Optimization of Infill Well Placement in Clastic Reservoirs of Toma South Oilfield

지표면 깊은 곳에서, 석유는 항상 펌프로 뽑아내기 위해 기다리는 단일하고 균일한 웅덩이 형태로 존재하지 않습니다. 대신, 석유는 종종 사암(강물과 바람에 의해 운반된 고대 모래 알갱이들이 수백만 년에 걸쳐 서로 결합하여 형성된 암석의 일종)의 층 속에 머물러 있습니다. 이러한 암석층은 결코 완벽하지 않으며, 알갱이가 얼마나 단단하게 채워져 있는지, 그리고 유체가 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지에 대한 변동성으로 가득 차 있습니다. 많은 유전에서 초기 시추 및 펌핑 방식은 원래의 우물로는 도달할 수 없는, 복잡하고 불균일한 층 속에 갇힌 석유 주머니들을 남겨둡니다. 이는 1999년부터 생산이 시작된 남수단의 토마 사우스(Toma South) 유전이 있는 무글라드 분지(Muglad Basin)에서 특히 두드러집니다. 이 유전은 생산성이 높았지만, 암석의 자연적인 변동성으로 인해 상당한 양의 석유가 투과성이 낮은 암석의 장벽 뒤에 숨겨지거나, 표준 수직 우물로는 효과적으로 건드릴 수 없는 얇은 층 속에 남아 손을 대지 못한 채 남겨져 있습니다.

엔지니어들의 과제는 실패하거나 물을 너무 많이 생산하여 돈을 낭비하지 않으면서, 이 남아 있는 석유에 도달할 방법을 찾는 것입니다. 토마 사우스와 같은 성숙한 유전에서는 석유를 지표면으로 밀어 올리는 압력이 자연적으로 감소했고, 물이 차오르기 시작하여 귀중한 '검은 황금'을 추출하는 것을 더 어렵게 만들고 있습니다. 이를 해결하기 위해, 헤리엇 와트 대학교(Hered-Watt University)의 연구자 J. 주니어 리어 메이엑(J. Junior Rier Mayek)은 새로운 우물, 즉 인필 웰(infill wells)을 지중에 배치하는 최선의 방법을 찾기 위해 연구를 진행했습니다. 인fill 웰은 유전에 처음으로 뚫는 우물이 아니라, 이전에 놓쳤던 석유를 배출하기 위해 기존 우물들 사이에 전략적으로 배치되는 추가적인 우물입니다. 목표는 단순히 어디에 뚫을 것인가를 결정하는 것뿐만 아니라, 어떤 종류의 우물(수직, 수평 또는 경사형)을 뚫을 것인지, 그리고 이러한 고급 기술에 드는 추가 비용이 생산할 수 있는 추가 석유의 가치만큼 그만한 가치가 있는지를 결정하는 것이었습니다.

이 질문들에 답하기 위해, 연구자는 유전 전체의 상세한 디지털 트윈(digital twin)을 구축했습니다. 전문 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여, 연구자는 지질도, 지표 아래를 엑스레이처럼 보여주는 탄성파 데이터, 그리고 기존 우물들로부터 얻은 수십 년간의 생산 이력을 결합했습니다. 이 가상 모델을 통해 석유와 물이 시간이 지남에 따라 암석을 통해 어떻게 이동하는지 시뮬레이션할 수 있었습니다. 모델을 신뢰하기 전에, 연구자는 모델을 과거의 실제 데이터와 대조하여 검증함으로써, 컴퓨터의 압력 및 수위 예측이 실제 지중에서 일어난 현상과 일치하는지 확인했습니다. 모델이 정확하다는 것이 증명되자, 연구자는 이를 사용하여 여러 가지 시나리오를 실행했습니다. 연구자는 아무것도 하지 않고 기존 우물들이 수익성이 없어질 때까지 계속 생산하도록 두었을 때의 상황을 시뮬레이션했습니다. 또한, 수직으로 곧게 내려가는 수직 우물, 암석층을 따라 옆으로 꺾여서 달리는 수평 우물, 그리고 특정 목표물을 향해 각도를 틀어 들어가는 경사형(directional) 우물을 새로 뚫는 경우도 시뮬레이션했습니다.

시뮬레이션 결과는 명확한 승자를 보여주었습니다. 아무것도 하지 않는다면 매장된 석유의 약 50.2%를 회수하게 되겠지만, 새로운 우물을 추가하면 이 수치를 크게 개선할 수 있습니다. 연구에 따르면 수직 우물을 뚫는 것은 도움이 되며 석유를 3.5% 추가로 회수할 수 있지만, 이는 저수지의 두껍고 단순한 층에서만 가장 효과적이었습니다. 경사형 우물은 단층과 구조적 가장자리 주변에 갇혀 있던 석유에 도달함으로써 4.2% 더 많은 석유를 회수하는 중간 단계의 대안을 제공했습니다. 그러나 가장 성공적인 전략은 수평 우물을 뚫는 것이었습니다. 연구진은 이 수평 우물들을 얇고 복잡한 암석층을 따라 옆으로 통과하게 함으로써, 전체 석유의 4.8%를 추가로 회수하여 총 회수율을 거의 55%까지 끌어올릴 수 있음을 발견했습니다. 이 방식은 2028년까지 해당 유전 생산량에 1,730만 스톡 탱크 배럴(stock tank barrels)의 석유를 더할 것으로 예측되었습니다.

단순히 석유의 양을 넘어, 연구는 이러한 옵션들의 재무적 현실도 살펴보았습니다. 수평 우물을 뚫는 것은 수직으로 뚫는 것보다 초기 비용이 더 많이 들지만, 시뮬레이션 결과 이들이 생산하는 추가 석유량이 그들을 가장 수익성 있는 선택으로 만든다는 것을 보여주었습니다. 분석 결과, 이 전략은 2억 1,546만 달러의 순현재가치(NPV)와 29%의 투자 수익률(ROI), 그리고 단 2.5년의 회수 기간을 창출할 것으로 계산되었습니다. 반면, 기존 우물에서 더 많은 석유를 얻기 위해 단순히 물을 더 많이 퍼 올리는 것은 추가적인 물 처리 비용이 수익을 갉아먹기 때문에 효율성이 떨어지는 것으로 나타났습니다. 또한 연구는 이 새로운 우물들 사이의 최적의 간격이 약 750미터이며, 이 간격이 서로 간섭하지 않으면서 석유를 효과적으로 배출할 수 있게 해준다는 점을 강조했습니다.

이 연구의 최종 권고 사항은 지금까지 놓쳤던 얇고 석유가 풍부한 층을 표적으로 삼아, 토마 사우스 유전의 가장 유망한 구역에 6개의 수평 우물을 뚫는 작업을 진행하는 것입니다. 이는 기존 우물의 펌프를 최적화하여 물을 더 잘 처리하도록 하는 작업과 병행되어야 합니다. 연구는 이러한 복잡한 우물을 뚫는 것이 위험을 수반하며 지하에서 드릴 비트를 안내할 정밀한 기술이 필요하다는 점을 인정하지만, 시뮬레이션은 그 보상이 상당함을 시사합니다. 컴퓨터 모델링을 사용하여 이러한 결정을 내림으로써, 운영 회사는 유전에서 회수되는 석유량을 극대화하여 자원을 효율적으로 사용하고 사우스내단의 경제 성장에 기여할 수 있습니다. 이 작업은 노후화된 유전에서도 세심한 계획과 적절한 기술을 통해 이전에는 손이 닿지 않았던 상당한 가치를 끌어낼 수 있음을 보여줍니다.