Reservoir conditions and its oil-controlling effect of Chang7-Chang9 in the Southern Zhouchang area, Ordos Basin

중국 북부의 완만한 구릉지 아래 깊은 곳에는 오르도스 분지(Ordos Basin)라고 알려진 거대한 지질학적 보물 상자가 자리 잡고 있습니다. 수십 년 동안 지질학자들은 이곳에서 석유를 찾아 헤맸으며, 고대 암석의 습곡 속에 갇힌 접근하기 쉬운 구역에서부터, 매우 조밀하고 투과하기 어려운 암석층 속에 숨겨진 더 찾기 힘든 목표물으로 이동해 왔습니다. 이러한 까다로운 목표물을 '타이트 저류층(tight reservoirs)'이라고 부릅니다. 스펀지가 너무 꽉 눌려 구멍이 미세해진 상태를 상상해 보십시오. 그 안에 석유가 존재할 수는 있지만, 암석을 통해 드릴에 도달하기 위해 이동하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 조건에서 석유를 찾는 것은 암석의 질감, 미세한 내부 공간, 그리고 석유가 그곳에 모일 수 있게 하는 특정 조건을 정확하게 이해하는 것을 필요로 합니다. 과제는 단순히 석유를 찾는 것뿐만 아니라, 어떤 특정 암석층이 물과 섞인 적은 양의 흐름이 아니라 수익성 있는 양의 연료를 생산할 만큼 충분히 두껍고 공극률이 높은지를 파악하는 것입니다.

주우창(Zhouchang) 지역의 남쪽 부분에서, 한 연구팀은 창7(Chang7), 창8(Chang8), 창9(Chang9)로 알려진 세 개의 특정 암석층에 주목했습니다. 이 층들은 두꺼운 이암(mudstone) 시트 사이에 샌드위치처럼 끼어 있어 천연 뚜껑 역할을 합니다. 과학자들은 이 암석들의 물리적 성질을 이해하고, 어떤 조건이 석유가 축적되기에 좋은 장소가 되는지를 정확히 결정하고자 했습니다. 그들은 시추 기록, 코어 샘리, 생산 테스트 데이터를 수집하여 지하 환경에 대한 상세한 그림을 구축했습니다. 그들의 연구는 이 암석들이 실제로 타이트하지만, 균일하지는 않다는 점을 밝혀냈습니다. 즉, 어떤 구간은 훨씬 더 유망하며, 최적의 지점을 찾는 핵심은 암석의 두께, 공극 크기, 그리고 광물 함량의 특정 조합에 있다는 것입니다.

연구진은 이 지역의 암석이 주로 장석(feldspar)이라는 흔한 광물로 구성된 미세한 입자의 사암이며, 소량의 석영과 암석 파편을 포함하고 있다는 것을 발견했습니다. 현미경 아래에서 이 암석은 형성 및 변질의 복잡한 역사를 드러냅니다. 석유가 머무는 공간은 크고 열린 동굴이 아니라, 산성 유체가 암석 입자의 일부를 녹여내면서 남은 입자들 사이에 생긴 아주 작은 구멍들입니다. 평균적으로 이 암석의 공극률은 6.9%이며, 이는 암석 부피의 10분의 1 미만이 유체가 존재할 수 있는 빈 공간임을 의미합니다. 석유가 이 공간을 통해 흐를 수 있는 능력인 투과율 또한 매우 낮은데, 중앙값은 0.33 × 10⁻³ μm²입니다. 이러한 낮은 수치 때문에 연구진은 이 지층을 타이트 저류층으로 분류합니다. 그들은 더 나아가 저류층의 품질에 따라 유형 I(가장 좋은 유동 특성), 유형 II(보통), 유형 III(가장 낮은 품질)의 세 가지 범주로 나누었습니다.

이 층들의 석유 분포는 물 위에 떠 있는 커다란 연속적인 웅덩이라는 전통적인 패턴을 따르지 않습니다. 대신, 석유는 이암과 실트암 층에 의해 격리되어 렌즈 모양의 주머니 속에 갇혀 있습니다. 이는 시추를 할 때 석유와 물이 동시에 흘러나오게 되어, 동일한 암석층 내에 석유와 물이 함께 존재하는 상황을 만듭니다. 연구팀은 석유가 이 지역에 준연속적(quasi-continuous)인 방식으로 퍼져 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 단일한 거대 저류층은 없지만, 작고 겹쳐진 렌즈 형태의 밀집된 네트워크 속에 석유가 존재한다는 뜻입니다. 이는 탐사 전략을 전통적인 유전과는 다르게 만듭니다. 목표는 단 하나의 큰 축적물을 뚫는 것이 아니라, 이 밀집된 네트워크 내에서 특정 '스위트 스폿(sweet spots, 최적지)'을 겨냥하는 것입니다.

분석을 통해 연구팀은 석유가 높은 농도로 발견될 가능성이 가장 높은 곳을 결정하는 특정 요인들을 식별했습니다. 가장 중요한 요인은 공극률입니다. 암석의 공극률이 7%를 초과할 때 석유 포화도와 생산량이 크게 증가합니다. 두 번째로 중요한 결정적 요인은 사암에 섞인 셰일(또는 미세 점토)의 양입니다. 셰일 함량이 12%를 초과하면 암석이 너무 치밀해져 석유 생산량이 급격히 떨어집니다. 투과율 또한 중요한 역할을 하는데, 투과율이 0.5 × 10⁻³ μm²보다 높을 때 우수한 결과를 냅니다. 흥미롭게도, 사암층 자체의 두께는 덜 중요한 요인으로 밝혀졌습니다. 두꺼운 층이 일반적으로 더 좋기는 하지만, 연구 결과 층의 두께가 약 10미터에 도달하면 두께를 더 늘린다고 해서 생산량이 반드시 보장되는 것은 아니었습니다. 암석의 순수한 부피보다 품질이 훨씬 더 중요했습니다.

연구 결과는 창7에서 창9 층에서 가장 생산성이 높은 유정은 10미터보다 두껍고, 공극률이 7% 이상이며, 투과율이 0.5 × 10⁻³ μm²를 초과하고, 셰일 함량이 12% 미만인 사암을 대상으로 시추될 것임을 시사합니다. 이러한 특정 기준에 집중함으로써, 석유 회사들은 추측에서 벗어나 과학적인 시추 선택을 통해 오르도스 분지의 시추 작업을 더 잘 수행할 수 있습니다. 이 접근 방식은 이러한 까다로운 저류층으로부터 석유 회수를 극대화할 뿐만 아니라, 다른 곳의 유사한 타이트 오일 지층을 탐사하기 위한 명확한 로드맵을 제공합니다. 이 연구는 가장 도전적인 지질 환경에서도 암석의 특성에 대한 상세한 이해가 어떻게 중요한 에너지 자원을 확보할 수 있는지 확인시켜 줍니다.