Sand Control: 모래 유입 방지 기술

1. 모래 유입 문제의 개요와 생산에 미치는 영향

모래 유입(Sand Production)은 저류층에서 생성된 고형 입자가 유체 흐름과 함께 유정으로 유입되는 현상으로, 석유 가스 생산에서 빈번히 발생하는 기술적 과제입니다. 사암층(砂岩層)과 같은 느슨하게 결합된 지층에서는 압력 감소, 유속 상승, 점진적 구조 약화로 인해 모래 입자가 분리되어 생산 유체와 함께 이동합니다. 모래 유입은 유정 운영에 심각한 문제를 유발합니다. 첫째, 생산 튜빙과 플로우라인 내부에 침적되어 흐름 저항과 압력 손실을 증가시키며, 생산량 감소를 초래합니다. 둘째, 고속 유체에 의해 장비 마모와 부식이 가속화됩니다. 셋째, Separator 및 처리 설비에 모래가 축적되어 유지관리 비용이 급증하고, 간헐적으로 생산이 중단됩니다. 가장 치명적인 결과는 보어홀 붕괴와 케이싱 손상으로 유정이 영구 폐쇄될 수 있다는 점입니다. 따라서 모래 유입 방지는 생산의 연속성과 경제성을 유지하는 핵심 과제로 간주됩니다.

2. 모래 유입 방지 전략의 분류

모래 통제(Sand Control) 기술은 크게 두 가지 전략으로 구분됩니다. 첫 번째는 패시브 방식(Passive Sand Control)으로, 기계적 장치를 통해 유입 모래를 물리적으로 차단하는 방법입니다. 대표적인 예로 그라블 팩(Gravel Pack)과 스크린(Screen)이 있습니다. 두 번째는 액티브 방식(Active Sand Control)으로, 저류층의 역학적 안정성을 강화하거나 유동 조건을 조절해 모래 분리를 억제하는 방식입니다. 예를 들어, 지층 강화용 레진 수지 주입, 저류층 압력 유지, 유량 제어 전략 등이 해당됩니다. 프로젝트 조건에 따라 두 방식을 조합해 사용하는 경우가 일반적입니다.

 

3. 그라블 팩 시스템의 설계와 적용

그라블 팩(Gravel Pack)은 가장 널리 사용되는 기계적 모래 차단 방식입니다. 생산 구간 주변에 규격화된 고강도 자갈층(그라블)을 채워 스크린 외부에 필터를 형성하는 것이 특징입니다. 공정은 크게 네 단계로 나뉩니다. 첫째, 케이싱 내부에서 저류층과의 유동 경로를 확보하기 위해 퍼포레이션을 시행합니다. 둘째, 내부에 스크린 어셈블리(Screen Assembly)를 하강 설치합니다. 스크린은 내부 강관과 외부 필터망으로 구성되며, 그라블이 통과하지 못하는 필터링 기능을 수행합니다. 셋째, 표면에서 슬러리 상태로 준비한 그라블을 펌프로 주입해 보어홀과 스크린 사이를 충진합니다. 마지막으로, 일정 시간 압력을 유지하며 그라블이 균일하게 자리 잡도록 합니다. 그라블 팩은 지층의 모래 유입을 효과적으로 차단하는 한편, 충분한 유체 투과성을 보장해 생산 효율을 유지합니다. 다만, 설치 공정이 복잡하고 비용이 높아 프로젝트 경제성에 주의를 기울여야 합니다.

 

4. 스크린 및 기타 기계적 장치

스크린(Screen Completion)은 그라블을 사용하지 않고 스크린 단독으로 모래를 걸러내는 방식입니다. 스크린은 와이어랩(Helical Wire-Wrap) 구조나 프리팩(Fre-Pack) 구조로 제작되며, 입자 크기에 따라 다양한 슬롯 폭으로 설계됩니다. 고압·고온 유정에서는 스테인리스 합금이나 듀플렉스 소재가 사용됩니다. 스크린 단독 방식은 공정 단순화와 비용 절감 측면에서 유리하나, 고투과도 저류층에서는 클로깅(막힘)과 생산 저하가 단점으로 지적됩니다. 이외에 Expandable Sand Screen(확장형 스크린)은 설치 후 기계적으로 팽창해 보어홀과 접촉면을 최대화하며 모래 유입을 효과적으로 제어합니다. 최근에는 화학적 결합제(Chemical Consolidation)를 이용해 지층 입자를 접착해 모래 발생을 억제하는 기술도 일부 현장에서 채택됩니다.

 

5. 유량 제어와 압력 관리 전략

모래 유입은 유속과 압력 구배의 급격한 변화에 민감하게 반응하기 때문에, 유정 생산 운영 단계에서 유량 제어가 중요합니다. 초기 생산 시 과도한 유량은 지층 구조를 약화시켜 모래 유입을 유발하므로, 점진적 초크 개방을 통해 유속 상승을 관리합니다. 또한 생산 압력이 지나치게 낮아지면 입자간 응집력이 상실되어 모래 붕괴가 발생할 수 있으므로, 적정 압력 구배를 유지하는 것이 핵심 전략입니다. 최신 생산 현장에서는 유량 센서와 디지털 초크를 이용해 목표 유량을 정밀하게 제어하며, AI 기반 최적화 시스템이 생산과 모래 유입을 동시에 감시합니다.

 

6. 유지관리와 모니터링

모래 방지 시스템이 설치되더라도 주기적인 모니터링과 유지관리는 필수입니다. Separator에서 생산물의 고형물 농도를 정기적으로 분석하고, 튜빙 내 압력과 유속 변화를 관찰해 이상 징후를 조기에 탐지합니다. 그라블 팩의 경우 생산량이 감소하면 부분적인 클로깅을 의심해 백플러싱(역세척)이나 Well Intervention을 검토해야 합니다. 스크린 방식은 고형물 축적 시 유량 감소가 빠르게 나타나므로, 압력차 모니터링이 매우 중요합니다. 최근에는 센서 기반의 실시간 모니터링과 드론·로봇 점검 기술이 도입되어 무결성을 자동 관리하는 사례가 증가하고 있습니다.