셰일 오일 저류층에서의 산성 파쇄 유체 점도 측정

산성 암석 반응 속도론과 점도와의 관계

산-암석 반응 메커니즘은 유체 점도에 크게 영향을 받습니다. 기존의 산성 시스템은 탄산염 광물과 빠르게 반응하여 용해가 시추공 근처에 집중되고 침투 깊이가 제한됩니다. 점탄성 계면활성제 또는 고분자-산 에멀젼을 사용하는 지연형 산성 시스템은 수소 이온의 확산 속도를 감소시켜 전체적인 산-암석 반응 속도를 늦춥니다. 이를 통해 산이 소모되기 전에 투수율이 낮거나 다공성이 낮은 지층에 더 깊이 침투할 수 있어 더 넓은 범위의 에칭과 더 긴 균열을 유도합니다.

반응 속도 조절은 다음을 통해 맞춤 설정할 수 있습니다.

• 산 확산을 미세 조정하기 위해 계면활성제/폴리머 비율을 조절합니다.
• 지연 주입과 일반 주입을 번갈아 가며 적용하는 순차적 산처리 방식은 시추공 근처와 심부 지층의 에칭 균형을 이루어냅니다. 순차적 주입 실험에서 교대 산 시스템이 단계적인 에칭 효과와 향상된 저류층 자극을 제공하는 것으로 나타났습니다.

시너지 효과는 여러 요소를 조합했을 때 나타납니다.

• 폴리머와 비이온성 계면활성제를 결합하면 점도가 크게 증가하고 열 및 염분 저항성이 향상됩니다. 이는 모의 저수지 조건에서 수행된 유변학적 특성 및 모래 운반 특성 평가를 통해 검증되었습니다.
• 알칼리-계면활성제-폴리머(ASP) 혼합물 및 나노복합체 시스템(예: 그래핀 산화물-폴리머)은 산의 속도 조절 점도와 안정성을 향상시키는 동시에 프로파일 제어 및 잔류 산 제거를 지원합니다. 이는 불균일한 천연 침투 채널에서 산 파쇄를 최적화하고 투수성이 낮거나 다공성이 낮은 지층에서 회수율을 높이는 데 매우 중요합니다.

유리 미세 모형 및 코어플러드 테스트 결과, 이러한 맞춤형 조성물은 산 접촉 시간을 증가시키고, 광물과의 반응 속도를 늦추며, 에칭 면적을 개선하고, 궁극적으로 유전 배수량을 확장하는 것으로 확인되었으며, 이는 산성 파쇄 유체의 조성, 점도, 산-암석 반응 속도 및 전반적인 저류층 자극 효율 간의 실질적인 관계를 보여줍니다.

균열 형상이 산 침투 및 효과에 미치는 영향

균열의 기하학적 형상, 특히 길이, 너비(균일도), 그리고 공간적 분포는 산 침투에 결정적인 영향을 미치며, 따라서 산 파쇄의 효율성을 좌우합니다. 길고 넓은 균열은 산의 광범위한 분포를 촉진하지만, 미사용 산이 경로를 따라 완전히 반응하지 않고 균열 끝부분에 빠르게 도달하는 "산 돌파" 현상으로 인해 효율성이 저하될 수 있습니다. 특히 불균일한 에칭으로 형성된 채널형 또는 거친 벽면의 균열과 같은 가변적인 균열 구조는 우선적인 경로를 제공하고 산의 조기 손실을 줄여 침투력을 향상시킵니다.

• 조리개 가변성:산 에칭으로 형성된 채널형 표면은 응력 하에서도 전도성을 유지하고 산의 우선적인 이동 경로를 제공합니다.
• 공간 배치:시추공에 가까운 균열은 산을 보다 균일하게 분산시키는 데 도움이 되는 반면, 멀리 떨어져 있거나 가지가 많이 갈라진 균열은 단계적 산 주입이나 산성/중성 유체 슬러그를 교대로 주입하는 것이 효과적입니다.
• 다단계 주입:산성 용액과 스페이서 유체를 번갈아 사용하면 확장된 균열면을 따라 에칭을 재활성화하여 더 깊은 침투와 자연 균열 및 유도 균열의 보다 효과적인 확대를 유도할 수 있습니다.

마이크로 CT 스캐닝과 수치 모델링을 활용한 현장 및 실험실 조사 결과, 기하학적 복잡성과 거칠기가 암석의 산성 반응 속도와 투과율 향상 정도를 좌우하는 것으로 나타났습니다. 따라서 적절한 산성 파쇄 설계는 산 시스템의 특성과 주입 방식을 저류층의 파쇄 형상에 최적으로 맞춰 파쇄 전도성을 극대화하고 석유 회수율을 향상시키는 데 기여합니다.

효과적인 산성 파쇄를 위한 최적화 전략

산성 시스템 및 첨가제 선택

산성 파쇄 공정의 최적화는 적절한 산 시스템 선택에 크게 좌우됩니다. 겔화 또는 유화 산과 같은 지연형 산 시스템은 산과 암석의 반응 속도를 늦추도록 제조됩니다. 이를 통해 균열을 따라 더 깊이 침투하고 보다 균일한 산 에칭이 가능합니다. 반면, 기존의 산 시스템(일반적으로 변형되지 않은 염산)은 반응 속도가 빨라 산 침투 깊이를 제한하고 특히 탄산염암 및 고온 셰일 저류층에서 균열 확장을 저해하는 경우가 많습니다. 최근에는 초고온 저류층에 특화된 고체 산 시스템이 개발되어 반응 속도를 더욱 늦추고 부식을 줄이며 산 작용 시간을 연장하고 암석 용해를 개선하여 효과를 높이고 있습니다.

지연형 시스템과 일반 시스템을 비교할 때:

• 지연산이러한 산은 시추공 근처에서 산 소모가 빠르게 진행되어 처리 범위와 균일성이 저하되는 지층에서 선호됩니다. 이러한 산은 산에 의한 균열 확대를 촉진하고 균열 후 전도성 및 오일 배출 면적을 개선하는 것으로 나타났습니다.
• 일반적인 산얕은 처리나 투수성이 매우 높은 구역처럼 빠른 반응과 최소한의 침투가 허용되는 경우에는 충분할 수 있습니다.

점탄성 계면활성제(VCA 시스템) 또는 고분자 기반 겔화제와 같은 점도 조절제의 선택은 저수지별 특성에 따라 달라집니다.

• 저수지 온도와 광물학적 특성은 점도 조절제의 화학적 안정성과 성능을 결정합니다.
• 고온 환경에서는 겔화된 산을 분해하고 효율적인 후처리 세척을 보장하기 위해 캡슐화된 산화제 또는 산 에칭 캡슐과 같은 열적으로 안정적인 겔 파괴제가 필요합니다.
• 산성 파쇄액이 일정한 점도를 유지하도록 겉보기 점도 프로파일을 조정해야 합니다.충분한 점도펌핑 과정에서 (균열 폭 및 프로판트 현탁을 향상시키면서) 분해되지만, 효과적인 역류를 위해 겔 파괴제에 의해 완전히 분해될 수 있습니다.

첨가제를 적절히 선택하면 지층 손상을 최소화하고, 파쇄 촉진을 위한 효과적인 산 에칭을 보장하며, 저투과성 및 저다공성 저류층의 개선 효과를 극대화할 수 있습니다. 최근 현장 적용 사례는 신중하게 배합된 겔 파괴제를 사용한 VCA 기반 산 파쇄 유체 조성물이 기존 시스템에 비해 향상된 정화, 유체 손실 감소 및 저류층 자극 효과를 제공한다는 것을 보여줍니다.

산 분비 자극 성공에 영향을 미치는 운영 매개변수

산성 파쇄 시 운영 제어는 결과에 지대한 영향을 미칩니다. 핵심 운영 매개변수에는 펌프 속도, 주입되는 산의 양, 압력 프로파일 관리가 포함됩니다.

• 펌프 속도균열 전파 속도와 형상을 결정합니다. 속도가 높을수록 산이 더 깊이 침투하고 산과 암석의 상호작용이 지속되지만, 산이 너무 빨리 소모되거나 균열이 제어되지 않고 성장하는 것을 방지하기 위해 균형을 유지해야 합니다.
• 산 주입량산 에칭으로 생성된 균열의 길이와 너비에 영향을 미칩니다. 일반적으로 투수율이 낮은 지층에는 더 많은 양의 산이 필요하지만, 점도 조절제와 함께 산의 양을 최적화하면 전도도를 유지하면서 불필요한 화학 물질 사용을 줄일 수 있습니다.
• 압력 제어시추공 바닥 압력과 표면 압력을 실시간으로 조작하여 균열이 열린 상태를 유지하고, 유체 손실을 수용하며, 목표 균열 영역을 따라 산을 주입합니다.

실제로, 산의 종류나 점도를 번갈아 사용하는 단계적 또는 교대식 산 주입 방식은 채널 형성을 촉진하고, 곡선형 균열 발달을 유도하며, 유전 배수 면적을 최적화하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 2단계 교대식 산 주입은 단일 단계 방식보다 더 깊고 전도성이 높은 채널을 생성하여 실험실 및 현장 환경 모두에서 우수한 성능을 보였습니다.

저류층의 이질성에 맞는 산처리 기법을 선택하는 것은 매우 중요합니다. 광물학적 구성이 다양하고 자연 균열이 존재하는 셰일 저류층에서는 예측 모델링과 실시간 모니터링을 통해 주입 시기와 순서를 결정합니다. 균열 특성(예: 방향, 연결성, 자연 침투 채널 개선)에 기반한 조정을 통해 운영자는 최대의 자극 효과와 최소한의 지층 손상을 달성할 수 있도록 운영 매개변수를 세밀하게 조정할 수 있습니다.

예측 모델링 및 데이터 통합

최신 산성 파쇄 설계는 이제 작업 매개변수, 산성 파쇄 유체 특성 및 파쇄 후 전도도를 연관시키는 예측 모델을 통합합니다. 고급 모델은 다음 사항을 고려합니다.

• 산성 암석 반응 메커니즘 및 속도현장 조건에서 산성 형태와 에칭이 어떻게 진화하는지 포착합니다.
• 저수지별 요인다공성 및 투수성, 광물학적 이질성, 기존 균열망과 같은 요소들이 있습니다.

이 모델들은 경험적 데이터, 실험실 결과 및 머신러닝을 활용하여 점도, 펌프 속도, 산 농도 및 열 프로파일의 변화가 수압 파쇄에서 균열 생성 기술에 미치는 영향과 장기적인 저수지 배수 영역 최적화에 미치는 영향을 예측합니다.

현장 제약 조건과 운영 설계를 조화시키는 데 있어 핵심 지침은 다음과 같습니다.

• 예상되는 산-암석 반응 속도, 예상 온도 프로파일 및 완료 목표(예: 낮은 다공성 암석의 투수성 극대화 또는 불량한 자연 침투 채널 문제 해결)를 기반으로 점도 및 산 조성비를 선택합니다.
• 데이터 기반 접근 방식을 사용하여 산 주입 일정, 펌프 속도 및 파쇄제 투입량을 동적으로 조정함으로써 파쇄 크기와 처리 후 회수율을 모두 최적화합니다.

최근 현장 적용 사례를 보면 이러한 예측 기법이 파쇄 후 전도율을 높이고 석유 생산 예측을 개선하여 복잡한 셰일 및 탄산염 저류층 전반에 걸쳐 보다 효과적이고 신뢰할 수 있는 산성 파쇄 전략을 가능하게 한다는 것을 알 수 있습니다.

석유 배출 면적 확대 및 균열 전도성 유지

지층 막힘 제거 및 연결성 향상

산성 에칭은 셰일 저류층에서 응축수 축적 및 광물 스케일링과 같은 지층 막힘 문제를 해결하기 위한 산성 파쇄 유체 적용의 주요 메커니즘입니다. 염산(HCl)과 같은 산을 주입하면 방해석 및 백운석과 같은 반응성 광물과 반응합니다. 이러한 산-암석 반응 메커니즘은 광물 침전물을 용해시키고, 공극 공간을 확장하며, 이전에 분리되어 있던 공극을 연결하여 유전의 다공성과 투수성을 직접적으로 향상시킵니다. 산성-암석 반응 속도와 사용되는 특정 산성 파쇄 유체 조성은 셰일의 광물학적 특성 및 막힘 구성에 따라 달라집니다.

탄산염 함량이 높은 셰일에서는 염산(HCl) 농도가 높을수록 산성-암석 반응이 더 빠르고 효율적으로 일어나 부식 및 막힘 제거 효과가 더욱 두드러집니다. 저류층의 특정 탄산염 및 규산염 함량에 맞춰 산 조성을 조정하면 제거 공정이 최적화되어 자연적인 침투 통로가 효과적으로 복원되고, 자연 침투 통로의 불량한 상태를 개선할 수 있습니다. 산 용해로 인해 기존 균열면의 표면 거칠기가 증가하는데, 이는 균열 전도도 향상 및 탄화수소의 더욱 견고한 유동 통로 형성과 직접적인 상관관계가 있습니다. 이러한 메커니즘은 저투과성 지층에서 맞춤형 산 처리 후 가스 생산량 및 주입성 지수가 크게 향상되었음을 보여주는 실험 데이터를 통해 검증되었습니다.

지속적인 균열 전도성은 셰일 오일 유정의 장기적인 생산성에 매우 중요합니다. 시간이 지남에 따라 유도된 균열은 프로판트의 파쇄, 속성 변화, 매몰 또는 미세 입자의 이동으로 인해 전도성을 잃을 수 있습니다. 이러한 과정은 수압 파쇄 파괴 압력으로 생성된 열린 통로를 축소시켜 탄화수소 회수율에 심각한 영향을 미칩니다. 수학적 모델링 및 실험실 연구에 따르면 적절한 관리가 이루어지지 않을 경우 프로판트 열화로 인해 10년 동안 생산량이 최대 80%까지 감소할 수 있습니다. 폐쇄 압력, 프로판트 크기 및 초기 균열 표면 특성과 같은 요소가 중요한 역할을 합니다. 적절한 프로판트를 선택하고 시추공 내 압력을 적극적으로 관리하는 것은 산 에칭으로 생성된 확장된 통로를 유지하여 지속적인 석유 및 가스 흐름을 확보하는 데 필수적입니다.

골절망의 확장 및 유지

유전 배수 영역을 전략적으로 확장하려면 제어된 산성 시스템의 효과적인 설계 및 적용이 필수적입니다. 이러한 시스템은 첨가제(지연제, 겔화제, 계면활성제 등)를 포함하는 특수 설계된 산성 파쇄 유체 시스템으로, 산의 투입량을 조절하고, 산과 암석의 반응 속도를 제어하며, 처리 과정 중 유체 누출을 최소화합니다. 그 결과, 보다 정밀한 에칭 공정이 가능해져 수압 파쇄 시 균열 생성 기술을 극대화하고 1차 및 2차(곡선형) 균열의 확산을 촉진합니다.

제어된 산 시스템, 특히 겔화 산 및 현장 겔화 산은 균열 내 산의 위치와 지속 시간을 관리하는 데 도움이 됩니다. 이러한 시스템은 산과 암석의 반응 속도를 늦춰 침투 거리를 늘리고 균열 강화를 위한 보다 포괄적인 산 에칭을 가능하게 합니다. 이러한 접근 방식은 자극된 암석 부피를 증가시키고, 유전 배수 영역을 확장하며, 탄산염암 및 셰일암 모두에서 열악한 자연 침투 채널 문제를 해결합니다. 현장 사례는 이러한 기술이 더 넓고 연결된 균열 네트워크를 생성하여 탄화수소 회수율을 향상시킨다는 것을 보여줍니다.

동적 저류층 응력 하에서 투과율 개선을 유지하는 것 또한 중요한 고려 사항입니다. 높은 폐쇄 응력을 받는 암석에서 균열 전파는 종종 균열 폭 감소 또는 조기 폐쇄로 이어져 전도도를 저하시킵니다. 이를 방지하기 위해 여러 가지 전략이 사용됩니다.

• 응력 연동 천공 기술:이 방법은 균열의 발생 및 전파를 제어하여 자극 에너지 투입과 균열 네트워크 확장 사이의 균형을 최적화합니다. 예를 들어, 지양 분지에서는 이 기술을 통해 필요한 에너지를 37% 절감하면서 연결성과 환경적 결과를 모두 개선했습니다.
• 사전 산성화 처리:폴리수소산 시스템이나 기타 사전 산성 파쇄 유체를 사용하면 파쇄 파괴 압력을 낮추고 초기 지층 막힘을 줄여 보다 효율적이고 내구성 있는 파쇄 생성을 위한 기반을 마련할 수 있습니다.
• 지반역학 모델링:통합실시간 스트레스 측정저수지 모니터링을 통해 산 처리 매개변수를 예측하고 조정할 수 있으므로, 변화하는 현장 응력 조건에도 불구하고 균열 전도도를 유지하는 데 도움이 됩니다.

이러한 방법들은 최적화된 수압 파쇄 유체 첨가제 및 산성 파쇄 유체 조성과 결합되어 투수성 향상 효과를 유지하도록 보장합니다. 이를 통해 석유 시추업체는 파쇄망을 확장하고 유지하여 다공성이 낮은 암석의 투수성을 높이고 장기적인 자원 추출을 지원할 수 있습니다.

요약하자면, 혁신적인 산 에칭 공정, 첨단 제어 산 시스템, 그리고 지질역학적 정보를 활용한 파쇄 전략의 조합을 통해, 현대적인 저류층 자극 방법은 즉각적인 탄화수소 배출 영역을 극대화하는 동시에 지속적인 생산 성능에 필요한 파쇄 전도성을 보존하는 데 중점을 두고 있습니다.

결론

산성 파쇄액의 점도를 효과적으로 측정하고 최적화하는 것은 셰일층에서 파쇄 생성, 산 에칭 효율 및 장기적인 석유 저류층 배수를 극대화하는 데 매우 중요합니다. 최적의 방법은 저류층 조건에서의 유체 역학에 대한 심층적인 이해와 실험실 및 현장 데이터의 통합을 통해 도출되며, 이를 통해 실제 운영에 적용 가능한 결과를 얻을 수 있습니다.