[논문]고온 고압 스팀을 주입하는 SAGD 공정에서 FeOX 무기첨가제가 오일샌드 회수율에 미치는 영향

송병진; 유난숙; 김지만; 이철위

doi:10.14478/ace.2013.1113

고온 고압 스팀을 주입하는 SAGD 공정에서 FeOX 무기첨가제가 오일샌드 회수율에 미치는 영향
Effect of FeOX Inorganic Additive in SAGD Process for Oil Sand Recovery 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.1, 2014년, pp.113 - 115

송병진 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부) , 유난숙 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부) , 김지만 (성균관대학교 화학과) , 이철위 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부)

초록
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박층의 오일샌드에서 비투멘 성분 회수를 위한 steam assisted gravity drainage 공정에서 무기첨가제 도입에 따른 오일 회수율 특성을 평가하고자 실험실 규모의 모사장치를 이용하여 모사된 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 실험을 수행하였다. 오일샌드 모사를 위해 비투멘과 성질이 유사한 초중질유와 직경 1.5 mm의 글래스비드를 사용하였다. 무기합성법을 통해 $FeO_X$를 제조하여 무기첨가제로 도입하였다. 그 결과 시간에 따른 스팀의 열전달 속도는 무기첨가제 도입에 따라 약 40% 증가하였으며, 회수율 또한 약 30% 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lab scale simulated steam assisted gravity drainage (SAGD) process devices were used to investigate the effect of inorganic additives for the bitumen recovery from oil sand. An extra heavy oil similar with bitumen and 1.5 mm diameter of the glass bead instead of clay was mixed to simulate the oil sand. In addition, $FeO_X$ synthesized from the inorganic process was introduced as an inorganic additive for improving the recovery. Finally, the steam heat transfer rate of approximately 40% following the introduction of inorganic additives which also increased the recovery rate by about 30%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오일샌드에서 비투멘 회수를 위한 SAGD 공정의 회수율을 향상시키고자 FeO_X 입자를 제조하여 무기첨가제로 사용하여 회수율의 변화를 확인하였다.

제안 방법

Steam을 제조하기 위하여, 증류되지 않은 일반 상수도를 Steam generator에서 200℃, 4000s 동안 가열하였으며, Steam 생성 후 CM으로 주입하였다. 생성된 steam은 안정적인 온도(180℃)를 유지하며 총 8000s 동안 주입되었다.
따라서 본 연구에서는 SAGD 공정으로부터 비투멘의 회수율을 향상시키고자 실제 오일샌드 매립광구에 적용 시 원료공급이 원활하고 경제적이며, 대량합성이 용이한 FeO_X를 제조하여 무기첨가제로 사용하였다. SAGD 공정은 150 : 1로 축소된 Lab scale의 모사장치를 이용 하였으며, 초중질유와 글래스비드의 혼합물을 제조하여 오일샌드 모사재료로 사용하였다.
) 10%를함께 첨가하였다. 또한 무기첨가제의 영향을 비교하기 위해서 무기첨가제를 도입하지 않은 실험도 실시하였다.
SAGD 공정은 150 : 1로 축소된 Lab scale의 모사장치를 이용 하였으며, 초중질유와 글래스비드의 혼합물을 제조하여 오일샌드 모사재료로 사용하였다. 또한 스팀 주입에 따른 내부 온도 변화 및 오일 회수율을 측정하여 FeO_X 무기첨가제 도입에 따른 SAGD 공정의 회수율 특성을 확인하였다.
이때, 본 실험은 무기첨가제를 이용한 실험으로서, 위와 같은 실험 조건에 초중질유 대비 실험실에서 제조한 무기첨가제(FeO_X) 10%를함께 첨가하였다. 또한 무기첨가제의 영향을 비교하기 위해서 무기첨가제를 도입하지 않은 실험도 실시하였다.

대상 데이터

를 제조하여 무기첨가제로 사용하였다. SAGD 공정은 150 : 1로 축소된 Lab scale의 모사장치를 이용 하였으며, 초중질유와 글래스비드의 혼합물을 제조하여 오일샌드 모사재료로 사용하였다. 또한 스팀 주입에 따른 내부 온도 변화 및 오일 회수율을 측정하여 FeO_X 무기첨가제 도입에 따른 SAGD 공정의 회수율 특성을 확인하였다.
본 연구에서는 SAGD 공정의 비투멘 회수율 향상을 위한 첨가제로서 산화철을 제조하기 위하여 FeNO₃를 산화철의 전구체로 사용하였다.

성능/효과

1) 무기첨가제를 활용한 SAGD 실험에서는 스팀을 단독으로 사용하는 SAGD보다 CM에 열전달이 빠르게 진행되는 것을 확인하였다.
2) 그 결과 스팀을 단독으로 사용하는 SAGD의 경우 9.32, 무기첨가제를 활용한 SAGD실험의 경우 5.44의 cSOR을 얻을 수 있었으며 회수율 또한 무기첨가제를 활용한 SAGD 실험이 스팀을 단독으로 사용한 SAGD보다 약 30% 향상됨을 확인하였다.
3) 이러한 결과는 무기첨가제의 입자가 아스팔텐과의 상호작용으로 에멀션의 안정도를 증가시켰으며 그 결과 초중질유의 점도가 쉽게 낮아지면서 흐름성의 향상을 가져왔다고 사료된다.
4) 또한 무기첨가제에 의해서 열전달이 빨라지면서 더 빠르고 경제적인 오일 회수율의 결과를 보여주었다.
Steam 주입시간에 따른 오일 회수율에 대한 결과를 Table 1에 나타내었다. Steam만을 단독으로 주입하였을 경우와 무기첨가제를 도입한 경우 각각 cSOR (cumulative steam to oil ratio)은 9.3, 5.4의 값을 나타내었으며, 오일은 각각 37.8%, 68%가 회수되었다. 무기첨가제 도입에 따라 물-오일 에멀션의 계면에 위치한 FeO_X 표면에 아스팔텐-레진 응집체가 흡착되어 에멀션의 계면장력을 감소시킴으로써 물-오일 에멀션의 점도가 낮아져 열전달 속도가 향상되어 cSOR 및 오일 회수율이 향상된 것으로 판단된다.
8%, 68%가 회수되었다. 무기첨가제 도입에 따라 물-오일 에멀션의 계면에 위치한 FeO_X 표면에 아스팔텐-레진 응집체가 흡착되어 에멀션의 계면장력을 감소시킴으로써 물-오일 에멀션의 점도가 낮아져 열전달 속도가 향상되어 cSOR 및 오일 회수율이 향상된 것으로 판단된다. 무기첨가제가 아스팔텐-레진 응집체와 상호 작용을 이해할 수 있는 모식도를 Figure 2에 도시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAGD 공정의 원리 중 핵심은 무엇인가?	SAGD는 Butler에 의해 개발되었으며 오일샌드 시추현장에 성공적으로 적용되었다. SAGD 공정의 원리 중핵심은 점도가 높은 비투멘에 관련한 문제를 해결한 것인데, 스팀 주입에 의해 생성된 스팀챔버는 비투멘의 점도를 낮추어 이동성을 갖게 하여 지상으로 이동이 가능하게 된다[4,5].
	기존 석유의 대체 자원으로 주목받고 있는 자원은 무엇인가?	최근 기존의 원유 생산은 매장량의 한계와 세계적으로 증가하는 석유 소비로 인해 감소하고 있다. 기존 석유의 대체 자원으로서 초중질유, 오일샌드, 비투멘 등과 같은 비재래형 석유 자원이 주목받고 있으며 이에 따른 다양한 연구가 진행 중이다[1].
	오일샌드 중 원유성분인 비투멘이 고점도를 갖는 이유는 무엇인가?	오일샌드 중 원유성분인 비투멘이 고점도를 갖는 이유는 크게 두가지로 알려져 있다. 첫째, 비투멘은 15∼20%의 아스팔텐 성분을 포함 한다. 아스팔텐은 극성이 강한 지방족 탄화수소의 사슬구조 및 방향족 고리형태로 구성되어 있으며, 높은 분자량으로 인하여 함량이 증가하면 점도가 높아지는 특성이 있다[6]. 둘째, 비투멘 내의 아스팔텐은 수소결합과 ð-결합의 오버랩을 통해 레진성분 구조의 극성작용기와 상호작용으로 콜로이드 응집현상이 발생되기 때문이다[6].

참고문헌 (8)

I. D. Gates and N. Chakrabarty, Design of the Steam and Solvent Injection Strategy in Expanding-Solvent Steam-Assisted Gravity Drainage, J. Can. Pet. Technol., 47, 40-49 (2008).
Y. K. Park, W. C. Choi, S. Y. Jeong, and C. W. Lee, High Value-added Technology of Oil Sand, Korean Chem. Eng. Res., 45, 109-116 (2007).
R. M. Butler, A New Approach to the Modeling of Steam-Assisted Gravity Drainage, J. Can. Pet. Technol., 24, 42-51 (1985).

상세보기
R. M. Butler, Thermal recovery of oil and bitumen, 285, Prentice Hall Inc., New Jersey, USA (1991).
K. Sasaki, S. Akibayashi, N. Yazawa, Q. T. Doan, and S. M. Farouq Ali, Experimental Modeling of the SAGD Process - Enhancing SAGD Performance with Periodic Stimulation of the Horizontal Producer, SPE. J., 6, 89-97 (2001).

상세보기
A. P. Sullivan and P. K. Kilpatrick, The Effects of Inorganic Solid Particles on Water and Crude Oil Emulsion Stability, Ind. Eng. Chem. Res., 41, 3389-3404 (2002).

상세보기
N. S. You, S. H. Yoon, W. K. Lee, H. Y. Lee, S. Y. Park, J. H. Shim, J. S. Kim, and C. W. Lee, Design, construction and operation of lab scale cylindrical steam assisted gravity drainage model for heavy oil recovery, Korean J. Chem. Eng., 27, 1718-1724 (2010).

상세보기
A. A. Mohammad and D. D. Mamora, Insitu Upgrading of Heavy Oil Under Steam Injection With Tetralin and Catalyst, SPE. J., 10, 2118-2129 (2008).

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