Geology of Athabasca Oil Sands in Canada

캐나다 아사바스카 오일샌드 지질특성

As conventional oil and gas reservoirs become depleted, interests for oil sands has rapidly increased in the last decade. Oil sands are mixture of bitumen, water, and host sediments of sand and clay. Most oil sand is unconsolidated sand that is held together by bitumen. Bitumen has hydrocarbon in situ viscosity of >10,000 centipoises (cP) at reservoir condition and has API gravity between $8-14^{\circ}$. The largest oil sand deposits are in Alberta and Saskatchewan, Canada. The reverves are approximated at 1.7 trillion barrels of initial oil-in-place and 173 billion barrels of remaining established reserves. Alberta has a number of oil sands deposits which are grouped into three oil sand development areas - the Athabasca, Cold Lake, and Peace River, with the largest current bitumen production from Athabasca. Principal oil sands deposits consist of the McMurray Fm and Wabiskaw Mbr in Athabasca area, the Gething and Bluesky formations in Peace River area, and relatively thin multi-reservoir deposits of McMurray, Clearwater, and Grand Rapid formations in Cold Lake area. The reservoir sediments were deposited in the foreland basin (Western Canada Sedimentary Basin) formed by collision between the Pacific and North America plates and the subsequent thrusting movements in the Mesozoic. The deposits are underlain by basement rocks of Paleozoic carbonates with highly variable topography. The oil sands deposits were formed during the Early Cretaceous transgression which occurred along the Cretaceous Interior Seaway in North America. The oil-sands-hosting McMurray and Wabiskaw deposits in the Athabasca area consist of the lower fluvial and the upper estuarine-offshore sediments, reflecting the broad and overall transgression. The deposits are characterized by facies heterogeneity of channelized reservoir sands and non-reservoir muds. Main reservoir bodies of the McMurray Formation are fluvial and estuarine channel-point bar complexes which are interbedded with fine-grained deposits formed in floodplain, tidal flat, and estuarine bay. The Wabiskaw deposits (basal member of the Clearwater Formation) commonly comprise sheet-shaped offshore muds and sands, but occasionally show deep-incision into the McMurray deposits, forming channelized reservoir sand bodies of oil sands. In Canada, bitumen of oil sands deposits is produced by surface mining or in-situ thermal recovery processes. Bitumen sands recovered by surface mining are changed into synthetic crude oil through extraction and upgrading processes. On the other hand, bitumen produced by in-situ thermal recovery is transported to refinery only through bitumen blending process. The in-situ thermal recovery technology is represented by Steam-Assisted Gravity Drainage and Cyclic Steam Stimulation. These technologies are based on steam injection into bitumen sand reservoirs for increase in reservoir in-situ temperature and in bitumen mobility. In oil sands reservoirs, efficiency for steam propagation is controlled mainly by reservoir geology. Accordingly, understanding of geological factors and characteristics of oil sands reservoir deposits is prerequisite for well-designed development planning and effective bitumen production. As significant geological factors and characteristics in oil sands reservoir deposits, this study suggests (1) pay of bitumen sands and connectivity, (2) bitumen content and saturation, (3) geologic structure, (4) distribution of mud baffles and plugs, (5) thickness and lateral continuity of mud interbeds, (6) distribution of water-saturated sands, (7) distribution of gas-saturated sands, (8) direction of lateral accretion of point bar, (9) distribution of diagenetic layers and nodules, and (10) texture and fabric change within reservoir sand body.

오일샌드는 비재래형(unconventional) 석유자원의 하나로서 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합물이다. 오일샌드 비투멘은 API 비중이 $8-14^{\circ}$이고 점도가 10,000 cP 이상인, 매우 무겁고 점성이 큰 탄화수소 자원으로서 일반적으로 지표나 천부퇴적층에서 유동성을 갖지 않는다. 오일샌드 비투멘은 주로 캐나다 앨버타주와 사스캐추완주에 분포하고 있으며, 캐나다에만 원시부존량이 1조 7천억 배럴, 확인매장량이 1천 7백억 배럴에 달한다. 대부분은 앨버타주 포트 멕머레이(Fort McMurray) 인근의 아사바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake), 피스리버(Peace River) 지역에 매장되어 있다. 캐나다 오일샌드 저류지층은 아사바스카 지역의 멕머레이층(McMurray Fm)과 클리어워터층(Clearwater Fm), 콜드레이크 지역의 멕머레이층(McMurray Fm), 클리어워터층(Clearwater Fm), 그랜드래피드층(Grand Rapid Fm), 피스리버 지역의 블루스카이층(Bluesky Fm)과 게팅층(Gething Fm)이다. 이들 지층은 하부 백악기 지층으로서 중생대 초-중기에 발생한 북미판과 태평양판의 충돌과 그로 인한 대륙전면분지(foreland basin)의 형성과정에서 퇴적되었다. 분지의 기반암은 복잡한 지형을 갖는 고생대 탄산염암이며, 그 위에 북미대륙 북쪽의 보레알해(Boreal Sea)로부터 현재의 북미대륙 서부를 남북으로 관통하는 전기백악기내해로(Early Cretaceous Interior Seaway)를 따라 해침이 발생하면서 오일샌드 저류지층이 형성되었다. 세 개의 주요 오일샌드 분포지역 가운데 80% 이상의 오일샌드를 매장하고 있는 아사바스카 지역의 저류지층인 멕머레이층과 크리어워터층의 최하부층원인 와비스코 층원(Wabiskaw Mbr)은 전기 백악기 시기의 해침층서를 잘 반영하고 있다. 멕머레이층 하부에는 하성기원의 퇴적층이 발달하고, 상부로 가면서 점차로 조석기원의 천해 퇴적층이 우세해지며, 와비스코 층원에 와서는 의해 세립질 퇴적층이 광역적으로 분포한다. 이러한 해침기원의 상향 세립화 경향은 아사바스카 오일샌드 부존지역에서 일반적으로 관찰된다. 오일샌드 부존지층은 일반적으로 불균질 저류층이며, 주요 저류층은 하성퇴적층이나 에스츄어리(estuary) 기원의 퇴적층에 발달한 하도-포인트 바 복합체(channel-pont bar complex)이다. 이러한 하도-포인트바 복합체는 범람원 및 조수평원 세립질 퇴적층이나 만-충진(bay-fill) 퇴적층과 함께 멕머레이층을 형성한다. 멕머레이층 상부에 오는 와비스코 층원은 주로 외해 세립질 퇴적층으로 이루어져 있으나, 멕머레이층을 대규모로 침식하는 하도사암층이 지역적으로 발달하기도 한다. 캐나다에서 오일샌드는 주로 노천채굴(surface mining)과 심부열회수(in-situ thermal recovery) 방식으로 생산한다. 50 m 미만의 심도에 묻혀있는 오일샌드는 노천채굴 방식으로 회수하여 비투멘 추출(extraction)과 개질(upgrading)과정을 거쳐 합성원유(synthetic crude oil)로 생산된다. 반면에 150-450 m 심도에 묻혀있는 오일샌드는 주로 심부열회수 방식으로 비투멘을 회수하여 비교적 간단한 비투멘 블렌딩(blending)과정을 통해 유동성을 증가시켜 정유시설로 운반한다. 심부열회수 방식으로 오일샌드를 개발할 경우 주로 스팀주입중력법(SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage)이나 주기적스팀강화법(CSS: Cyclic Steam Stimulation)이 사용된다. 이러한 방법들은 저류층에 스팀을 주입하여 저류층 내의 온도를 상승시킴으로써 비투멘의 유동성을 증가시켜 회수하는 기술을 사용한다. 따라서 오일샌드 저류층 내부의 스팀전파효율을 결정하는 저류지층의 주요 지질특성에 대한 이해가 선행되어야 효과적인 생산설계와 효율적인 생산을 수행할 수 있다. 오일샌드 생산에 영향을 미치는 저류층의 주요 지질특성에는 (1)비투멘 샌드층의 두께(pay) 및 연결성(connectivity), (2) 비투멘 함량, (3) 저류지역 지질구조, (4) 이질배플(mud baffle)이나 이질프러그(mud plug)의 분포, (5) 비투멘 샌드층에 협재하는 이질퇴적층의 두께 및 수평연장성(lateral continuity), (6) 수포화층(water-saturated sand)의 분포, (7) 가스포화층(gas-saturated sand)의 분포, (8) 포인트바의 성장방향성, (9) 속성층(diagenetic layer)의 분포, (10) 비투멘 샌드층의 조직특성 변화 등이 있다. 이러한 지질특성에 대한 고해상의 분석을 통해 보다 효과적인 오일샌드 개발이 달성될 수 있을 것이다.