KR101653115B1 - 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법 및 이를 이용한 셰일가스 저류층의 탐색방법 - Google Patents
쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법 및 이를 이용한 셰일가스 저류층의 탐색방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법 및 이를 이용한 셰일가스 저류층의 탐색방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 암상 분류방법은 암상 정보를 도출하고 지층별 퇴적환경을 해석할 수 있으므로, 본 발명의 암상 분류방법으로 얻은 결과를 탄성파자료, 시추공 물리검층자료, 분석소프트웨어 등과 함께 종합적으로 분석하여, 지질학적 모델을 구축하고, 나아가 이를 통해 셰일가스 저류층을 탐색할 수 있으며, 더욱 나아가 셰일가스 시추를 위한 시추공을 선정을 할 수 있으므로, 셰일가스 시추를 위한 스위트 스팟(sweet spot)을 예측하는 적중률을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법 및 이를 이용한 셰일가스 저류층의 탐색방법에 관한 것이다.
퇴적암 분류에 대한 배경지식
퇴적암(sedimentary rock)의 분류는 그 기준을 무엇으로 하느냐에 따라 다양해질 수 있다. 분류 기준을 퇴적물의 공급지로 할 경우, 퇴적분지 내에서 공급되는 경우 내지성, 외부로부터 공급되는 경우 외지성으로 분류가 가능하다. 퇴적암은 입자들이 운반작용에 의해 퇴적되는 경우와 퇴적분지 내에서 화학적·생화학적인 침전으로 인해 퇴적되는 경우에 따라 각각 쇄설성암(clastic rocks)과 비쇄설성암(non-clastic rocks)으로 분류된다. 최근에는 화학조성에 따라 실리카(규질) 성분이 많이 포함되어 있는 쇄설성암의 경우에는 규산질쇄설성(siliciclastic)으로 세분하기도 하며 탄산염암류와 비쇄설성암을 총칭하여 비규산질쇄설성(non-siliciclastic)으로 분리하기도 한다.
화학적 관점에서는 생물 및 생화학적으로 형성된 경우 생물 및 생화학기원성(biogenic 또는 biochemical)으로 화학적으로 형성된 경우 화학기원성(chemical)으로 분류하기도 한다. 화학기원성 퇴적암의 예로는 증발암을 들 수 있으며, 생물 및 생화학기원성 퇴적암으로는 탄산염암류가 주를 이루고 있는데, 석탄, 오일셰일, 인산암 등이 좋은 예이다.
입도(입자 크기)에 따른 퇴적암의 분류
퇴적암(물)은 입도(입자의 크기)에 따라 구분이 가능하다. 퇴적암(물)은 입도에 따라서 역(직경 >2mm), 사(2mm~63um) 및 니(<63um)로 구분되며, 니는 3.9um를 기준으로 실트와 점토로 세분된다. 퇴적암(물)은 이를 구성하는 입도에 따라서 단순히 역암, 사암 및 이암으로만 구분되는 것이 아니라 퇴적물의 구성입도의 함량에 따라서 다양한 퇴적암(물)의 유형이 구분될 수 있다. 하기에 입도에 따른 퇴적물 분류표와 구성입도의 함량에 따른 퇴적물 유형을 구분하는 도면을 나타내었다.
하기 사진과 같이, 야외노두 혹은 암석시추코어를 관찰하게 되면 실제 역과 사를 포함한 조립질 입자는 육안으로 구분이 가능하다. 하지만, 니질 퇴적물 또는 이암층을 구성하는 세립질 입자는 그 크기가 매우 작아 육안으로 식별하는 것이 쉽지 않으며 정확한 입도를 구분하기 위해서는 상세한 실험 분석이 요구된다.
퇴적구조에 따른 퇴적암의 분류
퇴적구조는 퇴적암 내에서 관찰되는 특징 중에서 구성입자보다 큰 규모를 의미한다. 구성 입자 개개의 특징들은 조직(texture)이라 하여, 퇴적구조와 구별한다. 퇴적구조는 구성입자의 조직이나 성분의 차이에 의해 육안으로 관찰이 가능하다. 주로 퇴적물의 조직적 특성은 그 규모가 미시적이어서, 실험실에서 주로 연구되는 반면, 퇴적구조는 실험실과 야외에서의 관찰이 모두 용이하다.
퇴적구조는 그 기원에 따라 1) 일차퇴적구조, 2) 속성구조(diagenetic) 및 3) 생흔구조(biogenic structure)로 분류된다. 일차퇴적구조는 퇴적작용의 직접적인 결과로 형성된 구조로 퇴적작용과 퇴적환경을 유추할 수 있는 근거가 된다. 속성구조는 퇴적이 일어난 이후 속석작용(diagenesis)에 의해 형성되는 구조로서, 속성작용의 흔적을 기록한다. 생흔구조는 퇴적환경 내에 서식하는 동식물에 의해 형성된 구조로서, 일차퇴적구조를 파괴하여 퇴적작용의 기록을 지워버리기도 하지만, 그 자체로서 생물상과 환경에 관한 유용한 정보를 제공한다.
퇴적암에서 관찰되는 일차퇴적구조는 층리의 두께에 따라서 층리(stratification 또는 bedding)와 엽층리(lamination)를 구분된다. 층리와 엽층리의 구분은 층리의 두께를 기준으로 하며, 1cm를 기준으로 두꺼운 경우는 층리로 구분하며 얇은 경우는 엽층리로 분류하며 하기 그림과 같이 세분된다.
이러한 층리 또는 엽층리를 포함한 다양한 퇴적구조는 발달된 형태에 따라서 다음과 같이 분류될 수 있다.
1) 평행층리, 평행엽층리(parallel bedding, lamination)
: 층 경계면과 평행하게 지층내부에 줄무늬가 발달한 퇴적구조
2) 사층리, 사엽층리(cross bedding, lamination)
: 층 경계면과 경사지게 발달한 내부 층리 구조
3) 파형 구조
: 모래로 된 퇴적면이나 사암의 층리면에서 주로 관찰되는 규칙적인 간격을 갖는 파동모양의 퇴적구조
4) 점이층리
: 지층 내에서 위로 가면서 입도나 조립질 입자의 함량이 점진적으로 변화되는 특징을 보이는 내부 층리(정점이층리: 상향조립화; 역점이층리:상향세립화)
5) 균질층리
: 지층 내에 평행층리나 점이층리의 발달이 없이, 매우 균질한 특성(입도, 색깔, 광물 등)을 보이는 경우
색상에 따른 퇴적암의 분류
퇴적암의 색은 이를 구성하는 광물조성과 지화학적 특성에 의해 결정된다. 따라서, 야외에서 여러 암층을 구분할 때에는 색상을 확인하는 것이 유용하다. 색을 결정하는 주된 요인으로는 유기물의 함량, 황철석(pyrite)의 함량, 철의 산화도 등을 들 수 있다. 유기물과 황철석이 함량이 높아질수록 짙은 회색을 띠게 되고, 결구 검은색으로 변하게 된다. 해양이나 삼각주를 이루는 많은 이암은 미세 유기물이나 왕철석 입자들로 인해 회색이나 검은색을 띠는 경우가 많다.
적색 또는 자색은 3가 철산화물인 적철석(hematite)이 입자 표면을 피복하거나 점토 입자를 포함하는 연정(intergrouth)으로 존재할 때 나타난다. 대체로 붉은색은 퇴적 후에 철산화물이 형성됨에 따라 나타나지만, 철산화물 전조의 기원에 대해서는 염기성 입자가 용해되어 생성되거나 쇄설작용에 의해 생성될 수 있고 상황에 따라서는 두 가지가 모두 적용되기도 한다. 투수성이 불량하며 적색을 띠는 이암의 경우는 쇄설성 기원임을 지시한다. 철산화물이 입자 표면의 일부 또는 드문드문 덮을 경우에는 갈색을 띤다. 녹색은 일라이트(illite) 또는 녹니석(chlorite)과 같은 점토광물에 2가 철이온이 존재할 때 나타나며, 기존 적색을 띠던 이암이 공극수에 의해 적철석이 환원됨에 따라 녹색으로 변하는 경우도 보고된 바 있다. 따라서, 녹색은 공극이 많은 사암이나 실트층 내에 주로 나타나며, 단층이나 절리 부근에서도 흔히 관찰된다. 적색 이암에 녹색 반점이 나타나는 경우는 유기물이 국부적으로 존재하여 철이 환원되는 경우에 나타난다. 건조 지역의 증발호소(playa) 또는 범람원에서 퇴적된 이암은 퇴적 당시, 또는 초기 속성작용 동안 산화작용이 우세하여 붉은색을 띠는 경우가 많다.
올리브색 또는 노란색 등의 기타 색상을 띠는 경우에는 녹색 광물과 유기물의 복합작용에 기인한다. 생물교란의 정도에 따라 다양한 회색이 초래되기도 하며, 토양 내에서의 물의 작용으로 인하여 황색/적색/갈색 등의 여러 색이 구현될 수 있다.
셰일가스
시추에 관한 배경기술
수년 전의 예상과 달리 미국의 셰일(Shale, 이암) 붐이 다른 지역으로 파급되지 못하는 이유는, 현재 북미지역 만큼 셰일층에 대한 충분한 지질학적 정보와 수평시추 및 수압파쇄를 효율적으로 수행할 수 있는 인프라를 갖춘 지역이 없기 때문이다. 특히 기대되었던 유럽에서는 수압파쇄를 둘러싼 환경문제에 대한 논란, 불충분한 지질정보, 그리고 서비스 기업의 부재 등이 발목을 잡고 있다. 북미지역 이외의 지역에서 셰일가스 자원개발이 촉진되려면 기술적으로 이러한 여건을 극복해야 할 것이 필요할 것으로 예측된다.
미국 에너지성이 NETL을 통해 2013년 봄에 발주한 셰일가스 관련 R&D주제인 (1) 환경저감기술, (2) 수처리 방법개선, (3) 셰일층의 특성화 개선, 그리고 (4) 수압파쇄과정에 대한 이해 증진 등이 이를 대변한다. 현재 미국에서 수압파쇄된 지층구간의 30 - 40%에서 가스가 생산되지 않는 것으로 알려져 있다. Sweet spot에 대한 '카펫 시추(carpet drilling)'와 '공장식 생산(factory production)'이라 할 만한 균등 완결방식으로는 개발여건이 좋지 않은 지역에서 수익을 거두기 어렵다. 따라서, 셰일 저류층의 수평 및 수직적인 불균질성 및 이방성을 규명하여 sweet spot의 파쇄효율을 높이려는 지질학적 접근이 크게 강조되고 있다.
Sweet spot 내의 지질지화학적 특성이 당초 예상보다 더 불균질하고, 응력장, 물성, 자연균열대 등의 저류층 특성에 따라 생산성이 좌우되므로 층서퇴적학, 구조지질학, 암석물리학, 암석역학 및 지구물리학의 융합 연구를 통해 셰일저류층의 파쇄효율을 정밀하게 예측할 수 있는 기술이 개발된다면 북미지역과 여건이 다른 지역에서의 셰일 저류층의 상업적인 생산이 촉진되어 셰일가스의 새로운 시대를 여는데 큰 기여가 될 것이다.
근원암 저류층(셰일가스층)을 형성하는 주요 암석인 셰일(이암)은 지구표면에 분포하는 퇴적암의 약 75%를 차지할 정도로 다양한 퇴적환경(하천, 호수, 연안, 대륙붕, 심해저 등)에서 형성되기 때문에 광물구성, 공극률, 유기물함량, 입자배열, 층리간격, 지층연장성 등에 따른 수직 및 수평 이방성에 있어서 매우 폭넓은 변화특성을 보인다.
셰일의 이러한 다양성은 근원암 저류층으로서의 특성과 파쇄특성을 결정함으로써 셰일가스층 탐사와 개발에 중요한 변수로 작용한다. 따라서, 성공적인 셰일가스층의 개발을 위해서는 대상지역 지층의 층서, 퇴적환경 및 지질구조의 특성과 분포에 대한 정보를 생산하여 종합모델을 구축하고 이를 3차원적으로 가시화함으로써 셰일가스층의 탐사(sweet spot 도출)와 개발(시추공설계 및 파쇄효율 증진) 과정에서 활용도를 높이는 것이 중요하다.
지하 지층의 지질학적(층서, 퇴적, 구조) 모델 구축은 탄성파자료와 이를 암석학적으로 검증(calibration) 할 수 있는 시추공자료(물리검층 및 암석코어)의 분석과정을 거쳐 이루어진다. 즉, 탄성파자료(2D 및 3D)를 이용하여 순차층서, 지질구조, 탄성파상(반사파의 진폭, 주기, 연장성 등에 기반) 분석 및 mapping을 실시함으로써 탄성파단면 해석도, 시간구조도(건층면, 층후), 지질구조도, 탄성파(속성) 분포도를 작성한다.
또한, 시추공 코어자료를 이용하여 퇴적상(입도, 퇴적구조) 및 기타 암석학적 특성을 분석하고, 시추공 물리검층자료(SP, GR, SonicDT, RhoB 등)를 이용하여 well-log facies, well-log sequence stratigraphy 분석을 실시함으로써 암상정보를 도출하고 지층별 퇴적환경을 해석한다.
그리고, 최종적으로 탄성파자료의 시간-심도 변환(time-to-depth conversion)을 통하여 시추공자료로부터 취득된 층서 및 퇴적학적 특성을 탄성파자료의 분석결과에 대비(correlation)시킴으로써 분지규모 혹은 play 규모의 층서, 퇴적 및 지질모델을 도출할 수 있다.
최근에 이러한 일련의 분석 및 해석 작업은 대부분 고성능의 워크스테이션과 이를 기반으로 구동되는 분석소프트웨어(Petrel, Kingdom, Paradigm 등)에 의해 이루어진다. 특히, 분석소프트웨어는 탄성파 및 시추공 자료의 지질학적 분석뿐만 아니라 탄성파자료의 지구물리학적 특성 분석(역산 및 속성 분석)과 저류층 특성화 및 시추공 설계 등의 작업도 연계하여 수행할 수 있도록 패키지 형태로 개발되어 있기 때문에 지질학 및 지구물리학적 정보의 교류와 종합이 용이하며, 분석결과를 정량화하고 3차원적으로 가시화할 수 있다는 장점이 있다.
이에, 본 발명자들은 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot)을 탐색하는 효율을 높이기 위해 연구하던 중, 시추공 암석코어를 이용하여 퇴적상 및 기타 암석학적 특성을 분석하여 암상(rock facies) 정보를 도출하고 지층별 퇴적환경을 해석할 수 있어, 이러한 결과를 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot)을 탐색하는 자료로 활용할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어에서 세립질 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 지질학적 모델 구축방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 저류층의 탐색방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 시추를 위한 시추공 선정방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어를 화학조성에 따라, 규산쇄설성(siliciclastic) 암석을 구분하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 입도(입자 크기)에 따라, 세립질(입도 3.9 ㎛ 미만) 입자가 우세한 이암(mudstone)과 조립질(입도 3.9-63.0 ㎛) 입자가 우세한 실트암(siltstone)으로 구분하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 퇴적구조의 유무에 따라, 엽층리, 무층리 또는 변형층리로 구분하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 구분된 엽층리를 퇴적구조의 명확성 여부에 따라, 명확 퇴적구조 또는 불명확 퇴적구조로 구분하는 단계(단계 4);
상기 단계 4의 명확 퇴적구조 및 불명확 퇴적구조와 상기 단계 3의 무층리를 퇴적구조의 형태에 따라 구분하되, 상기 명확 퇴적구조는 평행 엽층리, 사층리 또는 연흔층리로 구분하고, 상기 불명확 퇴적구조는 불명확 층리 또는 빗살 층리로 구분하며, 상기 무층리는 균질 무층리 또는 생물교란 무층리로 구분하는 단계(단계 5); 및
상기 단계 5의 평행 엽층리(PL, Parallel laminated siltstone), 사층리(HL, Hummocky cross-laminated siltstone), 연흔층리(RC, Ripple-laminated complex), 불명확 층리(IL, Indistinctly-laminated mudstone), 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone), 균질 무층리(HM, Homogeneous mudstone) 및 생물교란 무층리(BT, Bioturbated mudstone)와 상기 단계 3의 변형층리(DF, Deformed mudstone)를 색상의 명도(brightness)에 따라 각각 2개의 암상코드로 분류하는 단계(단계 6);
를 포함하는 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어에서 세립질 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 지질학적 모델 구축방법을 제공한다. 여기서, 상기 구축방법은 탄성파 자료, 시추공 물리검층자료 및 분석소프트웨어 중 하나 이상을 더 포함하여 종합적으로 분석하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 저류층의 탐색방법을 제공한다. 여기서, 상기 탐색방법은 탄성파 자료, 시추공 물리검층자료 및 분석소프트웨어 중 하나 이상을 더 포함하여 종합적으로 분석하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 분류방법으로 분류된 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone)에서 분광측색계(spectrum colorimeter)로 측정한 명도 45(L*) 이하의 암상코드(SL-d)에 해당하는 지층을 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층으로 예측하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 시추를 위한 시추공 선정방법을 제공한다. 여기서, 상기 선정방법은 탄성파 자료, 시추공 물리검층자료 및 분석소프트웨어 중 하나 이상을 더 포함하여 종합적으로 분석하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 분류방법으로 분류된 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone)에서 분광측색계(spectrum colorimeter)로 측정한 명도 45(L*) 이하의 암상코드(SL-d)에 해당하는 지층을 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층으로 예측하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 암상 분류방법은 암상 정보를 도출하고 지층별 퇴적환경을 해석할 수 있으므로, 본 발명의 암상 분류방법으로 얻은 결과를 탄성파자료, 시추공 물리검층자료, 분석소프트웨어 등과 함께 종합적으로 분석하여, 지질학적 모델을 구축하고, 나아가 이를 통해 셰일가스 저류층을 탐색할 수 있으며, 더욱 나아가 셰일가스 시추를 위한 시추공을 선정을 할 수 있으므로, 셰일가스 시추를 위한 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층을 예측하는 적중률을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분류방법으로 세립질 쇄설성 퇴적암의 암상을 분류하는 분류체계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 층리에 따라 분류한 여러 퇴적암을 나타낸 사진이다.
도 3은 분광측색계(제조사: Minolta, 모델명: CM-2500D)로 암석코어의 색상(L* = 명도; a* = 적색(+) 및 녹색(-); b* = 노란색(+) 및 청색(-))을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 분광측색계(제조사: Minolta, 모델명: CM-2500D)로 암석코어의 명도(L*)를 45 기준으로 구분한 각 암상 구간의 분포를 나타낸 도면이다.
도 2는 층리에 따라 분류한 여러 퇴적암을 나타낸 사진이다.
도 3은 분광측색계(제조사: Minolta, 모델명: CM-2500D)로 암석코어의 색상(L* = 명도; a* = 적색(+) 및 녹색(-); b* = 노란색(+) 및 청색(-))을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 분광측색계(제조사: Minolta, 모델명: CM-2500D)로 암석코어의 명도(L*)를 45 기준으로 구분한 각 암상 구간의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어를 화학조성에 따라, 규산쇄설성(siliciclastic) 암석을 구분하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 입도(입자 크기)에 따라, 세립질(입도 3.9 ㎛ 미만) 입자가 우세한 이암(mudstone)과 조립질(입도 3.9-63.0 ㎛) 입자가 우세한 실트암(siltstone)으로 구분하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 퇴적구조의 유무에 따라, 엽층리, 무층리 또는 변형층리로 구분하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 구분된 엽층리를 퇴적구조의 명확성 여부에 따라, 명확 퇴적구조 또는 불명확 퇴적구조로 구분하는 단계(단계 4);
상기 단계 4의 명확 퇴적구조 및 불명확 퇴적구조와 상기 단계 3의 무층리를 퇴적구조의 형태에 따라 구분하되, 상기 명확 퇴적구조는 평행 엽층리, 사층리 또는 연흔층리로 구분하고, 상기 불명확 퇴적구조는 불명확 층리 또는 빗살 층리로 구분하며, 상기 무층리는 균질 무층리 또는 생물교란 무층리로 구분하는 단계(단계 5); 및
상기 단계 5의 평행 엽층리(PL, Parallel laminated siltstone), 사층리(HL, Hummocky cross-laminated siltstone), 연흔층리(RC, Ripple-laminated complex), 불명확 층리(IL, Indistinctly-laminated mudstone), 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone), 균질 무층리(HM, Homogeneous mudstone) 및 생물교란 무층리(BT, Bioturbated mudstone)와 상기 단계 3의 변형층리(DF, Deformed mudstone)를 색상의 명도(brightness)에 따라 각각 2개의 암상코드로 분류하는 단계(단계 6);
를 포함하는 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어에서 세립질 쇄설성 퇴적암의 암상 분류방법을 제공한다.
도 1에 본 발명에 따른 분류방법으로 세립질 쇄설성 퇴적암의 암상을 분류하는 분류체계를 나타내었다.
본 발명에 따른 암상 분류방법은 셰일가스의 주요 탐사대상이 되는 세립질 사암과 이암에 적용가능하다. 일반적으로, 셰일가스 탐사를 위한 기술분야에서 암상 분류를 위한 기준은 지역에 따라 상이할 수 있다. 이러한 관점에서, 본 발명에 따른 암상 분류방법은 캐나다 셰일가스 퇴적분지 암석을 주적용 대상으로 하고, 특히 바람직하게는 브리티쉬콜럼비아(British columbia) 및 알버타(Alberta)에 해당하는 서부 캐나다 퇴적분지에서 초기(Lower) 트라이아스기(Triassic age)의 층서학적(stratigraphical) 유닛인 몬트니층(Montney fomation)을 주적용 대상으로 한다.
본 발명에 따른 분류방법에 있어서, 상기 단계 1은 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어를 화학조성에 따라, 규산쇄설성(siliciclastic) 암석을 구분하는 단계이다.
본 발명에 따른 분류방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 입도(입자 크기)에 따라, 세립질(입도 3.9 ㎛ 미만) 입자가 우세한 이암(mudstone)과 조립질(입도 3.9-63.0 ㎛) 입자가 우세한 실트암(siltstone)으로 구분하는 단계이다.
구체적으로, 니질 퇴적물로 구성된 이암의 주요 구성성분은 점토광물과 실트 크기로 구성된 석영이 주를 이룬다. 실제 암석 혹은 시추 암석코어 상에서 실트와 점토의 정확한 입도를 측정하기는 매우 어려우나 실트 크기로 구성된 석영입자가 우세한 경우에는 밝은 색의 이암 또는 실트암으로 나타나며 비교적 더욱 조립한 석영입자는 육안, 돋보기 또는 현미경을 통해 식별이 가능하다. 따라서, 이러한 이암의 색상(또는 명도)과 육안으로 관찰되는 석영입자의 관찰을 통해 상대적으로 조립질 입자가 우세한 실트암과 세립질 입자가 우세한 이암으로의 구분이 가능하다.
본 발명에 따른 분류방법에 있어서, 상기 단계 3-5는 퇴적구조에 따라 암상을 분류하는 단계이다.
구체적으로, 입도에 따른 암상이 분류되면 그 이후에는 암석 내에 관찰되는 퇴적구조의 특징적 차이로 분류가 이루어진다. 퇴적구조에 따른 분류는 일차적으로 일차퇴적구조의 유무에 따라 구분하며, 일차퇴적구조가 없는 경우에는 생흔구조의 유무에 따라 균질 이암(또는 실트암)과 생물교란된 이암(또는 실트암)으로 구분한다.
층리를 보이는 일차퇴적구조가 있는 경우에는 그 층리의 두께에 따라 엽층리(lamination)가 발달된 이암과 층리(bedding)가 발달된 이암으로 구분하며 층리의 명확성에 따라 세분한다.
층리가 희미한 경우는 그 층리가 연속성은 좋으나 희미하게 나타날 수 있고, 층리 부분적으로 명확하지만 불연속적으로 끊어진 경우(빗살)에도 상대적으로 희미하게 발달될 수 있다.
이 같이 분류가 된 이후에는 층리의 형태를 통해 구분한다. 예로 층 경계면과 평행하게 지층내부에 줄무늬가 발달된 경우에는 평행 층리(또는 엽층리), 층 경계면과 경사진 내부 층리가 발달된 경우에는 사층리(또는 엽층리), 파형(wavy) 혹은 연흔(ripple)의 형태로 층리가 발달되는 경우에는 연흔 층리(또는 엽층리) 등으로 구분한다(도 2 참조).
일차퇴적구조가 발달된 경우에서도 생흔구조가 발달될 수 있는데 이는 퇴적작용이 일어날 당시의 상대적인 에너지환경을 반영할 수 있기 때문에 추가적인 기재를 해주는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 분류방법에 있어서, 상기 단계 6은 상기 단계 5의 평행 엽층리(PL, Parallel laminated siltstone), 사층리(HL, Hummocky cross-laminated siltstone), 연흔층리(RC, Ripple-laminated complex), 불명확 층리(IL, Indistinctly-laminated mudstone), 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone), 균질 무층리(HM, Homogeneous mudstone) 및 생물교란 무층리(BT, Bioturbated mudstone)와 상기 단계 3의 변형층리(DF, Deformed mudstone)를 색상의 명도(brightness)에 따라 각각 2개의 암상코드로 분류하는 단계이다.
구체적으로, 퇴적암의 색상은 암석의 구성광물과 지화학적 특성에 의해 결정되기 때문에 암층을 구분하는데 색상의 변화를 확인하는 것이 유용하다. 규산쇄설성 암석들은 경험적으로 회색 계열을 이루는 경우가 많다. 전통적으로 퇴적암 또는 퇴적물의 대한 색상은 암석색상차트(rock color chart)에 나타나는 색상과 비교하여 구분한다. 그러나 실제 이러한 회색질 암석을 육안으로 관찰하는 경우에서 색상의 변화가 점이적일 경우에는 경계 구간을 구분하기가 매우 부정확하며 객관적인 분류가 쉽지 않다.
따라서, 분광측색계(spectrophotometer)와 같이 색상을 수치적으로 측정할 수 있는 장비를 활용하는 것이 보다 정확하고 객관적으로 색을 분류할 수 있다. 분광측색계에서 측정된 색상 정보는 "L*", "a*" 및 "b*"의 수치 값으로 산출된다.
일반적으로, 분광측색계는 명도(Brightness)를 지시하는 값의 단위로 "L*"를 사용하고, "L*" 값이 높을수록 밝아짐을 의미한다(도 4 참조). "a*"는 적색(+)과 녹색(-)의 범위를 "b*"는 노란색(+)과 청색(-)의 범위를 지시한다. 본 발명에서는 분광측색계로 Minolta사의 CM-2500D 모델을 사용하였다.
실례로 도 3에는 분광측색계를 활용하여 시추 암석코어를 심도 5 cm 간격으로 측정한 결과에 대한 꺾은선 그래프를 보여주는데 이러한 꺾은선 그래프를 통해 색상의 변화가 미비한 경우와 급격한 구간을 확인할 수 있다.
화학조성, 입도 및 퇴적구조에 따라 분류된 암상 내에서도 색상의 차이가 나타나며, 분광측색계로부터 산출된 "L*" 값을 기준으로 밝은 색의 암상과 어두운 색의 암상으로 구분이 가능하다. 추가적으로 "a*"와 "b*"의 값을 이용하여 암상에 대한 보다 세분화된 분류도 가능할 수 있다(도 3 참조).
도 4의 각 암상에 대한 색차계 그래프는 L*(명도) 45를 기준으로 구분한 측정결과이다. 도 4의 암상 SL과 DF는 육안관찰로도 밝고 어두운 회색질의 색상을 가장 뚜렷하게 나타나는 암상이다.
L*(명도) 45를 기준으로 분광측색계의 결과를 살펴보면 SL과 DF의 구분이 비교적 명확한 것을 확인할 수 있다. 그 외 암상에 대한 명도를 보면 밝은 회색질 구간과 어두운 회색질 구간이 모두 나타나게 되는데 이러한 결과로 볼 때, 색상이 변화되는 구간을 단순히 육안관찰로부터 분류하기보다는 수치적 자료를 통한 명확한 색상 구분이 필요하다.
최종적인
암상
분류체계
위의 모든 절차를 정리해보면, 일차적으로 화학조성에 따라 암상을 분류한다(규산쇄설성 암석 등).
화학조성에 따라서 암상이 분류되면 퇴적암을 구성하는 입도에 따라 역암, 사암, 이암(이암/실트암)과 같이 이차적으로 분류한다.
입도에 따른 암상까지 분류가 되었다면, 퇴적구조의 양상을 확인하고 특징적인 차이를 구분한다. 퇴적구조의 특징은 일차적으로 일차퇴적구조의 유무에 따라 구조가 있는 경우, 구조가 없는 경우 그리고 추가적으로 이차적 변형에 의해 변화된 구간도 분류한다. 변형구조는 퇴적작용에 의해 발달되기 보다는 이차적인 물리적 변형에 의해 발달될 수 있으며 변형 전 일차퇴적구조를 확인하기 어렵기 때문에 따로 분류하는 것이 용이하다.
일차퇴적구조가 존재하는 경우에는 주로 층리가 발달되기 때문에 층리의 두께와 명확성에 따라 구분해준다.
최종적으로 일차퇴적구조가 발달된 구간은 퇴적구조의 형태(평행층리, 사층리, 연흔층리 등)에 따라 분류하고, 일차퇴적구조가 없는 경우는 균질하게 발달된 구간과 생흔구조에 의해 집중되는 구간을 구분해준다.
퇴적구조에 의한 암상의 분류가 이루어지면 마지막으로 색상의 변화에 따라 분류한다. 색상에 대한 변화는 암석색상차트를 이용한 육안관찰 비교보다는 수치적 색상 자료(분광측색계와 같은 장비를 활용)에 근거하여 분류한다(도 1 참조).
본 발명의 분류방법에 따른
암상
코드와 이의 해설
하기 표 1에 본원발명의 분류방법에 따라 분류된 암상 코드 각각에 대한 퇴적구조와 퇴적작용에 대한 해설을 기재하였다.
| 암상 코드 | 퇴적구조 | 퇴적작용 | |
| PL-d | 평행엽층리 (Parallel laminated siltstone, <45 L*) |
얇은 엽층리가 자주 협재; 개별 엽리의 간격 혹은 엽층의 두께는 0.5-수 mm; 엽리의 형태는 평타하고 서로 평행하지만 부분적으로 허목키 사층리가 나타나기도 함; 때로 단위 퇴적상의 하부경계는 뚜렷한 반면 상부는 점이적으로 나타남; 밝은색의 엽층은 주로 규질 실트입자로 구성; 전체적으로 어두운 색상 | 폭풍파; 수류 및 저탁류 |
| PL-l | 평행엽층리 (Parallel laminated siltstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| HL-d | 사층리 (Hummocky cross-laminated siltstone, <45 L*) |
파동 모양의 완만하게 경사진 엽층리로 구성된 사층리가 우세; 사층리층의 하부는 침식성이며 직상부에는 침식면과 평행하게 엽리가 발달; 전반적으로 어두운 색상 | 폭풍파 및 수류 |
| HL-l | 사층리(Hummocky cross-laminated siltstone, >45 L*) | 퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| RC-d | 연흔층리 (Ripple-laminated complex, <45 L*) |
실트우세 엽층과 점토우세 엽층이 서로 교호하면서 다양한 형태의 연흔사층리(파형층리, 렌즈형층리, 우상층리 등)를 보임; 개별 사층리 유형 사이의 체계적인 연관성은 높지 않음; 전반적으로 어두운 색상 | 근안역 조류 및 파도 |
| RC-l | 연흔층리 (Ripple-laminated complex, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| IL-d | 불명확 층리 (Indistinctly-laminated mudstone, <45 L*) |
불명확하거나 희미한 엽층리를 보임; 단위 퇴적상의 경계는 뚜렷하거나 점이적; 밝은 색의 입자들이 열을 지어 배열되면서 개별 엽층리가 발달; 전반적으로 어두운 색상 | 폭풍 및 홍수 기원 고탁도 수류 |
| IL-l | 불명확 층리 (Indistinctly-laminated mudstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| SL-d | 빗살 층리 (Streaky-laminated mudstone, <45 L*) |
엽층리의 두께는 0.5 mm 이하; 엽층리는 밝은색의 매우 얇은(0.1 mm 내외) 빗살모양 엽층이 반복되어 형성; 엽층리의 형태는 평탄하고 평행하며 부분적으로 휘어지거나 파형을 보이며 점차 얇아지기도 함; 단일 퇴적상의 경계는 대부분 불명확하거나 점이적임; 전반적으로 어두운 색상 | 원양성 퇴적(황사유입 포함될 수 있음) |
| SL-l | 빗살 층리 (Streaky-laminated mudstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| HM-d | 균질 무층리 (Homogeneous mudstone, <45 L*) |
생물교란을 포함한 어떠한 1차 퇴적구조도 없음; 다만 일부 희미한 엽층리(혹은 켜 및 띠) 혹은 점이층리가 나타남; 상경계부는 점이적(뚜렷하지 않음); 전반적으로 어두운 색상 | 고탁도 저층수류 또는 저탁류 |
| HM-l | 균질 무층리 (Homogeneous mudstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| BT-d | 생물교란 무층리 (Bioturbated mudstone, <45 L*) |
생교란되거나 미생물에 의한 얼룩흔적; 전반적으로 어두운 색상 | 반원양성 침전 또는 고탁도 저층수류 말단부 퇴적 |
| BT-l | 생물교란 무층리 (Bioturbated mudstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
| DF-d | 변형층리 (Deformed mudstone, <45 L*) |
거의 전 부분에서 원래의 퇴적구조들이 파열(분열)되어 있거나 소성변형의 결과로 휘어져 나타남; 전반적으로 어두운 색상 | 사태 또는 포행 |
| DF-l | 변형층리 (Deformed mudstone, >45 L*) |
퇴적구조 등의 특징은 위와 거의 동일하며, 전체적인 명도만 밝게 나타남 | 위와 유사 |
또한, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 지질학적 모델 구축방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 저류층의 탐색방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 분류방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 시추를 위한 시추공 선정방법을 제공한다.
본 발명에 따른 암상 분류방법으로 얻은 결과는 탄성파자료, 시추공 물리검층자료, 분석소프트웨어 등과 함께 종합적으로 분석하여, 지질학적 모델을 구축하고, 나아가 이를 통해 셰일가스 저류층을 탐색할 수 있으며, 더욱 나아가 셰일가스 시추를 위한 시추공을 선정을 할 수 있으므로, 셰일가스 시추를 위한 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층을 예측하는 적중률을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 분류방법으로 분류된 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone)에서 분광측색계(spectrum colorimeter)로 측정한 명도 45(L*) 이하의 암상코드(SL-d)에 해당하는 지층은 심해저에서 퇴적되어 세립질 입자가 우세하며(셰일) 상대적으로 높은 유기물 함량을 갖고 있을 가능성이 높기 때문에 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층으로서 높은 잠재성을 갖는다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 암상 분류방법은 암상 정보를 도출하고 지층별 퇴적환경을 해석할 수 있으므로, 본 발명의 암상 분류방법으로 얻은 결과를 탄성파자료, 시추공 물리검층자료, 분석소프트웨어 등과 함께 종합적으로 분석하여, 지질학적 모델을 구축하고, 나아가 이를 통해 셰일가스 저류층을 탐색할 수 있으며, 더욱 나아가 셰일가스 시추를 위한 시추공을 선정을 할 수 있으므로, 셰일가스 시추를 위한 스위트 스팟(sweet spot) 후보 지층을 예측하는 적중률을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
Claims (14)
- 셰일가스 탐사과정에서 시추를 통해 회수된 암석코어를 화학조성에 따라, 규산쇄설성(siliciclastic) 암석을 구분하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 입도(입자 크기)에 따라, 세립질(입도 3.9 ㎛ 미만) 입자가 우세한 이암(mudstone)과 조립질(입도 3.9-63.0 ㎛) 입자가 우세한 실트암(siltstone)으로 구분하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 구분된 규산쇄설성 암석의 퇴적구조의 유무에 따라, 엽층리, 무층리 또는 변형층리로 구분하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 구분된 엽층리를 퇴적구조의 명확성 여부에 따라, 명확 퇴적구조 또는 불명확 퇴적구조로 구분하는 단계(단계 4);
상기 단계 4의 명확 퇴적구조 및 불명확 퇴적구조와 상기 단계 3의 무층리를 퇴적구조의 형태에 따라 구분하되, 상기 명확 퇴적구조는 평행 엽층리, 사층리 또는 연흔층리로 구분하고, 상기 불명확 퇴적구조는 불명확 층리 또는 빗살 층리로 구분하며, 상기 무층리는 균질 무층리 또는 생물교란 무층리로 구분하는 단계(단계 5); 및
상기 단계 5의 평행 엽층리(PL, Parallel laminated siltstone), 사층리(HL, Hummocky cross-laminated siltstone), 연흔층리(RC, Ripple-laminated complex), 불명확 층리(IL, Indistinctly-laminated mudstone), 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone), 균질 무층리(HM, Homogeneous mudstone) 및 생물교란 무층리(BT, Bioturbated mudstone)와 상기 단계 3의 변형층리(DF, Deformed mudstone)를 색상의 명도(brightness)에 따라 각각 2개의 암상코드로 분류하는 단계(단계 6);
를 포함하고,
상기 단계 6의 빗살 층리(SL, Streaky-laminated mudstone)에서 분광측색계(spectrum colorimeter)로 측정한 명도(L*) 45 이하의 암상코드(SL-d)에 해당하는 지층을 셰일가스 저류층의 스위트 스팟(sweet spot) 최적 후보 지층으로 예측하는 것을 특징으로 하는 셰일가스 저류층의 탐색방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2의 입도(입자 크기) 구분은 육안, 돋보기 또는 현미경으로 수행하는 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 3-5의 구분은 육안 또는 카메라가 구비된 장치로 수행하는 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 6에서 색상의 명도(brightness)에 따라 각각 2개의 암상코드로 분류하는 기준은 분광측색계(spectrum colorimeter)로 측정한 명도(L*) 45를 기준으로 초과 또는 이하인 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탐색방법은 캐나다 셰일가스 퇴적분지 암석을 대상으로 하는 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 제5항에 있어서,
상기 탐색방법은 서부 캐나다 퇴적분지에서 초기(Lower) 트라이아스기(Triassic age)의 층서학적(stratigraphical) 유닛인 몬트니층(Montney fomation) 암석을 대상으로 하는 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탐색방법은 탄성파 자료, 시추공 물리검층자료 및 분석소프트웨어 중 하나 이상을 더 포함하여 종합적으로 분석하여 탐색하는 것을 특징으로 하는 탐색방법.
- 삭제
- 제1항의 탐색방법에 의해 얻은 결과를 포함하는 셰일가스 시추를 위한 시추공 선정방법.
- 삭제
- 삭제
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