석유지질학
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1. 개요
석유지질학은 퇴적 분지의 7가지 주요 요소(원암, 저류층, 덮개암, 트랩, 시기, 성숙, 이동)를 평가하여 석유 시스템을 분석하는 학문이다. 이 과정은 유정, 3D 탄성파 데이터, 전자기 지구물리 기술 등을 활용하여 이루어지며, 결정적 시기를 파악하여 탄화수소 생성, 이동, 축적 시기를 예측하는 것이 중요하다. 석유지질학은 근원암 분석, 지구화학 분석, 분지 분석, 탐사, 평가, 생산 단계, 저류층 분석 등 다양한 세부 분야를 포함하며, 한국에서도 석유 및 가스 자원 탐사에 기여한다.
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| 석유지질학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 지질학 |
| 하위 분야 | 퇴적 지질학, 구조 지질학, 석유 공학 |
| 관련 학문 | 지구화학, 지구물리학, 층서학, 고생물학, 광물학, 수문 지질학 |
| 적용 분야 | 석유 탐사, 석유 개발 |
| 주요 연구 내용 | |
| 기원 | 유기물의 화학적 변환 및 퇴적암 내 축적 과정 연구 |
| 이동 | 다공성 매질을 통한 탄화수소의 이동 및 집적지 형성 과정 연구 |
| 축적 | 지질학적 트랩 내 탄화수소 축적 메커니즘 연구 |
| 탐사 | 지진 탐사, 시추 등 다양한 기술을 이용한 탄화수소 탐사 방법 연구 |
2. 석유 시스템 분석
석유 지질학은 퇴적 분지의 7가지 주요 요소, 즉 원암, 저류층, 덮개암, 트랩, 시기, 성숙, 이동을 평가한다. 이러한 요소들은 유정에서 얻은 제한적인 정보를 통해 평가해야 하는데, 최근에는 3D 탄성파 데이터(반사 탄성파 탐사법)와 전자기 지구물리 기술(예: MT법)이 해석의 정확성을 높이고 있다.
원암 평가는 지구화학 방법을 사용하여 탄화수소의 유형과 품질을 평가한다. 저류층은 탄화수소를 보유하는 다공성 및 투과성 암상 단위로, 공극률과 투과성 평가가 필요하다.[2] 덮개암(캡 암)은 낮은 투과성을 가지며 탄화수소의 유출을 막는 역할을 한다. 일반적인 덮개암에는 증발암, 백악, 셰일이 있다. 지질 트랩은 탄화수소가 지하에 갇히도록 하는 층서학적 또는 구조적 특징이다. 성숙 분석은 원암의 열적 이력을 평가하여 탄화수소 생성 및 방출량을 예측하며, 이동 연구는 탄화수소가 원암에서 저류층으로 이동하는 방식에 대한 정보를 제공한다.
2. 1. 핵심 요소
석유 시스템은 다음 7가지 핵심 요소로 구성된다.
2. 2. 결정적 시기 (Critical Moment)
결정적 시기란 1차 트랩에서 대부분의 탄화수소가 생성, 이동 및 축적되는 시기를 말한다.[1] 탄화수소의 이동과 축적은 지질 시대에 비해 짧은 기간 동안 발생하며, 이러한 생성, 이동, 축적 과정은 석유 시스템의 마지막 부분에서 발생한다.[1] 이 기간은 석유 시스템의 중요한 요소가 축적되는 시기이다.[1]결정적 시기는 매장 역사를 기반으로 하기 때문에 중요하며, 근원암이 최대 매장 깊이에 도달했을 때 발생한다.[2] 이때 대부분의 탄화수소가 생성되며, 이 시점에서 약 50%-90%의 석유가 생성되어 배출된다.[2] 다음 단계는 탄화수소가 오일 윈도우에 들어가는 것이다.[2] 오일 윈도우는 근원암이 적절한 성숙도를 갖추고 있으며 석유 탐사에 적합한 깊이에 있다는 것과 관련이 있다.[2] 지구과학자들은 분석을 위해 석유 시스템의 층서 데이터를 수집해야 한다.[2]
3. 석유지질학의 세부 분야
석유지질학은 석유 및 가스 탐사와 생산에 필요한 여러 핵심 요소를 연구하며, 이를 위해 다음과 같은 주요 하위 분야들이 존재한다.
- 근원암 분석: 근원암의 열 성숙도와 성숙 시기를 분석한다. 석유 생성은 주로 60°C~120°C 범위에서 발생하며, 가스 생성은 200°C까지 계속될 수 있다.[1] 근원암의 지화학 분석과 퇴적 분지 모델링을 통해 열적 역사를 계산한다.
- 지구화학 분석: 석유 시스템을 평가하고, 저류층 관련 문제를 분석하는 데 활용된다. 비교적 비용 효율적이며, 분지의 3차원 모델을 구축하여 탄화수소의 생성, 이동, 축적 시기를 평가하는 데 도움을 준다.
- 분지 분석: 석유 시스템 전체를 종합적으로 연구하여 탄화수소 부존 가능성이 높은 지역을 예측한다. 근원암, 저류층, 덮개암, 트랩 등의 분포와 특성을 파악하고, 탄화수소의 이동 경로를 예측한다.
- 탐사 단계: 탄성파 탐사 등 새로운 탄화수소 발생을 찾기 위한 활동과 연구를 포함한다.
- 평가 단계: 발견된 탄화수소 저류층의 범위, 특성, 연결성, 탄화수소 유형 등을 파악하여 잠재적인 회수 가능량을 계산한다. 생산 테스트, 지구화학 및 물리검층 분석 등이 활용된다.[2]
- 생산 단계: 탄화수소를 통제된 방식으로 추출하는 단계이다. 생산정 시추, 3차원 탄성파 탐사, 증기 주입 등 추가 회수 기술이 적용되기도 한다.
- 저류층 분석: 현지 탄화수소의 부피(공극률)와 탄화수소가 얼마나 쉽게 흘러나올지(투과성) 평가한다.[2] 구조 분석, 층서학, 퇴적학, 저류층 공학 등이 활용된다.
잠재적인 탄화수소 저류층이 확인되면, 전체 암석 부피, 순/총 비율, 공극률 및 투과율을 평가한다.[2]
- 전체 암석 부피: 탄화수소-물 접촉면 위의 암석 총 부피
- 순/총 비율: 저류암을 포함하는 퇴적 패키지의 비율
- 공극률: 유체가 차지할 수 있는 퇴적 패키지 내 부피
- 투과율: 탄화수소가 얼마나 쉽게 흘러나올지 나타내는 값
이러한 값들을 통해 탐사자와 상업 분석가는 유망성이 재정적으로 실행 가능한지 여부를 결정한다.
3. 1. 근원암 분석
근원암이 존재할 가능성이 높다고 생각되면, 다음으로 다루어야 할 문제는 근원의 열 성숙도 상태와 성숙 시기이다. 근원암의 성숙(속성 작용 및 화석 연료 참조)은 온도에 강하게 의존하며, 대부분의 석유 생성은 60°C~120°C 범위에서 발생한다.[1] 가스 생성은 비슷한 온도에서 시작되지만 이 범위를 넘어 200°C까지 계속될 수 있다.[1] 따라서 석유/가스 생성의 가능성을 결정하기 위해 근원암의 열적 역사를 계산해야 한다. 이는 근원암의 지화학 분석(존재하는 케로젠 유형 및 성숙 특성 결정)과 퇴적 분지 모델링 방법(예: 역산법)을 조합하여 퇴적 기둥의 열 구배를 모델링하여 수행된다.3. 2. 지구화학 분석
지구화학은 원래 지하 탄화수소에 대한 지표 탐사에 활용되었다. 오늘날 지구화학은 효과적인 석유 시스템을 찾는 데 도움을 주어 석유 산업에 기여하고 있다. 지구화학의 사용은 비교적 비용 효율적이어서 지질학자들이 저류층 관련 문제를 평가할 수 있게 한다. 일단 오일과 기원암의 상관관계가 발견되면, 석유 지질학자들은 이 정보를 사용하여 분지의 3차원 모델을 렌더링한다. 이제 그들은 트랩 형성 시기에 따른 생성, 이동 및 축적 시기를 평가할 수 있다. 이는 추가 탐사가 필요한지 여부에 대한 의사 결정 과정에 도움이 된다. 또한, 이는 처음에는 회수 불가능하다고 간주되었던 저류층에 남아 있는 석유의 회수율을 증가시킬 수 있다.3. 3. 분지 분석
분지 분석은 석유 시스템 전체를 종합적으로 연구하여 탄화수소 부존 가능성이 높은 지역을 예측하는 과정이다. 근원암, 저류층, 덮개암, 트랩 등의 분포와 특성을 파악하고, 탄화수소의 이동 경로를 예측한다.전면적인 분지 분석은 일반적으로 향후 시추를 위한 유망 구역과 유망 구조를 정의하기 전에 수행된다. 이 연구는 석유 시스템을 다루며, 다음 요소들을 포함한다.
- 근원암: 존재 여부 및 품질을 조사한다.
- 매몰 이력: 과거에 어떤 지층에 묻혀 있었는지 조사한다.
- 성숙도: 탄화수소 생성 시기 및 생성량을 조사한다.
- 이동 및 집중: 탄화수소가 어떻게 이동하고 집중되었는지 조사한다.
- 잠재적 지역 덮개암: 탄화수소가 새어나가지 않도록 막는 덮개암의 분포를 조사한다.
- 주요 저류층 단위: 탄화수소를 저장할 수 있는 저류층(운반층)의 분포를 조사한다.
이러한 모든 요소는 잠재적인 탄화수소가 어디로 이동할 수 있는지 조사하는 데 사용된다. 그런 다음 탄화수소를 수용했을 가능성이 있는 지역에서 트랩, 잠재적인 유망 구역 및 유망 구조가 정의된다.
3. 4. 탐사 단계
분지 분석은 회사가 향후 탐사를 위해 특정 지역으로 진출하기 전에 수행하는 첫 번째 연구의 일부이지만, 탐사 단계에서 수행되기도 한다. 탐사 지질학은 새로운 탄화수소 발생을 찾기 위해 필요한 모든 활동과 연구를 포함한다. 일반적으로 탄성파 (또는 3D 탄성파) 연구가 수행되며, 새로운 연구를 확장하기 위해 이전 탐사 데이터 (탄성파선, 시추공 검층, 보고서)가 사용된다. 때로는 중력 및 자기 연구가 수행되고, 탄화수소 발생 가능성이 있는 지역을 찾기 위해 유출 및 유출이 매핑된다. 탐사정 또는 와일드캣 유정에 의해 상당한 탄화수소 발생이 발견되면 평가 단계가 시작된다.3. 5. 평가 단계
평가 단계에서는 발견의 범위를 파악한다. 탄화수소 저류층의 특성, 연결성, 탄화수소 유형, 가스-오일 및 오일-물 접촉면을 결정하여 잠재적인 회수 가능량을 계산한다. 이는 일반적으로 최초 탐사정을 중심으로 추가 평가정을 시추하여 수행된다. 생산 테스트는 저류층 압력 및 연결성에 대한 정보를 제공한다. 지구화학적 및 물리검층 분석은 탄화수소의 종류(점도, 화학 성분, API, 탄소 함량 등) 및 저류층의 특성(공극률, 투과율 등)에 대한 정보를 제공한다.[2]3. 6. 생산 단계
탄화수소 매장이 발견되고 평가를 통해 상업적인 가치가 있다고 판단되면 생산 단계가 시작된다. 이 단계에서는 탄화수소를 통제된 방식(지층 손상 없이, 상업적으로 유리한 양 등)으로 추출하는 데 집중한다. 생산정을 전략적인 위치에 시추하고 완료한다. 3차원 탄성파 탐사는 일반적으로 이 단계에서 최적의 회수를 위해 정확하게 정점을 타겟팅하는 데 사용된다. 때로는 증기 주입, 펌프 등 추가 회수 기술을 적용하여 더 많은 탄화수소를 추출하거나 버려진 유전을 재개발하기도 한다.3. 7. 저류층 분석
저류층은 탄화수소 매장량을 보유하는 다공성 및 투과성 암상 단위 또는 단위 집합이다. 저류층 분석은 현지 탄화수소의 부피를 계산하기 위한 공극률과 탄화수소가 얼마나 쉽게 흘러나올지 계산하기 위한 투과성을 평가한다.[2] 저류층 분석에는 구조 분석, 층서학, 퇴적학, 저류층 공학 등이 활용된다.잠재적인 탄화수소 저류층이 확인되면, 탄화수소 탐사에 관심 있는 저류층의 주요 물리적 특성인 전체 암석 부피, 순/총 비율, 공극률 및 투과율을 평가한다.[2]
- 전체 암석 부피: 탄화수소-물 접촉면 위의 암석의 총 부피를 의미하며, 퇴적 패키지를 매핑하고 상관 관계를 분석하여 결정한다.
- 순/총 비율: 저류암을 포함하는 퇴적 패키지의 비율을 계산하는 데 사용되며, 유추 및 유선 로그를 통해 추정한다. 전체 암석 부피에 순/총 비율을 곱하면 저류층의 순 암석 부피가 된다.
- 공극률: 순 암석 부피에 공극률을 곱하면 총 탄화수소 공극 부피, 즉 유체(특히 탄화수소와 물)가 차지할 수 있는 퇴적 패키지 내의 부피가 된다.
- 투과율: 탄화수소가 얼마나 쉽게 흘러나올지 계산하기 위해 평가하는 값이다.
이러한 부피를 합산(STOIIP 및 GIIP)하여 탐사자와 상업 분석가는 유망성이 재정적으로 실행 가능한지 여부를 결정한다.
전통적으로 공극률과 투과율은 시추 샘플 연구, 유정에서 얻은 코어 분석, 표면에서 노출된 저류층의 인접 부분 및 유정 자체 아래로 통과된 유선 도구를 사용하여 층서 평가 기술을 통해 결정되었다. 탄성파 데이터 수집 및 처리의 현대적 발전은 지하 암석의 탄성파 속성을 쉽게 사용할 수 있으며 암석 자체의 물리적/퇴적 특성을 추론하는 데 사용할 수 있음을 의미한다.
참조
[1]
논문
Chemostratigraphy and Chemofacies of Source Rock Analogues: A High-Resolution Analysis of Black Shale Successions from the Lower Silurian Formigoso Formation (Cantabrian Mountains, NW Spain)
https://www.scienced[...]
2016
[2]
논문
Assessing shale gas reservoir potential using multi-scaled SEM pore network characterizations and quantifications: The Ciñera-Matallana pull-apart basin, NW Spain
https://www.scienced[...]
2020
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