Numerical Analysis on Flow Behavior of Gas Hydrate Bearing Sediments in the Ulleung Basin, East Sea of Korea

동해 울릉분지 가스하이드레이트 퇴적층의 해리 유동 전산 분석 연구

김지수 이록상 임종세 김세준^*

한국해양대학교 에너지자원공학과, ^*한국지질자원연구원 석유해저연구본부 년 월 일 접수 년 월 일 수정 년 월 일 채택 (2014 7 18 , 2014 9 10 , 2014 9 12 )

Numerical Analysis on Flow Behavior of Gas Hydrate Bearing Sediments in the Ulleung Basin, East Sea of Korea

Ji-Su Kim Rok-Sang Lee Jong-Se Lim Se-Joon Kim^*

Department of Energy and Resources Engineering, Korea Maritime and Ocean University,

*Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (Received 18 July 2014, Revised 10 September 2014, Accepted 15 September 2014)

요약

국내 동해 울릉분지에는 막대한 부존량과 청정 에너지원으로 높은 잠재력을 지닌 가스하이드레이트 가 부존되어 있으며, 2010년 울릉분지 차 시추지역2 (UBGH2)에서 현장 생산 시험 후보지 선정을 위한 목적으로 시추작업이 수행되었다 이 연구에서는 동해 울릉분지 현장 생산 시험 후보지역의 지질학적 . 모델을 바탕으로 전산 수치 해석을 이용하여 가스하이드레이트 퇴적층 내 해리 유동 및 산출성을 분석하였으며 주요 생산 조건별 감압 생산 거동에 대한 민감도 분석을 수행하였다 이를 통해 가스하, . 이드레이트 현장 생산 시험 계획 수립 시 요구되는 예비 분석 자료를 도출하였다.

주요어 가스하이드레이트 현장 생산 시험 전산 수치 해석

: , UBGH2, ,

Abstract - In the Ulleung basin in the East Sea of Korea, it is assumed that huge amounts of gas hydrate(GH) are buried. In 2010, drilling operation was performed at the 2nd Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition(UBGH2) to designate a site for field production test. In this study, based on the field production test site model reflecting geological properties, GH dissociation flow interpretation is analyzed and sensitivity analysis is performed to gain understanding of production behavior properties following bottomhole pressure(BHP) variation by using the numerical simulation. The results of this study provide a basis for the preliminary analysis of field production test site.

Key words : gas hydrate, UBGH2, field production test, numerical simulation

서 론 1.

최근 전 세계 에너지 수요 증가와 더불어 수급 불 균형 현상이 더욱 심화되고 있고 이에 대한 해결책으 로 막대한 부존량과 청정 에너지원으로서 높은 잠재

력을 지닌 가스하이드레이트(gas hydrate)가 주목 받 고 있다 [1-2]. 가스하이드레이트는 천연가스가 저온, 고압 하에서 물 분자와 물리적으로 결합하여 형성된 고체 상태의 결정으로 물 분자 내부에 주로 메탄으로 구성된 가스 분자가 포집된 상태로 존재한다 가스하. 이드레이트에 포화된 메탄은 연소 시 다른 에너지원 들에 비해 이산화탄소를 적게 배출하는 친환경적인 특성을 가지고 있으며 전 세계 추정 매장량은 약 , 10 조 톤으로 이는 전 세계 유 가스전에 포함된 메탄 양· http://dx.doi.org/10.5855/ENERGY.2014.23.3.102

To whom corresponding should be addressed.

Korea Maritime and Ocean University, 727 Taejong-ro, Yeongdo-Gu, Busan 606-791, Korea

Tel : 051-410-4682 E-mail : [email protected]

는 것으로 보고된 바 있다 [2]. 지난 2002 2006년 국내 동해 울릉분지에서 실시된 탄성파 탐사 결과를 통해 가스하이드레이트 부존 유망 구조 개를 선정하5 였으며, 2007년에는 선정된 울릉분지 차 시추지역1 (UBGH1-1, UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10,

에서 시추 작업을 수행하여 국내 최초로 UBGH1-14)

가스하이드레이트 실물 채취에 성공하였다 [6]. 이후 년에는 가스하이드레이트 부존량 평가와 현장 2010

생산 시험 후보지 선정을 위한 목적으로 총 개의 13 2 차 시추지역(UBGH2-1-1, UBGH2-1-2, UBGH2-2-1, UBGH2-2-2, UBGH2-3, UBGH2-4, UBGH2-5, UBGH2-6, UBGH2-7, UBGH2-8, UBGH2-9, 에 대하여 시추 작업이 수행 UBGH2-10, UBGH2-11)

되었으며 [7], 가스하이드레이트 부존 유망 지역으로 이 선정되었다

UBGH2-6 (Fig. 1).

지역에서 현장 생산 시험이 이루어질 경 UBGH2-6

우를 대비하여 사전의 가스하이드레이트 개발 및 생 산 계획을 수립하여야 하며 계획 수립 시 신뢰성 있, 는 결과를 도출하기 위해서는 가스하이드레이트 현장

압력 조절 구조를 이용하는 가스하이드레이트 생산 시 공저압 변화에 따른 해리 유동 및 산출성의 민감도 를 분석하였으며 이를 통해 가스하이드레이트 현장 , 생산 시험에 대한 예비 분석 자료를 도출하고자 한다.

가스하이드레이트 퇴적층 생산메커니즘 2.

가스하이드레이트 생산을 위한 방법은 감압법

열자극법 화

(depressurization), (thermal stimulation), 학첨가제 주입법(inhibitor injection)등으로 구분할 수 있다 동해 울릉분지 가스하이드레이트 부존 유망지. 역인 UBGH2-6에 감압법을 적용할 경우 다른 생산 방법에 비하여 효과적인 가스 생산이 가능하며 하이, 드레이트 해리를 유발하기 위하여 저류층의 압력을 평형조건의 압력보다 낮게 설정하여야한다 [8]. 감압 법 적용을 위한 공저압 설정 시 Fig. 2의 사중점 이하의 압력을 적용할 경우 감압 (quadruple point)

생산 중 생산정 부근에서 가스하이드레이트가 재형성

되거나 얼음이 생성 되어

(reformation) (ice blockage)

Fig. 1. Location of Ulleung basin and drilling sites of the UBGH1, UBGH2 [7].

Fig. 2. P-T equilibrium relationship in the phase

diagram in T+H [9].

생산 저해 문제가 발생할 수 있으므로 사중점 이상의 압력을 적용하여야 한다. 따라서 이 연구에서는 동해 울릉분지 현장 생산 시험 후보지의 감압 생산 모사를 위하여 가스하이드레이트 부존층과 상부퇴적층 경계면 사이의 시추공 지점에 3 MPa의 공저압을 설정하였으 며 가스하이드레이트 생산을 위한 감압 변화를 유도하, 기 위해 기존의 3 MPa를 제외한 12, 9, 7, 5 MPa의 공 저압을 추가로 적용하여 유체 유동 및 상 거동 특성을 파악하는 민감도 분석을 수행하였다 감압법을 적용한 . 가스하이드레이트 총 생산 기간은 일로 설정하였다30 .

현장 생산 시험 후보지 전산 수치 모델 구성 3.

가스하이드레이트 함유 퇴적층에서의 메탄가스 생 산 거동을 모사하기 위해 미국 LBNL에서 개발한

시뮬레이션 프로그램을 이용하였으며

T+H , Darcy

법칙 물질평형방정식, (mass balance equation), 열평 형방정식(heat balance equation) 등을 기반으로 종4 류의 조성(H²O, CH4, CH4-Hydrate, water-soluble

에 종류의 상 inhibitors: salt or alcohols) 4 (gas,

을 적용한 다상유동 aqueous liquid, ice, hydrate)

을 구현하였다 (multiphase flow) [10].

의 수심은 이고 해저면 하부 UBGH2-6 2,157 m

부근에 가스하이드레이트가 부존 되어 있 140 mbsf

으며 현장 생산 시험 후보지의 퇴적층은 머드, (mud) 층과 가스하이드레이트가 함유된 모래층이 교호하는 약 13 m 두께의 저탁류(turbidite) 형태이다 가스하. 이드레이트 함유 퇴적층 아래 약 22 m에 존재하는 가스하이드레이트 안정 영역(gas hydrate stability 은 저류층 온도 조건 하에서 평형 상태를 이루 zone)

는 압력보다 높은 압력을 나타내므로 열역학적으로

매우 안정한 상태이다 또한 가스하이드레이트 함유 . 퇴적층의 상 하부 퇴적층 전체는 머드층으로 간주하· 여 퇴적층 내 유체의 유동이 거의 일어나지 않음을 모사하고자 하였다 현장 생산 시험 후보지의 지질학. 적 정보를 도식화하여 각 지층의 두께 공극률 가스, , 하이드레이트포화율에 대한 정보를 Fig. 3에 나타내 었으며 그 외의 유체 유동 및 지질학적 물성들에 관, 한 입력 값은 탐사 및 코어 자료를 활용하였다 이와 . 같은 지질학적 구조를 바탕으로 생성한 전산 수치 모 델은 유동 흐름을 반영한 원통형 모델로 Fig. 4에 나 타내었다 현장 생산 시험 후보지에 대한 선행연구와 . 최신 자료에 대한 분석 결과를 토대로 설정한 전산 모사 영역은 해저면으로부터 140 m두께의 상부퇴적 층에서 가스하이드레이트 부존층 아래 80 m두께의 하부퇴적층까지이며 이는 생산기간동안 가스하이드, 레이트 부존층과 상하부퇴적층 경계면 사이의 열적 요소와 유체들 사이의 열적 교환이 이루어지기에 충 분한 것으로 간주된다 [8-9, 11]. 가스하이드레이트 퇴적층은 상 하부 퇴적층 보다 상대적으로 얇은 두께· 를 가지며 머드층과 모래층이 교차로 퇴적되어 있기 때문에 수평정 보다 수직정을 이용하여 가스를 생산 하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

현장 생산 시험 후보지 감압 생산 시뮬레이션 4.

가스하이드레이트 퇴적층 해리 유동 분석 4-1.

현장 생산 시험 후보지의 압력(P), 온도(T), 가스포 화율(S^g), 하이드레이트포화율(Sh), 저류층 내 염수의 질량분율(X^inhinhinh)에 대한 공간적 분포를 각각 Fig. 5

에 나타내었으며 분포의 축은 퇴적

Fig. 9 , r UBGH2-6 층 모델의 구심방향의 축을 나타내고 축은 가스하이z

Fig. 3. Location of Ulleung basin and drilling sites of

the UBGH1, UBGH2 [7]. Fig. 4.

Fig. 5. Distribution of pressure(P) over time. Fig. 6. Distribution of temperature(T) over time.

Fig. 7. Distribution of gas saturation(S

) over time. Fig. 8. Distribution of hydrate saturation(S

) over time.

드레이트가 함유 구간을 의미한다. Fig. 5는 특정시간 에서 압력의 공간적 분포를 나타낸 것으로 수직정 주 변에서 압력이 가장 낮아 큰 폭의 감압 현상이 발생 된 것을 확인하였다 초기의 감압 현상은 머드층의 . 낮은 유체투과도로 인하여 가스하이드레이트 함유 모 래층에 국한되었으나 시간이 경과될수록 감압현상은 , 머드층까지 확대되어 생산기간 일에는 30 140 mbsf를 기준으로 가스하이드레이트가 분포하는 최 하단 모래 층 지역에서 구심방향으로 약 30 m까지 최대로 확대 된 것을 확인하였다 이를 통해 가스하이드레이트 해. 리 지역도 점차 확대된 것으로 추정할 수 있다 가스. 하이드레이트 해리로 인한 흡열반응이 동반되면서

에서는 시간이 경과될수록 기존 가스하이드레 Fig. 6

이트 함유 퇴적층의 온도보다 낮은 온도 분포가 확대 되는 것을 파악할 수 있다 가스하이드레이트 분포가 . 없는 머드층에는 주변의 가스하이드레이트가 부존하 는 모래층에서의 해리 반응에 의해 온도가 다소 낮아 지는 양상이 나타나지만 대부분 기존의 퇴적층 온도, 를 유지하는 것으로 판단된다. Fig. 7과 Fig. 8은 각 각 가스포화율과 하이드레이트포화율의 분포이며 수

직정 부근에서 가스포화율이 높고 하이드레이트포화, 율이 낮은 것으로 나타났다 가스하이드레이트의 해. 리 반응이 진행됨에 따라 가스하이드레이트 내에 함 유되어 있던 가스 뿐 아니라 물도 함께 생산됨으로 인해 Fig. 9와 같이 저류층 내 염수의 질량분율은 수 직정 부근에서 낮고 수직정에서 멀어질수록 증가되, 는 것을 확인할 수 있다 또한 시간이 경과될수록 기. 존의 저류층 내 염수의 질량분율에 비해 감소되는 염 수의 질량분율 영역이 확대되는 것을 파악할 수 있다.

가스하이드레이트 퇴적층 산출성 분석 4-2.

시간 변화에 따른 가스하이드레이트 해리에 의한 메탄가스(Q^R), 가스상의 메탄가스(Qpg), 가스상 및 물 에 용해된 메탄가스 합(Q^pt)의 체적유량(volumetric

을 에 나타내었다

flow rate) Fig. 10 . QR, Qpg, Qpt는 생산 시작 후 약 시간1 (0.047일 까지 급격히 감소하) 나 약 일까지 빠르게 증가하는 양상을 나타내며 이4 , 후에는 증가폭이 점차 감소하여 30일에는 각각 0.0591 m³/s, 0.0556 m³/s, 0.057 m³/s까지 도달하였 다 이러한 양상은 . Fig. 5의 압력 분포에서 생산 시작 후 일 부근에서 감압폭이 최대로 나타남에 따라 도5 출된 결과로 예측 할 수 있으며 시간이 경과될수록 , 감압현상이 점차 확대됨에 따라 각각의 체적유량은 지속적으로 증가하는 것으로 파악되었다. Fig. 11은 가스하이드레이트 해리에 의한 메탄가스 누적부피 (VR), 가스상 및 물에 용해된 메탄가스 누적부피(VP), 자유가스로 잔존하는 메탄가스 누적부피(V^G)에 대한 결과를 나타내며, V^R, VP, VG는 생산 종료시점까지 지속적으로 증가하여 각각 1.24×105 m³, 1.22×105 m³, 0.4×105 m³에 도달하였다 이를 통해 저류층 내 . 자유가스로 존재하는 메탄가스의 누적부피 보다 수직 정에서 생산되는 메탄가스의 누적부피가 더 많을 것 으로 예측할 수 있다 수직정으로 생산되는 물생산량. (QW)과 누적 물생산량(MW)에 대한 결과를 Fig. 12에 나타내었으며 초기에 감압을 시작하자마 물생산량이 , 로 감소하나 이후 시간 경과에 따라 물생 0.5987 kg/s

산량이 점차 증가하였다. Fig. 11의 VR과 Fig. 12의 MW의 비슷한 경향이 도출되는 것을 통해 생산 종료 일 시점까지 가스하이드레이트 해리에 의한 물생 30

산량이 많은 영향을 미치는 것으로 판단되며, Fig. 13 의 저류층 내 염수의 질량분율에도 영향을 끼친 것으 로 예측할 수 있다.

Fig. 9. Distribution of mass fraction of salt in

reservoir(X

) over time.

공저압 변화에 따른 감압 생산 시뮬레이션

5. 민감도 분석

가스하이드레이트 퇴적층 해리유동 민감도 분석 5-1.

는 공저압 변화에 따른 압력 분포의 결과를 Fig. 14

나타내었으며 각 공저압에서 압력 분포는 기존의 , 3 과 동일한 양상을 나타내었다 초기 생산기간

MPa . 5

일, 153 mbsf 기준으로 최대 공저압인 12 MPa에서 는 수직정에서 약 3 m까지 감압현상이 발생되었으며, 최소 공저압인 3 MPa에서는 약 10 m까지 진행되었 다 생산 종료기간 일의 경우 . 30 12 MPa에서는 약 15

에서 약 구간까지 확대되었다 이를

m, 3 MPa 30 m .

통해 생산이 진행됨에 따라 공저압이 낮을수록 감압 폭이 커져 감압현상 발생구간이 확대됨을 알 수 있었 다 따라서 낮은 공저압을 적용할 경우 가스하이드레. 이트 해리에 의한 가스생산량이 증가할 것으로 판단 되나 낮은 공저압은 높은 감압폭을 유도하여 다량의 , 가스하이드레이트 해리를 발생시켜 갑작스러운 지반

침하로 인한 안전사고 발생 위험이 있으므로 생산 설 계 시 이를 고려한 최적의 공저압 선정이 요구 된다.

는 공저압 변화에 따른 온도 분포의 결과이며

Fig. 15 ,

낮은 공저압을 적용할수록 가스하이드레이트 해리 발 생 구간의 온도가 감소되며 시간 경과에 따라 저온 , 분포가 확대되는 것을 확인하였다 이는 저류층에 존. 재하는 가스와 물 분자에 대하여 저온 고압 조건에 의한 가스하이드레이트 재형성의 가능성을 고려해 볼 수 있으나 가스하이드레이트 해리에 의한 하이드레, 이트포화율 감소 이후 동일한 구간에서 하이드레이트 포화율 증가가 없으므로 주변 저류층의 온도로 인해 서 점차 증가하는 것으로 판단된다. Fig. 16과 Fig.

은 각각 공저압 변화에 따른 가스포화율과 하이드 17

레이트포화율을 나타내며 공저압이 감소함에 따라 , 동일한 생산 기간에서 가스하이드레이트포화율도 감 소하고 해리되는 가스하이드레이트양이 증가하는 것, 을 확인하였다. Fig. 18의 결과를 통해 동일한 생산 기간에서 공저압이 감소함에 따라 물생산량도 증가하

Fig. 10. Evolution of gas production rates overtime. Fig. 11. Evolution of cumulative gas production overtime.

Fig. 12. Evolution of water production overtime. Fig. 13. Evolution of mass fraction of salt in reservoir overtime.

(a) 12 MPa (b) 9 MPa

(c) 7 MPa (d) 5 MPa

Fig. 14. Sensitivity of pressure(P) depending on BHP variation.

(a) 12 MPa (b) 9 MPa

(c) 7 MPa (d) 5 MPa

Fig. 15. ensitivity of temperature(T) depending on BHP variation.

(a) 12 MPa (b) 9 MPa

(c) 7 MPa (d) 5 MPa

Fig. 16. Sensitivity of gas saturation(S

) depending on BHP variation.

(a) 12 MPa (b) 9 MPa

(c) 7 MPa (d) 5 MPa

Fig. 17. Sensitivity of hydrate saturation(S

) depending on BHP variation.

(a) 12 MPa (b) 9 MPa

(c) 7 MPa (d) 5 MPa

Fig. 18. Sensitivity of mass fraction of salt in reservoir(X

) depending on BHP variation.

증가하였고 각 공저압에서 동일한 경향으로 증가하, 는 것으로 나타났다. Fig. 21을 통해 공저압이 감소할

끼치게 된다 또한 수직정으로 생산되는 물의 처리 . 비용에 따른 생산 비용 상승과 직결되는 문제를 지닌

(a)

(a)

(b)

(b)

(c)

(c)

Fig. 19. Sensitivity of gas production rates depending on BHP variation.

Fig. 20. Sensitivity of cumulative gas production

depending on BHP variation.

다 따라서 최적의 가스하이드레이트 생산을 위해서. 는 민감도 분석을 통하여 가스생산량 뿐 아니라 물생 산량도 고려한 최적의 공저압을 선정하는 것이 중요 하다 이는 가스하이드레이트 생산과정이 원활하게 . 진행되고 있는지에 대한 모니터링 및 각상의 변화와 열역학적 특성 상거동 예측을 위한 주요 변수로 활, 용 가능할 것으로 판단된다.

결 론 6.

가스하이드레이트 현장 생산 시험을 대비한 사전의 가스하이드레이트 개발 및 생산 계획 수립 시 활용 가 능한 신뢰성 있는 결과를 도출하기 위해 가스하이드 레이트 퇴적층의 지질학적 및 열역학적 물성을 반영 한 퇴적층 모델을 구성하였다 이를 바탕으로 미국 .

에서 개발한 프로그램을 이용하여 가스하

LBNL T+H

이드레이트 퇴적층 내 해리유동 및 산출성을 분석 하 였고 공저압 변화에 따른 민감도 분석을 수행하였다.

그로부터 얻은 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

생산 시험정의 수직정 부근에서 압력이 가장 낮 1.

아 큰 폭의 감압 현상이 발생하여 가스포화율이 높고, 하이드레이트포화율이 낮게 도출 되었다 가스하이드. 레이트 해리 반응이 진행됨에 따라 흡열반응이 동반 되어 수직정 부근에서 저온 분포가 확대되었으며 가, 스하이드레이트 내 함유되어있던 가스 뿐 아니라 물 이 생산되어 염수의 질량분율이 감소하였음을 예측할 수 있었다 또한 생산기간이 증가함에 따라 감압현상. 이 확대됨으로 인해 가스하이드레이트 해리 지역이 점차 확대된 것으로 추정할 수 있다.

공저압이 낮을수록 감압현상 발생구간이 확대되 2.

어 가스생산량이 증가할 것으로 예측되나 다량의 가 스하이드레이트 해리로 인해 지반 침하와 같은 안전 사고가 발생할 위험이 존재 한다 또한 공저압이 낮. 을수록 수직정으로 생산되는 물생산량이 증가하여 가 스와의 상대유체투과도 변화가 유발되고 물 처리 비 용이 상승하는 등의 문제가 나타날 수 있기 때문에 현장 생산 시험 수행 시 이와 같은 민감도 분석을 통 한 최적의 공저압 선정이 중요하다.

이 연구에서 도출된 결과들은 가스하이드레이트 현장 생산 시험을 대비한 예비 타당성 분석 자료로 활용 가능할 것이며 현장 생산 시험 수행 시 최적 생, 산 설계 및 생산 운영을 위한 기초 자료로 활용 가능 할 것으로 사료된다.

(a)

(b)

Fig. 21. Sensitivity of water production depending on BHP variation.

Fig. 22. Sensitivity of mass fraction of salt in reservoir

depending on BHP variation.

사 사

이 연구는 한국지질자원연구원 가스하이드레이트 “ 개발생산연구 의 위탁연구의 일환으로 수행되었으며” , 이에 감사드립니다.

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:

production in the gas and the aqueous phases

VR

:

Cumulative volumes of CH

released from dissociation

VP :

Cumulative volumes of produced at the well

Cumulative volumes of CH

remaining in

the deposit as free gas

QW :

Water mass production rates at the well

Cumulative mass of produced water