증진 프로젝트 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

CO₂ 지하저장과 연계한 원유회수증진 기술

김형목(Hyung-Mok Kim),배위섭(Wi-Sup Bae) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.1

본 고에서는 CO₂ 지중저장과 연계한 원유회수증진 기술을 소개하였다. 원유회수증진을 목적으로 CO₂를 저류층 내에 주입하는 CO₂ EOR 기술은 장기적인 관점에서 CO₂를 지하 심부 암반에 저장하는 CCS 기술로 전환할 수 있다. CCS와 연계한 CO₂ EOR 기술은 EOR에 필요한 대규모 CO₂ 공급원을 확보할 수 있는 장점이 있으며 원유 회수율 증진에 따른 편익 발생으로 CCS를 위한 일련의 프로세스 중, 특히 포집 분야에 경제성을 부가할 수 있는 장점이 있다. 이러한 CCS와 연계한 CO₂ EOR 기술의 특징 및 시장 전망을 살펴보고 국외의 대표사례로 Weyburn CO₂ EOR 프로젝트를 소개하였다. 또한, 안정적이고 경제적인 CO₂ EOR 실시에 필요한 제반 기술 요소를 분석하고 CO₂ 주입중 및 주입후 장기운영과정에서의 미소진동 계측, CO₂의 최소혼화압력 및 최대주입압력의 사전설계 등의 암반공학적 쟁점들을 소개하였다. Enhanced oil recovery (EOR) technology coupled with underground carbon dioxide sequestration is introduced. CO₂ can be injected into an oil reservoir in order to enhance oil production rate and CO₂ EOR can be turned into CCS in a long term sense. Coupling CO₂ EOR with CCS may secure a large scale and consistent CO₂ source for EOR, and the CO₂ EOR can bring an additional economic benefit for CCS, since the benefit from enhanced oil production by CO₂ EOR will compensate costs for CCS implementation. In this paper, we introduced the characteristics of CO₂ EOR technology and its market prospect, and reviewed the Weyburn CO₂ EOR project which is the first large-scale CO₂ EOR case utilizing an anthropogenic CO₂ source. We also introduced geotechnical elements for a successful and economical implementation of CO₂ EOR with CCS and they were a miscroseismic monitoring during and after injection of CO₂, and determination of minimum miscible pressure (MMP) and maximum injection pressure (MIP) of CO₂.

CCS 연계 이산화탄소에 의한 오일회수증진법의 잠재력과 전망

이근상,김현태,김진웅,손한암 한국자원공학회 2012 한국자원공학회지 Vol.49 No.5

This paper provides a summary of the current status, potential opportunities, and limitations for the application of enhanced oil recovery by carbon dioxide (CO2 EOR) using CO2 captured from industrial sources. Though CO2 EOR operations have traditionally focused on maximizing oil recovery, CO2 EOR can result in effective storage. Up to 97% of the initially purchased CO2 for EOR operations can be stored at the end of injection. Anthropogenic sources are accounting for steadily increasing share of CO2 supply, currently providing 12 million metric tons per year for EOR. Since significant expansion of oil production utilizing CO2 EOR will require volumes of CO2 that cannot be met by natural sources alone, industrial sources of CO2 will need to play a critical role. Since storing CO2 in association with EOR can substantially offset the extra costs associated with CCS, it can encourage its application in the absence of other incentives for CCS deployment. 본 연구에서는 산업 배출원에서 포집된 이산화탄소를 이용한 오일 회수증진법의 현황, 잠재력, 한계성에 대해 요약하였다. 전통적으로 CO2 EOR은 오일회수에 초점이 맞추어 졌지만, 최근에는 CO2의 효율적인 지중저장 수단이 되고 있다. CO2 EOR에 사용되는 CO2의 97%는 주입 종료 후 지중에 저장된다. 현재 인위기원 CO2의 공급 비중이 꾸준히 증가하여 연간 1,200만 톤에 이르고 있다. CO2 EOR이 탄소 포집 및 저장에 미치는 가장 큰 영향은 오일을 추가 생산함에 따라 CCS 적용에 따른 비용을 상쇄시킬 수 있는 수익을 창출할 수 있다는 점이다. CO2 EOR을 적용하는 생산현장이 증가함에 따라 필요한 CO2 공급이 부족하여 산업 배출원에 의한 CO2 공급이 중요한 역할을 하게 될 것이다. EOR과 연계된 CO2 지중 저장은 CCS와 관련된 비용을 근본적으로 상쇄할 수 있기 때문에 CCS에 별도의 인센티브가 주어지지 않더라도 촉진될 수 있을 것이다.

이산화탄소 회수증진-저장 최적화를 위한 머신러닝 기법 적용연구

이원석,홍용준 한국자원공학회 2020 한국자원공학회지 Vol.57 No.6

This paper investigates an applicability and efficiency of machine learning algorithm in CCS-EOR(Carbon Capture & Storage-Enhanced Oil Recovery) optimization processes. By using simulation results of 105 cases according to variation of selected 8 influencing factors in the reference, all cases reaching to 2,916 were predicted by developed proxy model. For improved training and testing accuracy, the hyperopt algorithm was adopted and in case of objective function NPV, the testing accuracy is achieved above 92%. However, in cases of other objective functions such as recovery factor, CO2 stored, it is required to re-select influencing factors more sensitive to respective objective functions. Machine learning optimization process suggested in this paper, can be utilized as conventional optimization methods, especially, it can be more efficient procedure in complex optimization processes with additional influencing factors. 이 연구에서는 CCS-EOR 저류층 최적화 분석을 위한 머신러닝 기법 적용성 및 효율성을 검토하였다. 기존 문헌에서 수행된8개 인자 변화에 따른 105개의 경우의 수에 대한 시뮬레이션 결과를 활용하여, 개발된 프록시 모델을 적용하여 2,916개에 달하는 모든 시뮬레이션 경우의 수를 예측하였다. 머신러닝 모델 개발에 있어 초매개변수(hyper-parameter) 선정 최적화 과정을 도입하여 학습및 예측 과정을 향상시켰으며, 목적함수 NPV의 경우 평균 적합도 92% 이상의 정확도를 확보하였다. 그러나 회수율 및 저장량 등의목적함수에 대한 최적화 수행 결과, 보다 목적함수에 민감한 영향인자 재선정이 필요함을 알 수 있었다. 목적함수에 대한 적절한 영향인자 선정 및 학습자료가 확보될 경우, 머신러닝 최적화 기법은 기존의 최적화 과정을 대체할 수준의 매우 효과적인 방법임을 확인하였으며, 영향인자가 추가되어 경우의 수가 증가할 경우 보다 효과적으로 최적화 분석에 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

1P-570 CO₂ EOR을 위한 CO₂ 회수 공정 최적 설계

곽동훈,김진국 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

CO₂ EOR(Enhanced Oil Recovery)은 CO₂를 유정에 주입하여 석유 생산량을 높임과 동시에 CO₂ 지중저장을 할 수 있어 경제성이 높고 친환경적인 기술이다. CO₂ EOR은 많은 양의 CO₂를 유정으로 주입하여 석유 및 가스를 밀어내는 방식이기 때문에 생산정에서 석유와 함께 다량의 CO₂가 포함된 가스가 생산된다. 생산된 가스에서 CO₂를 재활용하고 탄화수소 성분을 분리하기 위해서 CO₂ 회수 분리 공정을 필수적으로 사용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 CO₂ EOR에서 생산된 고농도 CO₂ 가스에서 CO₂와 탄화수소를 효율적으로 분리하고 CO₂를 재활용하기 위한 공정의 최적화 설계에 대하여 검토하였다. 이를 위해 CO₂ 분리 기술인 저온증류, 물리적 흡수제, 화학적 흡수제에 대한 특징을 비교 분석하였으며, 검토된 분리 기술들을 조합하여 에너지 효율적인 CO₂ 회수 공정을 설계하였다. 또한, 최적화 기법을 적용하여 보다 공정의 경제성을 향상시킬 수 있는 설계 조건을 도출하였다.

Relationship between oil production and CO2 storage during low-salinity carbonate water injection in acid carbonate reservoirs

Yeonkyeong Lee,Sooyeon Kim,Jihoon Wang,Wonmo Sung 한국공업화학회 2020 Journal of Industrial and Engineering Chemistry Vol.88 No.-

This study investigates enhanced oil recovery (EOR) and CO2 storage efficiencies during low-salinitycarbonate waterflooding (LSCWF) in carbonate reservoirs containing “acid” formation water. In order toidentify the detailed geochemical reactions for acidic condition during LSCWF, simulational analysis wasperformed with “CMG-GEM”. After core-scaled model was constructed through history-matchingprocesses based on the coreflooding experimental results, primary mechanisms during LSCWF wereanalyzed for various levels of injection water salinity. From the results of this study, CO2 dissolved ininjected carbonate water yielded CaCO3 precipitation in acidic reservoirs, decreasing permeabilitysignificantly compared to in neutral reservoirs. In terms of wettability alteration and oil swelling by CO2mass transfer, their effects were almost similar regardless of the salinity for both acid and neutralreservoirs. In the aspects of EOR and CO2 storage efficiencies, they strongly depend on the salinity for bothacidic and neutral conditions. In the results of EOR–CO2 storage relationship, enhanced oil was smaller inacidic condition, while CO2 storage efficiency was not greatly related to acidity of the reservoir. Thefindings of this study can help for better understanding of smart water injection design into acidcarbonate reservoir for the optimal EOR and CO2 storage efficiencies.

CO2-EOR 기술특성 및 현장사례 분석

한반석,이정환 한국자원공학회 2014 한국자원공학회지 Vol.51 No.4

CO2-EOR (carbon dioxide enhanced oil recovery) is one of the EOR (enhanced oil recovery) techniques, and since the early 1970s, numerous researches have been made about pilot tests and field-scale CO2-EOR projects. Injection schemes of CO2-EOR can be classified as continuous CO2 injection, WAG injection, cyclic CO2 injection,and hot CO2 injection, and analyses on main characteristics and field applications for each injection scheme were performed in this study. Among analyzed field cases, all cases except for Bati Raman field are in operation on miscible CO2-EOR, and they have a huge difference in the source of CO2. Therefore, it is needed to analyze CO2 supply conditions in identifying CO2-EOR application possibility, and investigation on the field cases technically categorized will be utilized in designing a CO2-EOR project. CO2-EOR은 원유회수증진법(enhanced oil recovery, EOR) 중 하나로 1970년대 초부터 파일럿 테스트 및 현장 규모의 다양한 연구가 진행되어왔다. 여러 현장에서 적용되고 있는 CO2-EOR은 크게 CO2 연속주입공법, WAG 공법, cyclic CO2 자극법, 그리고 hot CO2 주입법으로 분류되며, 이에 대한 각 기술별 주요 특성 및 현장사례 분석이 수행되었다. 분석된 현장사례 중 Bati Raman 유전을 제외한 모든 유전에서 혼화 CO2-EOR을 실시하고 있으며, 사용되는 CO2의 공급원에 있어서도 큰 차이가 있음을 확인하였다. 따라서 CO2-EOR의 적용 가능성을 평가하기 위해 현장별 CO2 공급 조건에 대한 분석이 요구되며, 본 연구에서 수행된 CO2-EOR의 기술 분류에 따른 현장사례 분석은 향후 CO2-EOR 프로젝트의 설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다중비선형회귀분석을 이용한 탄산염암 저류층의 CO2-EOR 효율 평가에 관한 연구

권서윤,박가영,민배현,김기홍,이태엽,한정민 한국자원공학회 2020 한국자원공학회지 Vol.57 No.2

This study aims to derive an equation for a preliminary economic evaluation that quickly assesses the efficiency of CO2-EOR at carbonate oil reservoirs. Previous works have qualitatively analyzed the CO2-EOR efficiency by, for example, using a lookup table based on reservoir properties. This study selects a series of influential parameters on the CO2-EOR efficiency: five static (e.g., reservoir pressure and temperature, API gravity, porosity, and R35) and two dynamic properties (e.g., CO2 breakthrough time and recovery factor). A database for the derivation of the equation is built by running reservoir simulation with varying values of the influential parameters. By conducting a multiple nonlinear regression analysis, the equation is designed as a combination of oil initially in place and recovery factor. The five static properties were utilized as inputs of the equation, while the dependent variables representing the outputs were obtained by merging the two dynamic properties. The proposed economic evaluation system can be utilized as an efficient CO2-EOR screening tool for carbonate reservoirs under field exploration and development. 이 연구는 탄산염암 저류층에서 석유증진회수법인 CO2-EOR(carbon dioxide enhanced oil recovery)의 효율을 신속히 평가하는 사전 경제성 평가식을 도출한다. 선행 CO2-EOR 스크리닝 연구들은 저류층 물성에 기반한 순람표등을 활용하는 정성 평가에 집중하였다. 이 연구는 CO2-EOR 효율의 정량 평가를 위해 5개의 정적 물성(저류층 압력및 온도, API 비중, 공극률, R35)과 2개의 동적 물성(CO2 돌파 시간 및 회수율)을 영향인자로 선택한 후, 영향인자 값을변화시키며 저류층 시뮬레이션을 수행하여 평가식 설계를 위한 데이터베이스를 구축하였다. 평가식은 원시석유부존량과 회수율 지표의 조합으로 구성하였다. 회수율 지표는 정적인자들을 독립변수, 동적인자들을 종속변수로 설정한 후 다중비선형회귀분석을 수행하여 계산하였다. 제안한 사전 평가 시스템은 탐사 및 개발 중인 탄산염암 저류층을위한 저렴하고 효율적인 CO2-EOR 스크리닝 도구로 활용할 수 있다.

Sensitivity analysis for fault reactivation in potential CO2-EOR site with multi-layers of permeable and impermeable formations

김형목,Jonny Rutqvist,배위섭 한국자원공학회 2014 Geosystem engineering Vol.17 No.5

CO2-EOR is considered as a promising solution for enhanced oil recovery (EOR) and is attracting attention as being a more economical CO2 geological sequestration solution along with oil recovery enhancement. However, injecting CO2 at high pressure may cause many geomechanical changes and potential instabilities in surrounding formation such as ground uplift, caprock fracturing, and nearby fault reactivation. Such instabilities could significantly influence the stability of both surface facilities and subsurface structures. Especially, miscible CO2-EOR, by which recovers more oil than immiscible one but, uses less CO2, requires an injection pressure exceeding the minimum miscible pressure (MMP), which is determined by characteristics of reservoir conditions and oil compositions. Thus, for successful and safe CO2-EOR operation, injection pressure interval between MMP and the maximum pressure that could be tolerated from geomechanics safety concerns should be appropriately designed considering site-specific reservoir conditions. In this study, we perform a numerical simulation of coupled multiphase fluid flow and geomechanical analysis using TOUGH-FLAC simulator for the potential CO2-EOR site in Indonesian oil field, and demonstrate how much fault reactivation is sensitive to fault structure, slip-weakening property of faults, reservoir permeability, and in situ stress conditions. The model site consists of impermeable shale and permeable sandstone reservoir units so that the potential for fault slip through this multilayered formation is highlighted in the simulations. Our simulation results showed that fault slip initiation can be reached earlier period when in situ stress is anisotropic and reservoir is more permeable, because the stress state at the faults is near the frictional strength limit and the pore pressure buildup reaches to the fault much faster. The analysis shows that multilayered formations with high- and low-permeability layers are advantageous in CO2-EOR since intense pore pressure buildup and subsequent fault reactivation could be impeded by pressure dissipation in high-permeability layers. However, we noted that fault reactivation may become substantial when the fault has a slip-weakening property and the residual frictional coefficient of the site-specific fault is very low.

이산화탄소 지중저장기술의 연구동향

남상구,박창협 한국자원공학회 2012 한국자원공학회지 Vol.49 No.2

This paper investigates the characteristics and the research trends of CO2 storage technologies in underground geological formations. The CO2 sequestration can divide into geological storage, ocean storage, and mineral carbonation in which the technical level of geological storage arrives at the commercialization. In detail,its components are an CO2-EOR(Enhanced Oil Recovery), ECBM(Enhanced Coal Bed Methane), a deep saline aquifer, and a depleted reservoir, respectively. The researches of disposal CO2 have focused on a monitoring,a leakage detection, and a storage capacity. On the other hand, CO2-EOR has been concentrated on reservoir characterization,history matching, and field-scaled flow simulation to improve the stranded oil productivity. ECBM remained at the laboratory experiments to verify its applicability. To obtain the reliable field applicability, the integrated approach are necessary coupled numerical analyses with experimental results. 이 논문에서는 이산화탄소 지중저장기술을 세분화하여 각 지중저장기술의 특징과 연구동향을 살펴보았다. 이산화탄소 처분기술은 지중저장, 해양저장, 광물 탄산염화 기술로 구분할 수 있으며, 이 가운데 지중저장기술의 성숙도가 가장 높다. 세부적으로 CO2-EOR(Enhanced Oil Recovery), ECBM(Enhanced Coal Bed Methane)등의 활용기술과 염대수층, 고갈 저류층에 저장하는 기술로 구분한다. CO2-EOR, 고갈 저류층 지중저장기술은현재 실용화 단계이고 염대수층 지중저장과 ECBM은 실증단계이다. 염대수층과 고갈 저류층 저장연구는 누출안정성 확보를 위한 모니터링 연구와 잠재 저장용량 평가를 중심으로 이루어지고 있다. CO2-EOR 분야에서는저류층 특성화 기술, 히스토리 매칭, 유동 시뮬레이션을 이용한 경제성 평가와 이산화탄소 거동해석, 생산량예측연구가 활발하며 ECBM 분야에서는 흡착, 팽윤현상 등 실험실 수준의 연구가 진행 중이다. 이산화탄소 지중저장 연구는 기존의 저장기술에서 활용기술로 변화하고 있다. 경제인자, 저류공학, 모델링, 실험 등의 통합분석을 통한 신뢰할 수 있는 각 지중저장에 특성화된 평가연구가 필요하다.