물리 검층
□ 개설
◦ 물리 검층 기술
검층(well logging)
시추과정에서 얻게 되는 다양한 자료로부터 시추공 주변의 지층의 상태를 조사하는 작업
검층기록(well log)
검층에 의하여 얻은 정보를 심도에 따라 도표화한 것
시추공의 자료를 기술하는 방법에 따라 분류
┏ 지질검층(geologic logging)
┣ 지질공학검층(geotechnical logging)
┣ 물리검층(geophysical logging)
┗ 이수검층(mud logging)
· 물리검층
시추공내에 검층기(sonde)를 삽입하여 주위의 이수(mud)나 지층에 기인하는 자연적 물리 현상이나 인공적으로 발생시킨 물리 현상을 심도에 따라 연속적으로 조사하는 방법
지층을 정량적으로 분석하는데 필요한 유용한 정보 제공
물리적 응용 원리에 따라 유형별로 분류
→ 전기검층, 방사능 검층, 음파검층 및 특수 목적의 보조 검층법
검층기술의 대부분은 석유탐사를 목적으로 발전
일반적인 검층이라 하면 물리검층을 지칭
물리검층의 장점
시추보다 비용이 저렴
광체와 관련된 이상을 판별하는데에 유용한 보조 수단
코어의 회수가 불량하거나 육안에 의한 광물의 식별이 힘든 경우
측정자료가 다양
물리검층의 단점
시추공의 공경이 작음 → 사용기기 선정에 제약
광산 시추시 검층 자료 새석이 쉽지 않음
◦ 암석의 성질과 지층 평가
· 개설
물리 검층 기록은 암석의 화학적·물리적 성질을 측정한 것
기록지상의 암석의 구분
┏ 석영, 사암, 쳐어트와 기타 SiO2 광물 – 같게 나타남
┣ 석회암, 백악(chalk) – 같게 나타남
┣ 셰일 – 점토 또는 혼성 점토로 나타남
┗ 점토나 셰일 – 검층 중 어느 암석들과는 다른 특성을 보이므로 따로 취급
검층자료로부터 저류층 또는 저류가능 지층을 판별 평가하기 위한 정보
→ 공극률(porosity), 투수율(permeability), 유체 포화율(fluid saturation)
· 공극률(porosity)
공극률 – 암석이 유체를 함유할 수 있는 용량
공극률 ↑ → 저유층이 경제적인 개발 가치가 있다.
phi = V_p over V _t (φ : 암석의 공극률, Vp : 공극의 부피, Vt : 암석의 전체 부피)
유효공극률(φe) – 상호 연결되어 있는 공극의 부피(Vip)만을 고려한 것
phi_e = V_ip over V_t
공극의 크기 – 퇴적물의 패킹, 분급정도 입자의 원마도 등에 관계 → 일차 공극률
공극률은 퇴적물의 하중에 의한 교결작용으로 인하여 감소. 심도에 따라 감소
일차공극률 – 40~0%까지 다양
phi = phi_0 e^-CD
(φ : 심도 D에서의 공극률, φ0 : 퇴적당시 또는 지표에서의 공극률, C : 실험적 상수)
이차공극률 – 암석화 과정후에 나타나는 용해, 파쇄 및 열극 등에 의하여 생긴 공극
ex) 석회암, 돌라마이트 → 지하수에 의해 용해
석회암에서 톨로마이트로 변환하는 과정에서 암석 입자의 수축에 의해 공극 형성
· 투수율
투수율 – 암석내를 유체가 얼마나 쉽게 흘러갈 수 있는가를 나타내는 값
다아시 법칙
Q = k q over mu S over h (P_1 -P_2 )
┏ Q 유량(㎤/sec), μ : 유체의 점성(centipoise), k = 절대 투수율(darcies)
┣ S : 유체가 흐름에 직각인 방향의 단면적(㎠)
┣ h : 유체가 흐르는 방향으로 측정한 매질의 두께(cm)
┗ P1, P2 : 두 단면에서의 압력(atmospheres)
┏ 사암 : 공극률이 클수록 투수율도 증가
┗ 세립의 퇴적암 : 공극률은 비교적 높지만 유체와 입자간의 표면장력으로 인해 투수율 불량
실체 투수율 측정은 대부분 코어 분석에 의존
· 유체 포화율
유체 포화율 – 암석의 전 공극의 부피에 대한 공극을 채우고 잇는 유에의 종류별 양의 비율
S_w = V_w over V_p (Sw : 물 포화율, Vp : 전 공극의 부피, Vw : 물이 차지하고 있는 부피)
탄화수소 저류암층에서는 지층수로 채워져 있는 부분을 제외한 공극은 탄화수소로 채워져 있다
→ 탄화수소 포화율(Sh) : S_h = 1 – S_w
· 전기 비저항
공극률 및 함유 유체의 전기 비저항 측정치와 함께 지층의 물 포화율 또는 탄화수소 포화율을 결정하는데 이용
전기 비저항과 전기전도율은 역수 관계 → 둘중 하나 측정
전류의 흐름 → 전자전도, 이온전도에 의해 발생
┏ 전자전도 – 전도성 광물 입자와 관계
┗ 이온전도 – 공극을 채우고 있는 염수와 관계
사암, 탄산염암 – 곡극을 채운 지층수 속의 전해물질의 유동에 기인
암석의 전기비저항은 공극률과 지층수의 염도에 좌우
· 공극률, 물 포화율, 전기비저항 사이의 관계
R_0 = F times R_w (Archie, etc) (F : 지층 비저항 계수)
→ 전기비저항이 Rw로 100% 포화되어 있는 암석의 전기 비저항
F=a phi^-m (a, m : 실험적 상수, m – cementation factor)
일반적인 입상암석 → Humble 식
F = 0.62 phi ^-2.15
교절암체(교결작용을 받은 사암이나 석회암)
F = phi^-2
공극의 일부가 석유와 같은 비전도성 유체로 채워져 있을 경우 지층의 진 전기비저항(Rt)은 R0보다 높은 값은 나타냄 → Archie 실험식
(S_w )^n = R_0 over R_t (n : 포화율 지수. 보통 2의 값을 가진다)
∴~ S_w = left( R_o over R_t right)^1/n = left( FR_w over R_t right)^1/n
· 검층에 의한 지층 평가
저류지층의 탄화수소 함유 능력 평가하기 위한 기본적인 검층은 암상, 전기비저항, 공극률 측정도 검층법으로 대별
검층 기술자에 의한 지층 평가
┏ 기본 검층기록을 얻기 위한 검층 실시
┣ 암상 및 지층을 구분하고 저류층이 될 수 있는 충분한 공극과 투수율이 있는지 검토
┣ 공극률을 측정하기위한 검층(밀도측정, 중성자검층, 음파검층 등)을 실시
┗ 공극률과 유체포화율 등을 계산하기 위한 정량적 해석을 실시
→ 다른 지질학적 자료들과 함께 시추공의 경제성을 최종 평가하는데 기본이 된다.
◦ 시추공의 상태가 검층에 미치는 영향
· 회전식 굴착기(rotary tool)와 이수(drilling fluid, mud)를 사용한 시추
지층수의 시추공내 유입에 의한 폭발 방지를 위해 → 이수압 > 지충수의 압력
· 이수 침입(invasion)
이수가 공벽 주위의 암석에 침입하여 지층수를 밀어내어 암석내 유에의 성질을 변화 시키는 현상
· 수기성 이수(water base mud)
공벽에 고체분으로 된 이벽 형성
· 투수성 지층에 대한 이수 침입의 양상 및 이에 따른 거리별 전기비저항의 변화