가스하이드레이트(GH: Gas Hydrate)는 전 세계적으로 약 10조 톤에 이르는 엄청난 양이 대부분 해양의 대륙사면에 부존되어 있으나(동토 지역 : 2 %, 해양 대륙사면 98 %), 현재까지 가스하이드레이트 저류층으로부터 상업화할 수 있을 만큼 가스를 회수하는 기술이 개발되어 있지 않은 실정이다. 일반적으로 회수하는 방법은 감압법, 열자극법, 억제재 주입법 및 치환법 등으로 크게 나누어 볼 수 있으며, 본 연구에서는 가스하이드레이트 포화율과 감압률에 따라서 가스하이드레이트 해리시간 및 가스생산이 어떻게 달라지는 지, 그에 대한 특성을 분석하고자 하였다. 연구분석 결과 감압률과 해리시간의 상관 관계식을 도출($Y=0.0004X^2-0.499X+176.86$)할 수 있었고, 또한 감압률이 클수록 메탄생산량이 좋다는 것을 알 수 있었지만(감압률 40% 대비 50%에서 메탄가스생산량이 46.2% 향상), 감압률이 60%에서는 오히려 생산량이 줄어드는데, 이는 가스하이드레이트 재형성에 기인한 것으로 판단된다.
가스하이드레이트(GH: Gas Hydrate)는 전 세계적으로 약 10조 톤에 이르는 엄청난 양이 대부분 해양의 대륙사면에 부존되어 있으나(동토 지역 : 2 %, 해양 대륙사면 98 %), 현재까지 가스하이드레이트 저류층으로부터 상업화할 수 있을 만큼 가스를 회수하는 기술이 개발되어 있지 않은 실정이다. 일반적으로 회수하는 방법은 감압법, 열자극법, 억제재 주입법 및 치환법 등으로 크게 나누어 볼 수 있으며, 본 연구에서는 가스하이드레이트 포화율과 감압률에 따라서 가스하이드레이트 해리시간 및 가스생산이 어떻게 달라지는 지, 그에 대한 특성을 분석하고자 하였다. 연구분석 결과 감압률과 해리시간의 상관 관계식을 도출($Y=0.0004X^2-0.499X+176.86$)할 수 있었고, 또한 감압률이 클수록 메탄생산량이 좋다는 것을 알 수 있었지만(감압률 40% 대비 50%에서 메탄가스생산량이 46.2% 향상), 감압률이 60%에서는 오히려 생산량이 줄어드는데, 이는 가스하이드레이트 재형성에 기인한 것으로 판단된다.
The gas hydrate of 10 trillion tons are buried under continental slope in the world(permafrost : 2%, marine continental slope: 98%), but technology for the the commercial gas recovery has not developed yet. There are normally four representative recovery methods: depressurization method, thermal sti...
The gas hydrate of 10 trillion tons are buried under continental slope in the world(permafrost : 2%, marine continental slope: 98%), but technology for the the commercial gas recovery has not developed yet. There are normally four representative recovery methods: depressurization method, thermal stimulation method, inhibition injection method, and displacement method. This study focuses on change of dissociation time and gas production according to gas hydrate saturation rate and depressurization rate. It was found that the correlation between depressrization rate and dissociation time was like as $Y=0.0004X^2-0.499X+176.86$. It was also found that the bigger depressurization rate is, the better production is(methane gas is produced over 46.2% at depressurization rate 50% compared with 40%). However, on the contrary to this, it is presumed that gas production is decreased at 60% due to gas hydrate reformation.
The gas hydrate of 10 trillion tons are buried under continental slope in the world(permafrost : 2%, marine continental slope: 98%), but technology for the the commercial gas recovery has not developed yet. There are normally four representative recovery methods: depressurization method, thermal stimulation method, inhibition injection method, and displacement method. This study focuses on change of dissociation time and gas production according to gas hydrate saturation rate and depressurization rate. It was found that the correlation between depressrization rate and dissociation time was like as $Y=0.0004X^2-0.499X+176.86$. It was also found that the bigger depressurization rate is, the better production is(methane gas is produced over 46.2% at depressurization rate 50% compared with 40%). However, on the contrary to this, it is presumed that gas production is decreased at 60% due to gas hydrate reformation.
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문제 정의
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 국내외적으로 공동 연구를 수행하였고 향후에도 계속적인 연구가 필요한 실정이며 회수생산 관련 최적의 방법을 도출하기 위한 연구도 계속진행 될 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 생산량과 관련하여 가스하이드레이트의 포화율에 따라서 생산량의 변화를 분석하였으며 또한 감압률에 따라서 해리시간이 다르다라는 막연한 지식을 갖고 있을 뿐 실질적으로 상관관계를 도출한 적이 없는 실정이다. 이에 따라 감압률과 해리시간의 상관관계를 도출하고자 실험을 수행하여 상관관계식을 도출하였다
가설 설정
는 가스하이드레이트의 형성온도[°K], A는 시료의 단면적[m²], L은 시료의 길이[m], Φ는 시료의 공극률을 나타내고 있다.
제안 방법
정압력 제어를 위하여 실린더 상단은 레귤레이터로 제어된 일정 압력으로 인공규사(하마 6# : 평균입자크기 380 μm)를 압축할 수 있도록 샌드프레스 방식으로 설계하였다. 가스주입 노즐은 인공규사 전체에 가스를 주입 할 수 있도록 반응기의 상부와 하부에 분사 타입으로 설치하고자 10 μm 크기의 필터를 상, 하부에 콘 타입으로 설치하여 최대한 고르게 퍼지도록 설계하였으며 온도센서10개와 압력센서 10개를 위치별로 설치하여 각각의 위치에 대한 온도, 압력을 측정가능토록 하였다. 또한 컨트롤박스를 설치하여 유량제어 및 공급된 가스의 총량 그리고 온도 10포인트 및 압력 10포인트를 지시하도록 컨트롤러 및 지시계를 장착하여 pc와 통신할 수 있도록 하였다.
본 실험에서 가스하이드레이트가 형성될 때 압력이 sloan에서 제시한 가스하이드레이트 형성 압력보다 높은 곳에서 형성되었다. 따라서 본 연구에서 추구하는 감압률(30%~60%)에 따라 해리시간의 완료 시점을 체크하여 해리 특성을 검토 분석하고 하였다. 즉, 가스하이드레이트가 형성되는 경계지점까지 감압을 하였고(1차 감압), 이 경계 지점으로부터 감압률에 따라 감압을 실시하고 압력변화를 검토하여 저류층 해리특성을 분석하고자 하였다(2차 감압).
실험순서는 미고결 인공규사가 채워진 반응기 내부에 가스하이드레이트의 형성 단계(formation), 실험장치의 반응기 온도를 조절하여 생성된 가스하이드레이트의 균질화 단계(annealing), 실험에 적합한 가스하이드레이트 포화율을 위해 추가적인 메탄가스 주입과정을 통한 재형성 단계(reformation) 그리고 형성된 가스하이드레이트에서 메탄가스의 회수를 위한 해리 단계(dissociation)를 거쳤다.
본 연구에서는 이러한 생산량과 관련하여 가스하이드레이트의 포화율에 따라서 생산량의 변화를 분석하였으며 또한 감압률에 따라서 해리시간이 다르다라는 막연한 지식을 갖고 있을 뿐 실질적으로 상관관계를 도출한 적이 없는 실정이다. 이에 따라 감압률과 해리시간의 상관관계를 도출하고자 실험을 수행하여 상관관계식을 도출하였다
따라서 본 연구에서 추구하는 감압률(30%~60%)에 따라 해리시간의 완료 시점을 체크하여 해리 특성을 검토 분석하고 하였다. 즉, 가스하이드레이트가 형성되는 경계지점까지 감압을 하였고(1차 감압), 이 경계 지점으로부터 감압률에 따라 감압을 실시하고 압력변화를 검토하여 저류층 해리특성을 분석하고자 하였다(2차 감압). Fig.
데이터처리
또한 가스하이드레이트 포화율을 높이기 위해 annealing 과정 중 반응기 내부의 온도가 10 ℃로 상승되었을 때 추가적인 메탄가스의 주입과정을 거쳤으며 이와 같은 과정을 반복하여 실험하고자 하는 가스하이드레이트 포화율에 도달할 수 있었다. 가스하이드레이트 형성 후, 공극 부피 내 메탄가스가 차지하는 부피와 가스하이드레이트 형성에 의한 압력강하를 이용하여 식(1)과 같이 가스하이드레이트 포화율(SGH) 을 계산할 수 있었고 또한 내부압력과 온도가 안정되는 것을 확인 후 Sloan의 평형압력 도출 소프트웨어 프로그램을 이용하였다[4]. Fig.
이론/모형
이 실험장치는 수평 또는 수직으로 세워서 실험이 가능하도록 제작한 장치로써 본 연구에서는 수직으로 세워서 수행하였으며 다양한 인공퇴적층의 모사가 가능하도록 만들어졌다. 정압력 제어를 위하여 실린더 상단은 레귤레이터로 제어된 일정 압력으로 인공규사(하마 6# : 평균입자크기 380 μm)를 압축할 수 있도록 샌드프레스 방식으로 설계하였다. 가스주입 노즐은 인공규사 전체에 가스를 주입 할 수 있도록 반응기의 상부와 하부에 분사 타입으로 설치하고자 10 μm 크기의 필터를 상, 하부에 콘 타입으로 설치하여 최대한 고르게 퍼지도록 설계하였으며 온도센서10개와 압력센서 10개를 위치별로 설치하여 각각의 위치에 대한 온도, 압력을 측정가능토록 하였다.
성능/효과
(1) 감압률이 클수록 상부측과 하부측과의 감압전달 속도 차이가 크게 나타났으며 이는 감압이 클수록 감압이 이루어지는 입구에서 압력전파가 훨씬 빨리 이루어 졌으나 하부에서는 그 만큼의 영향을 받지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
(2) 가스하이드레이트 포화율이 클수록, 저류층의 압력변동이 크다는 것을 알 수 있었는데 이는 해리 시 가스하이드레이트 포화율이 높은 저류층 경우 포화율이 작은 저류층보다 많은 양의 메탄가스가 생산되었고 이 생산된 메탄가스가 저류층의 압력을 상승시키는 효과를 가져 온 것으로 추정된다.
(3) 가스하이드레이트 저류층의 포화율이 각각 17%와 39%로 2.3배 정도였지만 메탄가스의 생산량은 7.7배 정도로 차이를 보였다. 이는 높은 포화율을 가진 가스하이드레이트 저류층일수록 훨씬 높은 메탄가스를 회수 할 수 있음을 보여주고 있다.
(4) 비슷한 가스하이드레이트 포화율의 저류층에서 감압률(40%, 50%, 60%)에 따라 메탄가스 생산량이 어떻게 다른지 실험한 결과 감압률이 클수록 메탄가스 생산량이 증가(50% 감압률이 40% 감압률에 비하여 46.2% 향상을 보임)함을 보여 주었으나 60%의 감압률에서는 오히려 메탄가스 생산량이 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 감압률을 너무 크게하면 가스하이드레이트가 재형성되는 형상이 발생하여 메탄가스 생산성을 감소시키는 것으로 판단된다.
(5) 감압률과 해리시간과의 상관관계를 도출하기 위하여 비슷한 가스하이드레이트 포화율 및 감압률 40%, 50%, 60%에서 실험을 수행한 결과 해리가 완료된 시간을 기준으로 다음과 같은 상관관계식을 도출할 수 있었다.
2% 향상을 보임)함을 보여 주었으나 60%의 감압률에서는 오히려 메탄가스 생산량이 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 감압률을 너무 크게하면 가스하이드레이트가 재형성되는 형상이 발생하여 메탄가스 생산성을 감소시키는 것으로 판단된다.
7배 정도로 차이를 보였다. 이는 높은 포화율을 가진 가스하이드레이트 저류층일수록 훨씬 높은 메탄가스를 회수 할 수 있음을 보여주고 있다.
후속연구
이것은 60% 감압률의 경우 가스하이드레이트 해리를 촉진하기보다는 저해하여 가스하이드레이트 재형성을 유발시키고 가스가 빠져 나오는 통로를 좁게 형성함으로써 즉, 투수율을 떨어뜨리므로써 메탄가스 생산량을 나쁘게 만든 것으로 판단된다. 이러한 실험 결과는 매우 중요한 의미를 내포하는 것으로써 가스하이드레이트가 부존되어 있는 실제현장에서 메탄가스 회수시 감압률을 어떻게 적용할 것인가에 대한 단초를 제공하리라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전 세계적으로 약 10조 톤에 이르는 엄청난 양의 가스하이드레이트는 어디에 부존되어 있는가?
가스하이드레이트(GH: Gas Hydrate)는 전 세계적으로 약 10조 톤에 이르는 엄청난 양이 대부분 해양의 대륙사면에 부존되어 있으나(동토 지역 : 2 %, 해양 대륙사면 98 %), 현재까지 가스하이드레이트 저류층으로부터 상업화할 수 있을 만큼 가스를 회수하는 기술이 개발되어 있지 않은 실정이다. 일반적으로 회수하는 방법은 감압법, 열자극법, 억제재 주입법 및 치환법 등으로 크게 나누어 볼 수 있으며, 본 연구에서는 가스하이드레이트 포화율과 감압률에 따라서 가스하이드레이트 해리시간 및 가스생산이 어떻게 달라지는 지, 그에 대한 특성을 분석하고자 하였다.
국내 가스하이드레이트개발 1차 사업 이후 두번째 해상 시험생산을 실시하려 하였으나 시험생산을 차후로 미룬 이유는 무엇인가?
이러한 결과에 대해서 선진외국 전문기관인 캐나다의 지질조사소 등과 공동연구를 통해 객관성 검증을 확보한바 있다. ’15년도 우리나라는 세계에서 두 번째로 해상 시험생산을 실시하고자 하였으나 출사문제, 해저지반 안정성 및 생산량에 대한 시뮬레이션 결과 등 몇가지 어려운 문제로 인하여 시험생산을 차후로미루게 되었다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 국내외적으로 공동 연구를 수행하였고 향후에도계속적인 연구가 필요한 실정이며 회수생산 관련 최적의 방법을 도출하기 위한 연구도 계속진행 될 것으로 판단된다.
가스하이드레이트개발 1차 사업의 1단계 내용은?
국내의 경우 ‘05년부터 ’15년까지 1~3단계에 걸쳐 가스하이드레이트개발 1차 사업을 수행하고 있다. 1단계에서는 동해안 울릉분지에서 가스하이드레이트가 부존되어 있는 지역을 찾기 위해 탐사하였으며 2단계에서는 가스하이드레이트가 부존되어 있는 예상 지역을 시추하여, 실제적으로 육안으로 확인하는 성과를 거두었다(2007년)[3]. 또한 동해안 울릉분지의 가스하이드레이트 부존 재확인 및 부존량 재평가를 종합적으로 실시하여 약 6.
참고문헌 (4)
A Study on the Field Application for Gas Hydrate Production(II), KOGAS, (2013, 2014)
第24, 26回 メタンハイドレ-ト開發實施 檢討會, (2013)
Studies on Gas Hydrate Development & Production Technology, KIGAM, (2013)
E.Dendy Sloan, Carolyn A.Koh, "Clathrate Hydrates of Natural Gases Third Edition", CRC Press, (2008)
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