최적의 셰일가스 생산을 위한 파쇄공정수 연구 : 국내 파쇄공정수의 유동학적 실험 분석

국문 초록 (Abstract)

수압파쇄기법(hydraulic fracturing)이란 일반적으로 물과 화학물질의 혼합물을 시추정을 통해 고압으로 주입하여 시추공 주변으로 균열을 생성시키고 이 균열의 틈이 지층의 압력으로 인해 닫히는 것을 방지하기 위해 프로판트(Proppant, 모래알갱이)라 불리는 물질을 주입하여 균열 상태를 유지시키는 방법이다.
수압파쇄 기법을 통하여 전통적인 기법으로는 생산하지 못하였던 남아있는 비전통 원유(unconventional oil)를 생산할 수 있게 되었다. 수압파쇄는 모든 층에서 유용한 방법이라고 알려져 있어 현재까지 많이 사용된 방법 중 하나이기도하다.a
과거에는 사암층(sand stone)이나 셰일층(shale)에서 같은 조합의 폴리머와 프로판트를 사용하였지만, 현재 들어서는 셰일층에서는 낮은 점도의 파쇄공정수(fracturing fluid) 즉, slick water를 사용하는 것이 생산성을 높인다는 연구 결과가 나왔다.
Slickwater란 일반적으로 유체손실을 줄이기 위한 낮은 점도의 유체를 말한다. 저류층에서는 셰일가스층에서 수압파쇄(hydraulic fracturing)공정 시 효율성의 증대를 위하여 쓰는 것을 일컫는다. 즉, 유체의 흐름의 증가를 위해 화학적 물질을 첨가한다.
본 연구에서는 국내의 폴리머를 이용하여 생산성의 효율성을 알아보고자한다. 특히, 지금까지 연구 결과가 많이 나와 있지 않은 slick water에 준하는 농도의 비율에 맞추어 실험하였다. 국내의 폴리머는 A-331PVL, A-430PH, A-231PVL을 1pptg, 5pptg, 10pptg로 실험하였고, 기존의 데이터와의 비교를 위하여 Guar 40pptg 또한, 실험하였다.
비교를 위한 실험 진행의 첫 번째로 현재까지 폴리머의 효율성을 증명하기위한 실험실 내에서 이루어지는 leakoff test를 실시하였다. leakoff test는 LPLT와 HPHT 두 가지 경우를 나누어 실시하였다. 결과, 기존의 폴리머와 같은 양상의 그래프가 나타나지 않았다. 즉, 점도가 낮은 유체로 실험하여 여과손실양(spurtloss)의 발생이 미미하였고, 이는 손실의 양이 극히 적어 경제적 효율이 있음을 알 수 있다는 결론을 내리게되었다. 하지만, 여기서 spurtloss의 실험결과 비교만을 통하여 유체의 적합성을 판단 할 수는 없다.
두 번째로, shear rate-shear stress를 통한 점도와 유동학적 특징을 살펴보았다. 그 결과, 기존의 폴리머와 비슷한 양상을 가지고 있음을 도표화 할 수 있었다.
마지막으로, 현장에서 어느 정도 효율이 있을지 알아보기 위하여 Mfrac 시뮬레이션을 이용하여 결론을 내었다.
위 세 가지 방법을 통하여 국내의 폴리머를 이용하여도 지금 활용되는 국외의 폴리머와도 같은 효과를 낼 수 있을 것이라는 추론이 가능하다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 소개 1
• 가. 수압파쇄(hydraulic fracturing) 1
• 나. 폴리머(Polymer) 3
• 다. Slickwater 4
• 1.2. 연구목적과 연구방법 4
• 가. 연구목적 4
• 나. 연구방법 5
• 제2장 이론 7
• 2.1. Leak-off test 7
• 2.2. 층류운동 9
• 제3장 국내산 polymer의 효율성 평가 실험 17
• 3.1. LPLT 17
• 가. 개요 17
• 나. LPLT 실험방법 18
• 다. 실험분석 18
• 3.2. HPHT 26
• 가. 개요 26
• 나. HPHT 실험방법 26
• 다. 실험분석 27
• 3.3. shear stress & shear rate 35
• 가. 용어설명 35
• 나. 데이터분석(1) 36
• 다. 데이터분석(2) 47
• 제4장 Mfrac 시뮬레이션 50
• 4.1. 소개 50
• 4.2. 실험데이터 51
• 가. 분석방법 51
• 나. 데이터 분석 (기존의 폴리머) 51
• 다. 데이터 분석 (국내의 폴리머) 59
• 제5장 결론 66
• 5.1. 결론 66
• References 68
• Future work 82
• Abstract 84