Wax deposition mechanism of Bozi ultra-deep gas condensate reservoir in Tarim basin

기술 요약: 타림 분지 보지(Bozi) 초심층 가스 응축수 저류층의 왁스 퇴적 메커니즘

문제 제기
타림 분지의 보지 가스전은 전형적인 초심층(매립 깊이 >7,000 m), 초고압(125 MPa) 및 고온(127.53°C) 가스 응축수 저류층을 나타낸다. 이 가스전을 개발하는 데 있어 핵심적인 과제는 가스정에서 발생하는 왁스 퇴적이다. 이는 저온 및 높은 왁스 함량으로 인해 가을과 겨울 동안 가스정에서 쉽게 발생한다. 이러한 현상은 생산량 감소, 유정 폐쇄, 그리고 유정과 지상 설비 모두에서의 폐쇄를 초래한다. 기존 연구들이 중·저압 조건에서의 왁스 퇴적을 다루어 왔으나, 초심층 저류층 특유의 극한 고압 및 고온 조건 하에서의 메커니즘을 이해하는 데에는 상당한 공백이 존재한다. 특히, 급격한 유체 상변화의 동적 영향, 결정 핵으로서의 모래 입자의 역할, 그리고 이러한 환경에서 왁스 방지를 위한 정량적인 임계 일일 생산량 임계치에 대해서는 여전히 불분명하다.

연구 방법론
본 연구는 보지 가스전의 고함량 왁스 가스 응축수정에 초점을 맞추어, 실험실 실험과 동적 모델링을 결합하여 수행되었다:

• 시료 채취 및 특성 분석: 4개의 유정(104, 102, 104-1, 102-2)으로부터 고압 유체 시료를 채취하였다. 시료는 미분 열량 측정법(DSC) 및 크로마토그래피 분석을 통해 왁스 함량, 왁스 퇴적점 및 밀도를 결정하였다.
• 시각적 관찰: 고온·고압 유체 상변화 편광 현미경을 사용하여 지층 조건 하에서의 가스-고체 침전 및 유체 상변화(가스-액체-고체)를 관찰하였다.
• 동적 왁스 퇴적 테스트: 저자는 초심층 조건을 최대 100 MPa까지 모사할 수 있는 맞춤형 "슬림 튜브 동적 왁스 퇴적 테스트 장치"를 개발하였다. 이 장치를 통해 다음과 같은 다양한 조건 하에서 왁스 퇴적률을 측정하였다:
  • 유량: 0.1, 0.2, 0.3 ml/min.
  • 가스-오일 비율 (GOR): 20, 50, 100 m³/m³.
  • 입자 함량: 고체 입자의 질량 분율 1%, 2%, 3%.
• 모델링: 다상 유동 유정 퇴적 동적 모델을 사용하여 다양한 일일 생산량에 따른 왁스 퇴적 메커니즘을 예측하였다. 이 모델은 압력 차이를 기반으로 왁스 퇴적 두께와 속도를 계산하며, 왁스 층의 "동적 거칠기"를 고려한 동적 마찰 계수를 포함한다.

주요 결과

• 왁스 특성: 보지 가스 응축수는 최대 33.71°C의 왁스 퇴적점을 보인다. -20°C에서 왁스 축적량은 총 왁스 함량보다 낮게 나타났는데, 이는 DSC 냉각 과정에서 왁스가 완전히 퇴적될 수 없음을 의미한다. 유정 102-2는 가장 높은 왁스 함량(8.08%)과 밀도(0.8096 g/cm³)를 보였으며, 이는 폐쇄 가능성이 가장 높음을 나타낸다.
• 유량의 영향: 유량과 왁스 퇴적률 사이에는 역관계가 존재한다. 높은 유량은 파이프 벽면에 가해지는 전단 응력을 증가시켜 퇴적된 왁스 층을 물리적으로 제거하고, 왁스 분자의 질서 있는 핵 생성 및 성장을 억제함으로써 순 퇴적률을 감소시킨다.
• 가스-오일 비율 (GOR)의 영향: GOR이 증가하면 왁스 퇴적률이 크게 감소한다. 높은 GOR은 액상 내 왁스의 질량 농도를 희석시키고 유체의 유변학적 특성을 변화시켜(유효 점도 감소), 왁스 분자가 파이프 벽 근처에 농축되고 침전되는 것을 어렵게 만든다. 반대로, 낮은 GOR 조건(예: 폐쇄 시)은 심각한 폐쇄 위험을 높인다.
• 입자의 영향: 고체 입자(모래/점토)는 결정 핵 역할을 하여 왁스 성장을 촉진한다. 본 연구는 입자 함량과 왁스 퇴적률 사이에 직접적인 비례 관계가 있음을 발견하였다. 즉, 입자 함량이 높을수록 더 빠른 퇴적이 일어난다.
• 임계 생산 임계치: 동적 예측 모델을 통해 보지 1-1 유정의 경우, 일일 생산량이 3.4 × 10⁵ m³를 초과하면 유정 내에 왁스 퇴적이 발생하지 않음을 결정하였다. 이 임계치 미만(예: 2.7 × 10⁵ m³)에서는 유정 온도가 왁스 퇴적 온도와 교차하여 약 100m 깊이에서 폐쇄가 발생한다.

공학적 적용 및 완화 조치
본 연구는 이전에 심각한 왁스 폐쇄(유정 압력이 2 MPa로 하락)를 겪었던 보지 1-1 유정에 연구 결과를 적용하였다. 다음과 같은 복구 전략이 시행되었다:

1. 기존 왁스를 녹이기 위해 환상 공간(annulus)으로부터 고온 원유(80°C)를 순환시킴.
2. 파라핀 제거제(농도 2‰)를 주입한 후, 안티-왁스(anti-wax) 및 유동점 강하제(0.1%)를 추가함.
3. 임계치 이상의 생산량을 유지함.

처리 후 결과, 유정 압력이 2 MPa에서 89 MPa로 회복되었으며, 일일 생산량이 2.7 × 10⁵ m³에서 4.0 × 10⁵ m³로 안정화되며 증가하였다.

의의 및 주장
본 논문은 초심층, 고압 및 고온 가스 응축수 저류층의 왁스 퇴적 메커니즘을 이해하기 위한 이론적 데이터 지원을 제공한다고 주장한다. 유속, GOR 및 입자 함량의 결합 효과를 체계적으로 정량화함으로써, 본 연구는 왁스 퇴적을 방지하기 위한 임계 일일 생산량(3.4 × 10⁵ m³)을 설정하였다. 연구는 생산량을 임계치 이상으로 유지하는 것이 효과적인 모래 제어 및 화학적/열적 복구와 결로 결합될 때 왁스 퇴적 방지에 필수적임을 검증하였다. 저자들은 이러한 결과가 유사한 초심층 저류층의 생산 최적화 및 왁스 제어를 위한 핵심적인 이론적 근거를 제공한다고 밝히며, 향후 연구는 다중 유정 네트워크 최적화 및 지능형 조기 경보 플랫폼으로 확장하는 데 중점을 둘 것임을 명시하였다.