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이산화탄소 지중저장과 원유 회수증진 공정을 위한 저류층 모델링
Reservoir Modeling for Carbon Dioxide Sequestration and Enhanced Oil Recovery 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.3, 2012년, pp.35 - 41  

김승혁 (서울대학교 화학생물공학부 화학공정신기술연구소) ,  이종민 (서울대학교 화학생물공학부 화학공정신기술연구소) ,  윤인섭 (서울대학교 화학생물공학부 화학공정신기술연구소)

초록
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전 세계적으로 주목받는 탄소 포집 및 저장 기술(CCS)은 현재 많은 연구가 이루어져서 대규모 탄소 포집이 가능한 시점에 있다. 이에 대규모 이산화탄소 포집에 적합한 저장 기술 또한 주목을 받고 있는데, 그 중 하나가 이산화탄소 원유 회수증진 공정($CO_2$-EOR)이다. 이는 이산화탄소의 지중저장은 물론 원유 회수를 증가시키므로, 환경적인 측면과 경제적인 측면을 모두 만족시킬 수 있는 방법이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 다공성 매질인 저류층을 통과하는 원유와 이산화탄소 혼합유체의 흐름을 모델링하고, 모델링을 통해 이산화탄소 저장 및 원유 회수 증진의 효과를 보이고자 하였다. 혼합유체를 모델링하기 위해 Darcy-Muskat의 법칙으로부터 확산성, 점도 변화를 추가 고려하여 저류층 내 압력과 포화도를 계산하였고, 수치 해석적 모델링을 위해서 유한체적법(finite volume method)을 이용하였다. 그 결과, 저류층 내 원유와 물, 이산화탄소를 주입했을 경우 각 주입물질별 시간에 따른 압력과 포화도의 변화를 예측할 수 있었고, 이산화탄소 주입 방법이 물을 주입하는 방법보다 원유 회수 측면에서 더 유리한 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Manifold researches for carbon capture and storage (CCS) have been developed and large scale-carbon capture system can be performed recently. Hence, the technologies for $CO_2$ sequestration or storage become necessary to handle the captured $CO_2$. Among them, enhanced oil rec...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 같이 원유 회수를 증진하여 얻는 이익과 동시에 포집된 이산화탄소를 처리함으로써 탄소 포집 및 저장으로부터 나오는 비용을 보상받을 수 있게 될 것이다. 그러므로 본 연구에서는 다공성 매질인 저류층을 통과하는 원유와 이산화탄소 혼합유체의 흐름을 모델링하고, 모델링을 통해 이산화탄소 저장 및 원유 회수증진의 효과를 보이고자 하였다.
  • 본 연구에서는 유한체적법 중 가장 널리 쓰이는 근사방법 중 하나인 2점 유동 근사법(two-point flux approximation, TPFA)을 이용하여 저류층의 압력과 포화도를 나타내고자 하였다. 또한 이를 이용하여 원유와 물을 이용한 원유 회수증진과 이산화탄소를 이용한 원유 회수증진공정의 차이점을 알아보고자 하였다.
  • 그러나 저류층 모델링은 계의 크기가 크고, 좀 더 많은 물리학적 물성이 관여가 되기 때문에 셀 볼륨의 평균값을 이용하는 유한체적법(finite volume method)을 주로 사용한다. 본 연구에서는 유한체적법 중 가장 널리 쓰이는 근사방법 중 하나인 2점 유동 근사법(two-point flux approximation, TPFA)을 이용하여 저류층의 압력과 포화도를 나타내고자 하였다. 또한 이를 이용하여 원유와 물을 이용한 원유 회수증진과 이산화탄소를 이용한 원유 회수증진공정의 차이점을 알아보고자 하였다.
  • 마지막으로 총 시간단계는 10으로 설정하였다. 본 연구에서는 이산화탄소 원유 회수증진의 효과를 보이기 위해 이산화탄소를 주입한 경우를 비롯해 원유를 주입한 경우와 물을 주입한 경우도 모사하였다. 원유와 물을 주입한 경우 원유-원유, 원유-물 사이에는 혼합성이 없기 때문에 확산부분은 무시하였다.
  • 본 연구에서는 이산화탄소 처리기술 중 하나인 이산화탄소 원유 회수공정을 위한 저류층 모델링을 수행하였다. 저류층 모델링은 기본적으로 다공성 매질을 지나는 유체의 흐름을 다루는 Darcy-Muskat 법칙을 기반으로 하였고, 이산화탄소와 원유 혼합유체의 저류층 내 압력과 포화도 변화를 살펴보았다.
  • 그리고 N은 계 내의 셀 개수를 의미한다. 본 연구에서는 저류층 내 이산화탄소의 압력과 포화도 변화를 알아보는 것이 목적이므로, 이산화탄소를 확산물질로 선정하였다.
  • 식 (8)과 식(11)은 비선형적으로 강하게 결합되어 있기 때문에 이렇게 결합된 식을 해결하기 위해서는 분할법을 통해 수치해석적으로 접근해야 한다. 본연구에서는 유한체적법을 이용하여 압력식과 포화 도식을 분할하고자 하였다[5].

가설 설정

  • 원유와 물을 주입한 경우 원유-원유, 원유-물 사이에는 혼합성이 없기 때문에 확산부분은 무시하였다. 물의 점도는 0.28 cp(100℃)로 가정하였다.
  • )을 나타낸다. 본 연구에서 모든 물질은 비압축성 물질로 가정하였다(cr,co,cc=0)[4]. 그러나 식 (6)에는 여전히 두 개의 미지변수(pc, po)가 있고, 포화도 sc, so와 결합되어 있어서 계산하기가 쉽지 않다.
  • 여기서 λ = λc +λo이며, 본 연구에서는 중력과 경계조건에서 흐름을 0으로 가정하였다.
  • 그리고 원유와 이산화탄소의 혼합 시 발생하는 원유의 점도 감소를 식 (26)과 같이 고려하였다[8]. 유체의 점도는 원유의 경우 8.3 cp (100℃), 이산화탄소의 경우 0.0185 cp (100℃)로 가정하였다.
  • 그래서 (0,0)을 이산화탄소 주입정(injection well)으로, (1,1)을 원유 생산정(production well)으로 하였다. 정규화된 저류층을 가정하였고, 원유 회수량과 이산화탄소 지중저장량의 시간에 따른 비율을 보는 것이 목적이기 때문에 주입정에서 주입속도를 1로 가정하였다. 그리고 물질의 투과율(k)은 측정이 어렵고, 저류층의 특성에 크게 의존하므로 격자마다 0과 1사이의 임의의 값을 갖도록 모델을 구성하였다.
  • 혼합유체의 포화도 변화에 대한 식을 구하기 위해 먼저 원유와 이산화탄소 포화도의 합은 1과 같고(sc +so =1), 전체 유체의 속도는 각 유체 흐름의 속도와 같다(vc +vo = v)라고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지금까지 이산화탄소 저장 및 처리를 위해 가장 많이 쓰이는 방법은 무엇이였는가? 탄소 포집기술이 발전하고, 대규모 탄소 포집이 가능해짐에 따라 포집된 이산화탄소를 저장·처리하는 방법의 필요성이 커지고 있다. 지금까지 이산화탄소 저장 및 처리를 위해 가장 많이 쓰이는 방법은지중저장이었다. 그러나 여전히 주입시스템이나 파이프라인 건설 등 많은 비용의 사용이 불가피하였다.
이산화탄소를 이용한 원유 회수증진 기법은 무엇인가? 이러한 비용의 보상을 위해 제안할 수 있는 것이 이산화탄소를 이용한 원유 회수증진 기법이다. 이는 자연적인 압력차에 의한 1차 원유 회수가 종료된 저류층에 이산화탄소를 주입하여 원유 회수를 증진하는 방법이다. 주입된 이산화탄소는 저류층에 남아있는 원유를 밀어내고, 또한 원유와 혼합하여 원유의 점도를 감소시켜 원유의 유동성을 증가시킴으로써 원유 회수를 증가시킨다[1].
편미분방정식을 수치해석적으로 해결하기 위해 주로 어떤 방법이 사용되어 왔는가? 일반적으로 편미분방정식을 수치해석적으로 해결하기 위해 유한차분법(finite difference method)이 주로 사용되어 왔다. 그러나 저류층 모델링은 계의 크기가 크고, 좀 더 많은 물리학적 물성이 관여가 되기 때문에 셀 볼륨의 평균값을 이용하는 유한체적법(finite volume method)을 주로 사용한다.
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참고문헌 (8)

  1. Electric Power Research Institute, Enhanced Oil Recovery Scoping Study, Technical report, (1999) 

  2. Douglas, J., "Finite Difference Methods for Two- Phase Incompressible Flow in Porous Media", Society for Industrial and Applied Mathematics, Journal on Numerical Analysis, 20(4), 681-696, (1983) 

  3. Douglas, J. and Roberts, J., "Numerical methods for a model compressible miscible displacement in porous media", Mathematics of Computation, 41(164), 441-459, (1983) 

  4. Bourgeat, A. and Jurak, M., Two phase partially miscible flow, Report, (2006) 

  5. Barth, T. and Ohlberger, M., Finite volume methods: foundation and anaylsis, Encyclopedia of Computational Mechanics, Wiley, (2004) 

  6. Aarnes, J. E., Gimse, T., and Lie, K. A., An introduction to the numerics flow in porous media using Matlab, Geometric modelling, numerical simulation, and optimization, Part II, 265-306, (2007) 

  7. Li, Z. and Dong, M., "Experimental Study of Carbon Dioxide Diffusion in Oil-Saturated Porous Media under Reservoir Conditions", Industrial and Engineering Chemistry Research, 48, 9307-9317, (2009) 

  8. Lansangan, R. M., Taylor, M., Smith, J. L., and Kovarik, F. S., "An Improved Viscosity Correlation for CO2/Reservoir Oil Systems", SPE Advanced Technology Series, 1(2), 134-141, (1993) 

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