Mechanism and Application of Electrical Resistivity Responses in Annular Adsorbed Water Films: Insights From Capillary Theory
본 연구는 고압 수은 압입법과 핵자기 공명법을 결합하여 박막수의 함량을 정량화하고 정확한 수층 포화도 평가를 위한 이중 네트워크 전도도 모델을 구축함으로써, 강한 친수성 저비저항 저류층의 비정상적 전도도를 공극 벽면의 연속적인 흡착수 박막에 기인한다고 제안하는 물리적 제약이 가해진 공극 규모 모델을 제안한다.
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지표면 깊은 곳, 석유와 가스를 머금고 있는 다공성 암석 속에서 유체는 단순히 용기를 채우는 액체처럼 행동하지 않는다. 대신, 유체는 물이 암석 입자에 어떻게 달라붙는지, 그리고 오일이 그 미세한 공간 사이를 어떻게 밀고 나가는지를 결정하는 보이지 않는 힘에 의해 지배되는 복잡한 균형 상태로 존재한다. 많은 저류층에서 지질학자들은 석유가 얼마나 존재하는지, 혹은 물이 얼마나 존재하는지를 판단하기 위해 전기 로그(electrical logs)에 의존한다. 그 논리는 간단하다. 물은 전기를 잘 전도하는 반면, 오일은 그렇지 않다는 것이다. 따라서 전기를 쉽게 전도하는 암석은 물로 가득 차 있다고 가정하고, 전기에 저항하는 암석은 오일을 보유하고 있다고 가정한다. 그러나 암-친수성(water-wet), 즉 광물 표면이 물에 강한 자연적 인력을 가진 특성을 보이는 특정 심부 저류층에서는 이 규칙이 무너진다. 이러한 환경에서는 오일이 대부분의 자유수를 밀어냈음에도 불구하고, 암석의 벽면에 달라붙어 있는 얇고 연속적인 수막이 남아 있게 된다. 이 잔류 필름은 전기를 위한 숨겨진 고속도로를 만들어내어, 표준 측정 도구들이 실제로는 오일이 존재함에도 불구하고 물이 가득 찬 암석으로 오인하게 만드는 속임수를 쓴다. '저저항 유층(low-resistivity oil reservoir)'이라고 알려진 이 현상은 가치 있는 유전을 쓸모없는 수층으로 오인하게 만들어 에너지 산업에 상당한 경제적 손실을 초래해 왔다.
양쯔 대학교와 페트로차이나 타림 유전 공사의 연구진은 중국 타림 분지의 룬난 유전의 미시 세계를 조사함으로써 이 수수께집을 풀기 위해 나섰다. 그들은 먼저 낮은 전기 저항을 일으키는 흔한 원인들을 체계적으로 배제했다. 그들은 점토 광물(전기를 전도할 수 있음)과 황철석 같은 무겁고 전도성이 높은 광물이 암석 샘내에 있는지 분석했다. 그들의 결과는 명확했다. 이 암석들에 포함된 점토와 전도성 광물의 양은 광범위한 전기적 이상 현상을 설명하기에는 너무 낮았다. 또한 그들은 암석의 젖음성(wettability)을 조사했고, 광물 표면이 실제로 물에 강하게 끌린다는 것을 발견했다. 이는 문제의 핵심이 암석의 성분이 아니라 물 자체의 거동에 있다는 것을 확인시켜 주었다. 연구진은 이 강력한 친수성 조건 하에서 물이 모세관력에 의해 갇히는 아주 작은 기공 속에 그냥 머무는 것이 아니라, 더 큰 기공의 벽면을 코팅하는 지속적인 고리 형태의 필름을 형성한다는 점을 깨달았다.
이 필름이 정확히 어떻게 행동하는지 이해하기 위해, 과학자들은 암석의 내부 구조를 바라보는 새로운 방법을 개발했다. 그들은 미세한 기공에 갇힌 물과 큰 기공의 벽에 필름 형태로 달라붙어 있는 물을 분리하기 위해 두 가지 다른 유형의 실험실 측정을 결을 합쳤다. 고압 수은 침투법을 사용하여 기공의 크기를 지도화하고, 물이 영구적으로 갇히게 되는 특정 크기 임계값을 식별했다. 그런 다음 의료 영상 촬영과 유사한 기술인 핵자기 공명(NMR)을 사용하여, 자유수를 제거하기 위해 고속으로 회전시킨 후 암석에 남아 있는 총 수량을 측정했다. 자기 공명으로 측정된 총 결합수(bound water)와 미세 기공에 갇힌 물을 비교함으로써, 그들은 더 큰 기공에 매달려 있는 수막의 정확한 부피를 계산할 수 있었다. 이를 통해 암석과 물이 얼마나 강하게 상호작용하는지를 설명하는 특정 물리적 상수를 결정할 수 있었으며, 결과적으로 기공 크기에 따른 보이지 않는 수막의 두께를 정량화할 수 있었다.
이러한 물리적 이해를 바탕으로, 연구진은 전기 신호를 설명하기 위한 새로운 모델을 구축했다. 그들은 수막이 단순히 수동적인 층이 아니라는 점을 인식했다. 암석 표면은 전하를 띠고 있기 때문에 물로부터 이온을 끌어당겨, 일반적인 물보다 훨씬 더 전도성이 높은 전기 이중층(electrical double layer)을 형성한다. 연구진은 암석을 두 개의 별개 전도 시스템, 즉 미세 기공에 갇힌 물을 위한 시스템과 더 큰 기공의 벽면에 있는 강화되고 고전도성인 필름을 위한 시스템으로 취급하는 이중 네트워크 모델을 만들었다. 실제 암석 샘플을 대상으로 이 모델을 테스트했을 때, 물의 양이 적을 때도 왜 전기 저항이 낮게 유지되는지를 성공적으로 설명해 냈다. 모델은 연속적인 필름과 표면 근처 이온들의 강화된 전도성이 결합되어 전류를 계속 흐르게 함으로써, 수층 포화 암석의 특징을 모방한다는 것을 보여주었다.
마지막 단계는 이 새로운 이해가 실제 세계에서 작동할 수 있는지 확인하는 것이었다. 연구팀은 이전에 이러한 구역들을 잘못 식별했던 기존의 계산법을 대체하여 룬난 유전의 실제 시추 로그에 이 모델을 적용했다. 한 특정 구간에서, 표준 방식은 전기 저항이 낮기 때문에 암석이 물로 가득 차 있다고 제안했다. 그러나 수막과 암석의 특정 기공 구조를 고려한 새로운 모델은 훨씬 더 낮은 수층 포화도를 계산해 냈다. 이 결과는 해당 구간에서 물이 거의 없이 흐르는 오일의 존재를 확인했던 과거의 생산 테스트 결과와 완벽하게 일치했다. 이 연구는 물 필름이 형성되고 전기를 전도하는 미시적 물리학을 이해함으로써, 지질학자들이 까다로운 저류층에서 물과 오일을 구별할 수 있음을 입증한다. 이 접근 방식은 강한 친수성 암석에서 수층 포화도를 평가하는 물리적으로 근거 있는 방법을 제공하며, 오해의 소지가 있는 전기적 판독값 때문에 간과되었던 유전들을 보존할 수 있는 가능성을 열어준다.
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