KR101475831B1

KR101475831B1 - 저류층 암석 코어 시료 공극률 측정장치 및 측정방법

Info

Publication number: KR101475831B1
Application number: KR20130166715A
Authority: KR
Inventors: 임종세; 이동건
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-12-23

Abstract

본 발명은 암석 코어 시료 공극률 측정장치 및 이를 이용한 암석 코어 시료 공극률 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 암석 코어 시료 공극률 측정장치는, 내부에 암석 코어 시료가 설치되는 밀폐된 공간부가 형성된 압축챔버, 내부에 압축기체가 수용되도록 밀폐된 공간부가 형성된 기준챔버, 압축챔버와 기준챔버 사이에 연결되어, 밸브에 의하여 선택적으로 압축챔버와 기준챔버를 연통시키는 연결유로, 압축챔버의 압력을 측정하기 위한 제1압력센서 및 기준챔버의 압력을 측정하기 위한 제2압력센서를 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

저류층 암석 코어 시료 공극률 측정장치 및 측정방법{Apparatus and method for measuring porosity of core sample from reservoir rock}

본 발명은 석유와 천연가스의 생산 또는 이산화탄소의 지중 저장 등 넓은 의미의 석유공학에 관한 기술로서, 특히 시추를 통해 저류암으로부터 채취한 암석 코어 시료의 공극률을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

시추에 의해 발견된 유/가스전의 상업적 개발/생산을 위해서는 해당 지역의 저류층 물성과 유체 특성을 분석하고, 이를 토대로 저류층의 매장량과 생산 능력 등을 평가함으로써 경제성을 파악하는 저류층 평가(reservoir evaluation)가 선행된다.

석유/가스 저류층의 물성은 물리검층(well log), 생산성 시험(drill stem test), 암석 코어 시료 분석(core analysis) 등을 통하여 파악할 수 있는데, 실제 저류층 암석 코어 시료를 대상으로 분석하는 방법이 가장 정확하다.

이러한 암석 코어 시료 분석에서 본 발명의 대상은 공극률(porosity) 측정에 관한 것이다. 저류층의 평가에 있어서 공극률은 가장 기초적이면서도 가장 중요한 의미를 갖는 물성이다. 즉, 저류층 내 석유나 가스는 저류암의 공극 내에 존재하므로, 저류암의 공극률은 유체 저장 능력(fluid storage capacity)의 척도가 된다. 이산화탄소 저장과 관련된 CCS(carbon capture and storage) 분야에서도 저류암의 공극률이 크면 이산화탄소의 주입량을 늘릴 수 있으므로 중요한 의미를 갖는다. 물론 저류층의 경제성 평가에는 저류암의 잔류 수포화율(residual water saturation)이나 유체투과도(permeability) 등 다양한 변수들이 작용하긴 하지만, 저류층 평가에 있어서 공극률은 가장 기초적인 물성으로 간주된다.

저류암의 공극률(φ)은 아래의 식(1)과 같이 암석 총 체적(V_b)에 대한 공극 체적(V_p)의 비로 정의된다.

φ = V_p/V_b ... 식(1)

저류암의 공극률은 공극의 연결성에 따라 절대 공극률(absolute porosity)과 유효 공극률(effective porosity)로 구분할 수 있다. 절대 공극률은 공극의 연결성과 관계없이 암석 총 체적(bulk volume)에 대한 공극 체적의 비로 정의된다. 유효 공극률은 암석 유형, 입자크기의 불균질성과 압축, 교결, 풍화, 점토 함량 등과 같은 요소에 의해 결정되며, 암석 총 체적에 대하여 서로 연결된 공극 체적의 비로 정의된다.

저류층에서 석유/가스를 포함한 유체를 생산할 때, 격리된 공극(isolated void)에 존재하는 유체는 생산이 불가능하므로 유효 공극률이 공학적 관점에서 주된 관심의 대상이다.

물리검층 등을 통해 저류층의 공극률을 간접적으로 추정할 수 있지만, 신뢰성과 정확성을 고려하면 시추 과정에서 획득한 암석 코어 시료를 대상으로 공극률을 측정하고 이를 저류층의 공극률로 대표하는 것이 바람직하다.

암석 코어 시료를 대상으로 고압 물주입법과 진공 포화법을 이용하여 공극률을 측정하는 방법이 있으나 암석 코어 시료의 고결 정도에 따라 물리적인 변형 및 손실이 발생할 수 있고 고가의 복잡한 실험 장치들의 구성이 필요하므로 보일의 법칙을 이용하여 암석 코어 시료의 공극률을 간단하게 측정할 수 있는 장치의 필요성이 제기된다.

본 발명은 보일의 법칙을 이용하여 매우 간단하게 암석 코어 시료의 공극률을 측정할 수 있는 저류층 암석 코어 시료의 공극률 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 암석 코어 시료 공극률 측정장치는, 내부에 암석 코어 시료가 설치되는 밀폐된 공간부가 형성된 압축챔버; 내부에 압축기체가 수용되도록 밀폐된 공간부가 형성된 기준챔버; 상기 압축챔버와 기준챔버 사이에 연결되어, 밸브에 의하여 선택적으로 상기 압축챔버와 기준챔버를 연통시키는 연결유로; 상기 압축챔버의 압력을 측정하기 위한 제1압력센서; 및 상기 기준챔버의 압력을 측정하기 위한 제2압력센서;를 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 압축챔버의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서와 상기 기준챔버의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서를 더 구비한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 기준챔버 내부로 가스를 주입하기 위한 가스공급유닛을 더 구비하며, 상기 가스는 헬륨인 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 암석 코어 시료 공극률 측정방법은, 상기 암석 코어 시료를 준비하여 체적을 산출하는 단계; 상기 압축챔버와 기준챔버 및 연결유로의 체적을 산출하는 단계; 상기 압축챔버와 기준챔버가 상호 연통되지 않은 상태에서, 상기 암석 코어 시료를 압축챔버에 장착하고, 상기 기준챔버에 가스를 주입한 후, 상기 압축챔버 및 기준챔버의 초기 압력을 측정하는 단계; 상기 연결유로를 통해 상기 압축챔버와 기준챔버를 상호 연결하여, 상기 기준챔버에 수용된 상기 가스가 상기 압축챔버로 확산되게 하여 상기 압축챔버와 기준챔버의 압력이 평형을 이룬 후 최종 압력을 측정하는 단계; 및 하기 관계식(1)을 이용하여, 상기 암석 코어 시료 입자 체적을 구하여, 상기 암석 코어 시료의 공극률을 산출하는 단계;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다

P₁(V₁ - V_S) + P₂V₂ = P_f(V₁ + V₂+ V_d - V_S) ... 관계식(1)

여기서, V₁: 압축챔버의 체적, P₁: 압축챔버 초기 압력

V₂: 기준챔버의 체적, P₂: 기준챔버에 가스 주입 후 초기 압력

P_f: 최종평형압력, V_S: 암석 코어 시료 입자 체적, V_d: 연결유로의 체적.

본 발명에 따른 공극률 측정장치는 보일의 법칙을 이용하여 암석 코어 시료 고결 상태에 기인한 물리적인 변형이나 손실 없이 공극률을 측정할 수 있는 방법을 제시한다는데 의의가 있다. 또한 비교적 단순한 구성으로 이루어진 공극률 측정장치를 통하여, 암석 코어 시료의 공극률을 매우 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공극률 측정장치의 구성을 설명하기 위한 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작한 공극률 측정장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일의 법칙을 이용한 암석 코어 시료의 공극률 측정방법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공극률 측정장치를 이용하여 저류층 암석 코어 시료의 공극률을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공극률 측정장치를 이용하여 저류층 암석 코어 시료의 공극률을 측정하고 그 결과의 재현성 검증을 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 시료로 사용되는 암석 코어는 석유공학의 관심 대상인 저류층에서 코어링(coring)을 통해서 채굴한 것이지만, 본 발명의 대상이 반드시 저류층의 코어 시료에 한정되는 것은 아니며, 다양한 목적에서 공극률 측정을 필요로 하는 모든 암석 시료에 대해서 확장될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 저류층 암석 코어 시료 공극률 측정장치(이하, '공극률 측정장치'라 함)에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공극률 측정장치의 구성을 설명하기 위한 개략적 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작한 공극률 측정장치의 사진이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공극률 측정장치(100)는 압축챔버(10)와 기준챔버(20)를 구비한다.

압축챔버(10)의 내부에는 저류층으로부터 코어링을 통해 채취된 암석 코어 시료(s)가 수용되며, 기준챔버(20)의 내부에는 압축가스가 수용된다는 점을 제외하면 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 물리적 구성은 완전히 동일하다.

즉, 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 내부에는 각각 밀폐된 공간부(11,21)가 형성된다. 본 실시예에서 압축챔버(10)와 기준챔버(20)는 원통형의 몸체부(12,22)의 상면과 하면에 각각 덮개판(13,23)과 바닥판(14,24)이 나사(n) 체결에 의하여 상호 밀착되게 결합된다. 바닥판(14,24)과 몸체부(12,22) 사이 및 덮개판(13,23)과 몸체부(12,22) 사이에는 각각 오링(o-ring)(15,25)이 개재되어 압축챔버(10)와 기준챔버(20) 내부의 공간부(11,21)를 밀폐시킨다. 압축챔버(10)와 기준챔버(20)는 모두 투명한 아크릴 소재로 이루어져 측정 과정에서 실험자는 챔버(10,20)의 내부를 육안으로 관찰할 수 있다. 그리고 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 상측에는 각각 유체의 유출입이 가능한 포트(17,27)와, 이 포트를 개폐하는 밸브(3-way 밸브)(16,26)가 설치된다.

그리고 압축챔버(10)와 기준챔버(20)에는 각각 제1압력센서(31) 및 제2압력센서(32)가 설치되어, 압축챔버(10)와 기준챔버(20) 내부 압력을 측정할 수 있다.

또한 압축챔버(10)와 기준챔버(20)에는 각각 제1온도센서(41) 및 제2온도센서(42)가 설치되어, 압축챔버(10)와 기준챔버(20) 내부의 온도를 측정할 수 있다.

한편, 압축챔버(10)와 기준챔버(20)는 연결유로(50)에 의하여 상호 연결된다. 연결유로(50)의 일측단부 및 타측단부는 각각 압축챔버(10)의 바닥판(14)과 기준챔버(20)의 바닥판(24)으로 연결된다. 연결유로(50)에는 유체가 유출입 가능한 포트(51)와 이 포트(51)를 개폐하는 밸브(52)가 마련된다. 이 포트(51)는 진공펌프(미도시)와 연결된다. 또한 연결유로(50)의 양단에는 별도의 밸브(53,54)가 마련되어, 압축챔버(10)와 연결유로(50)를 상호 연결 및 분리시키고, 기준챔버(20)와 연결유로(50)도 연결 및 분리시킬 수 있다. 또한 연결유로(50) 내부의 압력을 측정하기 위한 제3압력센서(55)가 설치되며, 도시하지는 않았지만 제3온도센서가 설치될 수 있다.

그리고 기준챔버(20)에 고압의 압축가스를 주입하기 위한 가스공급유닛(60)이 마련되며, 가스공급유닛(60)은 기준챔버(20)의 포트(27)에 연결된다. 가스공급유닛(60)은 레귤레이터에 의하여 압력을 조절할 수 있다. 기준챔버(20)에 도입되는 가스는 헬륨 가스인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 상기한 구성으로 이루어진 공극률 측정장치(100)를 이용한 공극률 측정실험에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일의 법칙을 이용한 암석 코어 시료의 공극률 측정방법의 개략적 흐름도이며, 도 4는 도 3에 도시된 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 암석 코어 시료(s)를 준비한다. 일반적으로 암석 코어 시료는 시료의 상태에 따라 자연 상태 코어(native-state core), 세척 코어(cleaned core), 복원 상태 코어(restored state core)로 구분할 수 있다. 자연 상태 코어란 저류층에서 직접 획득하여 저류층 본래의 상태와 물성을 유지하는 암석 코어 시료를 의미하며, 획득 작업 시 온도와 압력 변화에 따른 물성 변화를 최소화하여야 한다.

저류층 조건을 반영하는 정확한 정보를 얻기 위해서는 자연 상태 코어를 사용하여야 하지만, 코어링을 통해 시료가 채취되는 과정에서 압력 및 온도 조건이 변하기 때문에 저류층 조건 하에서의 시료의 본래 물성을 유지하는 것이 용이하지 않다. 이에 공극률 측정시험에서는 일반적으로 세척 코어나 복원 상태 코어를 사용한다.

암석 코어 시료는 톨루엔과 메탄올을 1:1의 비율로 혼합한 용매를 사용하여 공지의 속슬릿 추출기(soxhlet extractor)로 10시간 동안 세척하여 자연 상태 코어로부터 세척 코어를 얻을 수 있다. 여기서 혼합 용매의 톨루엔 성분은 시료 속에 함유된 탄화수소를 제거하고 메탄올 성분은 염분을 제거하는 역할을 한다.

암석 코어 시료를 세척한 후에는 진공 건조기를 사용하여 24시간 동안 강제 건조시킨다.

전술한 과정을 통하여 준비한 세척 코어는 습윤도(wettability)의 영향을 적게 받으므로 공극률 측정에 주로 사용된다.

참고로, 코어 시료의 물성 측정에서 세척코어는 상기한 바와 같이 공극률과 절대유체투과도 측정에 주로 사용되며, 상대유체투과도 측정은 습윤도의 영향을 많이 받으므로 복원 상태 코어를 사용하여야 한다. 복원 상태 코어란 자연 상태 코어와 같은 물성으로 복원한 암석 코어 시료를 의미하는 것으로 이를 위해서는 세척 코어를 염수(brine)로 100% 포화시킨 후 잔류 수포화율(residual water saturation)에 도달할 때까지 원유를 주입하고 저류층 온도 조건을 유지한 상태에서 약 1,000시간의 보존(aging)과정을 거친다.

상기한 바와 같이 암석 코어 시료(세척코어)가 준비되면 버니어캘리퍼스 등을 이용하여 암석 코어 시료의 직경과 길이를 측정하여 전체 체적을 계산한 후, 압축챔버(10) 덮개판(13)을 개방하여 암석 코어 시료(s)를 압축챔버(10) 내에 장착한다.

그리고 가스공급유닛(60)을 기준챔버(20)의 포트(27)와 연결한 후 레귤레이터를 개방하여 헬륨 가스를 기준챔버(20)에 주입하면서 원하는 압력에 도달하면 기준챔버(20)의 밸브(26)를 닫고 주입 압력이 안정화될 때까지 대기한다. 헬륨을 사용하는 이유는 분자의 크기가 매우 작아서 암석 코어 시료의 작은 공극까지 쉽게 침투할 수 있고, 암석 표면에 흡착되지 않는 특성이 있기 때문이다.

그 후 기준챔버(20)와 압축챔버(10)를 연결하는 밸브들을 개방하여 헬륨 가스가 기준챔버(20)로부터 압축챔버(10)로 팽창하도록 한다. 이때 압축챔버(10) 및 기준챔버(20) 사이의 연결유로(50)의 내면에 헬륨 가스가 마찰되면서 일시적으로 기준챔버(20)의 온도가 올라갈 수 있다. 이 경우, 기준챔버(20)와 압축챔버(10)의 온도가 동일해질 때까지 기다린 후 압력이 안정화되면 이때의 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 압력을 측정한다.

상기의 과정을 통해 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 초기 압력과, 최종 압력을 획득하였고, 압축챔버(10)와 기준챔버(20)의 체적은 이미 알고 있으므로, 보일의 법칙을 이용한 하기의 관계식(1)을 통해 암석 코어 시료의 입자 체적을 계산할 수 있다. 여기서 암석 코어 시료의 입자 체적이란, 시료의 전체 체적에서 공극의 체적을 제외한 부분을 의미한다.

P₁(V₁ - V_S) + P₂V₂ = P_f(V₁ + V₂+ V_d - V_S) ... 관계식(1)

여기서,

V₁: 압축챔버의 체적, P₁: 압축챔버 초기 압력

P_f: 최종평형압력, V_S: 암석 코어 시료 입자 체적, V_d: 연결유로의 체적

위 관계식(1)을 구하고자 하는 시료 입자 체적(V_S)에 대한 항으로 이항정리하면 아래의 관계식(2)를 얻을 수 있다.

V_S = V₁ + {(P₂ - P_f)/(P₁ - P_f)}V₂ - ( P_f/P₁ - P_f)V_d... 관계식(2)

그리고, 압축챔버(10)의 초기압력(P₁)은 대기압 상태이며, 게이지 압력으로는 0이φ이므로, 이 값을 대입하여 최종 정리하면 아래의 관계식(3)과 같다.

V_S = V₁ + {(P₂ - P_f)/P_f}V₂ + V_d...관계식(3)

상기 관계식(3)에 의하여 암석 코어 시료의 입자 체적을 구하면, 아래의 공극률에 대한 관계식(4)를 이용하여 암석 코어 시료의 공극률(φ)을 계산할 수 있다.

φ = (V_b - V_S)/V_b ... 관계식(4)

여기서 V_b는 암석 코어 시료의 전체 체적이다.

본 발명에 따른 공극률 측정장치를 이용하여 3개의 암석 코어 시료에 대하여 공극률을 측정하였으며, 도 5에는 실험 결과가 나타나 있다.

본 발명에 따른 공극률 측정장치를 이용한 측정방법은 기존에 시도되지 않은 형태이므로, 본 측정장치를 이용한 공극률 측정이 정확성, 특히 재현성 여부를 실험하였다. 도 5에 표시된 3개의 시료에 대하여 각각 3번씩 동일하게 측정을 반복하여 재현성을 살펴보았다. 도 6에는 그 결과가 나타나 있다. 도 6을 참고하면, 3개의 시료에서 약간의 차이는 발생하였지만, 거의 동일한 공극률 수치를 나타내어 본 발명에 따른 장치를 이용한 공극률 측정의 재현성을 확인하였다.

본 발명에 따른 공극률 측정장치를 이용하여 공극률을 측정함에 있어서, 특히 주의할 점은 압축챔버(10)와 기준챔버(20)를 연결하는 연결유로(50)의 체적을 정확하게 고려해야 한다는 점이다. 즉, 초기 체적과 압력을 측정할 때, 연결유로(50)의 양단에 설치된 밸브(53,54)는 모두 폐쇄된 상태를 유지해야 초기 압력을 정확하게 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공극률 측정장치는 보일의 법칙을 이용하여 단순한 구성으로 이루어진 공극률 측정장치를 통하여, 암석 코어 시료의 공극률을 매우 신뢰성 있게 측정할 수 있다는 이점이 있다.

100 ... 저류층 암석 코어 시료 공극률 측정장치
10 ... 압축챔버 20 ... 기준챔버
31 ... 제1압력센서 32 ... 제2압력센서
41 ... 제1온도센서 42 ... 제2온도센서
50 ... 연결유로 60 ... 가스공급유닛

Claims

내부에 암석 코어 시료가 설치되는 밀폐된 공간부가 형성된 압축챔버;
내부에 압축기체가 수용되도록 밀폐된 공간부가 형성된 기준챔버;
상기 압축챔버와 기준챔버 사이에 연결되어, 밸브에 의하여 선택적으로 상기 압축챔버와 기준챔버를 연통시키는 연결유로;
상기 압축챔버의 압력을 측정하기 위한 제1압력센서; 및
상기 기준챔버의 압력을 측정하기 위한 제2압력센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 암석 코어 공극률 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 압축챔버의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서와,
상기 기준챔버의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 코어 공극률 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 기준챔버 내부로 가스를 주입하기 위한 가스공급유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암석 코어 공극률 측정장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 가스는 헬륨인 것을 특징으로 하는 암석 코어 공극률 측정장치.
청구항 1 내지 청구항 3에 기재된 암석 코어 공극률 측정장치를 이용하여, 암석 코어 시료의 공극률을 측정하기 위한 방법으로서,
상기 암석 코어 시료를 준비하여 체적을 산출하는 단계;
상기 압축챔버와 기준챔버 및 연결유로의 체적을 산출하는 단계;
상기 압축챔버와 기준챔버가 상호 연통되지 않은 상태에서, 상기 암석 코어 시료를 압축챔버에 장착하고, 상기 기준챔버에 가스를 주입한 후, 상기 압축챔버 및 기준챔버의 초기 압력을 측정하는 단계;
상기 연결유로를 통해 상기 압축챔버와 기준챔버를 상호 연결하여, 상기 기준챔버에 수용된 상기 가스가 상기 압축챔버로 확산되게 하여 상기 압축챔버와 기준챔버의 압력이 평형을 이룬 후 최종 압력을 측정하는 단계; 및
하기 관계식(1)을 이용하여, 상기 암석 코어 시료 입자 체적을 구하여, 상기 암석 코어 시료의 공극률을 산출하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 암석 코어 공극률 측정방법
P₁(V₁ - V_S) + P₂V₂ = P_f(V₁ + V₂+ V_d - V_S) ... 관계식(1)
여기서, V₁: 압축챔버의 체적, P₁: 압축챔버 초기 압력
V₂: 기준챔버의 체적, P₂: 기준챔버에 가스 주입 후 초기 압력
P_f: 최종평형압력, V_S: 암석 코어 시료 입자 체적, V_d: 연결유로의 체적.