CO2 격리와 증강 석유 회수를 위한 불확실성 정량화 연구

초록

본 연구는 텍사스 북부 Anadarko 분지의 Farnsworth Unit에서 CO2‑EOR(Enhanced Oil Recovery) 공정을 대상으로, 지구통계 기반 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해 주요 불확실성 변수들을 정량화하였다. 전역 민감도와 응답표면 분석 결과, 저류층 투과성, 공극률, 두께가 CO2 주입·저장량과 석유·가스 회수율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 시추 간격과 초기 수분 포화도 역시 회수율에 중요한 역할을 한다. 이러한 결과는 CO2‑EOR 현장의 경제성 평가와 저장 효율성 향상에 필수적인 불확실성 이해를 제공한다.

상세 분석

본 논문은 Morrow 형성에 위치한 Farnsworth Unit을 모델링 대상으로 삼아, CO2‑oil‑water 다상 흐름과 반응성 물질 이동을 3‑D 지구통계 기반 몬테카를로 시뮬레이션으로 구현하였다. 시뮬레이션은 1,000여 개의 실험 설계 샘플을 생성하고, 각 샘플에 대해 투과성, 공극률, 두께, 초기 수분 포화도, 시추 간격 등 7개의 주요 파라미터를 확률분포로 정의하였다. 전역 민감도 분석은 Sobol 지수를 활용하여 각 파라미터가 네 가지 성과 지표(순 CO2 주입량, 누적 석유 생산량, 누적 메탄 가스 생산량, 순 물 주입량)에 미치는 기여도를 정량화하였다. 결과는 투과성(K)과 공극률(ϕ)이 CO2 주입량과 저장 용량을 결정하는 주된 내재 변수임을 명확히 보여준다. 특히, 투과성의 변동이 높은 경우 CO2 전파 속도가 급격히 달라져 저장 효율과 압력 관리에 큰 영향을 미친다. 두께는 저장 부피를 직접적으로 확대하거나 축소시키는 역할을 하며, 두께가 얇을수록 압력 손실이 가속화돼 CO2 회수 효율이 저하된다.

시추 간격은 유동 경로와 압력 구배를 조절함으로써 석유와 가스 회수율에 큰 영향을 미친다. 간격이 좁을수록 CO2가 보다 균일하게 분포해 석유 용해와 팽창 효과가 증대되지만, 동시에 물 주입량이 증가해 운영 비용이 상승한다. 초기 수분 포화도(Swi)는 석유와 가스의 상대 투과성에 직접적인 영향을 주어, 높은 Swi는 CO2와 석유의 접촉 면적을 감소시켜 회수율을 저하시킨다.

반응성 물질 이동 측면에서는 CO2와 원유 사이의 용해·팽창 메커니즘이 주요 회수 구동력으로 작용함을 확인하였다. 메탄 가스 생산량은 주로 CO2에 의해 원유 내 가스 용해도가 증가하면서 촉진되며, 이는 저류층의 온도·압력 조건에 민감하게 반응한다. 따라서, 온도와 압력의 불확실성도 간접적으로 회수 효율에 영향을 미치지만, 본 연구에서는 고정값으로 가정하였다.

전반적으로, 전역 민감도와 응답표면 분석을 결합한 방법론은 복합 다상 흐름 시스템에서 핵심 파라미터를 식별하고, 불확실성 전파를 정량화함으로써 경제적 의사결정에 필요한 위험 평가를 가능하게 한다. 특히, 투과성·공극률·두께와 같은 지질학적 파라미터에 대한 정밀한 측정이 CO2 저장 용량과 EOR 수익성을 크게 향상시킬 수 있음을 강조한다.