Numerical Analysis of Dissociation and Flow Behavior in Gas Hydrate Bearing Sediments for the Productivity Influence Factors in the Ulleung Basin, East Sea of Korea

동해 울릉분지 가스하이드레이트 퇴적층의 생산 영향 인자 변화에 따른 해리유동 분석

신효진¹⁾· 김지수¹⁾· 임종세¹⁾* · 김세준²⁾

Numerical Analysis of Dissociation and Flow Behavior

in Gas Hydrate Bearing Sediments for the Productivity Influence Factors in the Ulleung Basin, East Sea of Korea

Hyo-Jin Shin, Ji-Su Kim, Jong-Se Lim

_*

(Received 16 July 2015; Final version Received 27 October 2015; Accepted 29 October 2015)

Abstract : It is assumed that huge amounts of gas hydrate(GH) are buried in the Ulleung basin, East Sea of Korea. In order to develop the GH, production test should be carried out on the basis of the analysis reflected field conditions. In this study, numerical simulation model was composed based on the geological system at field production test site. Also, GH dissociation and flow behavior for productivity influence factors was analyzed to prepare history matching after production test. As a result, low-temperature distribution was extended in case of the small value of bottom hole pressure, and gas production was increased because decompression phenomenon occurs significantly in nearby production well. The smaller permeability anisotropy value, improved horizontal flow caused the increased gas production. Consequently, it is possible to use the preliminary analysis of GH field production test through the results derived by assuming a variety of production scenarios and sedimentary property.

Key words : Gas hydrate(GH), Dissociation and flow behavior, Numerical simulation, Productivity influence factors, Field production test

요 약 : 동해 울릉분지에는 막대한 부존량으로 높은 잠재력을 지닌 가스하이드레이트가 부존되어 있으며, 이를 개발하기 위해서는 현장조건을 반영한 분석을 토대로 시험생산이 이루어져야 한다. 이 연구에서는 현장 시험생 산 후보지의 지질학적 구조를 바탕으로 전산 수치 모델을 구성하였으며, 향후 시험생산 수행 후 히스토리매칭 작업을 대비하기 위해 생산 영향 인자에 대한 해리유동 전산 수치 분석을 수행하였다. 그 결과 공저압이 낮을수 록 생산정 부근에서 감압현상이 크게 발생하여 저온 분포가 확대되고 가스 생산량이 증가하였으며, 유체투과도 이방성의 경우 값이 작을수록 수평방향 유동이 향상되어 증가한 가스 생산량을 보였다. 따라서 다양한 생산 시나리오와 퇴적층 물성을 가정하여 도출한 결과를 통해 가스하이드레이트 현장 시험생산 계획 수립 시 요구되 는 예비 분석 자료로 이용 가능할 것이다.

주요어 : 가스하이드레이트, 해리유동, 전산 수치 분석, 생산 영향 인자, 현장 시험생산

1) 한국해양대학교 에너지자원공학과

2) 한국지질자원연구원 석유해저연구본부

*Corresponding Author( 임종세) E-mail; [email protected]

Address; Dept. of Energy and Resources Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Korea

(2015) pp. 500-510, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.5.500

서 론

가스하이드레이트(Gas Hydrate; GH)는 천연가스가 저

온･고압 조건에서 물 분자와 물리적으로 결합하여 형성된

고체상태의 결정으로 주성분인 메탄(CH

) 은 연소 시 이산

화탄소(CO

) 를 적게 배출하는 친환경적인 특성을 가지고

있어 청정 에너지원으로 각광을 받고 있다. 전 세계적으로

약 10조 톤에 이르는 양이 부존되어 있을 것으로 추정되고

있으며, 국내에서도 동해 울릉분지에 연간 천연가스 소비

량으로 환산 시 약 30년 사용분에 해당하는 약 6억 톤 이상

의 가스하이드레이트가 부존되어 있는 것으로 보고된바 있

어 상업적인 생산이 가능할 경우 미래의 에너지 자원으로

연구논문

Fig. 1. The Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition(UBGH) area(Ryu et al., 2013).

큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다(Kvenvolden, 1998;

Collett, 2002; Huh, 2005).

미국의 경우 알래스카 북부사면(Alaska North Slope;

ANS) 의 가스하이드레이트 미확인 부존량(Undiscovered gas resources) 은 85 Tcf로 이 지역의 가스하이드레이트 해 리로부터 발생되는 가스 산출량을 예측하기 위한 연구가 진행된 바 있으며(Majumdat et al., 2014), 캐나다는 Elbert-01 유정에 대하여 공저압 변화에 따라 10년 동안 가 스 산출량 파악을 위한 생산 시뮬레이션 연구를 수행하였

다(NETL, 2014). 일본은 난카이 해역에서 해저 사질층 내 가스하이드레이트 물성치 및 현장탐사, 다중스케일에서의 실험 결과 등 많은 연구 활동을 수행하였으며, 그 외 인도, 러시아 등에서도 가스하이드레이트 함유 퇴적층에서의 가 스 생산을 모사하기 위한 시뮬레이션 연구가 함께 진행되 고 있다.

국내의 경우 가스하이드레이트 개발･생산을 위하여 지

난 2002～2006년 동해 울릉분지에서 실시된 탄성파 탐사

결과를 통해 가스하이드레이트 부존 유망 구조 5개를 선정

Fig. 2. Geology at the GH field production test site.

하였으며, 2007년에는 선정된 울릉분지 1차 시추지역 (UBGH1-1, UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10, UBGH1-14) 에서 시추 작업을 수행하여 가스하이드레이트 부존을 확인 하였다(Park, 2008). 이를 통해 UBGH1의 코어 회수 시추 공에 대한 물리검층 자료 및 코어분석 자료를 활용하여 미 고결 상태의 가스하이드레이트 퇴적층의 공극률, 가스하 이드레이트포화율, 퇴적상의 물성 추정 방법을 제시하였 다(Seo et al., 2010). 이후 2010년에는 가스하이드레이트 부존량 평가와 현장 시험생산 후보지 선정을 위한 목적으 로 Fig. 1과 같이 총 13개의 2차 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, UBGH2-10, UBGH2-11) 에 대하여 시추 작업이 수행되었 으며(Lee et al., 2011), 이를 바탕으로 Shin 등(2012)은 가 스하이드레이트가 함유된 사질층의 분포가 비교적 많이 나 타나는 UBGH2의 6개 시추공에 대한 퇴적층 물성을 추정 하였다. 이러한 결과를 이용하여 11개 시추공을 선정하여 3 차원 공간 물성 분포를 추정한 바 있으며(Lee et al., 2013), 현장 시험생산 대비 및 현장 적용성 확장을 위하여 1-D m 급 가스하이드레이트 함유 퇴적층 감압 생산 모사 실험의 연구 결과를 통해 공저압 변화에 따른 가스하이드레이트 해리양상 파악을 위한 연구가 수행되었다(Kim et al., 2014). 이외에도 심해 퇴적층에 부존되어 있는 동해 울릉분 지에서의 가스하이드레이트 개발을 위하여 생산모사 및 지 반변형 해석과 관련한 시뮬레이션 연구가 활발히 진행되어 왔다(Moridis et al., 2013; Kim, 2015).

이 연구에서는 동해 울릉분지 가스하이드레이트 현장 시 험생산 후보지의 지질학적 물성 및 유체유동, 열전달, 상거 동 등을 모사할 수 있는 전산 모델을 바탕으로 감압 생산 모 사를 수행하였으며, 가스하이드레이트 해리유동에 영향을 미칠 수 있는 생산 영향 인자들 중 공저압과 수평･수직방향 의 절대유체투과도 이방성(anisotropy) 변화에 따른 해리 유동 특성 해석 및 가스와 물 산출량에 대한 민감도 분석을 수행하고자 한다.

GH 함유 퇴적층의 감압 생산 모사

GH 해리 및 생산기법

가스하이드레이트의 개발은 하이드레이트의 해리를 통 해 생산이 가능하므로 이를 위한 대표적인 개발 방법에는 지층의 압력을 강하시키는 감압법(depressurization), 증기 또는 열수를 주입하는 열주입법(thermal method), 억제제 주입법(inhibitor injection) 등이 있다. 이 중에서도 감압법 은 가스하이드레이트와 인접한 자유 가스층에 시추공을 삽 입하고 가스층의 압력을 감소시키는 방법으로 자유 가스층

의 압력 감소로 인접한 가스하이드레이트 층의 해리를 유 발시킴으로써 일정 기간 동안 가스 생산을 지속시킬 수 있 다(Kim and Lee, 2010). 동해 울릉분지 현장 시험생산 후보 지에 감압법을 적용할 경우 다른 생산법에 비해 효과적인 가스 생산을 할 수 있으므로 본 연구에서는 최상부 경계층 지점에서 공저압 적용 지점까지 0.5 MPa/hr의 감압율을 적 용하여 시간 변화에 따라 압력이 변화하는 순차적인 감압 을 통해 해리유동을 분석하고자 하였다.

전산 수치 시뮬레이션 및 모델 구성

이 연구에서는 미국 Lawrence Berkely National Laboratory (LBNL) 에서 개발한 TOUGH+HYDRATE(T+H) 전산 수 치 시뮬레이션 프로그램을 활용하였으며, 이는 유한한 체적 에서 4종류의 조성(H

O, CH

, CH

,-hydrate, water-soluble inhibitors: salt 또는 alcohols)에 대한 적용이 가능하고 이 들 각각은 gas, aqueous liquid, ice, hydrate 4종류의 상에 대한 시뮬레이션을 구현할 수 있어 가스하이드레이트 함유 퇴적층에서의 다상 유동(multiphase flow)을 모사할 수 있 다. 또한, 온도 변화에 따른 가스하이드레이트 해리 거동의 시뮬레이션이 가능하며, Darcy 법칙, 물질평형방정식(mass balance equation), 열평형 방정식(heat balance equation) 등을 기반으로 가스하이드레이트 함유 퇴적층에서의 가스 생산 거동 결과를 파악할 수 있다(Moridis et al., 2008).

현장 시험생산 후보지의 수심은 2,157 m로 해저면 하부

140 mbsf(meter below sea floor) 부근에 가스하이드레이

Fig. 3. The cylindrical simulation model(Moridis et al., 2013).

Fig. 4. P-T equilibrium relationship in the phase diagram in T+H(Moridis and Reagan, 2007b).

트가 부존되어 있으며, 퇴적층은 머드층과 가스하이드레 이트가 함유된 모래층이 교호하는 약 13 m 두께의 저탁류 (turbidite) 형태이다. 이와 관련한 지질학적 정보를 도식화 하여 각 지층의 두께, 공극률, 가스하이드레이트포화율에 대한 정보를 Fig. 2에 나타내었으며, 그 외의 유체 유동 및 지질학적 물성들의 경우 탐사 및 코어 자료를 활용하여 모 델의 입력 값으로 사용하였다. 가스하이드레이트 함유 퇴 적층의 상･하부는 머드층으로 구성하여 퇴적층 사이 경계 면에는 매우 낮은 유체투과도 값을 주어 유체의 유동이 거 의 일어나지 않음을 모사하고자 하였다. 이러한 지질 구조 및 여러 형태의 하이드레이트 개발에 관한 선행연구 (Moridis and Reagan, 2007a; 2007b) 를 토대로 Fig. 3과 같 이 유동 흐름을 반영한 원통형 모델을 구성하였으며, 전산 모사 영역은 해저면으로부터 140 m의 상부퇴적층과 가스 하이드레이트 부존층 아래 하부퇴적층 300 m까지로 설정 하여 생산기간동안 상하부퇴적층 경계면의 유체들 사이에 발생하는 열적 교환 현상을 고려하고자 하였다.

가스하이드레이트 함유 퇴적층 아래 약 22.3 m에 가스하 이드레이트 안정 영역(gas hydrate stability zone; GHSZ) 이 있도록 설정하였으며, 저류층 온도 조건 하에서 평형 상 태를 이루는 압력보다 높은 압력을 나타내도록 하여 열역 학적으로 매우 안정한 상태임을 가정하였다. 또한, 가스하 이드레이트 퇴적층은 상･하부 퇴적층 보다 상대적으로 얇 은 두께를 가지고 머드층과 모래층이 교차로 퇴적되어 있 으므로 수평정 보다 수직정을 이용하여 가스를 생산하는 것이 적합할 것으로 판단되어 전산 수치 모델 구성 시 이를 반영하였다.

공저압 변화에 따른 해리유동 및 산출성 분석

생산 시나리오 설정

이 연구에서는 감압법을 통한 생산 모사 시 주요 입력 값 인 공저압에 대하여 가스하이드레이트 해리로 인해 발생되 는 가스 및 물 산출량과 해리유동에 미치는 영향을 파악하 고자 하였다. 공저압은 9 MPa을 기준 값으로 감압 변화를 유도하기 위해 3, 7, 12 MPa의 공저압을 추가로 적용함으 로써 Fig. 4와 같이 상평형 곡선 상에서 사중점(quadruple point) 위의 영역을 고려하고자 하였다. 사중점 이하의 압 력을 적용하게 될 경우 감압 생산 중 생산정 부근에서 가스 하이드레이트가 재형성(reformation)되거나 얼음이 생성 (ice blockage) 되어 생산 저해 문제가 발생할 수 있으며, 적 절하지 않은 공저압 값으로 인해 다량의 가스하이드레이트 가 해리되면 지반 침하와 같은 문제가 일어날 수 있으므로 생산 시나리오 설정 시에 유의하여야 한다.

해리유동 및 산출성 분석 결과

동해 울릉분지의 현장 시험생산 후보지를 모사한 전산

수치 모델을 이용하여 공저압 변화에 따른 해리유동 및 산

출성 분석을 수행하였으며, 가스하이드레이트의 생산기간

은 단기간의 감압법 적용결과 도출을 위하여 14일로 설정

하였다(Moridis et al., 2014). 현장 시험생산 후보지의 압

력(P), 온도(T), 가스포화율(S

), 가스하이드레이트포화율

(S

) 에 대한 공간적 분포를 각각 Fig. 5에 나타내었으며, 분

포의 가로축은 퇴적층 모델의 구심방향의 축을 나타내고

세로축은 가스하이드레이트 함유된 퇴적층 구간을 의미

(a) Pressure(P) (b) Temperature(T)

(c) Gas saturation(S

) (d) Hydrate saturation(S

) Fig. 5. Distribution of the gas hydrate dissociation depending on BHP at 14

day.

한다.

Fig. 5(a) 는 공저압 변화에 따른 압력분포 결과를 나타낸 것으로 생산정 주변에서의 압력이 가장 낮아 감압 현상이 두드러지게 나타났으며, 생산 초기에는 감압 현상이 머드 층의 낮은 유체투과도로 인하여 가스하이드레이트가 함유 되어 있는 모래층에 국한되었으나 시간이 경과할수록 머드 층까지 확대되는 것을 확인할 수 있었다. 생산 종료기간 14 일, 153 mbsf 기준으로 최대 공저압인 12 MPa에서는 약 5 m, 최소 공저압인 3 MPa에서는 약 10 m 구간까지 감압구

간이 증가되었다. 공저압이 높을수록 감압현상이 진행되

는 구간의 길이가 짧아지는 양상이 나타나며, 공저압이 낮

을수록 감압현상이 발생되는 구간의 길이가 길어져 가스하

이드레이트 해리 지역 또한 확대되는 양상을 확인할 수 있

었다. 따라서 낮은 공저압을 적용하여 가스하이드레이트

해리에 의한 가스 생산량을 증대 시킬 수 있을 것으로 판단

되나 이와 동시에 낮은 공저압은 다량의 가스하이드레이트

해리로 인한 갑작스러운 지반 침하를 유발할 수 있으므로

생산 현장에서는 지반공학적 연구결과와 더불어 공저압을

Table 1. Case condition setting for permeability anisotropy

All layers Sand layer only Mud layer only

0.1 0.1 0.1

0.01 0.01 0.01

*default setting value is ‘1’

Fig. 6. Volumetric rate of gas production depending on BHP variation over time.

Fig. 7. Volumetric rate of water production depending on BHP variation over time.

설정하여야 할 것으로 보인다.

생산정 주변의 감압현상으로 인해 다량의 가스하이드레 이트 해리 반응이 발생할 경우 열역학적으로 흡열 반응이 일어나 Fig. 5(b)와 같이 주변의 온도가 감소하게 되며, 가 스하이드레이트 해리 현상이 동반되어 생산 전 가스하이드 레이트 함유 퇴적층의 온도보다 낮은 온도의 분포가 확대 되는 것을 파악할 수 있다. 또한, 공저압이 낮을수록 생산정 부근 구심방향으로 저온 구간의 길이가 길어지는 양상이 나타나며, 저온 구간이 과도하게 길어질 경우 가스하이드 레이트가 재형성 될 위험이 존재할 수 있을 것으로 사료된 다. Fig. 5(d)에서 생산정 부근 가스하이드레이트포화율이 감압함에 따라 작아진 후 값의 변화가 나타나지 않았으므 로 12 MPa과 3 MPa 사이의 공저압 적용 시 가스하이드레 이트 재형성으로 인한 생산 저해 문제는 발생하지 않을 것 으로 추측된다. 공저압이 낮을수록 생산정 부근에서 가스

하이드레이트 해리 현상 발생 구간이 확대되므로 생산정 부근에서는 Fig. 5(c), (d)와 같이 가스포화율은 커지고 가 스하이드레이트포화율은 작아지는 양상이 나타났다.

Fig. 6 은 공저압 변화에 따른 가스하이드레이트 해리에 의한 가스상 및 물에 용해된 총 메탄가스의 체적 유량 (volumetric flow rate) 을 나타내었다. 생산 시작 후 약 4일 까지는 빠르게 증가하는 양상을 나타내었으나, 이후 생산 종료 시점인 14일까지 증가폭이 점점 감소하여 최대 공저 압인 12 MPa에서는 약 100 m

/day 에 도달하였고 최소 공 저압인 3 MPa의 경우 약 2,200 m

/day 의 가스가 생산되었 다. 또한, 공저압이 낮을수록 가스 생산량과 공저압별 생산 량 차이가 증가하는 경향을 보였으며, 각 공저압에 대하여 시간 경과에 따른 체적 유량은 지속적으로 증가하는 것으 로 파악되었다. Fig. 7에서는 공저압 변화에 따라 생산정으 로 생산되는 물 생산량에 대한 결과를 나타내었다. 생산 시 작 후 가스와 유사하게 생산되는 양상을 보였으며, 생산 종 료 시점인 14일을 기준으로 최대 공저압인 12 MPa에서는 약 10 m

/day 에 도달하였고 최소 공저압인 3 MPa의 경우 약 68 m

/day 의 물이 생산되었다. 이를 통해 가스하이드레 이트가 안정적으로 존재하는 온도와 압력 조건의 변화에 따른 가스 및 물의 생산양상을 파악할 수 있었으며, 공저압 이 낮아짐에 따라 감압현상이 점점 확대 되면서 물 생산량 도 지속적으로 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 이와 같은 공저압 선정 시에는 생산정을 통해서 생산되는 물 처리로 인한 가스하이드레이트 생산 비용의 증가를 초래할 수 있 으므로 민감도 분석을 통해 감압에 의한 가스 생산량뿐만 아니라 물 생산량을 함께 고려해야할 것으로 사료된다.

유체투과도 이방성 변화에 따른 민감도 분석

유체투과도 이방성값 설정

유체투과도 이방성은 생산성과 밀접한 관련이 있는 주요

한 퇴적층 물성임에도 불구하고 정확한 값을 취득하는데

어려움이 존재하며, 가스하이드레이트 개발을 위해서는

불확실한 물성값 변화에 따른 해리유동 분포를 파악하는

것이 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 유체투과도 이

방성 값을 변화시켜 불확실성을 고려하고자 하였으며, 민

감도 분석을 수행하여 그에 대한 영향을 파악하였다.

All layers Sand layer Mud layer

(a) Pressure(P)

(b) Temperature(T)

(c) Gas saturation(S

)

(d) Hydrate saturation(S

)

Fig. 8. Distribution of the gas hydrate dissociation depending on anisotropy at 14

day.

Table 1 과 같은 조건으로 변수를 설정하였으며, 수직방 향과 수평방향의 절대유체투과도 비(



) 로 정의되는 유체투과도 이방성은 저류층의 생산성에 많은 영향을 미칠 것으로 예측할 수 있으나 현재까지 현장 시험생산 후보지 의 이방성이 가스 및 물 산출량에 미치는 영향 정도에 대하 여 파악된 바가 없다. 따라서 공저압 9 MPa, 이방성 1의 기 본값을 기준으로 수평적으로 층이 교차로 퇴적되어 있는 경우 지층의 수평방향 유체투과도 보다 수직방향 유체투과 도가 작으므로 이방성은 0과 1사이의 범위 값으로 설정하 였다. 이 연구에서는 수평방향의 절대유체투과도 값은 고

정하고 수직방향의 절대유체투과도를 변화시켜 이방성에 대한 영향을 고려하였다. 이방성이 0.1로 변화하는 것은 수 직방향 유체투과도가 기준 값에 비하여 10배 작아지고 0.01 인 경우는 수직 방향 유체투과도가 100배 작아지는 것 이며, 상대적으로 수평방향 유동성이 커지게 되었음을 의 미한다(Moridis et al., 2009).

민감도 분석 결과

전산 수치 모델을 이용하여 유체투과도 이방성 변화에

따른 민감도 분석을 수행하였으며, 공저압과 마찬가지로

(a) All layers

(b) Sand layer

(c) Mud layer

Fig. 9. Volumetric rate of gas production depending on anisotropy variation over time.

감압법을 적용한 가스하이드레이트 총 생산 기간은 14일 로 설정하였다. 현장 시험생산 후보지의 압력(P), 온도(T), 가스포화율(S

), 가스하이드레이트포화율(S

) 에 대한 공 간적 분포를 각각 Fig. 8에 나타내었으며, 분포의 가로축은 퇴적층 모델의 구심방향의 축을 나타내고 세로축은 가스하 이드레이트 함유된 퇴적층 구간을 의미한다. 또한, 왼쪽에 서부터 모래 및 머드층의 이방성 변화, 모래층만 변화, 마지 막으로 머드층에서만 변화한 경우로 구분하여 나타내었다.

각 케이스의 기준 값은 이방성이 1인 경우로써 Fig. 5의 9 MPa 에 나타난 결과와 동일하다.

Fig. 8(a) 는 이방성 변화에 따른 압력분포를 나타낸 결과 로 머드층의 수직방향 유동성이 클수록, 즉 머드층에서의 이방성 값이 0.01에서 1이 될수록 감압현상이 발생하는 지 역이 모래층에서 머드층으로 확대되는 양상이 나타났다.

모래층의 수직방향 유동성이 작을수록 수평방향으로 감압 현상이 발생하는 구간 길이가 길어지는 양상을 확인하였으 며, 모래층의 이방성만 변화한 경우와 머드층의 이방성만 변화한 결과를 비교하였을 때 수직방향의 압력분포는 머드 층보다 모래층의 값의 변화에 영향을 많이 받는 것을 파악 할 수 있었다.

이방성 변화로 인한 온도분포 결과는 Fig. 8(b)에 나타내 었으며, 세 가지 경우 모두 압력 분포의 영향을 받아 이방성 값이 작을수록 수평방향으로 저온 구간의 길이가 길어지는 양상이 나타났다. 모래층에서 수직방향 유동성이 클수록 수직적인 저온구간의 분포는 커지는 양상을 나타냈으나 수 평적인 저온구간 분포는 짧아지는 것을 알 수 있었다. 온도 분포 또한 압력분포와 동일하게 모래층의 이방성만 변화한 경우와 머드층의 이방성만 변화한 결과를 비교하였을 때 수직방향의 온도분포는 머드층보다 모래층의 값의 변화에 영향을 많이 받는 것을 파악할 수 있었다.

Fig. 8(c) 는 가스포화율 분포에 대한 시뮬레이션 결과로 세 가지 경우 모두 이방성 값이 작을수록 모래층의 수평방 향으로 가스포화율의 발생 구간이 길어지는 양상이 나타났 다. 머드층의 수직방향 유동성이 클수록 가스포화율 증가 영역이 모래층에서 머드층으로 확대되었고, 모래층의 수 직방향 유동성이 클수록 수평방향 가스포화율 증가 구간의 길이가 짧아지는 양상이 나타났다. Fig. 8(d)는 이방성 변화 에 따른 가스하이드레이트포화율 분포를 나타낸 결과로 가 스포화율과 반대경향으로 세 가지 경우 모두 이방성 값이 작을수록 수평방향으로 가스하이드레이트포화율이 작게 도출되었다.

Fig. 9 는 유체투과도 이방성 변화에 따른 가스하이드레 이트 해리에 의한 가스상 및 물에 용해된 총 메탄가스의 체 적 유량을 나타낸 것이다. 생산 시작 후 약 1～2일 동안 이 방성 변화에 관계없이 세 가지 모두 동일한 경향으로 가스

생산량이 증가되었으며, 이후 생산 기간부터 생산 종료 시

점인 14일을 기준으로 모든 층의 이방성 값을 변화한 경우

0.1 일 때는 약 600 m

/day 에 도달하였고 0.01의 값일 때는

약 1,050 m

/day 의 가스가 생산되었다. 또한, 모래층의 이

방성 값을 변화한 경우를 제외하고 이방성 값이 작을수록

가스 생산량과 이방성 별 생산량 차이는 증가하는 양상을

확인할 수 있었다. Fig. 10은 물 생산량으로 모래층의 이방

성 값 변화 그래프를 제외하고 이방성 값이 작을수록 물 생

(a) All layers

(b) Sand layer

(c) Mud layer

Fig. 10. Volumetric rate of water production depending on anisotropy variation over time.

산량이 작게 도출되는 경향이 나타났으며, 생산 종료 시점 에 대하여 모든 층의 이방성 값을 변화한 경우에 0.1일 때는 약 21 m

/day 에 도달하였고 0.01의 값일 때는 약 18 m

/day 의 물이 생산되었다. 모래층에서의 이방성 변화에 따른 가 스 및 물 생산량 결과는 모래층의 수직방향 유동성 변화가 생산에 미치는 영향으로 단순히 판단하기 어려우므로 가스 하이드레이트 해리로부터 발생하는 가스 및 수포화율 변화 와 같은 요인 등과 같이 추가적인 분석이 필요할 것으로 사

료된다. 이러한 산출량 결과를 통해 유체투과도 이방성은 가스하이드레이트 해리로부터 발생되는 물의 유동성을 저 하시키는 주요 인자임을 알 수 있었으며, 물 보다는 가스 산 출량에 직접적인 영향을 미치는 인자임을 파악하였다.

결 론

이 연구에서는 동해 울릉분지 가스하이드레이트 현장 시 험생산 후보지의 지질학적 및 열역학적 물성을 반영한 퇴 적층 모델을 구성하였으며, 공저압을 변화하여 다양한 생 산 시나리오를 가정하고 퇴적층 물성에 대한 영향 파악을 위하여 이방성을 변화시켜 가스하이드레이트 함유 퇴적층 내 해리유동 특성 해석 및 가스와 물 산출량 분석을 수행하 였다.

공저압이 낮을수록 생산정 부근에서 큰 폭의 감압 현상 이 발생하여 가스하이드레이트 해리로 인한 흡열 반응이 동반되어 생산정 부근에서 저온 분포가 확대되는 양상을 보였으며, 가스 생산량이 증가하였고 감압현상이 점점 확 대 되면서 물 생산량도 지속적으로 커지는 것으로 나타났 다. 이러한 인자에 대하여 생산 저해 문제가 발생하지 않도 록 감압에 의한 가스 생산량뿐만 아니라 물 생산량을 함께 고려하여 공저압을 선정해야할 것으로 사료된다.

유체투과도 이방성의 경우 값이 작을수록 수평방향 저온 구간의 길이가 길어지고 모래층에서 가스하이드레이트포 화율의 발생 구간이 짧아지는 양상을 보였으며, 수평방향 유동성이 향상되어 가스 생산량이 증가하는 반면 물 생산 량은 작게 도출되는 경향이 나타났다. 이러한 값이 변화함 에 따라 수직 방향의 분포는 머드층보다 모래층의 이방성 값 변화에 의한 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있었으며, 물 보다는 가스 산출량에 직접적인 영향을 미치는 인자임 을 파악할 수 있었다.

이 연구에서는 생산 조건에 의한 영향 뿐 아니라 퇴적층 물성 변화에 따른 차이를 통해 해당 인자가 생산에 미치는 영향 정도를 파악함으로써 현장 규모의 가스하이드레이트 해리유동 해석의 기초자료를 확보하였으며, 향후 히스토 리매칭 작업 수행 시 각 생산 영향 인자들의 특성을 고려한 적용이 가능하여 합리적인 생산 시나리오 설계 및 결과 분 석을 위한 기반 자료로 이용 가능할 것으로 기대한다.

사 사

이 연구는 한국지질자원연구원 “가스하이드레이트 개발

생산연구”의 위탁연구의 일환으로 수행되었으며, 이에 감

사드립니다.

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신 효 진

현재 한국해양대학교 에너지자원공학과 박사과정 (本 學會誌 第51券 第6号 參照)

임 종 세

1991년 2월 서울대학교 자원공학과 공학사 1993년 2월 서울대학교 대학원 자원공학과 1998년 2월 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

공학박사

현재 한국해양대학교 에너지자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])

김 지 수

현재 한국해양대학교 에너지자원공학과 석사과정 (本 學會誌 第51券 第6号 參照)

김 세 준

1987년 서울대학교 자원공학과 공학사 1989년 서울대학교 대학원 자원공학과 공 1995년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

학박사

현재 한국지질자원연구원 석유해저연구본부 미래에너지자원연 (E-mail; [email protected])구센터장