다중공 평판형 셀기기에서 하이드레이트 생산실험 분석연구
배재유·성원모·권순일*,†
한양대학교공과대학지구환경시스템공학과
133-791 서울시성동구행당동 17
*한국석유공사
431-711 경기도안양시동안구관양동 1588-14 (2007년 1월 10일접수, 2007년 2월 22일채택)
An Experimental Analysis of Hydrate Production using Multi-Well, Plate-Type Cell Apparatus
Jaeyu Bae, Wonmo Sung and Sunil Kwon*,†
Dept. of Geoenvironmental System Eng., Hanyang University, 17 Haengdang-dong, Sungdong-gu, Seoul 133-791, Korea
*Korea National Oil Corporation, 1588-14 Gwanyang-dong, Dongan-gu, Anyang, Gyonggi 431-711, Korea (Received 10 January 2007; accepted 22 February 2007)
요 약
본연구에서는감압법및열자극법에의한메탄하이드레이트생산실험을수행하기위해고압의다중공평판형셀기 기를설계·제작하였다. 이실험장비를이용하여고투과성미고결시료공극시스템에서감압법과열자극법에의한생
산실험을수행하여생산메카니즘을분석하였다. 감압법에의한생산실험결과, 일반가스전과는달리하이드레이트해
리에의한공극내에서의소스효과로인해일시적으로압력이상승하고또한흡열반응으로인해온도가하강함을확인 하였으며, 열자극생산실험을수행한결과에서는감압법의경우열자극법에비해해리속도가느리게진행되어가스생
산이낮은상태로지속되는것으로나타났다. 한편, 열자극법중열을가한후곧바로생산하는경우, 주입지점주변에
서만해리되고또한그지역에서만투과도가커지는것으로나타났으며, 생산초반이후해리속도는 soaking까지시행
한경우에비해해리가느리게진행됨을알수있다. 한편, 본연구의낮은하이드레이트포화도를갖는미고결시료 공극시스템에서열자극법의적정 soaking 시간규명실험을통해압력과생산거동을고찰하였다. 그결과, 6분간 soaking
한경우, 온도하강에의한하이드레이트의재형성으로 2분및 4분간 soaking한경우보다낮은회수율을보였다. 본연 구의실험결과는향후높은하이드레이트포화도를갖는고결시료공극시스템에서의실험을통해더욱확연히드러 날것으로예상된다.
Abstract −In this study, the『Multi Well Plate-type cell Apparatus』was designed and setup for performing the pro- ducing experiments of methane hydrate by depressurization, heat stimulating methods. In order to characterizing the producing mechanism of hydrate through porous materials, the experiments for various producing methods have been conducted with the aid of the apparatus which has high permeability. In the experimental result of depressurization method, the pressure is temporarily increased unlikely conventional gas reservoir due to the sourcing effect of hydrate dissociation in the pore. Meanwhile, the temperature is decreased because of the endothermic reaction while hydrate is dissociated. In the experimental results of heat stimulating method, the dissociation in depressurization method is more slowly processed than that in thermal method, and hence, its gas production is lower. In the case of production right after heating, hydrate is dissociated only near injecting point and the permeability becomes greater at that area only. It infers that the more gas is produced during relatively earlier producing period. Since then, the hydrate is more slowly disso- ciated than the case of production after heating and soaking. This time, the performances of pressure and production obtained by thermal method have been analyzed in order to investigate the effect of soaking time on gas recovery. As a result, the gas recoveries in the case of 2 min and 4 min soaking are higher than case in 6 min soaking. This is reason that hydrate is reformed due to the decrease of temperature. It is expected that the experimental results obtained in this work may be more clearly explained by utilizing the lower permeable porous system with the greater hydrate saturation.
Key words: Hydrate, Multi-well Plate-type Cell, Production Experiment, Depressurization, Thermal Stimulation
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
1. 서 론
하이드레이트가스전으로부터천연가스를회수하는방법은기본 적으로세가지로구분된다. 이들회수법에는 McGuire[1]와 Bayles
등[2]이제안한열주입법[3-5]이나 Verigin 등[6]과 Yousif 등[7, 8]이
제안한감압법과같이저류층의온도와압력을변화시킴으로서해 리시키는방법이있다. 또한해리조건을변화시키기위해메탄올이 나글리콜등과같은화학첨가제를주입하는방법이있다(Seo 등
[9], Sung 등[10]). 이들중감압법은열주입법과는달리외부에너지
가필요하지않으므로세가지방법중가장경제적인방법이지만 하이드레이트가매우느리게해리되는단점이있다(Yousif 등[8]).
반면에, 화학첨가제주입법은해리를촉진시킬수는있으나생산초 기에는하이드레이트의존재에의한막힘현상으로인해투과도가 매우낮으므로주입효율성이저조하다. 또한 Islam[5]은화학첨가제 인메탄올을주입할경우매우양호한해리효과를얻을수있으나 구입비용이크기때문에경제적으로비효율적일수밖에없다고보 고하였다. 따라서가장양호한생산방법으로감압법과열주입법을 함께병행하는하이브리드생산기법이제시되었다. 이기법은열주
입으로인하여하이드레이트해리를촉진시키고감압법에의해해 리된가스를생산하므로생산성을증진시키고자하는기법이다.
일반적으로중질유전(heavy oil)에적용되는열주입·자극법은열 수(hot water) 및증기(steam)를주입하게된다. 그러나, 하이드레이
트가스전은주로동토층이나심해저퇴적층에존재하므로저류층 의상·하부층이나주입정내에서의열손실이크게발생하게된다
(Selim 등[4]). 이에 Islam[5]은열손실을최소화하기위해주입정하 단에서열을가하는 electromagnetic heating 법을제안하였으며, 이
를증기주입법및열수주입법결과와비교한결과, electromagnetic heating 법이보다효율적임을제시하였다. Sung 등[11]은 1차원실 린더형실험장치를이용하여연속열주입법과열자극법에의한생산 실험을수행한바있다. 이들의결과에서연속열주입법은주입정주
변에서만온도와압력이급격히상승하고공극내에고체인하이드 레이트의존재에의해열전달효율성이낮으므로열자극법이연속 열주입법보다효과적임을보여주었다.
본연구에서는감압법과열주입·자극법에의한생산실험이가능
할수있도록하기위해고압의다중공평판형셀장치(MWPA; multi-well,
plate-type cell apparatus)를설계·제작하였다(Fig. 1). 이 MWPA는주입
정또는생산정을최대 13개포트까지설치할수있으며, 각포트 마다개별적으로압력과온도를측정할수있도록설계하였다. 본 연구에서제작된실험장비를이용하여미고결시료공극시스템에서 감압법과열주입·자극법에의한하이드레이트해리및생산실험을
수행하여메탄하이드레이트의생산거동을분석하였다. 2. 실험장비 제작 및 기본물성 측정
본연구에서개발한실험장비의전체적인모식도와사진을 Fig. 1과
Fig. 2에각각나타내었다. 실험장비중가장핵심부분인셀장치(Fig. 1)
는저류층의높은압력조건을구현할수있도록강한재질의금속
(STS 316)으로제작되었으며, 2차원평판형으로제작함으로서여러
개의 well을동시에적용할수있도록하였다. 셀장치는직경 20 cm,
높이 3 cm 크기로서, 셀상단부에서압(confining pressure)을가하여 주입된유체가시스템내부로만유동되도록하였다. 평판셀에는 13개 의튜빙을설치하여주입정이나생산정또는관측정이위치할수있 도록하였고, 각각의지점에압력센서와온도측정용 RTD 센서를장
착하였다. 동시에열주입·자극법실험을위해 10 Watt의열량을갖
는히터를압력포트와동일한포트에설치하였다. 실험과정에서취
득된자료인압력과온도는자료취득시스템(Daqbook216)에의해
실시간으로측정되었다.
실험에서사용된셀내부의매질은 180~250 µm 입자크기를갖는
모래로패킹한미고결시료공극시스템이다. 또한, 실험에사용된
물은 1.5 wt%의염화나트륨용액으로써 ISCO 사의정량주입펌프
Fig. 1. Schematic diagram of multi-well, plate-type cell apparatus (『MWPA』).
Fig. 2. Pictorial view of multi-well, plate-type cell apparatus( 『MWPA』).
를이용하여주입하였으며, 가스는 99.995%의고순도메탄가스를
하이드레이트형성가스로사용하였다. 하이드레이트의형성과해리
과정동안에셀을온습도조절기(TH-G-180-L) 내부에장착함으로
서온도가제어되었다. 생산과정동안생산운영압력은유출부에설 치된역압력조절기(BPR; backpressure regulator)에의해일정하게
유지시킴으로써감압법과열주입·자극법의하이브리드생산기법에 의한하이드레이트생산실험을수행할수있도록하였다.
본실험장치인 MWPA를이용하여미고결시료공극시스템에대한 기본물성을측정한결과, 공극율은 37%, 투과도는 685 millidarcy(md)
로산출되었다. 하이드레이트평형조건측정실험을상평형관점에서 볼때주어진온도에서형성압력과해리압력이서로같아야한다.
그러나기체인가스와액체인물의물리적결합으로고체인하이드 레이트가형성되는현상은실험적으로나이론적으로복잡한양상을
나타낸다[12]. 그렇기때문에형성조건을정확하게구하기가힘들고
재현성이있는해리조건과다소차이를나타낸다. 따라서하이드레 이트의평형조건을도출해내기위한실험방법으로등압실험법, 등 온실험법, 등적실험법이있으며, 그중등적실험을이용하여평형조 건을측정하였고, 그결과는 Fig. 3에도시하였다. 이그림에서보
듯이, 초기온도 3.89oC 하에서초기압력을 488.3 psi로설정하였으 며, 온습도조절기에의해온도가하강함에따라, 온도, 압력조건 이하이드레이트형성조건에도달하면(B 지점), 하이드레이트형성 으로인해압력이급감하다가하이드레이트가충분히형성되어더 이상의압력강하가없는 C 지점에서형성과정이종료된다. 여기부터 온도를서서히높여가며해리과정을거치게되는데, 하이드레이트
해리에의해압력이급히상승된다[13, 14]. 이결과로부터형성곡선
과해리곡선의교차점(D 지점)인온도 2.45oC 하에서압력 478 psi가
하이드레이트의평형조건으로산출되었다. 본실험에서는초기조건 을 (3.89oC, 488.3 psi), (4.84oC, 438.6 psi), (4.03oC, 381.8 psi)로 설정한 3회의평형실험을통해산출된결과를탱크형반응기에서 평형실험을실시한 Sloan[15]의결과와비교하였다. 이결과는 Fig. 4
에서볼수있는데, Sloan의결과와매우잘일치함을확인할수
있다.
3. 실험 결과 및 고찰 3-1. 하이드레이트형성실험
하이드레이트생산실험의첫번째단계는셀의미고결시료공극시 스템내에하이드레이트를형성시키는과정이다. 물로 100% 포화된
시스템에온도 0.6oC 하에서압력 970 psi로메탄가스를주입하였
다. 이조건에서가스와물에의해하이드레이트가형성됨에따라
압력이하강하는데이결과는 Fig. 5에서보여주고있다. 이그림에 서볼수있듯이, 가스와물이주입된포트 1에서는압력이계속적 으로하강하나주변의포트 2~5에서는일정시간동안압력이하강 하고그이후는더이상떨어지지않음을볼수있다. 이는주변포
트 2~5에서는부분적으로하이드레이트가형성되거나물이얼어서 공극을막게되므로물과가스가각각고립, 분리되어더이상하이 드레이트가형성되지못하기때문에일어나는현상이다. 이를해결 하기위한방책으로일단온도를높여서얼음을녹이거나하이드레 이트를해리시킨후다시온도를낮춰서하이드레이트가재형성되
도록하는 annealing 과정을 2회진행하였다. 하이드레이트형성실
Fig. 3. Experimental Results of equilibrium condition for methane hydrate.
Fig. 4. Verification of experimental results for equilibrium conditions of methane hydrate comparing to results from Sloan (1998).
Fig. 5. The annealing process for hydrate forming in porous media.
험결과, 초기물포화도를 71%로설정함에따라, 압력 438 psi, 온
도 0.6oC에서가스포화도 29%, 하이드레이트플러스얼음포화도
71%(하이드레이트포화도는산출공식[16]에의해약 10%)로산출 되었다. 여기서, 온도와압력에따른물의부피변화는없으며, 또한 산출공식에서는하이드레이트형성시가스가 172배압축되는것으
로가정하였다. 본실험의결과에서하이드레이트포화도가 10%인 것은매우낮게산출된결과로서, 이는후속실험의 annealing 과정 에서개선되어야할과제이다. 즉, 모래입자의균질한형상, 물을수
시로배출하고주입하는등의 annealing 과정의개선을통해얼음이
형성되는것을방지하고하이드레이트포화도를더욱높여야할것 으로판단된다.
3-2. 감압법 생산실험
이상에서산출된가스-물(얼음)-하이드레이트로포화된미고결시 료공극시스템으로부터하이드레이트해리에의한생산실험을수행 하였다. 하이드레이트가스전에서는하이드레이트해리가공극내에 서소스로작용하므로일반가스전에서의생산에따른지속적인압 력강하양상과는다르게일정시간압력상승효과가나타난다. 이러
한생산거동양상을분석하기위해먼저감압법에의한생산실험을 수행하였다. 이실험은초기온도 0.6oC와초기압력 458 psi 하에서
BPR 압력(운영압력)을 358 psi 즉, ∆p를 100 psi로하여생산하였 다. 여기서이시스템의평형압력즉, 해리압력은 405 psi이다.
생산실험결과, Fig. 6에서와같이압력거동의전체적인양상을
보면일반가스전과는달리초기에자유가스가빠져나간이후하이 드레이트해리로인하여미약하나마압력이일시적으로증가했다가 감소하는양상을확인할수있다. 이와같은현상은높은하이드레
이트포화도를갖는고결시료공극시스템에서는확연히드러날것 으로예상된다. 이는특히 CBM(coalbed methane)의가스생산과정 에서볼수있는 negative production 양상으로서, 해리현상정도나 투과도와같은시료특성에따라압력상승기간및상승크기가다르
게나타난다. Fig. 6의온도변화에있어서도하이드레이트가해리되
면서나타나는흡열반응에의해일반가스전에서의등온과정과는
달리온도가하강하는경향을볼수있다. Sung 등[17]은하이드레
이트저류전산모델링을통하여압력상승현상이하이드레이트해리 에의한효과임을분석하여제시한바있다.
3-3. 열주입·자극과감압의혼용기법에의한생산실험
다음은앞에서시행한감압법의실험결과에기초하여열주입·자 극법과감압법을혼용한하이브리드생산기법에의한생산실험을 수행하여각생산기법에따른생산효율을비교, 분석하였다. 열주입·자
극법실험은감압법과동일한초기온도, 초기압력및 BPR 압력조
건하에서수행하였다. 이실험은 2분간열을가한후생산하는경
우(Case 2)와 2분간열을가하고 2분간주변으로열이전달되도록
soaking 시간을가진후생산하는경우(Case 3)에대해수행하여감
압법(Case 1) 결과와비교하였다. 이실험의결과에서측정된온도
변화, 압력변화및회수량을 Fig. 7~9에도시하였다.
생산기법에따른실험결과, Fig. 7은주입·생산지점인포트 1에 서측정된시간에따른온도변화를도시한그림이다. 이그림을보
면 Case 1, 2, 3 모두시스템으로부터자유가스를생산함과동시에
하이드레이트의해리작용에의해온도가급격히하강함을볼수있 다. 또한, 히팅후 soaking 시간을갖는 Case 3의경우에는히팅후
곧바로생산하는 Case 2에비해열이주변으로보다넓게전달되므
로해리영역을크게하는효과를기대할수있다. Fig. 8의압력거 동을통해서도해리양상을파악할수있다. 즉, Case 1, 2, 3 모두
생산초기단계에서하이드레이트해리에의한소스효과로인하여 압력상승이일시적으로발생함을볼수있다. 뿐만아니라, 생산개 시이전에열을가하게되면보다이른시점에서하이드레이트가 해리되어보다빠른시점에서압력상승현상이나타나는것으로 측정되었다. 이러한양상은고결시료에서높은하이드레이트포화 도를갖는시스템의경우에는보다명확한경향을확인할수있을 것으로판단된다. 이번에는 3가지생산기법에대한실험결과측정 된가스의생산거동양상을살펴보았다(Fig. 9참조). 이결과로부터
Case 1의감압법의경우, 열주입·자극법에비해해리속도가느리게
진행되어가스누적생산량이낮은상태로지속되는것으로나타났다.
한편, 열주입·자극법중열을가한후곧바로생산하는 Case 2의
경우에는주입지점주변에서만해리되어그지역에서만투과도도 커지므로서비교적생산초반부에서많은가스가생산된다. 그이 후해리속도는 soaking까지시행한 Case 3에비해느리게진행되어 가스누적생산량에서역전되고있음을볼수있다. 즉, Case 3의경
Fig. 6. The pressure and temperature behaviors observed under depres-
surization method. Fig. 7. The temperature versus time under various production meth-
ods of methane hydrate.
우, soaking에의해주입지점주변으로열이전달되어해리영역이
넓어지므로궁극적으로는해리가더많이발생하게된다.
3-4. 적정 soaking시간 규명실험
열자극법은열을주입한다음주변으로열이전달되도록하기위
해 soaking 시간을거친후동일한 well에서생산하는기법으로이
러한사이클이여러번반복되어진행된다. 실제중질(heavy) 유전개
발현장에서열자극법적용을위한설계시, 주입시간과 soaking 시 간및사이클수는오일및저류층의특성에따라결정되는중요한 요인이다. 여기서 soaking 시간은열주입후 soaking 하는동안에 주변으로열이전달되면서온도가점차감소되므로적정한 soaking
시간이요구된다. 실제로하이드레이트가스전에서너무오랫동안
soaking하면히팅에의해상승된온도가점차감소되어하이드레이
트가재형성될수있다. 이에본실험의시스템에서적정 soaking
시간을규명하고자, 2분간히팅하고 2, 4, 6분간 soaking한후생산
하는 3가지실험을하이드레이트포화도가낮은미고결시료공극시 스템에서수행하였다. 열자극에의한 3가지생산실험결과, 포트 1
지점에서의압력측정결과를 Fig. 10에도시하여비교, 분석하였다. Fig. 10의결과에서볼수있듯이, 히팅후곧바로생산(no soak)
시에는하이드레이트해리에의해일시적으로압력이상승함을볼 수있다. 그러나본연구의시스템에서는히팅후 2분및 4분간
soaking한경우생산개시이전에이미하이드레이트가해리되어가
스가생산되므로압력상승없이단순하강하는것으로나타났다. 반
면에가장길게 soaking한 6분의경우에는과다한 soaking으로인 해해리된가스가생산된이후, 온도가하강하여하이드레이트가재 형성되었다가다시감압에의해해리되면서일시적인압력상승이 일어났음을볼수있다. 이러한양상은 Fig. 11의회수율측면에서
도볼수있다. 즉, soaking을 2분및 4분간진행한경우회수율이 각각생산개시 50분시점에서 58.5%, 59.3%로서 soaking을하지않
은경우의 57.1%에비해양호한것으로 나타났다. 한편, 6분간
soaking했을때는회수율이 57.6%로서 2분및 4분간 soaking한경
우에비해오히려생산량이감소함을확인할수있다. 또한 2분및
4분간 soaking한경우시간에따른회수율이감소하지않고유지되
Fig. 8. The pressure behaviors observed under various production meth- ods at port 1.
Fig. 9. The production performances observed under various production methods.
Fig. 10. The pressure versus time observed under thermal stimulation method.
Fig. 11. The cumulative gas production observed under thermal stim- ulation method.
는양상을보이므로, 하이드레이트포화도가높고투과도는낮은경
우시간에따른회수율차이가확연히드러날것으로예상되며, 이 는향후에필히수행되어야할과제이다.
4. 결 론
본연구에서는메탄하이드레이트시스템에서감압법및열주입·자 극법에의한생산실험을수행하기위해고압의다중공평판형셀기기
MWPA를설계·제작하였다. 이실험장비를이용하여미고결시료공
극시스템에서감압법과열주입·자극법에의한하이드레이트해리및 생산실험을수행한결과도출된결론은다음과같다.
(1) 본연구에서제작한실험장치 MWPA에서등적실험법에의한
하이드레이트의평형조건도출실험결과, 평형조건은온도 0.6oC 하
에서압력 478 psi로산출되었다. 또한 3회의평형실험을통해산출된
결과는기존의문헌에서보고된결과와매우잘일치함을확인하였다.
(2) 공극율 37%, 투과도 685 md의고투과성미고결시료공극시
스템에가스와물을주입하여하이드레이트형성실험을수행한결
과, 2회의 annealing 과정을거쳤음에도공극을메운고체포화도
(얼음과하이드레이트) 71% 중하이드레이트포화도는 10%로매우 낮게산출되었다.
(3) 감압법에의한가스생산실험결과, 일반가스전에서와는다르
게하이드레이트해리에의한공극내에서의소스효과로인해일시적 으로압력이상승함을알수있다. 또한하이드레이트는해리되면서 흡열반응을일으키기때문에온도가하강함을확인하였다. 이로인해 하이드레이트가재형성될수있으므로감압법에열주입·자극법을병
행하는하이브리드생산기법이효율적임을판단할수있다. (4) 열주입·자극법의생산실험을수행하여감압법의결과와비교 한결과, 감압법의경우열주입·자극법에비해해리속도가느리게 진행되어가스생산이낮은상태로지속되는것으로나타났다. 한편,
열주입·자극법중열을가한후곧바로생산하는경우주입지점주 변에서만해리되고또한그지역에서만투과도도커짐으로서비교 적생산초반부에서많은가스가생산된다. 그이후해리속도는
soaking까지시행한경우에비해해리가느리게진행됨을가스누적
생산량거동양상에서알수있다.
(5) 본연구의낮은하이드레이트포화도를갖는미고결시료공 극시스템에서열자극생산실험을통한적정 soaking 시간을규명하고 자하였다. 이실험에서측정된압력과생산거동을살펴본결과, 6분
간 soaking한경우회수율이 57.6%로서, 2분및 4분간 soaking한경우
의 58.5%와 59.3%에비해보다낮은회수율을보였다. 이는온도하
강에의한하이드레이트재형성때문인것으로판단된다.
본연구의실험을통해얻은결론은높은하이드레이트포화도를 갖는고결시료공극시스템에서는더욱확연히드러날것으로예상 되며, 이는향후에필히시행되어야할과제이다.
참고문헌
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