[논문]감압법을 이용한 메탄 하이드레이트 생산에 대한 연구

박성식; 김남진

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Gas hydrates are solid solutions when water molecules are linked through hydrogen bonding and create host lattice cavities that can enclose many kinds of guest(gas) molecules. There are plenty of methane(gas) hydrate in the earth and distributed widely at offshore and permafrost. Several schemes, to...

Gas hydrates are solid solutions when water molecules are linked through hydrogen bonding and create host lattice cavities that can enclose many kinds of guest(gas) molecules. There are plenty of methane(gas) hydrate in the earth and distributed widely at offshore and permafrost. Several schemes, to produce methane hydrates, have been studied. In this study, depressurization method has been utilized for the numerical model due to it's simplicity and effectiveness. IMPES method has been used for numerical analysis to get the saturation and velocity profile of each phase and pressure profile, velocity of dissociation front progress and the quantity of produced gas. The values calculated for the sample length of 10m, show that methane hydrates has been dissolved completely in approximately 223 minutes and the velocity of dissociation front progress is 3.95㎝ per minute. The volume ratio of the produced gas in the porous media is found to be about 50%. Analysing the saturation profile and the velocity profile from the numerical results, the permeability of each phase in porous media is considered to be the most important factor in the two phase flow propagation. Consequently, permeability strongly influences the productivity of gas in porous media for methane hydrates.

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문제 정의

본 연구에서는 한국에서 발견된 메탄 하이드레이트 매장지역인 동해 남부지역에서 실제로 측정한 평형 데이터를 이용하여 감압법으로 메탄 하이드레이트를 생산할 경우 1차원 저류층 모사라는 수치해석 기법을 이용하여 물과 가스의 유동을 예측하고자 한다.

가설 설정

HolderandAngert³⁾의 수치해석 모델은 상부가 가스, 저류층이 투과되지 않는 메탄 하이드레이트 층으로 되어있다고 가정하고, 저류층의 압력을 낮추기 위해서 자유가스 영역으로부터 하나의 가스정을 통해서 생산함으로써 감압하였다. Burshearsetal.
또한 시스템의 압력은 하이드레이트 분해의 평형압력 보다 약간 낮게 가정하였고, 질량 및 운동량 수송 방정식이 동경계 조건을 이용하였으며 물과 가스의 유동을 동시에 풀었다. 또한 실험적인 연구로 Baeetal.
그림 1은 한국지질자원연구소에서 탐사를 수행한 동해지역의 메탄 하이드레이트 안정 영역(HSZ)으로 해수깊이에 따른 온도와 압력이 변할 경우 메탄 하이드레이트 상변화특성을 나타낸 그래프이다. 본 연구는 깊이 약 1,100m 지점, 수평으로 1차원의 단위 단면적을 가진 형상에 대해서 계산을 수행하였으며, 감압에 의한 하이드레이트 분해가 일어날 경우, 그 평형점이 약 8℃에서 형성됨을 가정하였다. 시간이 0일 때 경계 x=0에서의 압력이 평형압력(6MPa)보다 아래로 떨어진 후 일정한 압력(3MPa)을 유지하면 하이드레이트의 분해가 시작되고 시스템을 통한 압력과 포화도의 분포가 이루어진다.

제안 방법

Veriginetal. ²⁾은 다공성 매질의 1차원에서 감압법을 모델링하여 분해영역과 분해되지 않은 영역을 나누기 위해 동경계(movingboundary)조건을 사용하였고 유동하는 상은 가스로서 한정하였다.
또한 감압법과 열자극법을 혼용한 기법을 통하여 하이드레이트 가스 생산실험을 수행하여 가스 회수율, 에너지효율을 측정하고 비교하였다.
본 연구에서 동해안의 평형데이터를 기준으로하여 10m의 다공성 샘플에 대해 감압법을 이용하여 메탄 하이드레이트를 생산할 경우 물과 가스의 유동을 모사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
위의 방정식에서 압력과 3개의 포화도 총 4개의 미지수를 구하기 위해서 저류층 모사 방법을 이용하였고, 밀도 대신 용적계수 B를 사용하여 일반적인 다공성 매질에서의 3상 유동에 대해 전개할 경우 상 l에 대한 연속방정식은 다음과 같다.

이론/모형

⁵⁾의 연구에서는 semi-infinite의 동경계조건을 이용하는 Veriginetal. ²⁾의 연구와 비슷한 감압모델을 적용하였으며, Messoyaka field의 실 예에서처럼 아주 느린 감압을 모델링하기 위해 등온조건을 이용하였다.
821×10.0-16이고, As를 구하는 식은 다음과 같은 Parallel-Cylinder모델을 이용하였다8).
IMPES방법을 사용하여 압력식을 풀 때는 Gauss-Seidelscheme을 이용하였고, 반복계산 중 최근의 정보를 이용하기 위하여 Newton method를 이용하였으며, 순서도를 그림 4에 표시하였다.
그림 2와 3은 본 계산에서 사용된 공극율과 각종 투과도와의 관계를 나타내고, 다공성 매질에 관련된 정보는 BereaSandstone Core에 대한 정보를 이용하였다⁵⁾. 또한 초기 조건과 경계조건은 다음과 같다.

성능/효과

(1) 10m의 다공성 샘플을 감압법으로 하이드레이트가 완전히 녹는데 걸리는 시간은 약 223분 정도이고, 전파 속도는 분당 약 4.48cm로 진행되었다. 이때 생산되는 가스량은 시간에 대해서 거의 직선적인 비례관계임을 알았다.
(2) 메탄 하이드레이트 층에서 각각의 유체가 생산되어 나오는 x=0인 지점에서 정상상태를 유지하면서 물의 부피비는 약 50%정도 차지한다는 것을 알 수 있었다.
(3 )메탄 하이드레이트는 분해가 시작될 때 초기에 갑작스런 압력강하를 보인 후에는 비교적 일정한 압력구배를 갖으나, 가스와 물의 포화도는 갑작스런 증가를 보이는데, 이때 상대유체투과도 값이 작은 물의 포화도가 더 큰 증가폭을 갖는 것을 알 수 있었다.
(4) 분해 후 가스의 전파속도는 물의 속도보다 평균적으로 수 백 배정도로 작은 값을 보임을 알 수 있었다.
그림 9와 10은 10m의 샘플에 대한 분해면의 전파속도와 시간에 따른 생산되는 가스의 양을 나타낸다. 계산결과 분해전파는 약 223분 이상이 걸리고, 모두 분해되었을 때 생산된 가스양은 표준상태에서의 부피로 약 250m³의 결과를 얻었다.
물론 위의 두 구간 모두에서 가스의 점성계수와 절대유체투과도도 변화하지만 그 변화량이 중요한 정도는 아니다. 다음으로 속도가 유동방향으로 일정한 증가를 보이는 구간에서는 가스의 경우 압력이 감소하므로 마찰계수가 증가하는 영향이 크게 반영되어 속도가 증가함으로 판단할 수 있다. 물과 가스의 경우 모두 이 구간에서 유동방향으로 압력이 미세하게 증가하는 결과를 얻었는데, 이 영향으로 속도가 증가하는 것으로 사료된다.
또한 이 구간에서 하이드레이트와 물의 포화도가 변하지 않았으므로 절대유체투과도와 상대유체투과도는 그 영향이 없는 것으로 판단된다. 마지막으로 포화도 값이 진동을 보이며 변화하는 구간에서는 물의 포화도 값이 전체적으로 감소하므로 속도 또한 진동을 보이며 가스속도는 증가하고, 물의 속도는 감소하였다. 이는 그림 3에서 물의 포화도가 감소시 각 상의 상대유체 투과도 값의 변화를 보면 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연적으로 형성된 메탄 하이드레이트는 어디에 분포하는가?	자연적으로 형성된 메탄 하이드레이트의 경우 태평양과 대서양의 대륙사면 및 대륙붕, 남극대륙의 주변해역, 우리나라의 동해안 등지에서 분포가 확인되었으며, 그 매장량은 1조 탄소톤 이상으로 기존 화석연료의 매장량이 5천억 탄소톤, 대기중의 메탄가스가 3억 6천만 탄소톤임을 고려할 때 기존 화석연료의 2배에 이르는 막대한 양이라고 보고하였다1). 따라서 메탄 하이드레이트는 화석에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정에너지 또는 대체에너지원으로서의 무한한 잠재력을 가지고 있어 새로운 에너지분야로 크게 주목을 받고 있다.
	메탄 하이드레이트는 무엇인가?	메탄 하이드레이트란 저온·고압하에서 물분자 속에 메탄가스 분자가 포획되어 만들어진 얼음과 비슷한 고체상의 결합체로서 95% 이상이 메탄가스로 이루어진 가스 하이드레이트의 일종이다.

참고문헌 (9)

Kvenvolden, K, A., Methane hydrate-a major reservoir of carbon in the shallow geosphere?, Chem. Geol., Vol. 71, pp.41-51, 1988

상세보기
Verigin, N. N., Khabibullin, I. L., and Khalivok, G. A., "Linear problem of the dissociation of the hydrates of a gas in a porous medium", lzvest. Akad. Nauk. SSR, Mekhanika Gaza No.1, pp.174, 1980
Holder, G. D. and Angert, P. F., Simulation of gas production from a reservoir containing both gas hydrates and free natural gas, SPE 11105 presented at 1982 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 1982.
Burshears, M., O'Brien, T. J., and Malone, R. D., A multi-phase, multi-dimensional, variable composition simulation of gas production from a conventional gas reservoir in contact with hydrate, SPE 15246 presented at 1986 SPE Unconventional GasTechnology Symposium,1986.
Yousif, M.H., Abass, H.H., Selim, M.S., Sloan, E.D., Experimental and theoretical investigation of methane-gas-hydrate dissociation in porous media, SPE Reservoir Engineering, Vol.6, No.1,69-76b,1991.

상세보기
Bae, J.Y, Sung, W.M. and Kwon, W.I., An Experimental Analysis of Hydrate Production using Multi-Well, Plate-Type Cell Apparatus, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 45, No. 3, pp. 304-309, 2007.
Lee, Y.S., Wang, J.H., Park, J.K. and Sung, W. M., Hydrate Production Performance Analysis with Multi-Well, Plate-Type Apparatus Using Depressurization and Thermal Methods, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 47, No. 1, February, pp. 133-140, 2009.
Kim, H.C., Bishnoi, P.R., Heidemann, R.A., Rizvi, S.S.H., Kinetics of methane hydrate dissociation, Chem. Eng. Sci.,Vol. 42, No. 7, pp. 1645, 1987.

상세보기
Amyx, J. W., Bass, D. M. and Whiting, R. L., Petroleum engineering-Physical properties, McGraw-Hill Book Co., New York City, pp. 98-194,1960.

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