가스하이드레이트가 육상 동토지역과 심해저 퇴적층에 막대한 규모로 부존되어 있음이 밝혀지면서 가스하이드레이트 연구개발 선도국가에서 수행한 최근의 가스하이드레이트 육상 및 해상 생산 시험 결과는 가스하이드레이트가 미래의 에너지 자원으로서 사용 가능성을 높이고 있음을 보여주고 있다. 캐나다 말릭 2002 프로젝트에서는 열수 순환법을 이용하여 5일간 약 $480m^3$의 가스를 생산하였고, 말릭 2006-2008 프로젝트에서는 감압법에 의해 6일간 안정적 연속 생산으로 $13,000m^3$의 누적 생산량을 보임으로서 감압법이 가스하이드레이트부터 가스를 생산하는 유효한 방법임이 입증되었다. 2012년도의 미국 알라스카 현장 시험은 $CO_2-CH_4$ 치환 (맞교환법)을 이용하여 $CO_2+N_2$혼합가스를 주입하고 메탄을 생산하는 최초의 시험으로서 약 $6,000m^3$의 혼합가스를 주입하여 일일 생산 최대 $1,270m^3$의 가스를 생산하였다. 최근의 가장 주목할 만한 성과로는 일본이 난카이 해구에서 2013년 3월 감압법을 이용한 세계 최초의 해상 생산 시험을 실시하고, 6일 동안 누적량 $120,000m^3$의 가스를 생산한 것이라 할 수 있다. 일본이 생산 시험을 위해 수행하였던 연구개발 결과와 기술적 이슈들은 2015년도에 생산 시험을 준비하고 있는 우리에게도 많은 시사점을 주는데, 특히 감압 시나리오에 따른 생산 공정 설계, 모래 유입 등 시험정 완결 기법, 생산시 지반 안정성 등 생산 시험 공정 기술 개발의 모든 공정 요소에 대한 면밀한 검토가 요구된다.
가스하이드레이트가 육상 동토지역과 심해저 퇴적층에 막대한 규모로 부존되어 있음이 밝혀지면서 가스하이드레이트 연구개발 선도국가에서 수행한 최근의 가스하이드레이트 육상 및 해상 생산 시험 결과는 가스하이드레이트가 미래의 에너지 자원으로서 사용 가능성을 높이고 있음을 보여주고 있다. 캐나다 말릭 2002 프로젝트에서는 열수 순환법을 이용하여 5일간 약 $480m^3$의 가스를 생산하였고, 말릭 2006-2008 프로젝트에서는 감압법에 의해 6일간 안정적 연속 생산으로 $13,000m^3$의 누적 생산량을 보임으로서 감압법이 가스하이드레이트부터 가스를 생산하는 유효한 방법임이 입증되었다. 2012년도의 미국 알라스카 현장 시험은 $CO_2-CH_4$ 치환 (맞교환법)을 이용하여 $CO_2+N_2$ 혼합가스를 주입하고 메탄을 생산하는 최초의 시험으로서 약 $6,000m^3$의 혼합가스를 주입하여 일일 생산 최대 $1,270m^3$의 가스를 생산하였다. 최근의 가장 주목할 만한 성과로는 일본이 난카이 해구에서 2013년 3월 감압법을 이용한 세계 최초의 해상 생산 시험을 실시하고, 6일 동안 누적량 $120,000m^3$의 가스를 생산한 것이라 할 수 있다. 일본이 생산 시험을 위해 수행하였던 연구개발 결과와 기술적 이슈들은 2015년도에 생산 시험을 준비하고 있는 우리에게도 많은 시사점을 주는데, 특히 감압 시나리오에 따른 생산 공정 설계, 모래 유입 등 시험정 완결 기법, 생산시 지반 안정성 등 생산 시험 공정 기술 개발의 모든 공정 요소에 대한 면밀한 검토가 요구된다.
Recent scaled-up onshore and offshore field production tests revealed that the expectancy to produce gas from the gas hydrate deposits is gradually increasing, recognizing its potentials as one of the future energy resources. The total produced gas was approximately $480m^3$ by the hot wa...
Recent scaled-up onshore and offshore field production tests revealed that the expectancy to produce gas from the gas hydrate deposits is gradually increasing, recognizing its potentials as one of the future energy resources. The total produced gas was approximately $480m^3$ by the hot water circulation method for 6 days' operation in Mallik 2002 project in Canada. In Mallik 2006-2008 project, the gas was successfully produced stably by the depressurization method for 6 days, up to $13,000m^3$ cumulatively. The depressurization method applied in the Mallik test was revealed as an effective way to produce gas from gas hydrates. The Alaska North Slope field trial in 2012 to inject mixed gas of $CO_2$ and $N_2$ to exchange $CH_4$ was successfully completed for the first time to produce maximum $1,270m^3$ per day. The remarkable achievement is that Japan has completed first offshore production test in the Eastern Nankai Trough, and produced approximately $120,000m^3$ of methane by the depressurization method for 6 days in March 2013. The technical challenges and uncertainties obtained from Nankai Trough production test give Korea more considerations in the aspects of well completion, reservoir formation and seafloor stability, sand control, flow assurance, and etc., due to the different geological environments and geomechnical properties in Ulleung Basin in Korea.
Recent scaled-up onshore and offshore field production tests revealed that the expectancy to produce gas from the gas hydrate deposits is gradually increasing, recognizing its potentials as one of the future energy resources. The total produced gas was approximately $480m^3$ by the hot water circulation method for 6 days' operation in Mallik 2002 project in Canada. In Mallik 2006-2008 project, the gas was successfully produced stably by the depressurization method for 6 days, up to $13,000m^3$ cumulatively. The depressurization method applied in the Mallik test was revealed as an effective way to produce gas from gas hydrates. The Alaska North Slope field trial in 2012 to inject mixed gas of $CO_2$ and $N_2$ to exchange $CH_4$ was successfully completed for the first time to produce maximum $1,270m^3$ per day. The remarkable achievement is that Japan has completed first offshore production test in the Eastern Nankai Trough, and produced approximately $120,000m^3$ of methane by the depressurization method for 6 days in March 2013. The technical challenges and uncertainties obtained from Nankai Trough production test give Korea more considerations in the aspects of well completion, reservoir formation and seafloor stability, sand control, flow assurance, and etc., due to the different geological environments and geomechnical properties in Ulleung Basin in Korea.
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문제 정의
현장시험의 구체적인 목적으로는 실험실 연구에서 얻은 CO2-CH4 치환 기작을 검증하고 현장 규모의 큰 스케일에서 천연의 메탄하이드레이트에 주입 가능한지를 확인하는 것이다. 물이나 모래의 유입없이 하이드레이트의 결정 구조 격자내에 CO2를 고정시키고 CH4의 해리를 확인하는 것이다. 또한 저류층 모델링 결과를 보정할 자료 획득과 감압법에 의해 안정적으로 가스를 생산할 수있는 지를 확인하는 것이 주요 목적이었다 (Schoderbek, 2011; US DOE, 2012; Schoderbek et al.
, 2013), 2013년 3월 세계 최초로 해상 생산시험을 실시하였다. 생산 시험의 주요 목적은 캐나다 말릭에서의 감압법을 이용한 육상 생산시험 결과를 바탕으로 실제 해양 환경에서 가스하이드레이트의 해리 거동과 지층의 변화를 정확히 이해하고, 향후 심해 가스하이드레이트를 생산할 수 있는 방법으로서의 감압법이 적용 가능한지를 밝히는 것이다 (Yamamoto et al., 2012b). MH21 콘소시엄은 생산 시험의 주요 결과를 2014년에 개최된 자국내 학술행사인 ‘메탄 하이드레이트 포럼’을 통해 일부 소개하였다 (MH21 Consortium, 2014).
시추 장소는 MC공에서 약 40 m 떨어진 곳으로서 생산시험공의 저류층 조건과 유사한 지역을 선택하였다. 압력 코아 획득의 목적은 코아 분석 결과와 지구물리 검층 자료를 종합한 시험장소의 사질 저류층 모델을 정립하고 저류층 시뮬레이터 (MH21-HYDRES 및 COTHMA)을 이용하여 저류층의 해리 거동과 변형 정도를 예측하는 동시에 다양한 조건하에서 가스 생산성, 해리의 범위, 가스하이드레이트 포화도 및 투수율 측정, 시추공 안정성을 분석함으로 생산 시험의 조건을 제시하고자 하는 것이었다(Yamamoto et al., 2012c). 이러한 사전 준비 작업 끝에 2013년 1월 말부터 3월 말까지 본격적인 생산 시험을 실시하였다 (Yamamoto et al.
육상 및 해상 생산 시험에 대한 극히 개략적인 내용은 Kim (2013)에 의해 일부 소개된 바 있으나 본 논문에서는 육상과 해상에서 수행된 가스하이드레이트 생산 시험의 내용과 의의를 분석하고 향후 추진 방향을 예측함으로써 우리나라가 계획 중인 동해 울릉분지의 생산시험에 미치는 시사점을 얻고자 한다.
치환 현장 시험 프로그램이다. 이 프로젝트는 미국의 에너지부(DOE)의 지원하에 석유가스 분야 세계적 메이저기업인 ConocoPhillips社가 주도하고 일본의 JOGMEC이 참여하여 Ignik Sikumi Gas Hydrate Exchange Trial Project Team을 구성한 3자간 국제 공동 프로그램이다 (프로젝트 명칭: ConocoPhillips Gas Hydrate Production Test).
이 생산 시험정의 명칭은 Ignik Skumi #1 (Ignik Sikumi는 이누아트 말로 ‘얼음안의 불’이라는 뜻)로서 가스하이드레이트 결정구조 안에 있는 메탄을 이산화탄소로 치환하는 방식을 이용하였다. 현장시험의 구체적인 목적으로는 실험실 연구에서 얻은 CO2-CH4 치환 기작을 검증하고 현장 규모의 큰 스케일에서 천연의 메탄하이드레이트에 주입 가능한지를 확인하는 것이다. 물이나 모래의 유입없이 하이드레이트의 결정 구조 격자내에 CO2를 고정시키고 CH4의 해리를 확인하는 것이다.
제안 방법
1차 생산시험의 자료 분석 결과 유체 투과도가 비교적 높고 유체 이동이 상대적으로 우세한 사암층내 가스하이드레이트층에서는 감압법이 효과적인 것으로 판명됨에 따라 2차 생산 시험에서는 MDT를 이용한 단순 감압법을 이용하기로 결정하였다. 시추시 발생하는 시추 부산물 또는 폐기물을 최대한 줄이기 위해 2002년도에 시추하였던 Mallik 2L-38 공을 1,310 m까지 재굴착하여 가스하이드레이트 부존 구간인 890m~1,100m에서 5번의 물리검층을 실시하고 5개의 지구물리 계측센서를 설치하였다.
3월 12일부터 18일까지의 해양산출 시험을 위해 ESP 펌프를 가동하고 13.5MPa의 저류층 압력에서 5MPa까지의 공저압 압력으로 약 60%의 감압을 실시하였다. 시험 첫 날인 3월 12일 시추선 후미에 설치된 버너에서 최초로 가스가 발화되어 3월 18일까지 가스와 물을 생산하고 종료되었다.
생산 시험의 안정성을 위해 하이드레이트 부존 구간 직상부까지 추가 시추를 한 후에는 공 보호를 위해 케이싱과 시멘팅 작업을 실시하였다. 그 후 하이드레이트 부존 구간까지 시추를 완료하고 모래 유입을 방지하기 위한 그래블 팩 (gravel pack)을 설치하였고, 3월 3일부터 3월 12일까지는 생산시험에 필요한 공저장비 (ESP 펌프, 패커, 쵸크 라인, 가스 유동 장치, 히터, 비상장치, 연소 파이프 등)를 시험공 내 투입하고 모니터링 케이블을 시추선에 연결함으로써 최종 준비를 완료하였다 (Fig. 10).
(2011b)이 보수적으로 예측한 20,000 m3/day 결과와는 잘 상충함을 보여준다. 당초에는 2주 동안 생산 시험을 계획하였으나, 공저에 샌드 스크린을 설치하였음에도 불구하고 모래가 유입되는 것이 확인되고 감압 통제 및 시험정 유지에 실패함에 따라 6일 만에 생산 시험을 종료 하였다. 생산 시험 이후 8월에는 모니터링공 (MC)에 대한 추가 물리 검층을 실시하였고, 당초 계획에는 없었으나 가스하이드레이트의 해리 범위와 모래 생산에 대한 연구를 수행하고자 생산 시험공 옆에 2공을 추가 시추 (AT1-LWD1/2)와 물리검층 (LWD 및 WL)을 실시하였다.
당초에는 2주 동안 생산 시험을 계획하였으나, 공저에 샌드 스크린을 설치하였음에도 불구하고 모래가 유입되는 것이 확인되고 감압 통제 및 시험정 유지에 실패함에 따라 6일 만에 생산 시험을 종료 하였다. 생산 시험 이후 8월에는 모니터링공 (MC)에 대한 추가 물리 검층을 실시하였고, 당초 계획에는 없었으나 가스하이드레이트의 해리 범위와 모래 생산에 대한 연구를 수행하고자 생산 시험공 옆에 2공을 추가 시추 (AT1-LWD1/2)와 물리검층 (LWD 및 WL)을 실시하였다. 이후 생산 시험공, 모니터링 공을 비롯한 모든 공은 폐공함으로서 전체 생산 시험을 종료하였다.
말릭 사이트에서의 제 1회 육상 생산 시험은 생산 시험공 Mallik 5L-38 이외에도 공간 음향 토모그래피와 지층 온도 측정을 위한 관측공 (Mallik 3L-38 및 4L-38)을 굴착하였다. 생산 시험공을 이용하여 최초 36시간동안 온열수를 연속적으로 공내에 순환시켜 공저 온도를 8℃에서 서서히 증가하여 약 52℃에서 안정화 시킨 후 하이드레이트 부존영역 상한에 가까운 약 900 m의 심도에서 124시간 동안 468 m3 (표준상태)의 가스를 생산하는데 성공하였고 공저의 실시간 온도・압력 자료 획득과 가스 샘플을 채취하였다 (Hancock et al., 2005a). 이는 세계 최초로 천연 가스하이드레이트층에서 가스 생산을 실험적으로 시도한 사례였으나 생산율은 최대 350 m3/day, 평균 90 m3/day 정도로 큰 값은 아니었다.
2013년 1월 15일부터 3월 3일까지의 본격 생산 시험 예비 단계에서는 모니터링공의 물리 검층을 다시 실시하고 생산 시험공을 다시 개봉하여 폭발방지장치 (BOP; Blow Out Preventer)와 모니터링 케이블을 설치하였다. 생산 시험의 안정성을 위해 하이드레이트 부존 구간 직상부까지 추가 시추를 한 후에는 공 보호를 위해 케이싱과 시멘팅 작업을 실시하였다. 그 후 하이드레이트 부존 구간까지 시추를 완료하고 모래 유입을 방지하기 위한 그래블 팩 (gravel pack)을 설치하였고, 3월 3일부터 3월 12일까지는 생산시험에 필요한 공저장비 (ESP 펌프, 패커, 쵸크 라인, 가스 유동 장치, 히터, 비상장치, 연소 파이프 등)를 시험공 내 투입하고 모니터링 케이블을 시추선에 연결함으로써 최종 준비를 완료하였다 (Fig.
1차 생산시험의 자료 분석 결과 유체 투과도가 비교적 높고 유체 이동이 상대적으로 우세한 사암층내 가스하이드레이트층에서는 감압법이 효과적인 것으로 판명됨에 따라 2차 생산 시험에서는 MDT를 이용한 단순 감압법을 이용하기로 결정하였다. 시추시 발생하는 시추 부산물 또는 폐기물을 최대한 줄이기 위해 2002년도에 시추하였던 Mallik 2L-38 공을 1,310 m까지 재굴착하여 가스하이드레이트 부존 구간인 890m~1,100m에서 5번의 물리검층을 실시하고 5개의 지구물리 계측센서를 설치하였다. Mallik 2L-38 공에서도 1,188 m~1,275 m까지 재굴착하고 검층 작업을 실시하였다.
, 2005b). 이 결과를 바탕으로 생산 감압실험과 검층 및 코어 분석 자료를 사용한 수치 시뮬레이션을 실시하여 (Kurihara et al., 2005; Moridis et al., 2005), Mallik 하이드레이트 저류층에 감압법 적용 시의 생산거동 예측을 시도할 수 있게 되었다.
이 생산 시험정의 명칭은 Ignik Skumi #1 (Ignik Sikumi는 이누아트 말로 ‘얼음안의 불’이라는 뜻)로서 가스하이드레이트 결정구조 안에 있는 메탄을 이산화탄소로 치환하는 방식을 이용하였다.
, 2012c). 이러한 사전 준비 작업 끝에 2013년 1월 말부터 3월 말까지 본격적인 생산 시험을 실시하였다 (Yamamoto et al., 2012a; Kubo et al., 2013, Terao et al., 2013). 2012년 사전 준비부터 2013년 생산시험까지의 작업 추진 내용과 일정은 Table 1에 요약하였다.
Winter 2007 Operation이라 불리우는 단기 감압시험은 혹독한 추위에 동반한 여러 가지 장애로 인해 다소 지연되어 2007년 4월에 시작하였으며, 검층결과를 토대로 가스하이드레이트 부존구간 하부의 12 m 구간을 시험 대상으로 하였다 (Yamamoto and Dallimore, 2008). 특히 전기수중펌프 (ESP; electrical submersible pump)를 설치하여 물을 뽑아 올림으로써 지하수위를 낮춰 감압을 유도하였다. 실제 감압 시험 초기에 11 MPa에서 6.
대상 데이터
2011년 8월에는 생산 시험 후보지 두 군데 (α-농집대와 β-농집대) 중 β-농집대를 최종 시험 장소 (수심 약 1,000 m)로 결정하였으며, 생산시험 구간은 저탁류 (turbidite) 퇴적층의 사질 충진형(sand pore filling type) 가스하이드레이트 저류층으로서 해저면 277m부터 338m (수심 1,272m~1,333 m) 까지의 약 60 m 구간의 가스하이드레이트 농집대 중 최적의 해리 유동이 예상되는 상부 약 40 m을 최종 시험 구간으로 선정하였다 (Fujii et al., 2013).
, 2005). 2회에 걸쳐 말릭 프로젝트가 수행된 곳은 멕켄지 델타의 북동쪽 보포트해 연안에 위치하며 동절기 동안 얼음 도로를 개설하고 시험 장소에는 얼음 패드를 설치하였다 (Fig. 1). 2002년에 수행된 현장 시험과 2006-2008년도에 수행된 현장 시험으로 구분되는데 각 프로젝트 별로 자세한 내용은 아래와 같다.
Winter 2007 Operation이라 불리우는 단기 감압시험은 혹독한 추위에 동반한 여러 가지 장애로 인해 다소 지연되어 2007년 4월에 시작하였으며, 검층결과를 토대로 가스하이드레이트 부존구간 하부의 12 m 구간을 시험 대상으로 하였다 (Yamamoto and Dallimore, 2008). 특히 전기수중펌프 (ESP; electrical submersible pump)를 설치하여 물을 뽑아 올림으로써 지하수위를 낮춰 감압을 유도하였다.
(2011)은 최적의 혼합 가스 비율에 대한 기술특허를 미국 및 일본, 국내에 확보하고 있으며 세계적으로도 선도 연구그룹에 속한다. 금번 시험에서 코노코필립스는 특허 침해 소송을 피하기 위해 Lee et al. (2011)의 배합 비율과는 약간 다른 22.5% CO2와 77.5% N2의 비율로 혼합가스를 사용하였다 (Schoderbek et al., 2013). 이 현장 시험의 한 부분으로 치환 시험 후에는 30일 동안 감압법에 의한 생산 시험도 수행되었다 (감압법을 이용한 최장 시험 생산 기간은 말릭 2006-2008 프로젝트 육상시험에서 수행된 6일이었다).
하이드레이트층 하한은 대수층에 접하고 하이드레이트 안정영역 내에도 대수층이 존재하고 있다. 생산 시험 대상층의 선택은 각층의 생산성과 함께 이들 대수층과의 지층간 격리도 고려하여 가장 지층 온도가 높고 온도압력 조건이 평형곡선에 가깝고 하이드레이트 안정영역 하한에 가까운 두께 약 30 m의 하이드레이트 함유층을 대상으로 하였다.
생산 시험 장소는 2001년부터 2008년까지의 탐사와 시추 결과를 바탕으로 선정된 동부 난카이 해구의 아추미-시마 (Atsumi-Shima) 반도 연안의 다이니 아추미 (Daini Atsumi Knoll, Atsumi No.2)의 가스하이드레이트 농집대로 확정하고 (Yamamoto et al., 2012a; Fujii et al., 2013), 2013년 3월 세계 최초로 해상 생산시험을 실시하였다. 생산 시험의 주요 목적은 캐나다 말릭에서의 감압법을 이용한 육상 생산시험 결과를 바탕으로 실제 해양 환경에서 가스하이드레이트의 해리 거동과 지층의 변화를 정확히 이해하고, 향후 심해 가스하이드레이트를 생산할 수 있는 방법으로서의 감압법이 적용 가능한지를 밝히는 것이다 (Yamamoto et al.
, 2011). 생산시험이 끝난 후 연구대상으로는 저류층 특성과 히스토리 매칭, 저류층 모니터링 자료에 대한 해석 (MC공의 지구물리 검층, MC와 MT1공에서 관측된 온도 분포, 4성분 탄성파 탐사 등), 그리고 가스하이드레이트 석유 시스템 (gas hydrate petroleum system) 연구 등을 포함하고 있다. 또한 MH21-HYDRES와 COTHMA의 시뮬레이션 개선 및 저류층 모델 정확도를 향상하여 다음 번 생산시험을 준비하는 내용도 포함하고 있다.
, 2013). 시추 장소는 MC공에서 약 40 m 떨어진 곳으로서 생산시험공의 저류층 조건과 유사한 지역을 선택하였다. 압력 코아 획득의 목적은 코아 분석 결과와 지구물리 검층 자료를 종합한 시험장소의 사질 저류층 모델을 정립하고 저류층 시뮬레이터 (MH21-HYDRES 및 COTHMA)을 이용하여 저류층의 해리 거동과 변형 정도를 예측하는 동시에 다양한 조건하에서 가스 생산성, 해리의 범위, 가스하이드레이트 포화도 및 투수율 측정, 시추공 안정성을 분석함으로 생산 시험의 조건을 제시하고자 하는 것이었다(Yamamoto et al.
알라스카에서의 육상 생산 시험 연구는 당초 DOE가 BPXA (BP Exploration Alaska)와 공동으로 감압법을 이용하여 생산 시험을 수행할 계획이었지만 환경영향 평가 등의 이유로 현재까지도 연기된 상태에 있으며, 미국 에너지부는 BP 프로젝트 대신 코노코필립스 (ConocoPhilips)가 주도하는 CO2-CH4 치환 기법과 감압법을 이용한 생산 시험을 DOE 및 일본의 JOGMEC과 공동으로 2012년 3월에 수행하는 것으로 계획을 변경하였다. 시험 장소는 ANS 가스하이드레이트 부존 지역 중 동부에 위치한 Prudhoe Bay 지역이다 (Fig. 5).
5MPa의 저류층 압력에서 5MPa까지의 공저압 압력으로 약 60%의 감압을 실시하였다. 시험 첫 날인 3월 12일 시추선 후미에 설치된 버너에서 최초로 가스가 발화되어 3월 18일까지 가스와 물을 생산하고 종료되었다. 생산된 가스량은 하루 평균 약 20,000m3 (700,000 scf/day)로서 누적 생산량은 120,000m3 (4.
특히 감압 시나리오에 따른 해저면과 저류층 침하 예측 및 안정성 평가, 최적 감압 조건 산정 및 안정적 해리 유동, 모래 유입 최소화 대책 및 그래블 팩 설치, 하이드레이트 재생성 억제, 생산수 처리, 모니터링공의 배치 등 공정 설계상 예측 가능한 모든 요인에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 우리나라도 생산 시험 후보 지역 2개소를 우선 선정하고 사질 가스하이드레이트 저류층의 규모, 분포 범위, 지질 모델 분석, 물성 등을 종합 평가하여 2013년 최종 시험 지역을 선정하였다. 그러나 우리나라 울릉분지의 생산 시험 지역과 일본 난카이해구 생산 시험 지역은 가스하이드레이트를 함유하고 있는 저류층의 지질학적 특성과 해양환경이 서로 상이하다.
그러나 우리나라 울릉분지의 생산 시험 지역과 일본 난카이해구 생산 시험 지역은 가스하이드레이트를 함유하고 있는 저류층의 지질학적 특성과 해양환경이 서로 상이하다. 울릉분지 생산 시험 장소는 수심이 약 2,150 m, 가스하이드레이트 함유 저류층의 해저면 심도는 해저면 이하 약 110 m~155 m (약 45 m)이며, 이중 사질층 함유 생산 시험 대상 구간은 가스하이드레이트 부존 구간 하부로서 해저면 이하 140 m~153 m(약 13 m 구간이며, 수심으로는 약 2,300 m에 해당됨으로 약 23.5MPa의 압력을 보여 줌)이다. 이와 같은 조건은 난카이 해구 생산 시험 장소에 비해 여러 가지면에서 불리한 생산 시험 환경이 되고 있다.
육상 최초의 말릭 2002 프로젝트 생산 시험 이후에 일본의 석유천연가스・금속광물자원기구(JOGMEC; Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)와 캐나다의 천연자원부 (NRCan; Natural Resources Canada) 양 기관은 동일 지역에서 장기간의 2차 현장 생산 시험 시험을 목적으로 말릭 2006-2008 공동연구 프로그램 (JOGMEC/NRCan/Aurora Mallik 2007-2008 Gas Hydrate Production Research Well Program으로 명명)을 3년간 수행하기로 2006년에 합의하였다. 캐나다 북서 주정부의 오로라대학과 연구소가 오퍼레이터로 참여하는 가운데 2007년 1월부터 현장 도로 건설과 시추장비 이송 등 준비 작업을 완료하고 2008년 생산 시험에 착수하였다.
성능/효과
2007년의 1차 시험 결과의 문제점을 보완하고 착수한 Winter 2008 Operation은 예산・환경상의 제약과 시험장소의 완벽한 환경 복원 등의 이유로 작업 기간을 6일간으로 한정하였다. 2008년 3월 10일부터 6일 동안 (139시간) 펌핑 시스템은 중단없이 연속적으로 작동되었고 공저 압력은 안정적으로 유지되었다. 이 결과 하루에 2,000~4,000 m3 (70.
이는 세계 최초로 천연 가스하이드레이트층에서 가스 생산을 실험적으로 시도한 사례였으나 생산율은 최대 350 m3/day, 평균 90 m3/day 정도로 큰 값은 아니었다. 가스 생산 최초 25시간 동안은 75 m3, 25~55시간 동안에는 255m3, 55~124시간에는 138m3의 생산량을 기록하였으나 (Fig. 2) 최고의 생산율을 보인 후에는 적색 곡선에서 보는 바와 같이 생산성이 급격히 감퇴하여 안정적인 생산 유지에 문제가 됨을 보여주었다. 한편 시험공내에는 가스 생산 계측기, DTS (fiber-optic Distributed Temperature Sensor) 및 가스 샘플 채취기 설치, 온열수 순환을 위한 화학적 추적자, GC (Gas Chromatograph)에 의한 연속적 가스 분석도 성공적으로 완수되었다.
마지막 7시간 동안에는 안정적으로 1,850 m3/day의 가스가 생산되었으며, 지층수는 10∼15 m3/day 가 생산되었다.
의 누적 가스생산을 기록하였다. 이 결과는 당초 계획된 2주간의 생산 시험을 정상적으로 마치지 못하고 6일 만에 종료되었지만 감압법에 의해 심해저에 부존하는 가스하이드레이트를 생산할 수 있는 가능성을 보여 준 것으로 평가할 수 있다. 앞에서 서술한 바와 같이 이러한 생산 시험의 목적이 지금 단계에서는 상업적 생산을 목적으로 하는 것이 아니라 상업 생산에 필요한 기술을 확립하는 것이 목표이니 만큼 일본은 금번 생산 시험에서 획득한 자료 분석과 생산시험 기간 및 생산량 목표 설정 등 향후의 연구 진행에 따라 생산 기술을 재정비하게 되면 장기간 안정적 생산 시험이 가능한 2차 생산 시험을 추진할 것으로 전망되기도 한다.
후속연구
, 2011a). 결국 일본과 캐나다는 말릭 2008 프로젝트를 통해서 육상에서의 현장 적용 가능한 생산 기법을 어느 정도 완성한 것으로 판단되며 육상에서의 안정적 장기 생산시험과 향후 해양에서의 현장 적용을 위해 추가적인 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 이는 장기 안정적 생산 시험과 생산성 향상의 목표를 달성하기 위해서는 기술적 과제를 추출하고 문제 해결을 위한 실증 연구가 더 필요하다는 것을 의미하고 있는 것이다.
제1회 해상 생산 시험은 상업 생산 단계가 아닌 기술개발 단계에서 수행된 단기간의 실험적 작업이지만, 이 시험으로 감압법에 의한 가스하이드레이트 저류층의 해리 거동과 주변 환경에 미치는 영향 파악 등 미래의 메탄 하이드레이트의 실용화를 위한 소중한 데이터를 얻을 수 있기 때문에 가스하이드레이트 자원 개발 연구에 큰 진전이 될 것으로 기대된다. 그러나 사질 생산 문제 등 안정적인 장기 감압시험과 해리 거동의 현장 실증이 증명되지 않은 것으로 보여 육상 생산시험에서 그 해결 방안을 찾고자 할 것으로 판단된다. 즉 밀릭 프로젝트 또는 알라스카 프로젝의 지속적 참여를 통해 환경에서 증명되지 않은 하이드레이트의 해리 거동에 관한 자료를 육상에서 추가로 확보하고자 하는 것도 이런 이유에서이다.
다른 관점에서 보면 일본 난카이 해구의 평균 수심 1,000 m에 비해 2,100 m 이상의 수심, 저류층의 얕은 심도 등 훨씬 극한 환경에서 수행하게 될 울릉분지 생산 시험은 어느 나라도 수행하지 못하고 있는 가스하이드레이트 연구개발 면에서 새로운 도전이 될 것은 확실하다. 따라서, 2015년 생산 시험에서 취득할 수 있는 자료는 가능한 한 최대로 확보하여 생산 시험 결과 분석 해석시 이를 피드백하여 향후 현장 적용 가능한 기술로 발전시킬 수 있기를 기대한다.
이 결과는 당초 계획된 2주간의 생산 시험을 정상적으로 마치지 못하고 6일 만에 종료되었지만 감압법에 의해 심해저에 부존하는 가스하이드레이트를 생산할 수 있는 가능성을 보여 준 것으로 평가할 수 있다. 앞에서 서술한 바와 같이 이러한 생산 시험의 목적이 지금 단계에서는 상업적 생산을 목적으로 하는 것이 아니라 상업 생산에 필요한 기술을 확립하는 것이 목표이니 만큼 일본은 금번 생산 시험에서 획득한 자료 분석과 생산시험 기간 및 생산량 목표 설정 등 향후의 연구 진행에 따라 생산 기술을 재정비하게 되면 장기간 안정적 생산 시험이 가능한 2차 생산 시험을 추진할 것으로 전망되기도 한다. 또한 METI (2013)가 발표한 일본의 ‘신 해양에너지・광물자원개발계획’은 난카이 해구와 같은 사질충진형 가스하이드 레이트 연구 개발과 병행하여 3개년 계획으로 표층형 가스하이드레이트에 관하여도 광역 및 상세 지질조사와 자원량 평가 탐사를 집중적으로 실시하는 것을 포함하고 있다.
8에서 보는 바와 같이 4단계 (Jet pump operation #3)에서 가스와 물이 안정적으로 생산됨을 알 수 있다. 이후 시험정은 시멘트로 폐공 처리하였고 시험 현장에 대한 모니터링은 지속적으로 계속할 계획으로 있다. 그러나 금번 시험의 주체가 코노코필립스 민간 기업이기 때문에 연구 결과는 아직까지 매우 제한적으로만 발표되고 있다.
제1회 해상 생산 시험은 상업 생산 단계가 아닌 기술개발 단계에서 수행된 단기간의 실험적 작업이지만, 이 시험으로 감압법에 의한 가스하이드레이트 저류층의 해리 거동과 주변 환경에 미치는 영향 파악 등 미래의 메탄 하이드레이트의 실용화를 위한 소중한 데이터를 얻을 수 있기 때문에 가스하이드레이트 자원 개발 연구에 큰 진전이 될 것으로 기대된다. 그러나 사질 생산 문제 등 안정적인 장기 감압시험과 해리 거동의 현장 실증이 증명되지 않은 것으로 보여 육상 생산시험에서 그 해결 방안을 찾고자 할 것으로 판단된다.
, 2011). 향후 개발 시에 환경 위험 요인이 될 수 요인으로는 해저면에서의 메탄가스 누설, 생산수의 해양 방출, 지반 침하, 해저사태 등을 예측하기 위하여 베이스라인 조사, 수치 모델 개발, 해양 생물에 대한 유해성 시험, 환경 모니터링 시스템을 구축하여 생산 시험 기간 중 그리고 생산 시험이 끝난 후에도 지속적인 관측을 하는 것으로 계획하였다 (MH21 Consirtium, 2010; Arata et al., 2011; Nagakubo et al., 2011). 생산시험이 끝난 후 연구대상으로는 저류층 특성과 히스토리 매칭, 저류층 모니터링 자료에 대한 해석 (MC공의 지구물리 검층, MC와 MT1공에서 관측된 온도 분포, 4성분 탄성파 탐사 등), 그리고 가스하이드레이트 석유 시스템 (gas hydrate petroleum system) 연구 등을 포함하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2-CH4 치환 방법이란?
CO2-CH4 치환 방법은 가스하이드레이트의 물 분자격자 내에 있는 메탄을 이산화탄소로 치환하는 방법으로서 노르웨이의 베르겐 대학과 한국과학기술원이 선도적인 연구 결과를 창출하고 있다 (Graue et al., 2006; Kvamme et al.
말릭 프로젝트를 일본과 캐나다가 공동으로 캐나다 맥켄지 델타 동토지역에서 수행한 육상에서의 최초 현장 생산 시험이라 할 수 있는 이유는?
캐나다 북서부 멕켄지델타 (Mackenzie Delta) 북부의 보포트 (Beaufort) 해안가의 말릭 (Mallik) 지구에는 재래형 석유가스전 탐사 과정에서 가스하이드레이트의 부존이 밝혀진 바 있다 (Bily and Dick, 1974). 1998년에 일본석유공단 (JNOC)과 캐나다지질조사소 (GSC)가 공동으로 참여하고 일본석유개발주식회사 (JAPEX)를 운영권자로 하여 가스하이드레이트 탐사를 목적으로 JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 시추공을 굴착하고 하이드레이트 코어 채취와 물리검층을 수행하면서 하이드레이트 함유층의 주요 물성자료 취득에 성공하였다 (Takahashi et al., 2005).
말릭 2002 프로그램이란?
말릭 2002 프로그램 (공식 명칭은 2002 JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 Well Gas Production Test)은 캐나다 북서부 맥켄지 델타 동토지역내의 가스전 상부에 존재하는 하이드레이트층을 대상으로 일본, 캐나다, 미국, 독일, 인도 등 5개국과 ICDP (International Continental Scientific Drilling Program) 에 참여하는 7개 기관이 공동으로 수행한 대규모의 현장 시험 연구 프로젝트이다. 이 생산 시험은 육상 동토지역의 가스하이드레이트 함유 지층에서 가스를 생산한 최초의 현장 생산 시험이라 할 수 있고 실험적 단계에서 성공적으로 수행했다는 점에서 매우 큰 의미를 지닌다 (Dallimore and Collett, 2005).
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