KR101415196B1 - 전기비저항 및 밀도 검층 데이터를 이용한 셰일가스전 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기비저항 및 밀도 검층 데이터를 이용한 셰일가스 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간을 선정하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에서는 스윗스팟수평시추구간에 대하여 음파검층 없이 전기비저항검층 및 밀도검층 자료 조합을 이용하여 스윗스팟 수평시추구간의 슬로우니스값을 추정한다. 그리고 수직시추구간의 스윗스팟 영역에서 탄성계수를 도출함으로써 취성을 신뢰성있게 파악할 수 있다. 또한 본 발명에서는 스윗스팟 수평시추구간의 각 영역에 대한 셰일가스 부존량을 추정한다.
본 발명을 통해 셰일가스 스윗스팟 수평시추구간의 취성 및 가스 부존량을 파악함으로써 수평시추구간에 대한 파쇄를 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

전기비저항 및 밀도 검층 데이터를 이용한 셰일가스전 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법{Method for selecting fracking intervals of horizontal drilling zone in sweet spot range using resistivity and density logging data in shale play}

본 발명은 셰일가스 등 지하 부존 자원의 물리검층 기술에 관한 것으로서, 특히 스윗스팟 영역 내에서 수평방향으로 시추를 진행하면서 측정하는 전기비저항 및 밀도 검층 데이터를 이용하여 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간을 선정하기 위한 방법에 관한 것이다.

지난 10여 년간 에너지 수요의 급격한 증대와 함께 석유와 가스의 가격 상승으로 인하여 최근 석유산업에서는 비전통가스(unconventional gas)인 셰일가스(shale gas), 치밀가스(tight gas), 탄층메탄(coalbed methane)에 대한 개발의 중요성이 증가하고 있다. 예컨대, 셰일 가스는 북미의 Barnett, Haynesville, Woodford, Eagleford 지역 등에서 활발한 생산이 진행되고 있다. 셰일가스는 향후 화석연료의 많은 부분을 담당할 것으로 예측되고 있어 자원 개발 기업과 투자기업, 연구기관 등에서도 많은 관심을 보이고 있다.

셰일가스 개발이 상업적 생산이 가능하게 된 이유는 에너지 수요의 증대나 석유 가격 상승이라는 시장 상황과 함께 셰일가스 개발에 있어서 필수적인 수평시추(horizontal drilling)를 경제적으로 수행할 수 있는 기술적 진보에서 찾을 수 있다. 수평시추는 저류층인 스윗스팟(sweet spot)을 따라 수평방향으로 굴진하는 기술을 말한다.

도 1은 전통적인 가스 및 셰일가스와 같은 비전통가스의 부존특성 및 시추개발을 나타낸 모식도이이며, 도 2는 셰일가스전을 위에서 바라본 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 전통적인 석유, 가스 자원이 공극률(porosity)과 투과도(permeability)가 큰 저류암에 부존되어 있다면, 셰일가스는 매우 작은 공극률과 투과도를 가지는 치밀한 셰일 내에 부존되어 있다는 특징이 있다. 또한 전통적인 석유나 가스가 특정 영역에 집중적으로 모여 있는 반면, 셰일가스는 셰일층을 따라 수평방향으로 넓게 분포되므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 수직 생산정을 기점으로 복수의 갈래로 수평시추가 이루어져야 한다. 즉, 셰일가스를 효율적으로 생산하기 위해서는 셰일 저류층을 인위적으로 파쇄하여야 할 뿐만 아니라, 수평시추구간을 따라 간헐적으로 파쇄하는 것이 아니라, 짧은 간격으로 복수의 지점에서 파쇄가 이루어져야 한다.

위에서 설명한 바와 같이, 비전통가스의 경제적 생산을 위해서는 수평시추구간의 어느 지점을 파쇄할 것인지에 대한 파쇄 설계(fracture design)가 매우 중요한 문제로 남는다.

Cipolla et al.(2011)은 기존에 수행된 수압파쇄 수평 시추공에서 생산검층을 수행하여 수압파쇄 효과를 분석하였다. 도 3은 4개의 시추공에 대한 생산검층 결과로 가로축은 전체 생산에 대한 백분율이고 세로축은 수압파쇄 클러스터를 의미한다. 시추공 No. 1∼3에서 실제 가스 생산에 기여하는 클러스터는 몇 개에 불과한 것을 알 수 있다. 즉, 100개 이상의 수평 시추공에 대한 생산검층 결과, 전체 구간의 5%는 가스 생산이 없으며, 단지 40% 구간에서 60%의 가스가 생산되고 있음을 보고하였다. 도 3의 도표에서 알 수 있듯이, 셰일가스 생산을 극대화하기 위하여 가장 중요한 것은 셰일가스가 포함된 세일층의 최적 파쇄 설계라고 할 수 있다.

파쇄 설계에서 가장 중요한 점은 가스의 부존량이 많고 취성(brittleness)이 높은 지점을 파악하는 것이다. 그러나 기존의 전통가스와는 달리 비전통가스가 부존되어 있는 셰일층은 공극률 및 투과도가 매우 작기 때문에 전통적 물리검층 기법을 적용하는데 한계가 있다는 점이 현재 비전통가스 개발에 있어서 가장 큰 과제로 대두되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 개발 가능성이 높은 비전통 셰일가스가 부존되어 있는 스윗스팟 영역 내 저류층의 수평시추구간에서 최적의 파쇄 설계를 통해 경제적으로 셰일가스를 상업 생산할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있으며, 보다 구체적으로는 파쇄 설계의 핵심이 되는 지층의 취성 및 가스 부존량을 추정하기 위한 최적의 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 저류암층을 수직 시추하여 물리검층을 수행함으로써 확보된 데이터를 이용하여 결정된 수직시추구간 내 스윗스팟영역(sweet spot)을 평면방향으로 연장시킨 수평시추구간에 대한 파쇄지점을 선정하기 위한 것으로서, 전기비저항 검층 및 밀도 검층을 이용한다.

본 발명에 따른 저류암층 스윗스팟 수평시추구간 파쇄지점 추정방법은,

상기 수평시추구간의 취성을 추정하는 단계와, 상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량을 추정하는 단계를 구비하며,

상기 수평시추구간의 취성을 추정하는 단계는,

(a)수직시추구간에서 계측된 전기비저항값(R_V)과 음파 속도의 역수인 슬로우니스값(slowness,Δt_V) 및 밀도값(ρ_V)을 이용하여 전기비저항 기준값(R_B), 음파 속도의 역수인 슬루우니스 기준값(Δt_B) 및 밀도 기준값(ρ_B)을 결정하여, 하기의 관계식1 및 관계식2에 입력하는 단계;

ΔlogR_S = log₁₀(R_V/R_B) + a(Δt_V-Δt_B) ... 관계식1

ΔlogR_D = log₁₀(R_V/R_B) - b(ρ_V-ρ_B) ... 관계식2

상기 관계식1의 a 및 관계식2의 b는 보정계수임

(b)상기 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 얻어진 전기비저항값(R_V)과 슬로우니스값(Δt_V)을 이용하여 하기의 관계식3을 통해 상기 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)을 산출하고, 전기비저항값(R_V)과 밀도값(ρ_V)을 이용하여 상기 수직시추구간의 하기의 관계식4를 통해 제2총유기물함량(TOC_D)을 산출하고, 상기 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K1을 도출하는 단계; 및

TOC_S = ΔlogR_S×10^{(c-d× LOM )} ... 관계식3

TOC_D = ΔlogR_D×10^{(c-d× LOM )} ... 관계식4

상기 관계식3,4에서 LOM은 저류층의 열성숙도이며, c와 d는 보정계수임

(c)상기 관계식1, 관계식3 및 비례상수 K1을 이용하여 하기의 관계식5를 도출하고,

Δt_H = Δt_B + [K1×TOC_D_H×10^{-(c-d× LOM )}- log₁₀(R_H/R_B)]/a ... 관계식5

물리검층으로 얻어진 상기 수평시추구간의 전기비저항값(R_H) 및 수평시추구간의 밀도값(ρ_H)에 따른 ΔlogR_D_H를 통해 얻어지는 TOC_D_H를 상기 관계식5에 입력하여 상기 수평시추구간의 슬로우니스값(Δt_H)을 추정하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

그리고 본 발명에서 상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량을 추정하는 단계는 아래의 4개의 관계식(관계식H1~관계식H4) 중 어느 하나를 사용하여 셰일가스 부존량을 추정할 수 있으며, 특히 관계식H1 또는 관계시H3을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H)을 추정은, 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제1총유기물함량(TOC_S)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K3를 하기와 같이 도출하여,

TOC_C = K3×(TOC_S + V)

TOC_H = K3×K1×TOC_D_H ...관계식H1

상기의 관계식H1과 같이, 상기 비례상수 K3와, 상기 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 상기 비례상수 K1을 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것이 바람직하다.

또는 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제2총유기물함량(TOC_D)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K4를 하기와 같이 도출하여,

TOC_C = K4×(TOC_D + V)

TOC_H = K4×TOC_D_H ...관계식H3

상기의 관계식H3과 같이, 상기 비례상수 K4를 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것이 바람직하다.

관계식H2 및 관계식H4에서 사용하는 비례상수는 모두 지층 내 셰일가스의 평균량과 관계된 평균보정계수 V를 제외한 것이다. 평균보정계수를 고려하지 않으면 수평시추구간에서 셰일가스 부존량 산출의 신뢰성이 저하될 수 있다. 그러나 평균보정계수를 사용하지 않더라도 수평시추구간 내에서 셰일가스 부존량의 상대적인 많고 적음은 파악할 수 있으므로, 수평시추구간의 파쇄지점을 선정할 때 유의미한 데이터로 활용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 상기 관계식3 및 관계식4의 열성숙도는 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학실험을 통해 획득하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비례상수 K1은 상기 수직시추구간의 심도를 X축으로, 상기 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D)을 Y축으로 정한 후, 상기 수직시추구간에서 상기 제1총유기물함량(TOC_S)에 대한 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 상관관계를 근사적인 상수로 도출한다.

본 발명에서 상기 슬로우니스값을 이용하여 영률과 포아송비를 추정하는 단계에서 상기 영률과 포아송비의 추정은, 상기 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 상기 수직시추구간 내 스윗스팟영역에 대한 영률과 포아송비를 각각 산출하고, 상기 스윗스팟영역에서 슬로우니스값과 영률과의 상관성 및 슬로우니스값과 포아송비와의 상관성을 각각 수식화한 관계식Y 및 관계식P를 도출한 후, 기추정된 상기 슬로우니스값을 상기 관계식Y 및 관계식P에 입력하여 상기 수평시추구간의 영률과 포아송비를 추정한다.

또한 상기 관계식Y 및 관계식P는 X축을 슬로우니스값으로 Y축을 각각 영률과 포아송비로 정하여, 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 슬로우니스값에 대한 영률과 포아송비의 상관관계를 근사적인 비례식으로 도출한다.

본 발명에 따르면, 셰일가스가 집중되어 있는 수평시추구간에서 슬로우니스값과 탄성계수를 추정함으로써 수평시추구간에서 취성이 높은 지점을 파악할 수 있으므로 효율적으로 파쇄지점을 선정할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에서는 수직시추구간에서 ΔlogR 방법의 적용을 위하여 사용한 기준값을 이용하여 수평시추구간에서 셰일가스 부존량을 추정할 수 있으므로, 수평시추구간의 파쇄 지점을 효율적으로 선정할 수 있다는 이점이 있다.

무엇보다도 본 발명에서는 취성을 결정하는데 있어서 가장 핵심적이지만 경제적 문제로 인하여 제한적으로만 이루어졌던 음파 검층을 하지 않고도, 전기비저항 검층 및 밀도 검층만을 이용하여 수평시추구간의 각 지점에서의 취성을 추정하므로 경제적인 파쇄설계가 가능하다.

도 1은 전통적인 가스 및 셰일가스와 같은 비전통가스의 부존특성 및 시추개발을 나타낸 모식도이이다.
도 2는 셰일가스전을 위에서 바라본 모식도이다.
도 3은 수평 시추공에서 수압파쇄의 효과를 생산검층을 통해 확인한 도표이다(Cipolla et al.,2011).
도 4는 본 발명에 따른 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법의 개략적 흐름도이다.
도 5는 유기물이 포함된 근원암(source rock)과 비근원암(non-source rock)에서의 고체 성분과 유체 성분의 함량을 도식화한 것이다.
도 6은 Passey가 ΔlogR의 개념을 설명하기 위하여 수직시추구간에서 계측된 전기비저항값과 음파검층값을 오버랩시켜 만든 도표이다.
도 7은 Passey의 논문에 실린 ΔlogR과 총유기물함량(TOC) 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8의 테이블은 저류층의 총유기물함량에 대한 잠재성을 평가한 것으로서, The relationship between total organic carbon and resource potential(Alexander et al., 2011)에서 인용한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 구성요소인 관계식5의 적용성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 스윗스팟 영역에서 슬로우니스값과 영률의 상관성을 보여주는 그래프이다.
도 11은 스윗스팟 영역에서 슬로우니스값과 포아송비의 상관성을 보여주는 그래프이다.

본 발명은 셰일가스전 스윗스팟 수평시추구간에서 파쇄지점을 선정하기 위한 것이다.

파쇄지점을 선정하는데 중요한 2가지 사항은 지층의 각 영역의 취성과 각 영역의 가스 보존량이다.

이에 따라 본 발명에서는 수평시추구간의 취성을 파악하기 위한 방법을 제공한다. 즉, 수평시추구간의 슬로우니스값 추정이 선행되며, 슬로우니스값이 추정되면 이 값을 이용하여 영률과 포아송비를 추정한다. 그리고 상기한 바와 같이 영률과 포아송비가 추정되면 이 값들을 이용하여 수평시추구간의 취성을 추정할 수 있다. 즉, 슬로우니스값을 공통 분모로 하여 탄성계수인 영률과 포아송비가 구해지며, 다시 영률과 포아송비를 이용하여 취성을 구하게 된다.

그리고 본 발명에서는 셰일가스 수평시추구간에서 가스 부존량을 추정한다. 수평시추구간의 취성과 가스 부존량이 파악되면 최적의 파쇄지점을 선정할 수 있을 것이다.

본 명세서에서 사용되는 다음의 몇 가지 용어에 대하여 정의하기로 한다.

본 명세서에서 수평시추(horizontal drilling)라는 의미는 수학적 또는 물리적 의미에서 수평 방향만을 의미하는 것이 아니며, 수직시추에 대한 상대적 개념으로서 저류층을 따라 시추하는 것을 말한다. 즉, 수평시추 또는 수평시추구간이라고 하는 것은 완전히 수평한 평면은 물론, 수평면에 대하여 경사진 평면을 포함하며, 평면뿐만이 아니라 곡면도 포함하는 개념으로 이해되어야 한다는 것을 미리 밝혀둔다. 마찬가지로 수직시추에서 수직의 의미는 수학적으로 90도의 각도를 의미하는 것이 아니라 심도 방향을 따라 수직하거나 약간 경사진 방향을 따라 굴착하는 것을 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에 대한 구체적인 설명에 앞서 먼저 셰일가스 개발의 전체 프로세스에 대해서 간략하게 살펴보기로 한다.

일반적으로 셰일가스 개발은 지표지질조사와, 탄성파 탐사와 같이 지표상에서 수행하는 물리탐사의 결과를 해석하여 가스가 부존할 수 있는 유망한 지층 구조를 파악하는 것으로부터 시작된다.

지표지질조사와 물리탐사에 의하여 후보 지역이 발견되면 이 지역에 대한 수직 탐사시추를 통해 개발 유망성을 평가한다. 즉, 수직 시추공을 굴착하고, 물리검층(geophysical logging) 및 이수검층(mud logging)을 수행한다. 물리검층이란 다양한 검출기를 통해 지층의 밀도, 공극률, 투과도, 음파의 속도 등을 계측하는 것을 말하며, 대표적으로는 음파검층, 밀도검층, 중성자검층 등이 포함된다. 이수검층이란 굴착 과정에서 주입한 이수와 함께 배출되는 암편을 분석하는 것을 말한다. 심도에 따라 연속적으로 배출되는 암편으로부터 지층의 구조나 성분을 파악할 수 있다. 또한 수직 시추를 하는 과정에서, 셰일가스가 부존한다고 예상되는 주요한 구간에 대해서는 시추 코어(drilling core)를 회수한다.

시추 코어 분석은 셰일 내의 가스함량과 역학적 특성 평가를 목적으로 가스량, 가스종류, 열성숙도, 유기무의 기원 등의 다양한 지화학 시험이 수행되며 이들 결과는 물리검층 자료와의 관련성을 도출하여 시추공 전체 구간에 대한 해석에 이용된다.

물리검층 자료는 기본적으로 셰일 가스 부존 가능성이 높은 구간을 선정하고 어느 구간을 대상으로 수평 시추를 하는 것이 최적의 셰일가스 생산이 가능한지를 결정하는 역할을 한다.

수직 탐사시추를 통해 유망 구간(이하, '스윗스팟'(sweet spot)이라 함)이 결정되면 셰일가스 생산을 위한 수평시추를 수행한다. 셰일가스는 대략 평면방향을 따라 넓게 분포되어 있으므로 수평시추가 필수적이다. 한편, 근래에는 수평시추를 수행하면서 물리검층을 함께 수행하는 LWD(Logging While Drilling)/MWD(Measurement While Drilling) 기술이 사용된다. MWD는 수평시추를 하면서 설계한 패턴과 방향, 즉 수평시추 괘도대로 수평시추가 정확히 이루어지고 있는지를 함께 파악하는 것을 의미한다. LWD/MWD의 기술이 도입되면서 수평시추구간에 대한 물리검층 데이터를 확보함으로써 셰일가스 생산을 위한 파쇄 지점을 선정하는데 활용될 수 있다.

수평시추가 완료되면 케이싱 및 그라우팅을 한 후, 수평시추구간의 특정 지점들을 수압파쇄(hydraulic fracture) 등을 통해 인위적으로 파쇄(fracking)한다. 앞에서도 설명하였듯이, 셰일가스는 공극률과 투과율이 극히 작은 치밀한 셰일층 내에 자유가스 또는 흡착가스 형태로 부존되어 있기 때문에 인위적인 파쇄를 통해 셰일가스가 수평시추공으로 배출될 수 있는 일종의 통로를 개방해 주어야 하기 때문이다.

더욱이 셰일층은 공극률과 투과율이 작으므로 셰일층 내에서 셰일가스가 공극을 통해 원활하게 이동하지 못하는 한계가 있으므로, 수압파쇄가 다수의 지점에서 이루어져야 한다. 수압파쇄가 완료되면 본격적으로 셰일가스에 대한 생산을 하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 개략적으로 살펴본 셰일가스 개발 프로세스 중에서 파쇄 지점을 선정과 관련된 것이다. 셰일가스의 상업적 개발에 있어서 가장 중요한 문제는 역시 경제적 생산이 가능하지 여부이며, 이는 수압파쇄의 효율을 얼마나 높일 수 있는지와 관계된다. 즉, 수평시추구간들 중에서 수압파쇄에 의해서 상대적으로 용이하게 깨지는 구간 또는 지점을 선정하는 것이 상업적 생산에 있어서 핵심적인 과제라고 할 것이다.

파쇄의 효율성은 암석의 취성에 깊게 의존한다. 그리고 취성(BI, Brittleness Index)은, 아래의 참고식(1)~(3)과 같이, 암석의 동탄성계수(dynamic elastic modulus)인 영률(Young's Modulus)과 포아송비(Poison's Ratio)에 의해 결정되며, 절대값이 아니라 대상 구간 내에서 상대적인 정도를 나타내는 상대값이다.

BI_YM = (E - E_min)/(E_max - E_min) ... 참고식(1)

BI_PR = (σ_max - σ)/(σ_max - σ_min) ... 참고식(2)

BI_LOG =(BI_YM + BI_PR)/2 ... 참고식(3)

위에서 참고식(1)은 영률(E)에 따른 취성이며, 참고식(2)는 포아송비(σ)에 따른 취성이고, 참고식(3)은 두 개의 취성값에 대한 평균값으로서 최종적인 암석의 취성을 의미한다.

영률은 외부에서 힘이 가해질 때 변형에 저항하는 정도를 의미하는 것으로서, 값이 증가할수록 단단함을 의미하며 외력이 가해졌을 때 가로와 세로 방향의 변형 비를 의미하는 포아송비는 값이 작을수록 역시 단단함을 의미한다. 따라서 높은 영률과 낮은 포아송비는 외부에서 힘이 가해졌을 때 변형에 대해 변형의 정도가 작음을 의미하며 이와 같은 경우, 일정 크기 이상의 힘이 가해지면 균열이 잘 발생할 수 있음을 의미한다.

영률을 구하는 식은 아래의 참고식(4), 포아송비를 구하는 식은 아래의 참고식(5)에 나타냈으며, 참고식(4),(5)에서 알 수 있듯이 영률과 포아송비는 모두 암석 내에서 음파(P파와 S파)가 전파되는 속도와 밀도에 의하여 결정된다.

E = ρ×Vs²×(3Vp²-4Vs²)/(Vp²-Vs²) ... 참고식(4)

σ = 1/2×(Vp²-2Vs²)/(Vp²-Vs²) ... 참고식(5)

참고식(4)에서 ρ는 암석의 밀도이다.

위 참고식(1)~(5)에서 알 수 있는 바와 같이, 수평시추구간에서 각 지점에서의 암석의 취성을 파악하기 위해서는 음파의 속도를 계측해야 한다. 문제는 수평시추구간에서는 음파의 속도를 직접적으로 계측할 수 있는 음파검층을 수행하지 않는다는 것이다. 음파검층은 데이터 분석 및 처리에 많은 시간과 비용이 소모되므로, 셰일가스 생산을 위한 수평시추구간이 결정된 후에는 샘플링을 위해서 몇 개의 수평시추구간에 대해서만 음파검층을 수행할 뿐 대부분의 수평시추구간에 대해서는 수행하지 않는다.

본 발명에서는 스윗스팟 수평시추구간에서 음파검층 데이터는 없고, 밀도검층 데이터및 전기비저항검층 데이터만 확보한 상태에서 암석의 취성을 추정하기 위한 방법을 제공한다. 아울러 수평시추구간의 각 영역에서의 셰일가스 부존량을 추정하기 위한 방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄지점 선정하는 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 취성 추정방법과 가스 부존량 추정방법을 순차적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법의 개략적 흐름도이다.

본 발명에 따른 파쇄구간 선정방법은 우선 1990년에 Passey의 논문(Practical Model for Organic Richness from Porosity and Resistivity Logs)을 통해 제시된 ΔlogR 관계식에서 기준값을 결정하는 것으로부터 시작한다. ΔlogR 관계식은 오일이나 가스의 원천이 되는 유기물이 다량 포함되어 있는 근원암이 열적 성숙을 거치면서 변화하는 양상에 대한 기존의 연구 결과로부터 도출된 것이다.

도 5는 유기물이 포함된 근원암(source rock)과 비근원암(non-source rock)에서의 고체 성분과 유체 성분의 함량을 도식화한 것인데, A는 비근원암, B는 근원암으로서 성숙되기 전의 형태, C는 근원암이 지하의 온도와 압력 조건에서 열적으로 성숙된 형태를 나타낸다.

도 5를 참고하면, 비근원암의 경우 고체 상태의 매트릭스와 공극으로 이루어지며 공극에는 지하수가 채워져 있다. 성숙되기 전의 근원암은 고체 상태의 매트릭스와 고체 상태의 유기물 및 공극으로 이루어지며 공극에는 물이 채워진다. 근원암이 열적 성숙을 거쳐 C상태가 되면 유기물 중 일부가 기체상태 또는 액상의 탄화수소, 즉 가스나 오일과 같은 유체로 변화하며 물로 채워져 있던 공극을 일부 대체하게 된다.

Passey는 위와 같은 현상에 근거하여, 근원암의 유기물이 오일이나 가스로 변환된 영역을 전기비저항, 공극률(음파검층의 슬로우니스, 밀도 및 중성자검층 공극률)의 변화로부터 추정할 수 있다고 제시하였다. 공극률은 음파검층을 통한 슬로우니스값, 밀도검층을 통한 밀도값 및 중성자검층을 통한 중성자 공극률값과 깊은 상관성을 가진다.

예컨대, 전기비저항과 밀도는 모두 공극률과 깊은 상관성을 보이는데, 공극률이 높은 경우 밀도는 감소하고, 공극에 채워진 물의 영향으로 비저항값도 감소한다. 결국 유기물이 포함되지 않은 비근원암이나, 유기물을 포함하지만 열적 성숙이 일어나지 않은 근원암은 고체 상태의 매트릭스(matrix)와 공극을 채우는 물의 2가지 성분으로만 이루어진다고 볼 수 있으며, 이러한 암석에서는 전기비저항값과 공극률의 증감이 동일한 경향성을 나타낸다. 그러나 유기물이 가스나 오일로 변화하는 경우에는 암석의 공극률은 크게 변화하지 않지만, 가스나 오일이 공극에 채워져 있던 물을 대체하면 전기비저항은 크게 증가하므로, 공극률과 전기비저항이 서로 다른 경향성을 띠며 분리된다.

결국 수직시추구간에 대하여 물리검층을 통해 심도에 따른 전기비저항값과 밀도값을 계측하고, 밀도값과 전기비저항값이 동일한 경향성을 보이는 영역에서의 밀도값과 전기비저항값을 기준값으로 설정한 후, 심도에 따라 밀도값과 전기비저항값이 서로 다를 경향을 띠며 분리되는 영역을 파악함으로써 오일이나 가스 함량이 높은 저류층을 탐지해 낼 수 있다.

Passey는 이를 근거로 전기비저항과 음파검층 자료에 대한 아래의 관계식1 및 관계식2를 도출하였다.

관계식1은 전기비저항과 음파 속도의 역수인 슬로우니스에 대한 식이며, 관계식2는 전기비저항과 밀도검층에 대한 식이다. 음파의 속도는 공극률과 매우 좋은 상관성을 가지므로 공극률에 대한 항으로 간주될 수 있다.

ΔlogR_S = log₁₀(R_V/R_B) + a(Δt_V-Δt_B) ... 관계식1

ΔlogR_D = log₁₀(R_V/R_B) - b(ρ_V-ρ_B) ... 관계식2

상기 관계식1의 a 및 관계식2의 b는 보정계수임

관계식1은 수직시추구간의 심도에 따라 계측된 전기비저항값(R_V)과 슬로우니스값(Δt_V)이 전기비저항 기준값(R_B) 및 슬로우니스 기준값(Δt_B)으로부터 얼마나 차이 나는지를 상대적인 값으로 정량화한 것이며, 관계식2는 전기비저항 기준값(R_B) 및 밀도 기준값(ρ_B)으로부터 상기 수직시추구간의 각 지점에서 전기비저항값(R_V)과 밀도값(ρ_V)이 어느 정도 차이 나는지를 상대적인 값으로 정량화한 것이다.

도 6은 Passey가 ΔlogR의 개념을 설명하기 위하여 수직시추구간에서 계측된 전기비저항값과 음파검층값을 오버랩시켜 만든 도표이다.

도 6을 참고하면, X축은 전기비저항값과 음파속도의 역수인 슬로우니스값으로 설정하고, Y축은 수직시추구간의 심도로 설정하였다.

전기비저항값과 슬로우니스값은 전혀 다른 단위를 가지고 있지만, 이들이 동일한 경향성을 띠며 증감하는 영역의 값을 기준값으로 설정할 수 있으며, 전기비저항값과 슬로우니스값에 대한 스케일을 조절하여 하나의 도표로 나타낼 수 있다. 도 6에서 "Baseline Interval"이라고 표시한 심도에서는 슬로우니스값과 전기비저항값이 도표상에서 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 이 구간의 슬로우니스값과 전기비저항값을 각각 기준값으로 잡는다. 도 6의 도표에서 전기비저항값은 1 ohm-m, 슬로우니스값은 100μsec/ft를 기준값으로 설정하였다. 그리고 심도별로 전기비저항값이 상호 분리되는 정도를 ΔlogR로 정량화하였다.

본 발명에서는 상기한 Passey의 ΔlogR을 이용한다. 본 발명에서는 우선 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 심도에 따른 전기비저항값(R_V)과 음파 속도의 역수인 슬로우니스값(slowness,Δt_V) 및 밀도값(ρ_V)을 계측한다. 그리고 Passey의 ΔlogR을 이용하기 위하여, 전기비저항값(R_V)과 슬로우니스값(slowness,Δt_V)이 동일한 경향성을 띠는 영역의 값을 각각 전기비저항 기준값(R_B), 슬루우니스 기준값(Δt_B)으로 정하고, 마찬가지로 전기비저항값(R_V)과 밀도값(ρ_V)이 동한 경향성을 띠는 영역의 값을 각각 전기비저항 기준값(R_B) 및 밀도 기준값(ρ_B)으로 결정하여, 상기한 관계식1 및 관계식2에 입력한다. 관계식1,2에서 a와 b는 스케일 조절 등을 위한 보정계수로서, 참고로 Passey의 경우 a=0.02, b=2.5로 설정하였으나, 이 보정값들은 지층의 조건이나 물리검층을 토대로 가변될 수 있는 값이다.

상기한 바와 같이, ΔlogR에 대한 관계식1, 관계식2를 설정한 후에는 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 계측된 데이터를 이용하여 심도에 따른 ΔlogR_S 및 ΔlogR_D를 산출하여 하기의 관계식3 및 관계식4에 입력하여 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D)을 산출한다.

TOC_S = ΔlogR_S×10^{(c-d× LOM )} ... 관계식3

TOC_D = ΔlogR_D×10^{(c-d× LOM )} ... 관계식4

관계식3 및 관계식4는 수직시추구간 내 심도별 총유기물함량(TOC, Total Organic Carbon)을 산출하기 위한 것으로서, 관계식3은 전기비저항값 및 슬로우니스값을 통해 도출된 상기의 관계식1을 이용한 것이며, 관계식4는 전기비저항값 및 밀도값을 통해 도출된 상기의 관계식2를 이용한 것이다. 제1총유기물함량 TOC_S 및 제2총유기물함량 TOC_D는 각각 ΔlogR_S값 및 ΔlogR_D값에 해당 심도의 저류층의 열성숙도(LOM, Level Of Maturity)에 관한 항을 곱하여 산출되는 값이다.

상기 관계식3,4에서 c와 d는 보정계수이며, 예컨대 c=2.297, d=0.1688이 사용될 수 있으며, 이는 지층의 특성 및 조건에 따라 가변될 수 있는 값이다. 또한 총유기물함량의 단위는 중량%이다. 저류층의 열성숙도는 수직시추구간에서 얻어진 시추코어를 대상으로 공지의 지화학실험을 통해 파악할 수 있다.

도 7은 Passey의 논문에 실린 ΔlogR과 총유기물함량(TOC) 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면, ΔlogR값과 저류층의 열성숙도 LOM이 클수록, 총유기물함량 TOC가 커짐을 알 수 있다. 이러한 경향성은 ΔlogR과 저류층의 열성숙도 LOM에 대한 기본적 개념으로부터 충분히 이해될 수 있다.

제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D)을 산출하면 심도에 따라 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D)이 비슷한 경향성을 보이지만 완전히 일치하지 않는다.

이에 본 발명에서는 수직시추구간의 전체 심도에서 근사적으로 타당한 제1총유기물함량과 제2총유기물함량 사이의 비례상수 K1(TOC_S=K1×TOC_D)을 도출한다.

상기한 바와 같이 관계식1~관계식4, 비례상수 K1을 도출한 후에는 하기의 관계식5를 통해 수평시추구간의 슬로우니스값(Δt_H)을 산출한다.

Δt_H = Δt_B + [K1×TOC_D_H×10^{-(c-d× LOM )}- log₁₀(R_H/R_B)]/a ... 관계식5

관계식5는 상기한 관계식1, 관계식3 및 비례상수 K1을 이용한 것인데, 앞의 관계식들에서 결정된 슬로우니스 기준값(Δt_B)과 전기비저항 기준값(R_B)은 그대로 사용하되, 다른 값들은 수평시추구간의 값으로 대체한다. 즉, 관계식5에 의해 얻어지는 값은 수평시추구간의 슬로우니스값(Δt_H)이다. 그리고 전기비저항값(R_H)도 수평시추구간에서 전기비저항검층을 통해 괘도를 따라 연속적으로 얻어지는 값이다. TOC_D_H는 아래와 같이 수평시추구간에서 밀도검층을 통해 얻어진 밀도값(ρ_H)을 이용해 ΔlogR_D_H를 산출하여 얻어지는 값이다. 즉 관계식2 및 관계식4를 수평시추구간에 적용한 것이다.

ΔlogR_D_H = log₁₀(R_H/R_B) - b(ρ_V-ρ_B) ... 관계식2의 수평시추구간 적용형태

TOC_D_H = ΔlogR_D_H×10^{(c-d× LOM )} ... 관계식4의 수평시추구간 적용형태

상기한 관계식5는 두 가지의 핵심적 고찰을 담고 있다. 이에 대해서 보다 자세히 설명하기로 한다.

연구의 출발점은 앞에서도 설명한 바와 같이 최적의 수압파쇄를 위해서는 수평시추구간에서의 음파 속도의 역수인 슬로우니스값을 알아야 하는데, 수평시추구간에서는 음파검층을 수행하지 않으므로 슬로우니스값을 계측할 수 없다는 것이다.

이에 대한 해결책으로서, 밀도값과 전기비저항값 및 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K1을 이용하여 슬로우니스값을 추정할 수 있다는 첫 번째 아이디어가 도출된다. Passey는 ΔlogR을 총유기물함량을 추정하는데만 사용하였지만, 본 발명에서는 역으로 ΔlogR을 이용하여 슬로우니스값을 추정할 수 있다는 아이디어가 도출된다.

단지 수학적 관점으로만 접근하여, 관계식1,3 및 비례상수 K1을 이용하여 슬로우니스값에 대한 수학식으로 재정리하면 모든 변수값은 수직시추구간에서 검층으로 얻어지는 R_V, ρ_V가 될 것이며, 무엇보다도 비례상수 K1은 수직시추구간의 음파검층값을 이용한 것이므로 이 수학식은 아무런 의미가 없게 된다.

슬로우니스값에 대한 식으로 재정리한 관계식5가 의미를 가지는 것은 두 번째 아이디어 때문이다.

두 번째 아이디어는 슬로우니스값으로 정리한 수학식의 변수를 모두 수평시추구간의 검층값으로 변경하면서도, 수직시추구간에서 얻어진 전기비저항 기준값(R_B) 및 슬로우니스 기준값(Δt_B)을 수평시추구간의 기준값으로 그대로 전용할 수 있다는 생각의 확장이다.

즉 위의 2가지 아이디어를 조합하여 상기한 바와 같이 관계식5를 설정하게 되면, 스윗스팟 수평시추구간에서 음파검층 없이도 전기비저항검층과 밀도검층만을 수행하여 수평시추구간의 괘도에 따라 전기비저항값 및 밀도값을 연속적으로 획득한 후, 관계식5에 대입하여 수평시추구간의 슬로우니스값(Δt_H)을 추정할 수 있게 된다.

원론적으로 수평시추구간에 대하여 ΔlogR 기법을 적용하기 위해서는 수평시추구간 전체에 대하여 음파검층을 포함한 물리검층을 수행하여, 다시 슬로우니스 기준값 및 전기비저항 기준값을 결정해야 한다고 생각할 수 있지만, 이러한 생각은 단지 논리적 정합성만을 따지는 수학적인 생각에 불과하다. 실제 자연계에서 일어나는 현상을 수학적 도구를 빌려 표현하고자 하는 과학적 관점, 특히 지질학 및 자원공학적 관점을 따르면, 지층의 형성 과정이나 가스의 부존 조건 등을 고려할 때 수직시추구간의 기준값을 수평시추구간에 그대로 적용하는 것이 아무런 문제가 없다는 것을 알 수 있다.

즉, 수직시추구간에서 마련된 기준값을 수평시추구간에 대한 관계식6에 그대로 적용할 수 있는 과학적 또는 실제적 이유는 수평시추구간이 결국 수직시추구간 내의 스윗스팟에 대한 평면적 연장이며, 이러한 평면적 연장이 길지 않고 수 Km에 국한되기 때문이다. 다시 말하면, 수평시추구간은 수직시추구간 내의 스윗스팟과 서로 동일한 잣대를 적용할 수 있다는 것이다.

예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 수평시추구간을 수직시추구간 내 스위스팟 영역에 삽입할 수 있으며, 이러한 상태에서는 수직시추구간의 기준값을 이용하는 것이 매우 타당하다.

이상에서 설명한 바와 같이 관계식5에 대한 타당성은 지질학 및 자원공학적 관점에서는 충분하게 인정될 수 있다. 무엇보다도, 실증 연구를 통해 관계식5에 의해서 산출되는 슬로우니스값이 수평시추구간에서 직접 음파검층을 통해 얻어지는 슬로우니스값과 매우 좋은 상관성을 가진다는 것을 확인하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하여 슬로우니스값을 추정한 후에는 다시 영률과 포아송비를 추정한다.

즉, 수직시추구간에 대한 물리검층에서 확보한 음파의 속도값 및 밀도값을 이용하여 스윗스팟 영역에 대한 심도별 영률 및 포아송비를 산출한다. 예컨대, 상기한 참고식(4)의 영률 계산식 및 참고식(5)의 포아송비 계산식을 활용할 수 있다.

가독성의 향상을 위하여 참고식(4) 및 참고식(5)를 다시 기재한다.

참고식(4),(5)에서 알 수 있듯이 영률과 포아송비는 모두 암석 내에서 음파(P파와 S파)가 전파되는 속도와 밀도에 의하여 결정된다. 참고식(4)에서 ρ는 암석의 밀도이다.

E = ρ×Vs²×(3Vp²-4Vs²)/(Vp²-Vs²) ... 참고식(4)

σ = 1/2×(Vp²-2Vs²)/(Vp²-Vs²) ... 참고식(5)

그리고 스윗스팟 영역의 심도별 영률과 슬로우니스값에 대한 상관성 및 포아송비와 슬로우니스값에 대한 상관성을 도출할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 음파의 속도를 이용하여 참고식(4),(5)에 의하여 수평시추구간의 영률과 포아송비를 계산하는 것이 아니라, 수직시추구간에서 구해진 슬로우니스값에 대한 영률과 포아송비의 상관성을 별도의 관계식으로 도출한 후, 수평시추구간에서 추정된 슬로우니스값을 관계식에 입력하여 영률과 포아송비를 추정하는 것이다.

도 9는 스윗스팟 영역에서 슬로우니스값과 영률의 상관성을 보여주는 그래프이며, 도 10은 스윗스팟 영역에서 슬로우니스값과 포아송비의 상관성을 보여주는 그래프이다. 도 9 및 도 10에 나타난 그래프의 X축은 스윗스팟 영역내에서 물리검층을 통해서 계측된 슬로우니스값이며, Y축은 각각 해당 슬로우니스값이 산출된 영역의 음파 속도와 밀도값을 이용해 얻어진 영률과 포아송비이다.

본 발명에서는 슬로우니스값과 영률 사이의 상관성을 관계식Y로 정량화하고 슬로우니스값과 포아송비 사이의 상관성을 관계식P로 도출한다. 모든 슬로우니스값에 대한 영률, 슬로우니스값에 대한 포아송비는 완전히 일치될 수는 없으므로, 수학적으로 X, Y 좌표값을 플로팅(plotting)하여 근사적으로 관계식Y 및 관계식P를 도출한다. 관계식Y 및 관계식P는 1차 함수 또는 다차 함수로 표현될 수 있다.

중요한 점은 관계식Y 및 관계식P는 모든 저류층에 대해서 일반적으로 적용되는 보편적 개념은 아니며, 각 셰일가스(shale gas play)별로 또는 더 작게 보면 각 수직시추구간별로 슬로우니스값과 영률값에 대한 상관성을 독립적으로 분석해서 도출해야 하는 개념이다.

그리고 본 발명에서는 수평시추구간에서 관계식5를 통해 얻어진 슬로우니스값을 관계식Y 및 관계식P에 각각 대입하여 영률 및 포아송비를 추정해 낸다.

관계식Y 및 관계식P는 앞에서도 설명하였지만 수직시추구간 내 스윗스팟 영역에서 슬로우니스값과 영률/포아송비와의 상관성을 실증하여 도출된 것이므로 수평시추구간에서도 충분히 적용할 수 있다. 수평시추구간은 스윗스팟 영역을 길지 않은 구간에서 평면적으로 연장한 것이기 때문이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 수평시추구간에 대해서 직접적인 음파검층 없이도 전기비저항검층과 밀도검층만을 이용하여 수평시추구간에 대한 슬로우니스값을 매우 신뢰성있게 추정할 수 있으며, 또한 수직시추구간에 대한 실증을 통해 얻어진 슬로우니스값-영률 및 슬로우니스값-포아송비에 대한 관계식Y 및 관계식P를 이용하여 수평시추구간의 영률과 포아송비를 추정할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 수평시추구간 전 괘도에 대한 영률과 포아송비가 추정되면, 이제 수평시추구간 전 괘도에 대한 취성을 파악할 수 있다.

수평시추구간의 전체 괘도에 대한 영률과 포아송비가 연속적으로 추정되면, 영률과 포아송비에 대한 데이터를 위에서 설명한 참고식(1) ~ 참고식(3)에 의하여 산출할 수 있다. 명세서에 대한 가독성의 향상을 위하여 참고식(1)~(3)을 아래와 같이 다시 기술한다.

BI_YM = (E - E_min)/(E_max - E_min) ... 참고식(1)

BI_PR = (σ_max - σ)/(σ_max - σ_min) ... 참고식(2)

BI_LOG =(BI_YM + BI_PR)/2 ... 참고식(3)

참고식(1)에서 E는 수평시추구간의 각 지점의 영률이며, E_min은 수평시추구간 전체에서 측정된 영률값들 중 가장 작은 값을, E_max는 가장 높은 값을 나타낸다. 마찬가지로 참고식(2)에서 σ는 수평시추구간의 각 지점의 영률이며, σ_min은 수평시추구간 전체에서 측정된 포아송비들 중 가장 작은 값을, σ_max는 가장 높은 값을 나타낸다. 영률과 포아송비는 모두 일정 구간(즉 수평시추구간)에서 가장 높은 값과 가장 낮은 값에 대한 차이로 나타나므로 상대값이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 수평시추구간에 대한 음파검층 없이 저류층 수평시추구간의 각 지점의 슬로우니스값, 영률, 포아송비를 순차적으로 추정한 후, 최종적으로 수평시추구간 각 지점에 대한 취성을 신뢰성을 가지고 산출할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 파쇄지점을 선정하기 위하여 수평시추구간의 각 영역별로 셰일가스 부존량을 추정한다.

본 발명에서는 셰일가스 부존량을 추정하기 위하여 4개의 방법을 제공하며, 각각의 방법은 관계식H1 내지 관계식H4로 표현할 수 있다. 이들 중 특허 관계식H1 및 관계식H3을 사용하는 것이 바람직하다.

첫 번째 방법에 의한 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H) 추정은 하기의 관계식H1으로 표현된다.

TOC_H = K3×K1×TOC_D_H ...관계식H1

여기서, K3는 물리검층에서 계측한 제1총유기물함량(TOC_S)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수로서, 아래와 같이 수학적으로 표현할 수 있다.

TOC_C = K3×(TOC_S + V)

그리고 시추코어 총유기물함량(TOC_C)은 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 획득한 값이다.

TOC_D_H 값은 하기의 ΔlogR_D_H 값을 통해 구해지는데, ΔlogR_D_H 값은 하기와 같이 수직시추구간에서 logR 기법을 적용하기 위한 기준값을 그대로 전용하고 있다. 그리고 이러한 전용이 가능한 이유는 수평시추구간의 슬로우니스값을 추정하는 방법을 설명할 때 제시했던 이유와 동일하다. 다만, 변수인 전기비저항값과 밀도값은 모두 수평시추구간에서 측정된 값으로서, 하첨자를 H로 하여 R_H및 ρ_H로 표현한다.

ΔlogR_D_H = log₁₀(R_H/R_B) - b(ρ_H-ρ_B)

TOC_D_H = ΔlogR_D_H×10^{(c-d× LOM )}

즉, 수평시추구간에서 전기비저항값(R_H)과 밀도값(ρ_H)을 계측하여 수평구간 총유기물함량을 구한다.

그러나 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)을 그대로 셰일가스 부존량으로 추정하는 것이 아니라, 이 값에 비례상수 K1과 K3를 곱한다. 그 이유는 다음과 같다. 셰일가스 부존량에 대하여 가장 신뢰성 있는 값은 바로 직접 지층을 시추하여 얻어진 시추코어에 대하여 지화학시험을 통한 값, 즉 시추코어 총유기물함량(TOC_C)이라고 할 수 있다. 이에 수직시추구간에서 물리검층을 통해 계측된 제1총유기물함량(TOC_S)과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이에 비례상수를 설정하고, 이 비례상수에 앞에서 이미 설정한 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K2를 곱함으로써 수평시추구간에서의 셰일가스 부존량(TOC_H)을 구할 수 있다. 다만, 비례상수를 구하기에 앞서 제1총유기물함량에 평균보정계수 V를 더하는 것이 바람직하다. 이는 제1총유기물함량은 수직시추구간 내의 전체 구간에 대한 상대적인 함량값이므로 저류층에 평균적으로 부존되어 있는 셰일가스량을 포함시켜야 한다. 보정계수 V는 대략 0.8wt%로 설정할 수 있다. 결국 비례상수 K3는 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C)에 대한 비례상수가 된다.

한편, 셰일가스 부존량(TOC_H)을 추정하기 위한 다른 바람직한 방법인 관계식H3는 제1총유기물함량(TOC_S)와 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K1을 사용할 필요가 없다. 즉, 수직시추구간의 시추코어에서 얻어진 시추코어 총유기물함량(TOC_C)와 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K4를 직접 도출한 후, 이 비례상수 K4에 수평시추구간 총유기물함량(TOC_D_H)를 직접 곱하여 얻을 수 있다. 물론 이 경우에도 평균보정계수 V를 더한 후에 비례상수 K4를 도출한다. 아래의 식을 통해 비례상수 K와 셰일가스 부존량 추정이 더욱 잘 이해될 수 있을 것이다.

TOC_C = K4×(TOC_D + V)

TOC_H = K4×TOC_D_H ...관계식H3

한편, 아래에 기재하는 관계식H2와 관계식H4는 각각 관계식H1과 관계식H3에서 비례상수만을 달리한 것인데, 비례상수에서 평균보정계수를 고려하지 않은 것이다.

TOC_H = K1×K2×TOC_D_H ...관계식H2, TOC_C = K2×TOC_S,

TOC_H = K5×TOC_D_H ...관계식H4, TOC_C = K5×TOC_D

관계식H2 및 관계식H4에서와 같이 저류층의 평균보정계수를 고려하지 않으면 수평시추구간에서 셰일가스 부존량 산출의 신뢰성이 저하될 수 있다. 그러나 평균보정계수를 사용하지 않더라도 수평시추구간 내에서 각 영역별 셰일가스 부존량의 상대적인 많고 적음은 파악할 수 있으므로, 수평시추구간의 파쇄지점을 선정할 때 유의미한 데이터로 활용될 수 있다.

참고로, 셰일가스 개발에 있어서 수평시추구간의 셰일가스 부존량은 도 8의 테이블에 제시된 조건에 따라 등급을 평가할 수 있다. 도 8의 테이블은 The relationship between total organic carbon and resource potential(Alexander et al., 2011)을 인용한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 수평시추구간의 취성과 셰일가스 부존량을 추정하여, 셰일가스가 많이 부존되어 있으면서 취성이 우수한 구간을 파쇄지점으로 선정할 수 있을 것이다. 취성과 셰일가스 부존량이 파악된다면 어떠한 기준에 의하여 파쇄지점을 선정할 것인지는 실무적인 관점에서 충분히 접근할 수 있을 것이다. 셰일가스전의 조건 및 상황에 따라 극단적으로는 셰일가스 부존량은 무시하고 취성만을 고려하여 수압파쇄지점을 선정할 수도 있을 것이며, 논리적으론는 그 역의 경우도 가능하다.

그러나 어떠한 상황에서든지 본 발명에 따라 수평시추구간의 취성과 셰일가스 부존량을 파악하는 것은 파쇄지점 선정에 매우 유의미하게 활용될 수 있을 것이라고 기대한다.

본 발명에서는 "파쇄지점"과 "파쇄구간"을 혼용하여 사용하고 있는데, 일반적으로 수압파쇄는 팩커를 설치한 후 팩커 내부의 일정 구간에 대하여 이루어지므로 "구간"이라는 표현을 사용한 것이다. 다만, 본 발명에 따른 암석의 취성은 물리검층에 의하여 매 지점별로 연속적으로 측정되므로 "지점"이라는 표현이 사용가능하다.

지금까지 ΔlogR 값에 대하여 슬로우니스값을 기준으로 설명하였으나, 슬로우니스값은 음파 속도의 역수이므로 당연히 음파 속도를 기준으로 관계식들을 전개할 수 있을 것이며, 이 역시 본 발명의 권리범위에 포함된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 저류암층을 수직 시추하여 물리검층을 수행함으로써 확보된 데이터를 이용하여 결정된 수직시추구간 내 스윗스팟영역(sweet spot)을 평면방향으로 연장시킨 수평시추구간의 파쇄지점을 선정하기 위한 것으로서,
   상기 수평시추구간의 취성을 추정하는 단계와, 상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량을 추정하는 단계를 구비하며,
   상기 수평시추구간의 취성을 추정하는 단계는,
   (a)수직시추구간에서 계측된 전기비저항값(R_V)과 음파 속도의 역수인 슬로우니스값(slowness,Δt_V) 및 밀도값(ρ_V)을 이용하여 전기비저항 기준값(R_B), 음파 속도의 역수인 슬루우니스 기준값(Δt_B) 및 밀도 기준값(ρ_B)을 결정하여, 하기의 관계식1 및 관계식2에 입력하는 단계;
   ΔlogR_S = log₁₀(R_V/R_B) + a(Δt_V-Δt_B) ... 관계식1
   ΔlogR_D = log₁₀(R_V/R_B) - b(ρ_V-ρ_B) ... 관계식2
   상기 관계식1의 a 및 관계식2의 b는 보정계수임
   (b)상기 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 얻어진 전기비저항값(R_V)과 슬로우니스값(Δt_V)을 이용하여 하기의 관계식3을 통해 상기 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)을 산출하고, 전기비저항값(R_V)과 밀도값(ρ_V)을 이용하여 상기 수직시추구간의 하기의 관계식4를 통해 제2총유기물함량(TOC_D)을 산출하고, 상기 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 비례상수 K1을 도출하는 단계; 및
   TOC_S = ΔlogR_S×10^(c-d×LOM) ... 관계식3
   TOC_D = ΔlogR_D×10^(c-d×LOM) ... 관계식4
   상기 관계식3,4에서 LOM은 저류층의 열성숙도이며, c와 d는 보정계수임
   (c)상기 관계식1, 관계식3 및 비례상수 K1을 이용하여 하기의 관계식5를 도출하고,
   Δt_H = Δt_B + [K1×TOC_D_H×10^-(c-d×LOM)- log₁₀(R_H/R_B)]/a ... 관계식5
   상기 관계식2의 전기비저항값(R_V)과 슬로우니스값(Δt_V)을 각각 물리검층으로 얻어진 상기 수평시추구간의 전기비저항값(R_H) 및 수평시추구간의 밀도값(ρ_H)으로 대체하여 만들어지는 관계식 ΔlogR_D_H로 다시 상기 관계식4의 ΔlogR_D를 대체하여 구해지는 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)를 상기 관계식5에 입력하여 상기 수평시추구간의 슬로우니스값(Δt_H)을 추정하는 단계;
   (d)상기 슬로우니스값을 이용하여 영률과 포아송비를 추정하는 단계;
   (e)상기 영률과 포아송비를 이용하여 취성을 추정하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H) 추정은,
   상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제1총유기물함량(TOC_S)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K3를 하기와 같이 도출하여,
   TOC_C = K3×(TOC_S + V)
   TOC_H = K3×K1×TOC_D_H ...관계식H1
   상기의 관계식H1과 같이, 상기 비례상수 K3와, 상기 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 상기 비례상수 K1을 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 저류층 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H) 추정은,
   상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제1총유기물함량(TOC_S)과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K2를 하기와 같이 도출하여,
   TOC_C = K2×TOC_S
   TOC_H = K1×K2×TOC_D_H ...관계식H2
   상기의 관계식H2와 같이, 상기 비례상수 K2와, 상기 수직시추구간의 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 상기 비례상수 K1을 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 저류층 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H) 추정은,
   상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제2총유기물함량(TOC_D)에 평균보정계수 V를 더한 값과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K4를 하기와 같이 도출하여,
   TOC_C = K4×(TOC_D + V)
   TOC_H = K4×TOC_D_H ...관계식H3
   상기의 관계식H3과 같이, 상기 비례상수 K4를 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 저류층 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 수평시추구간의 셰일가스 부존량(TOC_H) 추정은,
   상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학시험을 통해 시추코어 총유기물함량(TOC_C)을 획득한 후, 상기 물리검층에서 계측한 제2총유기물함량(TOC_D)과 시추코어 총유기물함량(TOC_C) 사이의 비례상수 K5를 하기와 같이 도출하여,
   TOC_C = K5×TOC_D
   TOC_H = K5×TOC_D_H ...관계식H4
   상기의 관계식H4와 같이, 상기 비례상수 K5를 상기 수평구간 총유기물함량(TOC_D_H)에 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 저류층 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 관계식3 및 관계식4의 열성숙도는 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 시추코어를 대상으로 지화학실험을 통해 획득하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 비례상수 K1은 상기 수직시추구간의 심도를 X축으로, 상기 제1총유기물함량(TOC_S)과 제2총유기물함량(TOC_D)을 Y축으로 정한 후, 상기 수직시추구간에서 상기 제1총유기물함량(TOC_S)에 대한 제2총유기물함량(TOC_D) 사이의 상관관계를 근사적인 상수로 도출하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 슬로우니스값을 이용하여 영률과 포아송비를 추정하는 단계에서 상기 영률을 추정하는 방법은,
   상기 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 상기 수직시추구간 내 스윗스팟영역에 대한 영률을 산출하고, 상기 스윗스팟영역에서 슬로우니스값과 영률과의 상관성을 수식화한 관계식Y를 도출한 후,
   기추정된 상기 슬로우니스값을 상기 관계식Y에 입력하여 상기 수평시추구간의 영률을 추정하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 관계식Y는 X축을 슬로우니스값으로 Y축을 영률로 정하여, 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 슬로우니스값에 대한 영률의 상관관계를 근사적인 비례식으로 도출하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 슬로우니스값을 이용하여 영률과 포아송비를 추정하는 단계에서 상기 포아송비를 추정하는 방법은,
    상기 수직시추구간에 대한 물리검층을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 상기 수직시추구간 내 스윗스팟영역에 대한 포아송비를 산출하고, 상기 스윗스팟영역에서 슬로우니스값과 포아송비의 상관성을 수식화한 관계식P를 도출한 후,
    기추정된 상기 슬로우니스값을 상기 관계식P에 입력하여 상기 수평시추구간의 영률을 추정하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 관계식P는 X축을 슬로우니스값으로 Y축을 포아송비로 정하여, 상기 수직시추구간의 스윗스팟영역에서 얻어진 슬로우니스값에 대한 포아송비의 상관관계를 근사적인 비례식으로 도출하는 것을 특징으로 하는 저류암층 스윗스팟 수평시추구간의 파쇄구간 선정방법.

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