KR101481383B1 - 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물, 염수 또는 폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액 등의 유체를 3차원 저류층 모델에 주입하여 저류층 내 유동전단면, 주입효율, 원유 회수효율을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 원유생산증진 시스템은 주입 유체의 종류나 이들 간의 배합비에 따른 저류층 내의 유체 거동분석과 생산성 증진 효율을 평가할 수 있다. 즉, 본 발명의 원유 생산 증진 시스템은 주입되는 유체에 따라 모델 내의 원유를 포함하는 유체의 유동 양상을 파악하고 그에 따른 주입효율을 분석할 수 있으며, 특히 수공법 및 화학공법을 여러 저류층 및 주입 유체 조건하에서 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템은 다양한 저류층 투과도 조건을 3차원으로 모사할 수 있으므로 실제 저류층과 유사한 조건에서 생산증진 메커니즘을 평가할 수 있다.

Description

유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 및 방법{System and method for improved oil recovery by fluid injection}

유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물, 염수 또는 폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액과 같은 화학물질을 3차원 저류층 모델에 주입하여 저류층 내 유동전단면, 주입효율, 원유 회수효율을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

1차 석유생산 이후에도 저류층 내에는 60~70%의 석유자원이 잔존하고 있으며, 이는 전 세계 확인매장량 기준으로 2,417억 배럴을 추가할 수 있는 것으로 평가된다. 원유생산증진 기술은 이러한 저류층 내에 유체를 주입하여 생산성을 증진하는 방법으로써, 급증하는 석유수요를 해결할 수 있는 대안으로 각광받고 있다. 또한 석유자원의 안정적 수급대책 가운데 가장 중요도가 큰 기술이며, 2009년 원유생산증진 기술의 시장가치는 약 625억 달러로 2005년 31억 달러에 비해 1,916%가 성장하였다. 2015년 원유생산증진 기술의 시장가치는 1.3조 달러로 추정되며, 이 중 화학공법은 27%를 차지하고 있어 1,200억 달러 규모의 시장가치를 가질 것으로 전망된다.

원유생산증진 기술 중 저류층 내 물을 주입하는 수공법과 폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액과 같은 화학물질을 주입하는 화학공법은 기술적 안정성이 확보된 기술로 평가받고 있으며, 다국적 석유회사를 중심으로 대규모 투자가 진행되고 있다.

한국공개특허 10-2010-107459호에는 기체를 이용하여 저류층의 원유에 기체가 용해되도록 함으로써 원유의 점도를 낮추어 저류층의 원유의 유동을 높이는 방법이 개시되고, 10-2012-008993호에는 저류층에 주입되는 물에 대한 처리를 자외선을 통해 시행함으로 인해 저류층의 원유에 대한 원유회수 증진시키는 방법이, 한국등록특허 10-756061호에는 화학물질을 사용하여 원유의 이송성을 높일 수 있음이 개시되어 있다.

하지만, 상기 공개 특허들은 실제 저류층에서 원유의 회수율(생산성)을 높일 수 있는 원유 생산 증진 기술을 제시하고 있는데, 이러한 원유 생산 증진 기술의 성공적인 현장적용을 위해서 저류층 물성조건과 유체별 특성에 따른 주입거동 분석 및 생산성 증진 기술의 효율성을 평가하는 시스템이나 모델링 방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 3차원 저류층 모사를 이용하여 다양한 주입유체 특성에 따른 저류층 내 유동 메커니즘 및 주입효율을 측정함과 동시에 원유생산량 측정을 통한 회수효율을 예측 및 분석할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상은

저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질이 충진되는 3차원 저류층 모델 ;

상기 3차원 저류층 모델에 하나 이상의 유체를 공급하는 유체주입부;

상기 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 저장, 분리하는 유체생산부;

상기 3차원 저류층 모델 내부의 상태 변화를 감지하는 감지수단 ; 및

상기 감지수단으로부터 기록된 정보를 저장하고 변화 양상을 분석하는 자료처리부 ; 를 포함하는 원유 생산 증진 시스템에 관계한다.

다른 양상에서 본 발명은 저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질이 충진되는 3차원 저류층 모델에 유체를 공급하는 단계 ;

감지수단을 통해 상기 3차원 저류층 모델 내부의 상태 및 유체 거동 변화를 감지하는 단계 ;

상기 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 저장 및 분리하는 단계를 포함하는 원유 생산 증진 모델링 방법으로서, 상기 모델링 방법은 상기 감지수단에 의해 측정된 값을 기초로 상기 저류층 모델 내부의 유체 포화도 변화값을 산정하는 단계를 포함하는 원유 생산 증진 모델링 방법에 관한 것이다.

본 발명의 원유생산증진 시스템은 주입 유체의 종류나 이들 간의 배합비에 따른 저류층 내의 유체 거동분석과 생산성 증진 효율을 평가할 수 있다. 즉, 본 발명의 원유 생산 증진 시스템은 주입되는 유체에 따라 모델 내의 원유를 포함하는 유체의 유동 양상을 파악하고 그에 따른 주입효율을 분석할 수 있으며, 특히 수공법 및 화학공법을 여러 저류층 및 주입 유체 조건하에서 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템은 다양한 저류층 투과도 조건을 3차원으로 모사할 수 있으므로 실제 저류층과 유사한 조건에서 생산증진 메커니즘을 평가할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템의 개념도이다.
도 2는 3차원 저류층 모델의 일 구현예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 유체 주입생산정을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 유체 주입생산정 및 전기비저항 센서 배열 전개도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 시스템 자동화 인터페이스 화면사진이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 한정되지 아니하고, 다른 균등물 또는 대체물을 포함하는 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면, 일단, 일 말단, 일면 등의 방향적인 표현은 아래쪽, 하(부), 하면, 타단, 타 말단, 타면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며, 절대적인 방향을 의미하는 것처럼 한정적으로 이해되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템의 개념도이고, 도 2는 3차원 저류층 모델의 일 구현예를 나타내고, 도 3은 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 유체 주입생산정을 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 유체 주입생산정 및 전기비저항 센서 배열 전개도이고, 도 5는 본 발명에 따른 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템 중 시스템 자동화 인터페이스 화면사진이다.

도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 원유 생산 증진 시스템은 3차원 저류층 모델(10), 유체 주입부(20), 유체 생산부(30), 감지수단(40), 자료처리부(50)를 포함한다.

상기 3차원 저류층 모델(10)은 유전, 특히 저류층의 지층 상태를 모사한 모형으로서 내부에 저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질(11)이 충진된다. 상기 3차원 저류층 모델(10)은 소정 높이를 구비하는 3차원 구조물로서, 상하부 덮개(12, 13)와 측벽을 구비한다. 상하부 덮개는 내부의 유체 거동을 관찰할 수 있도록 투명도가 높은 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상하부 덮개는 아크릴로 제조될 수 있다. 상기 상부 덮개(12)는 상기 모델 내부에 충진되는 물질과 공백영역이 없도록 조임틀(미도시)을 구비할 수 있다. 도 2에 상 하부 덮개가 아크릴 구조로 형성된 3차원 저류층 모델을 도시하였으나, 도 2의 구조 이외에도 내부에 규사 등의 물질을 충진할 수 있는 밀폐형 구조의 3차원 구조이면 본 발명의 저류층 모델로 사용할 수 있다.

상기 3차원 저류층 모델은 주입되는 유체를 고르게 분산시키고 배출시키도록 측벽에 형성된 유체 주입정(14) 및 생산정(15)을 포함한다. 상기 유체 주입정은 유체 주입부(20)에서 유입되는 유체를 3차원 저류층 모델 내부로 골고루 분산시키는 가이드홀(141)을 서로 다른 위치에 다수개 구비할 수 있다. 또한, 유체 주입정 및 생산정에는 규사 등이 유체 주입부나 유체 생산부로 역류하거나 배출되는 것을 방지하는 필터가 형성된다. 상기 유체 생산정(15)은 상기 유체 주입정(14)에 대응되는 반대편에 위치하여 유체를 유체 생산부(30)로 제공한다. 상기 유체 생산정에는 배출홀(142)이 형성된다.

상기 저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질(11)은 규사, 사암, 인공규사, 유리구슬 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 유체는 염수, 물, 케로신, 원유, 오일, 폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 유체주입부(20)는 상기 3차원 저류층 모델에 하나 이상의 상기 유체를 공급한다.

상기 유체주입부(20)는 복수의 주입유체 용기(21)를 구비하여 상기 유체를 저장한다. 상기 유체주입부(20)는 유체를 정량적으로 주입하기 위해서 주입펌프(22), 예를 들면, 시린지 펌프를 사용할 수 있다. 또한, 주입유체 용기(21) 상하부와 3차원 저류층 모델(10)의 주입관(23)과 배출관(33)에 솔레노이드 밸브를 설치하여 주입펌프(22)에서 발생시킨 압력이 지정된 주입유체 용기(21)의 유체만을 배출시킬 수 있다.

상기 유체주입부(20)는 상기 주입유체 용기(21) 후단에 위치하고 상기 유체들을 혼합하여 소정 농도로 상기 3차원 저류층 모델에 주입하는 혼합 용기(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 유체생산부(30)는 상기 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 저장 및 분리한다. 상기 유체생산부(30)는 3차원 저류층 모델(10)에서 배출되는 유체를 비중차로 분리한다. 예를 들면, 상기 유체생산부는 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 저장하고 밀도차에 의해 분리하는 1단 분리기(31), 상기 1단 분리기의 양단에 연결되고, 1차 분리된 유체를 2차 분리하기 위한 한 쌍의 2단 분리기(32)를 포함할 수 있다.

상기 감지수단(40)은 상기 3차원 저류층 모델 내부의 상태 변화를 감지한다. 상기 감지수단은 압력센서(41), 온도센서(42), 전기 비저항 센서(43)일 수 있다.

상기 압력센서(41)는 3차원 저류층 모델 내부의 압력을 하나 이상의 지점에서 측정할 수 있으며, 상기 온도센서는 3차원 저류층 내부나 입출구에 설치될 수 있다.

상기 전기 비저항 센서는 유체의 비저항값의 변화를 측정한다. 상기 비저항 센서는 3차원 저류층 모델(10) 내 중앙 4열 4행으로 총 16개가 배열될 수 있다. 상기 3차원 저류층 모델(10)에 물 또는 화학 용액(폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액)을 주입하면 3차원 저류층 모델(10) 내 유체의 유동이 발생하면서 유체 포화도 값이 변하게 된다. 전기비저항은 염수, 담수, 화학 용액(폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액), 그리고 오일 등의 포화도에 따라 달라지며, 본 전기비저항 센서(43)는 포화도 변화에 따른 전기비저항 값을 16개 각 지점에서 개별적으로 측정하여 자료처리부(50)에 실시간으로 보낸다.

상기 자료처리부(50)는 상기 감지수단(40)으로부터 기록된 정보를 저장하고 변화 양상을 분석한다. 상기 자료처리부(50)는 상기 감지수단에 의해 측정된 값을 기초로 상기 저류층 모델 내부의 유체 포화도 변화값을 산정할 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 저류층 모델 내부에 어떤 유체가 더 많이 포화되어있는지에 따라 전기 비저항 측정값에 차이가 발생하며, 일반적으로 오일의 포화도가 증가할수록 전기 비저항 측정값이 높게 나타나고, 염수의 포화도가 증가할수록 전기 비저항 측정값이 낮게 나타난다. 상기 자료처리부(50)에서는 주입 유체를 저류층 모델에 주입 및 포화시키면서 물 포화도에 따른 전기 비저항을 측정하는데 있다. 이때 전기 비저항 측정값은 크게 4가지 구간으로 분류될 수 있는데, 첫 번째는 저류층 모델 내 오일과 염수가 충진 되어 있으나 전기 비저항에 대한 오일의 영향이 커 전체적인 전기 비저항 측정값이 증가하는 구간이며, 두 번째는 물을 저류층 모델에 주입함으로써 오일이 생산되어 전기 비저항 측정값이 감소하는 구간이다. 세 번째는 폴리머 용액이나 화학 용액을 주입함으로써 오일 생산이 더욱 증가하여 전기 비저항 측정값이 더욱 감소하는 변화점이 나타나는 구간이며, 마지막으로 네 번째는 물을 지속적으로 주입하여 염수의 염도가 낮아서 전기 비저항 측정값이 다시 증가하게 되는 구간이다.

상기 자료처리부(50)는 수신받은 압력변화, 전기비저항 변화값, 온도를 모니터링하고 시간간격에 따라 저장하고 인적오류에 따른 오차발생 최소화를 위해 공압식 개폐밸브 조작을 자동화하는 시스템 자동화 인터페이스(51)를 포함할 수 있다.

상기 원유생산 증진 시스템은 상하부 아크릴 덮개 외부에 장착되어 상기 3차원 저류층 모델 내 유동변화를 기록하는 카메라 장치를 추가로 포함할 수 있다.

상기 원유생산 증진 시스템은 상기 3차원 저류층 모델 내부를 가압할 수 있는 가압장치를 추가로 포함할 수 있다.

상기 원유생산 증진 시스템은 3차원 저류층 모델(10)에서 이상압력을 감지하고 배출하는 방출밸브(34)를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 원유 생산 증진 시스템은 통상의 사각 모래팩 형태의 3차원 저류층 모델(10)에 복합적인 원유생산증진 공법을 적용하고 유체 주입에 따른 생산증진 메커니즘을 분석하는 3차원 유동 분석 장치에 관한 것으로서, 통상의 원유생산증진 분석과 동시에 주입되는 유체와 모델 내의 유체가 유동하는 양상을 파악하고 그에 따른 주입효율을 분석할 수 있으며, 특히 수공법 및 화학공법을 여러 저류층 및 주입 유체 조건하에서 수행할 수 있다.

다른 양상에서 본 발명은 원유생산 증진 모델링 방법을 제공한다.

본 발명의 원유 생산 증진 모델링 방법은 유체 공급 단계, 감지단계, 저장 분리 단계를 포함한다.

상기 유체 공급 단계는 다양한 혼합 유체를 상기 3차원 저류층 모델에 제공하는 단계이다.

상기 감지단계는 상기 감지수단을 통해 상기 3차원 저류층 모델 내부의 상태 및 유체 거동 변화를 측정한다.

상기 저장 및 분리 단계는 상기 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 비중차에 의해 분리하여 저장하는 단계이다.

상기 모델링 방법은 상기 감지수단에 의해 측정된 값을 기초로 상기 저류층 모델 내부의 유체 포화도 변화값을 산정하는 단계를 포함한다.

상기 감지수단은 상기 3차원 저류층 모델 내부에 소정 간격으로 복수개 배치된 전기 비저항 센서이고, 상기 비저항 센서 측정값으로 포화도를 산정한다. 상기 원유생산 증진 모델링 방법에 대해서는 앞에서 상술한 원유생산 증진 시스템을 참고할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

10 : 3차원 저류층 모델 20 : 유체 주입부
30 : 유체 생산부 40 : 감지수단
50 : 자료처리부
41 : 압력센서 42 : 온도센서
43 : 전기 비저항 센서

Claims (12)

1. 저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질이 충진되는 3차원 저류층 모델 ;
   상기 3차원 저류층 모델에 하나 이상의 유체를 공급하는 유체주입부;
   상기 3차원 저류층 모델로부터 생산된 혼합유체를 저장, 분리하는 유체생산부;
   상기 3차원 저류층 모델 내부의 상태 변화를 감지하는 감지수단 ;
   상기 3차원 저류층 모델 내부에 설치되고, 가이드홀 및 필터가 제작되어 지층 상태를 재현할 수 있는 물질 내 유체를 고르게 주입하고 유동관 내 상기 물질의 유입을 차단하여 유정 막힘 현상을 방지한 유체 주입생산정 ; 및
   상기 감지수단으로부터 기록된 정보를 저장하고 변화 양상을 분석하는 자료처리부 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저류층의 지층 상태를 재현할 수 있는 물질은 규사, 사암, 인공규사, 유리구슬 또는 이들을 혼합한 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유체는 염수, 물, 케로신, 원유, 오일, 폴리머 용액, 계면활성제, 알칼리성 용액 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 유체주입부는 상기 유체들을 혼합하여 소정 농도로 상기 3차원 저류층 모델에 주입하는 주입 유체 용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 3차원 저류층 모델의 덮개는 육안으로 내부 식별이 가능한 재료를 사용하고, 상기 덮개는 상기 모델 내부에 충진되는 물질과 공백영역이 없도록 조임틀을 구비하는 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 감지수단은 압력센서, 온도센서, 전기 비저항 센서인 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
8. 제 7항에 있어서, 상기 전기 비저항 센서는 3차원 저류층 모델 내부에 소정 간격으로 복수개 배치되어 유체 유동에 따른 비저항 변화값을 취득하는 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
9. 제 8항에 있어서, 상기 자료처리부는 상기 비저항 변화값으로부터 3차원 저류층 모델 내부의 유체의 포화도 변화값을 제공하는 것을 특징으로 하는 원유 생산 증진 시스템.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 자료처리부는 수신받은 압력변화, 전기비저항 변화값, 온도를 모니터링하고 시간간격에 따라 저장하고 인적오류에 따른 오차발생 최소화를 위해 공압식 개폐밸브 조작을 자동화하는 시스템 자동화 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체주입을 통한 원유생산증진 시스템.
11. 삭제
12. 삭제

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