Reservoir Adaptability of Alkali-Free Flooding Systems in Medium- and Low-Permeability Reservoirs: An Integrated Evaluation Based on Multipoint Pressure Measurements and Microscopic Visualization

지표면 아래 깊은 곳, 암석의 거대한 기공 네트워크에는 세계의 남은 석유가 담겨 있습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 물을 사용하여 이 석유를 유정 쪽으로 밀어냈지만, 접근하기 쉬운 석유가 고갈됨에 따라 업계는 남은 석유를 짜내기 위해 더 복잡한 방법들을 도입해 왔습니다. 그러한 방법 중 하나는 땅속에 화학 물질 혼합물을 주입하여 암석으로부터 석유를 느슨하게 만들어 쓸어내는 것입니다. 오랫동안 가장 성공적이었던 이 혼합물의 버전은 화학 물질이 작용하는 데 도움을 주기 위해 배수구 세척제에서 발견되는 강염기와 유사한 강한 염기를 포함했습니다. 그러나 이 염기는 부식성이 있어 금속 파이프를 갉아먹고 장비를 손상시키며, 석유를 운반해야 할 통로를 막을 수 있는 미세한 암석 입자의 슬러지를 생성합니다. 업계가 더 오래되고 접근하기 어려운, 더 작고 복잡한 암석 기공을 가진 유전으로 이동함에 따라, 더 부드럽고 비부식적인 대안에 대한 필요성이 시급해졌습니다. 과제는 끈질긴 석유를 움직일 만큼 강력하면서도, 막히거나 유정을 파괴하지 않고 좁은 공간을 흘러갈 수 있을 만큼 부드러운 화학 혼합물을 찾는 것입니다.

중국의 사우스웨스트 석유 대학교(Southwest Petroleum University) 연구진은 이러한 어려운 저투과성 저류층을 위해 설계된 두 가지 새로운 무염기(base-free) 화학 시스템을 테스트함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 계면활성제와 폴리머로 구성된 단순한 2부 성분 혼합물과, 여기에 소금을 추가한 더 복잡한 3부 성분 혼합물을 비교했습니다. 이 유체들이 실제 환경에서 어떻게 행동할지 확인하기 위해, 그들은 단순히 컴퓨터 모델이나 간단한 테스트에 의존하는 대신, 암석 샘플을 통해 유체가 움직이는 모습을 실시간으로 관찰할 수 있는 정교한 실험 설비를 구축했습니다. 그들은 암석의 조밀함을 모사하기 위해 다양한 공극률을 가진 사암 코어를 사용했으며, 흐름이 정확히 어디에서 차단되는지 감지하기 위해 암석의 여러 지점에 압력 센서를 배치했습니다. 또한, 유체가 석유와 어떻게 상호작용하는지 시각화하기 위해 평평하고 투명한 암석 기공 모델을 사용하여, 막힘을 유발할 수 있는 걸쭉한 젤 형태의 에멀션 형성을 관찰했습니다.

조사 결과, 두 화학 시스템은 매우 다르게 행동했습니다. 단순한 2부 성분 혼합물은 기름과 물 사이의 끈적거림을 줄이는 데는 효과적이었으나, 암석을 통과해 움직이는 데는 어려움을 겪었습니다. 가장 조밀한 암석 샘플에서 이 유체는 주입 즉시 입구에서 압력이 급격히 상승했는데, 이는 유체가 즉시 걸려버렸음을 나타냅니다. 연구진이 투명 모델을 통해 유체의 움직임을 관찰했을 때, 혼합물이 입구 바로 곳곳에서 걸쭉한 에멀션 층을 형성하여 마치 문을 봉쇄하듯 입구를 막아버리고 유체가 내부의 석유에 도달하는 것을 방지하는 것을 목격했습니다. 이러한 "플러깅(plugging, 막힘)" 효과는 유체가 화학적으로는 석유를 움직일 능력이 있음에도 불구하고, 암석 내부로 충분히 들어가지 못해 제 역할을 수행할 수 없게 만들었습니다. 연구진은 이 차단 현상이 단순히 화학 물질이 암석 표면에 달라붙는 문제가 아니라, 유체가 석유와 만나면서 스스로 장벽으로 변하는 역동적인 문제라는 것을 발견했습니다.

반면, 미래의 석유 회수를 위한 일반적인 목표가 되는 중간 투과성 암석에서는 소금이 포함된 3부 성분 혼합물이 훨씬 더 좋은 성능을 보였습니다. 이 시스템은 암석을 통과할 때 더 매끄럽게 흐르며 일정한 압력을 유지했습니다. 실험 모델에서 이 시스템은 석유를 앞으로 밀어내면서도 걸리지 않는 깨끗하고 연속적인 전면(front)을 형성했습니다. 혼합물 속의 소금은 폴리머 분자를 콤팩트하게 유지하여 좁은 기공을 더 쉽게 통과할 수 있게 하면서도, 석유를 효과적으로 밀어낼 수 있는 충분한 점도를 유지하도록 도왔습니다. 이 시스템 또한 경로를 막지 않으면서 석유를 쓸어낼 수 있는 안정적인 에멀션을 형성했습니다. 그러나 이러한 성공에는 한계가 있었습니다. 매우 조밀한 암석 샘플(50 mD)에서는 이 소금 기반 시스템 역시 제대로 주입되지 못했고, 단순한 혼합물처럼 입구에서 압력이 상승하며 입구를 막았습니다. 연구진이 중간 투과성 암석에서 실제로 얼마나 많은 석유를 회수할 수 있는지 측정하기 위해 마지막 테스트를 실시했을 때, 3부 성분 소금 시스템이 우수하다는 것이 증명되었습니다. 이 시스템은 55%의 석유를 추출하여, 48%를 회수한 2부 성분 혼합물과 47%만을 회수한 표준 폴리머 용액보다 유의미하게 높은 성과를 보였습니다.

연구는 부식성 염기를 제거하는 것이 장비를 보호하기 위한 필수적인 단계였지만, 단순히 새로운 화학 혼합물로 교체하는 것만으로는 충분하지 않으며, 유체가 암석의 특정 기하학적 구조를 통과할 수 있도록 설계되어야 한다고 결론지었습니다. 연구진은 계면활성제와 폴리머 혼합물에 소금을 첨가함으로써, 석유를 느슨하게 만드는 필요성과 유동성을 유지해야 하는 필요성 사이의 균형을 맞춘 시스템을 만들 수 있음을 보여주었으나, 이는 암석이 일정 수준 이하로 조밀하지 않을 때만 가능했습니다. 이 접근 방식은 저류층이 너무 조밀하지만 않다면, 기존에 화학적 플러딩(flooding)을 적용하기에 너무 어렵거나 위험하다고 간주되었던 유전들을 개발할 수 있는 유망한 길을 제시합니다. 압력 측정과 직접적인 시각적 관찰을 결합함으로써, 팀은 유체가 왜, 그리고 어디에서 실패하는지에 대한 명확한 그림을 제공하여 적절한 암석에 적합한 화학 시스템을 선택하는 실질적인 가이드를 제시했습니다. 이번 연구 결과는 적절한 배합법이 있다면, 전통적인 부식성 방법들로 인한 엔지니어링 문제 없이도 까다로운 저류층에서 더 많은 석유를 회수하는 것이 가능하다는 점을 시사합니다.