[논문]고온 고압 스팀을 주입하는 SAGD 공정에서 CO2주입이 오일샌드 역청 회수율에 미치는 영향

송병진; 유난숙; 이재훈; 이철위

doi:10.14478/ace.2014.1014

고온 고압 스팀을 주입하는 SAGD 공정에서 CO2주입이 오일샌드 역청 회수율에 미치는 영향
Effect of CO2 Injection in SAGD Process for Oil Sand Bitumen Recovery 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.3, 2014년, pp.262 - 267

송병진 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부) , 유난숙 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부) , 이재훈 (에너지관리공단) , 이철위 (한국화학연구원 그린화학공정연구본부)

초록
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오일샌드에서 비투맨(bitumen)을 회수하는 지하회수방식 중 가장 많이 사용하는 기술인 SAGD (steam assisted gravity drainage)공정으로부터 비투맨의 회수율을 향상시키고자 스팀과 함께 주입한 첨가제의 효과와 매커니즘에 대해서 연구하였다. 실제 광구에서 쓰이는 SAGD공정을 150 : 1로 축소한 실험실 규모의 모사장비가 사용되었으며, 지하 박층을 모사할 수 있는 장치(이하 GM, geological model)가 사용되었다. 초중질유와 글래스비드(glass bead 1.5 mm)의 혼합물은 오일샌드의 모사재료로 사용되었다. 첨가제로서 $CO_2$가 사용되었으며, 스팀 챔버(steam chamber)의 성장 변화를 비교 분석하였다. $CO_2$의 주입방식에 따른 효과를 확인하기 위하여 스팀과 $CO_2$를 연속 주입하는 실험($cCO_2$-SAGD)과 순차적으로 주입하는 실험($sCO_2$-SAGD)을 실시하였다. 그 결과 $sCO_2$-SAGD 실험의 경우 Control 실험 대비 오일 회수율은 60.2%에서 69.3%로 향상되었으며 cSOR의 경우 7.1에서 6.0으로 낮아졌다. 반면에 $cCO_2$-SAGD 실험의 경우 60.2%에서 57.6%, 7.1에서 7.3으로 증가 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

SAGD (steam assisted gravity drainage) process is the most commonly used in-situ technology for the recovery of bitumen from oil sand. It was investigated that the effects of different additives on bitumen recovery rate from oil sand in SAGD process among many possible mechanisms studied throughout the study. Bitumen recovery from thin layer oil sand reservoirs was simulated by using an experimental SAGD apparatus with scale of 150:1. To improve the simulation accuracy of thin layer oil reservoir, we have attached geological model (GM). Oil sand was simulated by using a mixture of extra heavy oil and glass beads with a diameter of 1.5 mm. $CO_2$ was used as an additive and the evolution of steam chambers were closely monitored, and the effects of $CO_2$ as an additive was investigated. Two types of injection methods were tested; continuous ($cCO_2$-SAGD) and sequential interruption ($sCO_2$-SAGD) $CO_2$ injection. For the $sCO_2$-SAGD experiment, it was observed that the recovery rates and CSOR were efficiently improved control experiment from 60.2% to 69.3% and 7.1 to 6.0, respectively, whereas $cCO_2$-SAGD experiment decreased from 60.2% to 57.6% and 7.1 to 7.3.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SAGD 공정에서 가장 큰 단점인 CO₂ 배출문제를 보완함과 동시에 스팀과 함께 주입하는 첨가제로 활용함에 있어서 CO₂의 주입방식에 따른 비투맨 회수율의 최적화 연구를 수행하였다. 스팀만을 주입하는 Control 실험을 비롯한 CO2의 연속주입(이하 cCO₂-SAGD)과 CO₂의 순차주입(이하 sCO₂-SAGD) 실험을 실시하였으며 그 영향을 알아보기 위하여 스팀 챔버(steam chamber)의 성장 및 오일회수율과 cSOR (cumulative steam to oil ratio) 값을 비교, 분석하였다.
본 논문에서는 오일샌드에서 비투맨을 추출하는 SAGD공정에서 CO₂ 배출에 대한 단점 보완과 동시에 고점도성을 갖는 비투맨의 점도를 효과적으로 낮추어 향상된 회수율과 cSOR 값을 얻기 위해 CO₂를 첨가제로 활용하여 그 효과와 메커니즘에 대해서 연구하였다.

제안 방법

CO2는 MFC (mass flow controller)를 이용하여 스팀과 함께 주입 하였으며 스팀 대비 CO2의 부피비가 1 : 0.5∼1 : 3이 되도록 조절하였다.
PC의 압력을 낮추어주지 않고 샘플링을 진행하게 되면 8∼9 kgf/cm²의 높은 압력으로 인해 회수된 물과 초중질유가 고압으로 분사되어 샘플링이 불가능하다. 따라서 PC의 압력을 2 kgf/cm² 정도로 낮추어준 다음, 회수된 초중질유와 물이 PC로 이동 되어지는 관의 밸브를 잠근 후 샘플링을 진행하였다. 샘플링 완료 후 질소를 이용하여 낮아진 PC의 압력을 샘플링 이전의 압력까지 올려주었으며, 회수된 초중질유와 물이 다시 PC로 모일 수 있도록 잠궈 두었던 밸브를 열어주었다.
본 실험에서 사용한 실험장비 규모의 SAGD 모델의 설계인자는 이론적 배경과 실제 지질학적인 현장 데이터를 기반으로 산출되어졌으며 축소율은 150 : 1이다. 또한 오일샌드를 모사하기 위하여 비투맨과 화학적 조성과 온도에 따른 점도변화가 유사한 초중질유를 선정하였으며 모래와 자갈 등의 역할을 하는 재료로는 직경 1.
스팀 → 스팀⋅CO2 → 스팀 → 스팀⋅CO2 형식으로 주입되는 sCO2-SAGD실험은 15 min 간격으로 CO2의 주입과 중단을 반복하였다.
의 주입방식에 따른 비투맨 회수율의 최적화 연구를 수행하였다. 스팀만을 주입하는 Control 실험을 비롯한 CO2의 연속주입(이하 cCO₂-SAGD)과 CO₂의 순차주입(이하 sCO₂-SAGD) 실험을 실시하였으며 그 영향을 알아보기 위하여 스팀 챔버(steam chamber)의 성장 및 오일회수율과 cSOR (cumulative steam to oil ratio) 값을 비교, 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 실험장비 규모의 SAGD 모델의 설계인자는 이론적 배경과 실제 지질학적인 현장 데이터를 기반으로 산출되어졌으며 축소율은 150 : 1이다. 또한 오일샌드를 모사하기 위하여 비투맨과 화학적 조성과 온도에 따른 점도변화가 유사한 초중질유를 선정하였으며 모래와 자갈 등의 역할을 하는 재료로는 직경 1.5 mm의 글래스비드(glassbead)를 사용하였다. 각각의 자세한 설계 인자들과 모사재료 선정근거는 본 연구진들의 사전 연구 결과에 소개하였다[17].

성능/효과

CO₂가 스팀과 함께 주입되면 주입방식과는 상관없이 컨트롤 실험대비 모든 시간대에서 스팀 챔버 면적은 크게 성장한 것을 확인할 수 있으며 그중 sCO₂-SAGD 실험의 스팀 챔버가 가장 효율적으로 성장한 결과를 보여준다.
CO₂의 주입 방식에 따른 첨가제로서의 효과를 확인한 결과 CO₂를 순차적으로 주입하는 sCO₂-SAGD의 경우 스팀 챔버는 모든 실험들에 비해 약 3배 이상 크게 성장하는 것을 확인하였으며, 스팀 챔버의 형태 또한 이상적인 역삼각형의 모양으로 발달하였다. 이는 먼저 주입된 스팀의 영향으로 점도가 낮아진 초중질유에 순차적으로 주입되는 CO₂가 용해되면서 스팀 챔버의 성장에 영향을 주었다고 사료된다.
회수율의 경우 넣어준 초중질유의 양과 회수된 초중질유를 나누어주어 값을 얻었으며, cSOR 값은 경제성을 확인할 수 있는 값으로서 회수된 물의 양과 초중질유의 비로 계산되어졌다. Control 실험의 경우 초중질유의 회수율은 약 60.2 %를 얻었으며, 경제성을 평가하는 cSOR의 경우 약 7.1의 값을 얻었다.
Table 1에서 확인할 수 있듯이 sCO₂-SAGD의 경우 모든 실험들 중 가장 높고 경제적인 회수율(69.3%)과 cSOR 값(6.0)을 얻었으며, 이러한 결과는 스팀과 CO₂를 오일샌드에 주입하는 방식을 순차적으로 반복하면 스팀이 먼저 주입되어 스팀 챔버를 발달 및 성장시켜주고 그 다음으로 스팀과 CO₂가 주입되어 초중질유에 CO₂가 용해되면서 초중질유의 점도를 낮추어 스팀챔버가 효율적인 모양으로 성장하는데 기여함으로써 최종적으로 회수율과 cSOR 값을 향상 시켰다고 사료된다.
이와는 반대로 CO₂를 연속으로 주입하는 cCO₂-SAGD의 경우 스팀 챔버는 스팀만을 주입하는 Control 실험에 비해 약 2배 크게 성장하였으나 필요 이상의 CO₂가 주입되면서 모사된 오일샌드 내의 지층 또는 주입정과 생산정 사이에 가스 포화도에 의한 채널링이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 영향으로 인해 스팀 챔버는 스팀과 CO₂의 주입시간이 늘어날수록 불균형하게 성장하였으며 회수율과 cSOR 값은 각각 57.6%와 7.3으로 모든 실험 중 가장 낮은 값을 얻었다.
모든 실험의 경우 일정한 온도(170∼180 ℃)의 스팀이 GM에 주입되었고, 압력 또한 안정적으로(8∼9 kgf/cm2) 유지되었으며, 스팀 유량 역시 평균 35 g/min의 유속으로 주입되었음을 확인하였다.
본 논문에서의 실험결과를 통해서 오일샌드로부터 경제적이면서도 높은 비투맨의 회수율을 얻기 위하여 스팀과 함께 사용된 첨가제들은 대부분 회수율과 cSOR 값에 긍정적인 효과를 보인다고 보고되어 있지만 같은 물질의 첨가제라도 주입하는 방식 또는 스팀과 함께 주입되었을 때의 거동 특성에 따라 부정적인 효과 또한 발생할 수 있음을 확인하였다.
Figure 7에서 확인할 수 있듯이 cCO₂-SAGD의 경우 초기에는 스팀과 CO₂의 영향으로 Control 실험보다 빠르게 성장 하지만 스팀 챔버가 성장한 형태를 살펴보면 다른 실험들의 스팀 챔버와는 다르게 불균형한 형태로 성장되었음을 확인할 수 있다. 스팀주입시간이 길어질수록 스팀 챔버의 불균형 성장은 뚜렷해졌다. 다른 실험들의 스팀 챔버 성장 과정과 차이점을 보이는 또 다른 현상은 Figure 6에 (e)의 스팀 챔버 성장 중 온도가 가장 높은 중앙부분에서 같은 온도범위의 구역이 연결되지 않고 끊어진 것을 확인할 수 있다.
이는 실험 시작단계에서 상온의 실험장비에 스팀이 흐르면서 발생하는 일시적인 현상으로서, 안정적으로 유지되는 압력(8∼9 kgf/cm² )보다 순간적으로 약 2 kgf/cm² 가량 높아지면서 PC의 압력이 순간적으로 높아지는 압력을 따라가지 못해서 일어나는 현상이다. 안정화 이후에 스팀유량은 평균 35 g/min 수준으로 유지됨을 확인하였다.
또한 스팀이 주입되는 시간에 따라 성장하는 스팀 챔버의 형태를 살펴보면 다른 실험들과는 다르게 주입정의 위쪽으로 스팀이 퍼져나가게 되고 시간이 지날수록 역삼각형 모양의 스팀 챔버가 성장하는 것을 확인할 수 있다. 역삼각형 모양의 스팀 챔버는 끝부분에서도 스팀과 CO₂의 영향으로 인해 점도가 낮아진 비투맨이 생산정을 향하는 과정이 반복되면서 비투맨의 점도를 낮추는데 가장 효율적인 스팀 챔버의 형태로 성장하였다.
0)을 얻었다. 이와는 반대로 CO₂를 연속으로 주입하는 cCO₂-SAGD의 경우 스팀 챔버는 스팀만을 주입하는 Control 실험에 비해 약 2배 크게 성장하였으나 필요 이상의 CO₂가 주입되면서 모사된 오일샌드 내의 지층 또는 주입정과 생산정 사이에 가스 포화도에 의한 채널링이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 영향으로 인해 스팀 챔버는 스팀과 CO₂의 주입시간이 늘어날수록 불균형하게 성장하였으며 회수율과 cSOR 값은 각각 57.
Figure 2의 (c)에서는 실험이 진행되는 동안 GM을 압력으로부터 보호해주는 PV의 압력변화를 나타낸다. 전체적으로 GM보다 높게 유지되어 압력으로부터 GM을 보호하고 있음을 확인할 수 있다. (d)는 스팀유량의 변화를 나타낸 것이다.

후속연구

따라서 CO₂이외에도 SAGD 공정에서 스팀과 함께 사용할 수 있는 첨가제들에 대한 주입 방식 최적화와 다양한 활용방안이 지속적으로 연구되고 실제 현장에 적용된다면 단점으로 지적되고 있는 환경문제 해결뿐만이 아닌 비투맨의 회수율 또한 증가시킬 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAGD공정은 무엇인가?	오일샌드에서 비투맨(bitumen)을 회수하는 지하회수방식 중 가장 많이 사용하는 기술인 SAGD (steam assisted gravity drainage)공정으로부터 비투맨의 회수율을 향상시키고자 스팀과 함께 주입한 첨가제의 효과와 매커니즘에 대해서 연구하였다. 실제 광구에서 쓰이는 SAGD공정을 150 : 1로 축소한 실험실 규모의 모사장비가 사용되었으며, 지하 박층을 모사할 수 있는 장치(이하 GM, geological model)가 사용되었다.
	세계 각국이 대체에너지와 비재래 석유에 대한 연구를 활발히 하는 이유는?	현재 세계 각국은 에너지 자원의 점차적인 고갈에 따른 자원문제의 위험에 직면해 있으며, 에너지 자원 중 화석에너지 석유에 대한 의존도는 계속 늘어가고 있다. 따라서 지속되는 유가 상승과 매장량의 한계로 인해 세계 각국은 대체에너지와 비재래 석유에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	비재래 석유는 무엇이며 종류는?	따라서 지속되는 유가 상승과 매장량의 한계로 인해 세계 각국은 대체에너지와 비재래 석유에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 비재래 석유란 기존의 석유와 유사한 탄화수소의 형태를 하고 있는 에너지원으로 오일샌드(oil sand), 가스하이드레이트(gas hydrate), 석탄층메탄(coal bed methane), 오일셰일(oil shale), 치밀가스(tight gas) 등이 있다[1-2].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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