에너지자원공학과: 석유가스 공학 및 실험

안녕하세요:) 저는 에너지자원공학과 최장현입니다. 오늘은 에너지자원공학과 3학년의 핵심 전필과목 중 하나인 석유가스 공학 및 실험에 대해 알려드리려고 합니다!

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1. 전반적인 내용

: 여러분 모두 아시다시피 ‘탄소중립’ 달성을 위해서 석유와 가스 사용량을 줄여야 합니다. 하지만 기술력의 한계로 아직은 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원이 없기 때문에 당분간은 석유와 가스가 주에너지원으로 계속 사용될 것입니다. 이런 석유와 가스의 지하 존재 여부를 판단하고 생산하는 일련의 과정을 배우는 것이 본 과목의 핵심입니다. 본 과목에서는 크게 다음과 같은 내용들을 배우게 됩니다.

1. 지하 암석과 석유와 가스 유체의 특성
2. Well log interpretation
3. 석유와 가스 생산
4. Pipeline flow
5. 물질평형방정식을 이용한 CO2저장용량 평가

 1)에서는 암석의 특성과 석유와 가스 유체의 특성을 배우면서 각 특성들이 화석연료 저장 및 유동에 미치는 영향들을 공부하게 됩니다. 이후 2)에서는 well log 정보를 활용해 석유와 가스가 저장된 위치를 판단하는 방법을 배우게 됩니다. 3)에서는 수업의 핵심인 석유와 가스의 유동과 이에 있어 중요한 요인들을 수식과 함께 계산하는 방법에 대해서 배웁니다. 마지막으로 4)에서는 생산된 유체가 pipeline을 통해 유동하는 과정에 대해 배우게 됩니다. 5)의 경우 석유와 가스가 아닌 이산화탄소의 저장용량을 평가하는 방법을 다룹니다. 본 수업에 5) 내용이 포함되는 이유는 화석연료를 추출하고 발생한 빈 공간에 이산화탄소를 저장하는 경우가 많기 때문입니다.

 

1.2. 지하 암석과 석유와 가스 유체의 특성

: 우리가 지하에서 화석연료를 채굴한다고 가정했을 때 크게 두가지 중요한 요소들을 고려하게 됩니다. 첫번째로 화석연료의 양이 중요하고 두번째로 화석연료를 채굴 용이성이 될 것입니다. 먼저 화석연료의 양을 결정하는 Porosity는 아래의 <그림1>과 같이 grain을 제외한 pore가 차지하는 비율로 석유와 가스가 이러한 pore에 저장되게 됩니다.

<그림1> 암석의 grain과 pore [1]

 따라서 porosity가 클수록 석유와 가스가 저장될 수 있는 공간이 많아지게 됩니다. 채굴의 용이성의 경우 permeability와 저장된 암석의 종류가 영향을 끼칩니다. 우선 permeability는 유체가 grain사이를 얼마나 잘 흐를 수 있는지를 나타내는 물리량입니다. 따라서 permeability가 좋을수록 채굴에 유리합니다. 암석의 종류의 경우는 수업 가장 처음에 배우는 내용으로 암석을 구성하는 mineral부터 시작해서 특성들과 함께 저장에 유리한 경우들을 배웁니다.
결론적으로 porosity, permeability, 암석의 종류를 정확하게 알아야 석유와 가스의 생산여부를 결정할 수 있습니다. 수업에서는 각 물리량을 측정하는 다양한 방법을 배우고 이 과정에서 간단한 실습도 진행합니다.

 

1.3. Well log interpretation

: 화석연료가 저장된 위치를 파악하기 위해서는 복잡한 과정을 거쳐야 하는데 본 글에서는 간단하게만 설명하겠습니다. Porosity는 측정하는 방법에 따라 크게 density porosity와 neutron porosity로 나뉘게 됩니다. Density porosity는 반사되는 gamma ray의 양 차이를 바탕으로 compton scattering이 일어난 정도를 바탕으로 알게된 bulk(유체+암석) density로 구할 수 있습니다. 이 때 bulk는 지하공간에 존재하기 때문에 구성하고 있는 유체의 종류를 정확하게 알 수 없습니다. 이를 편의상 물이라고 가정해서 계산을 진행하는데 만약 유체가 화석연료였다면 계산으로 구한 porosity는 실제보다 큽니다 (overestimated). Neutron porosity는 americium-beryllium에서 나오는 neutron이 bulk에 부딪혔을 때 나타나는 속도 변화를 통해 계산하게 됩니다. 여기서도 마찬가지로 유체를 물이라고 가정하고 계산을 진행하는데 neutron porosity는 density porosity와 다르게 실제 유체가 화석연료라면 실제보다 작게 나옵니다 (underestimated). 그러므로 깊이에 따른 density porosity와 neutron porosity의 그래프를 비교했을 때 차이가 생기는 부분에 화석연료가 있다고 추정할 수 있습니다. <그림2>에서 가운데 왼쪽 그래프를 보면 초록색 선이 density porosity를 빨간색 선이 neutron porosity를 나타내게 되어서 두 부분이 일치하지 않고 초록색 부분이 위에 있는 경우 화석연료가 있다고 추정할 수 있게 됩니다.

<그림2> Well log Interpretation [2]

여기서는 간단하게만 설명드렸지만 수업시간에는 다른 과정들을 거쳐서 엑셀을 이용해 왼쪽 그림에서 오른쪽 그림을 만들어 화석연료가 저장된 위치뿐만 아니라 저장량까지 계산해볼 수 있습니다.

 

1.4. 석유와 가스 생산

: 1.3와 같은 방법을 이용하면 석유와 가스의 저장량을 알 수 있지만 실제로 저장된 모든 양을 생산할 수는 없습니다. 왜냐하면 지하공간에 남아있는 석유가 적은 경우에는 생산에 필요한 비용이 실제 가치보다 커서 경제적인 관점에서 비효율적이기 때문입니다. 이런 생산과정에 가장 큰 영향을 미치는 부분이 1.2에서 언급한 permeability와 암석의 종류입니다. 본 수업에서는 암석의 종류보다는 permeability에 초점을 맞추어 화석연료의 유동에 대해서 알아보게 됩니다.

이 때 사용하는 기본 식이 Darcy’s law입니다. Single phase, No reaction between liquid and solid, Newtonian fluid, Steady state, Incompressible fluid을 모두 가정할 시 Darcy’s law는 [그림3]의 왼쪽과 같이 간단하게 표현됩니다. 수업에서는 가장 간단한 해당 식부터 출발하여 조건들을 Steady flow에서 Unsteady flow로, 액체에서 기체로 다양하게 바꾸면서 식을 유도합니다. 예시는 그림에 언급되어 있습니다 최종적으로는 구한 식들에 물질평형방정식을 적용하여 well로부터 떨어진 거리와 시간에 따라 생산할 때 나타나는 압력변화까지 계산하게 됩니다. 모든 과정들은 엑셀을 바탕으로 구현하는 실습까지 진행합니다.

<그림3> 다양한 permeability 계산 방법 [3]

이처럼 식을 바탕으로 permeability를 계산하는 방법을 배운 뒤에는 실제 field에서 이를 계산하는 Build-up test와 Drawdown test를 배우게 됩니다. 이 과정에서는 skin factor의 영향을 추가적으로 고려하여 계산을 진행하게 됩니다. Skin factor는 시추를 위해 drilling을 진행할 때 well에 넣어야 하는 mud가 pore를 막으면서 유동을 방해하는 효과를 반영하는 요소입니다.

 

1.5. Pipeline flow

: 생산까지 완료된 화석연료는 car, ship, aircraft 등 다양한 방법으로 수송될 수 있지만 가까운 거리에 경우에는 pipeline이 사용되는 것이 일반적입니다. 이 부분은 수업의 마지막에 다뤄서 자세하게 다루진 않지만 의미가 있다고 생각해 핵심내용으로 분류했습니다. Pipeline flow는 Bernoulli’s equation인 에서 출발해 viscosity에 의한 영향까지 다루게 됩니다. Viscosity는 Reynold’s number에 따라 laminar flow와 turbulent flow로 나누어 friction factor을 다르게 계산해 변화를 줍니다.

 

1.6. 물질평형방정식을 이용한 CO2 저장용량 평가

: 앞서서 언급한 것과 같이 화석연료를 생산하고 생긴 빈 공간에 이산화탄소를 저장하려고 하는 시도가 점점 많아지고 있습니다. 이 때 이산화탄소를 너무 많이 주입하면 pore pressure가 너무 커져 이산화탄소가 새거나 지반의 변화가 발생할 수 있습니다. 따라서 주입할 수 있는 양을 아는 것이 중요한데 이를 물질평형방정식을 바탕으로 계산하는 방법을 배우게 됩니다. 해당 파트에서는 PV=ZnRT를 가장 기본으로 사용하게 됩니다. 이 때 이상 기체와 실제 기체의 차이를 설명하는 compressibility factor, 를 pseudo temperature와 pseudo pressure를 이용해 계산하게 됩니다. 그리고 이를 바탕으로 아래 그림[4]과 같은 과정을 거쳐서 이산화탄소 저장용량을 알아내게 됩니다. 이 과정도 마찬가지로 엑셀을 활용합니다.

<그림4> CO2 저장용량 평가 계산 방법[4]

2. 선배의 조언

: 석유와 가스에 대해 배우는 첫 전공 과목이기 때문에 선수강 과목이 없습니다. 하지만 전체적으로 유체를 다루기 때문에 에너지자원유체역학을 미리 수강한다면 해당 과목을 수강하는데 도움이 된다고 생각합니다. 특히 후반 파트에 있어 이해가 수월할 것이라고 생각합니다. 물론 교수님께서 필요한 내용의 경우 자세하게 설명해주시기 때문에 유체역학을 듣지 않으셨어도 크게 걱정하실 필요는 없습니다.

 수업이 대부분 엑셀과 함께 진행되는데 이 부분에 있어서도 교수님께서 자세하게 설명해주시기 때문에 엑셀을 다룰 줄 몰라도 수강하는데 문제가 없습니다. 다만 교수님께서 복습용으로 퀴즈를 많이 내주시기 때문에 꼼꼼하게 확인하고 같이 수강하는 친구들이 있다면 답을 비교해보는 것이 큰 도움이 됩니다. 그리고 엑셀의 경우 처음 접했을 때는 복잡할 수 있기 때문에 많이 반복해보는 것을 추천합니다.

 

3. 진로 선택에 도움되는 점

: 본 과목은 석유와 가스를 주로 다루기 때문에 이 부분에 관심이 없는 타과생들은 굳이 수강하지 않아도 될 과목이라고 생각합니다. 하지만 반대로 이 분야로의 진출을 생각하고 있는 학생이라면 필수적으로 수강해야 할 과목이라고 생각합니다. 특히 ‘탄소중립’으로 이목이 집중되고 있는 CCS의 이산화탄소 유동에도 적용될 수 있기 때문에 이런 유동 분야에 관심있는 친구들에게 적극 추천합니다. 정훈영교수님께서 하고 계신 연구의 기본이 되는 수업이므로 해당 수업을 들으면 해당 연구실에서 하고 있는 연구가 본인의 관심분야와 잘 맞는지 알 수 있습니다. 동기들이나 후배들 중 이 수업을 듣고 정훈영교수님 연구실로 학부인턴이나 대학원 진학을 결정한 경우들이 있습니다. 여러분도 고민하고 계신다면 해당 수업을 듣고 결정하시는 걸 추천합니다.

 

4. 맺음말

: 본 과목은 암석역학 및 실험과 함께 에너지자원공학과 3학년 전공 필수의 꽃을 담당하고 있다고 생각합니다. 두 과목을 같이 수강하는 것이 물론 쉽지 않지만 수강한 이후에는 에너지자원공학과에서 어떤 분야들을 다루고 있는지 확실히 알 수 있습니다. 또한 본 과목을 수강한 이후에는 엑셀 실력이 많이 늘어서 다양하게 활용될 수 있다는 장점이 있습니다. 로드가 많아 바쁠 수 있지만 얻어가는 것도 많은 수업이라고 느껴서 여러분들도 즐겁게 수강하시기를 기원합니다! 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 궁금한 점 있으시면 언제든지 연락주세요:)

 

Reference

[1] Chesworth, Ward (2008). Encyclopedia of soil science. Dordrecht, Netherlands: Springer. p. 694. ISBN 978-1402039942. https://soil.evs.buffalo.edu/index.php/Porosity

[2] 정훈영교수님 수업자료

[3] 정훈영교수님 수업자료

[4] 정훈영교수님 수업자료