The distribution of movable fluid and its coupling influencing factors in ultra-low permeability sandstone reservoirs: a case study of Chang 6 member, Wuqi area, Ordos Basin

지각을 거대한 고대의 암석 스펀지라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 이 스펀지에서 기름을 짜내기 위해 노력해 왔습니다. 하지만 모든 스펀지가 다 똑같은 것은 아닙니다. 어떤 것들은 물(또는 기름)이 자유롭게 흐르는 커다로 열린 구멍이 있는 주방용 스펀지와 같습니다. 다른 것들은 매우 조밀한 벽돌이나, 구멍이 미세하여 유체가 보이지 않는 접착제와 같은 작은 힘에 의해 갇혀 버리는 아주 빽빽한 스펀지와 같습니다. 이것이 바로 "초저투과성" 저류층의 세계입니다. 이 단단한 암석 속에서 기름은 그저 가만히 앉아 있는 것이 아니라, 암석의 미세한 기공과 움직이려는 유체 사이의 줄다리기와 같습니다. 에너지 기업들의 큰 고민은 다음과 같습니다: 그 기름 중 실제로 "움직일 수 있는" 양은 얼마나 되는가? 만약 기름이 너무 작거나 좁은 기공 속에 갇혀 있다면, 그것은 쓸모가 없습니다. 만약 적절한 크기의 구멍에 있다면, 자동차를 움직이고 집을 따뜻하게 하는 데 사용할 수 있도록 펌프로 뽑아낼 수 있습니다. 이러한 미세한 구멍의 크기와 모양을 이해하는 것이 지하 깊은 곳에 갇힌 에너지를 여는 열쇠입니다.

이 논문은 이 지하 세계의 특정 단면, 즉 중국 오르도스 분지의 창 6층(Chang 6 member)을 깊이 있게 다룹니다. 이 지역을 모래를 쌓아 놓았던 고대 강의 중심부였던 두꺼운 모래층의 특정하고 매우 단단한 암석 층이라고 생각하십시오. 홍리 종(Hongli Zhong)이 이끄는 연구진은 이 미세한 공간들 중 정확히 어디에 "움직일 수 있는" 기름이 숨어 있는지, 그리고 무엇이 어떤 암석을 기름이 더 잘 흐르게 만드는지를 밝혀내고자 했습니다. 그들은 단순히 추측한 것이 아니라, 실제 암석 샘플을 채취하여 이를 부수고, 강력한 현미경으로 관찰했으며, 심지어 기공들이 어떻게 연결되어 있는지 확인하기 위해 고압 워터건처럼 작동하는 특수 기계를 사용했습니다.

그들이 발견한 내용은 다음과 같으며, 이는 마치 지저분한 방을 두 개의 매우 다른 더미로 분류하는 것과 비슷합니다.

첫째, 그들은 이 암석들이 일종의 혼합물이라는 것을 발견했습니다. 이 암석들은 주로 석영과 장석(모래의 주요 구성 요소와 같은 것)으로 이루어져 있으며, 약간의 암석 파편들이 섞여 있습니다. 하지만 진짜 이야기는 구멍에 있습니다. 연구진은 기름이 하나의 큰 웅덩이에 떠 있는 것이 아니라, 모래알 크기부터 바이러스 크기에 이르는 기공 네트워크 안에 갇혀 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 샘-플 전체에 걸쳐 "이동 가능한 유체 포화도"(기본적으로 실제로 움직일 수 있는 기름의 비율)를 측정했습니다. 수치는 **31.38%**에서 62.67% 사이였습니다. 이는 엄청난 차이입니다! 어떤 암석은 기름의 절반 이상이 준비되어 있었지만, 어떤 암석은 겨우 3분의 1 정도밖에 되지 않았습니다.

연구팀은 모든 암석 샘플을 두 개의 뚜렷한 팀인 Type I과 Type II로 나눌 수 있다는 것을 깨달았습니다.

Type I 샘플은 "운이 좋은" 암석입니다. 이들은 주로 두꺼운 모래층의 중간이나 상부, 즉 모래를 퇴적시킨 고대 강의 주요 도로와 같은 곳에서 발견됩니다. 이 암석들은 장석 함량이 더 높고, 결정적으로 더 많은 "용해 기공(dissolved pores)"을 가지고 있습니다. 산(acid)에 의해 구멍이 깎여 나가 더 커지고 더 잘 연결된 스위스 치즈 블록을 상상해 보십시오. 이 암석들에서는 구멍이 더 크며, 흔히 "마이크론(micron)" 범위(100만 분의 1미터)에 있습니다. 구멍이 더 크고 더 잘 연결되어 있기 때문에 기름이 더 쉽게 움직일 수 있습니다. 이 샘플들은 가장 높은 이동 가능 유체 포화도를 보였으며, 평균 약 **54.86%**였습니다.

Type II 샘플은 "단단한" 암석입니다. 이들은 더 얇은 층이나 모래체의 바닥 부분에서 발견되며, 종종 진흙과 더 많이 섞여 있습니다. 이 암석들은 더 많은 나노 크기의 미세한 기공과 매우 좁은 연결 통로를 가지고 있습니다. 이는 촘데한 스펀지 대신 메쉬 망을 통해 물을 밀어내는 것과 같습니다. 이곳의 기름은 아주 작은 틈새와 구석에 갇혀 있습니다. 이 샘-플들은 훨씬 낮은 이동 가능 유체 포화도를 보였으며, 평균 약 **41.59%**였습니다.

가장 흥otesi로운 발견 중 하나는 구멍의 크기에 관한 것이었습니다. 연구진은 움직일 수 있는 기름의 양이 "마이크론 크기"의 기공(구멍 크기가 0.3μm에서 3μm 사이인 경우)의 존재와 강력하게 연관되어 있다는 것을 발견했습니다. 만약 암석에 이러한 중간 크기의 구멍 네트워크가 잘 발달해 있다면 기름이 흐릅니다. 만약 아주 작은 나노 구멍들만 있다면 기름은 갇혀 있게 됩니다. 이것은 이 "초저투과성" 암석과 심지어 더 단단한 "치밀 사암(tight sandstone)" 암석 사이의 핵심적인 차이점입니다. 가장 단단한 암석에서는 기름이 아주 작은 나노 구멍 속으로 강제로 밀려 들어가기 때문에 꺼내기가 매우 어렵습니다. 하지만 여기서 연구된 창 6층 암석의 경우, 그보다 약간 더 큰 마이크론 크기의 구멍들이 존재한다는 점이 큰 차이를 만듭니다.

논문은 또한 암석이 어떻게 형성되고 시간이 지남에 따라 어떻게 변했는지도 살펴보았습니다. 그들은 암석이 "압축(compaction)" 과정을 거쳤다는 것을 발견했는데, 이는 지표면 위의 무게가 기공을 짓눌러 원래 공간을 **65%에서 85%**까지 줄였다는 것을 의미합니다. 그 후 "시멘트화(cementation)"(광물이 알갱이들을 서로 붙이는 과정)가 일어나 공간을 추가로 15%에서 35% 더 줄였습니다. 이러한 압착에도 불구하고, Type I 암석은 장석이 시간이 지나면서 용해되어 기름이 숨을 수 있는 새로운 더 큰 공간을 만들어냈기 때문에 여전히 더 큰 기공을 유지할 수 있었습니다.

그렇다면 결론은 무엇일까요? 연구진은 이 단단한 암석에서 실제로 기름을 뽑아낼 수 있는 "스윗 스팟(sweet spots)"을 찾으려면, 마이크론 크기의 기공이 가장 잘 발달한 암석을 찾아야 한다고 제안합니다. 단순히 기름이 얼마나 있느냐의 문제가 아니라, 기름이 이동할 수 있는 '길'이 있느냐의 문제입니다. 길이 너무 좁으면(나노 스케일) 기름은 갇히게 됩니다. 길이 충분히 넓다면(마이크론 스케일) 기름은 움직일 수 있습니다. 이 연구는 매우 단단한 암석에서도 생산되는 암석과 그렇지 않은 암석의 차이가 종종 미세한 구멍의 크기와 그 구멍들이 얼마나 잘 연결되어 있는지에 달려 있다는 것을 보여줍니다.