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문제 정의
- 본 연구는 일본 난카이 해구의 가스하이드레이트 시험 생산 과정에서의 사전 예측 평가, 설계 및 생산 결과에 관한 문헌들을 조사 분석하여 소개함으로써 향후 계획되어 있는 국내 가스하이드레이트 시험 생산 및 개발 사업, 연구 등에 정보 전달과 도움이 되고자 한다.
- 892 in)로 설계되었다. 또한, 유가스정 완결(completion) 방식의 하나인 자갈충진(gravel packing)을 관통 구간에 시공하여 시추공 안정성 향상뿐만 아니라 및 기존 시험 생산사례를 통해 관측된 시추공 내부로의 모래 유입을 방지하고자 하였다.
- 본 고에서는 실증실험 결과 이외에도 사전 평가과정에서 적용된 다양한 암반공학 기술을 조사하여 소개하였다. 감암법을 이용한 가스생산 과정에서 공극압의 감소 및 유효 응력의 증가로 인해 주변 퇴적층의 압밀 변형이 발생할 뿐만 아니라 고체 하이드레이트에서 기체 가스로의 해리로 인한 퇴적층의 강성도 감소는 저류층 스케일의 해석에서도 과다한 변형 발생의 원인으로 파악되었다.
제안 방법
- 가스하이드레이트 개발 프로그램은 세 단계로 나뉘어 진행되며 2001년부터 2008년까지는 기본적인 시험 및 매장량 평가를, 2009년부터 2015년까지는 기술적인 연구와 시험생산, 2016년부터 2018년까지는 상용화 기술 개발 및 상업생산을 준비할 계획이다(Table 2). 가스하이드레이트 생산의 최적 지역을 선정하기 위하여 난카이 해구 부근의 2D/3D 탄성파 탐사를 실시하여 16개 지역 30개의 시추공에서 물리검층과 코어샘플 분석을 실시하였고 가스하이드레이트 포화도, 시추공 안정성, 가스 생산성, 생산시설 설치 공간 등을 고려하여 생산지역을 선정하였다(Fig. 1).
- 2). 시추를 진행함과 동시에 다양한 지구물리 검층을 실시하였고 공극률, 가스하이드레이트 농도, 투수도 등의 지질, 석유물리 데이터를 얻었으며 같은 해 6월에는 코어샘플 채취를 위한 시추공(C공)을 굴착하였다. 또한 압력코어링장비인 Hybrid PCS(Pressure Coring System)를 이용하여 시료를 채취, 분석하였다.
- 시추를 진행함과 동시에 다양한 지구물리 검층을 실시하였고 공극률, 가스하이드레이트 농도, 투수도 등의 지질, 석유물리 데이터를 얻었으며 같은 해 6월에는 코어샘플 채취를 위한 시추공(C공)을 굴착하였다. 또한 압력코어링장비인 Hybrid PCS(Pressure Coring System)를 이용하여 시료를 채취, 분석하였다. 이러한 자료를 기반으로 실제 시험생산 시 발생하는 압력의 변화와 유효응력의 변화, 가스 생산속도 등을 시뮬레이션을 통해 역학적 안정성 연구를 진행하였고 메탄가스의 누출, 해저면 변형 발생 등을 모니터링하기 위한 감지기를 설치하였다.
- 또한 압력코어링장비인 Hybrid PCS(Pressure Coring System)를 이용하여 시료를 채취, 분석하였다. 이러한 자료를 기반으로 실제 시험생산 시 발생하는 압력의 변화와 유효응력의 변화, 가스 생산속도 등을 시뮬레이션을 통해 역학적 안정성 연구를 진행하였고 메탄가스의 누출, 해저면 변형 발생 등을 모니터링하기 위한 감지기를 설치하였다.
- 가스하이드레이트를 생산하는 방법에는 가스층의 압력을 낮추어 가스를 생산하는 감압법, 저류층의 온도를 올려 생산하는 열수 주입법, 염수나 염화칼슘을 주입하여 생산하는 억제제 주입법 등 크게 세 가지로 나뉜다. 일본 난카이 해구 가스하이드레이트 생산에는 감압법이 사용되었으며 시험생산을 위하여 전기수중펌프(ESP, Electrical Submersible Pump)를 가동하여 13.5 MPa의 저류층 압력을 5 MPa의 공저압(BHP, Bottom Hole Pressure)까지 감압하였다(Fig. 3). 2013년 3월 12일부터 18일까지 감압법으로 시험생산을 진행하였고 하루 평균 약 20,000 m3을 생산하였으며 누적 생산량은 약 120,000 m3을 기록하였다.
- 3). 2013년 3월 12일부터 18일까지 감압법으로 시험생산을 진행하였고 하루 평균 약 20,000 m3을 생산하였으며 누적 생산량은 약 120,000 m3을 기록하였다. 당초에는 2주간 시험생산을 계획했지만 공저에 모래유입이 확인되면서 물의 생산 비율이 급증하였고 그에 따라 공저압이 상승하여 더 이상의 시험생산은 어려운 것으로 판단되어 6일 만에 운영을 종료하였으며 시험공을 비롯한 모든 모니터링공은 폐공되었다.
- 시험 생산 지역 선정을 위해 가스하이드레이트 부존지역 (Alpha, Beta, Gamma)을 세분하여 생산시뮬레이션을 실시하고 적정 후보지역을 선정하였다. Qiu et al.
대상 데이터
- 2012년 2월 일본 난카이해구 최종 확정 시험생산 지역에서 심해시추선 Chikyu를 사용하여 생산공(P공)과 온도 모니터링을 위한 관측공(MT1공 & MC공)시추와 물리 검층을 실시하였다.
- 연구가 수행된 Alpha 지역에는 다수의 단층이 분포하고 있음이 확인되어 가스하이드레이트 생산 시 단층 재활성화의 위험성이 염려되었다. Alpha 지역의 대부분의 단층은 W55E ~ W80E의 방향을 가지며 Alpha-1 시추공에 가장 가깝게 위치한 T6_NF02 단층을 대상으로 해석을 실시하였다(Fig. 5(a)).
이론/모형
- 단층의 미끄러짐 발생가능성(Slip Potential)은 Mohr-Coulomb 파괴기준식을 이용하여 식 (1)과 같이 표시하였다.
- 생산정 주변 퇴적층의 역학적 변형은 가스하이드레이트의 해리와 밀접하게 관련되어 있다. 따라서, 역학적 변형 예측을 위해 유체 흐름, 열전달, 가스하이드레이트의 해리를 연계해석하는 수치해석 프로그램인 CMHGS(Cambridge Methane Hydrate Geomechanics Simulator)을 이용하여 Zhou et al.(2014)는 저류층 규모의 해석을 수행하였다.
- (2014)는 저류층 규모의 해석을 수행하였다. 공극률이 40 % 정도인 난카이 해구의 가스하이드레이트 퇴적층은 암반적 특성보다는 토질에 가까운 거동을 보이기 때문에 지반의 역학적 거동을 모사하는 데 적절한 MCC(Modified Cam Clay) model을 이용하여 해석을 수행하였다.
- Fig 9는 해저 가스하이드레이트 생산 시추공의 안정성 평가를 목적으로 AT1-P공을 대상으로 응력과 변형률에 대한 해석을 실시한 결과를 나타낸다. 케이싱 파괴 가능성 평가에는 Von Mises 기준식을 적용하였다. Von Mises 응력은 등가응력이라고도 하며, 비틀림에너지의 크기를 나타내는 값으로 케이싱과 같은 금속의 파괴를 비교적 정확하게 예측하는 것으로 알려져 있다.
성능/효과
- 2013년 3월 12일부터 18일까지 감압법으로 시험생산을 진행하였고 하루 평균 약 20,000 m3을 생산하였으며 누적 생산량은 약 120,000 m3을 기록하였다. 당초에는 2주간 시험생산을 계획했지만 공저에 모래유입이 확인되면서 물의 생산 비율이 급증하였고 그에 따라 공저압이 상승하여 더 이상의 시험생산은 어려운 것으로 판단되어 6일 만에 운영을 종료하였으며 시험공을 비롯한 모든 모니터링공은 폐공되었다. Fig.
- 5(b)은 단층 T6_NF02의 미끄러짐 가능성을 나타낸다. 생산정인 Alpha-1 시추공 부근에 위치한 단층이 다른 단층에 비해 중간 지점 및 하부 지점에서 훨씬 높은 미끄러짐 가능성을 보였다. 이들 지역에서의 활성화 가능성 지수는 1에 가까운 값을 보여 주어진 응력 조건하에서 T6_NF02 단층의 미끄러짐이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 생산정인 Alpha-1 시추공 부근에 위치한 단층이 다른 단층에 비해 중간 지점 및 하부 지점에서 훨씬 높은 미끄러짐 가능성을 보였다. 이들 지역에서의 활성화 가능성 지수는 1에 가까운 값을 보여 주어진 응력 조건하에서 T6_NF02 단층의 미끄러짐이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.
- Fig 6은 2013년 해상 생산 시험에서 얻어진 데이터를 이용하여 2 가지의 생산 수치 모델(3 m 두께의 생산 지층을 모델링한 Case 1과 1 m 두께의 생산 지층을 모델링한 Case 2)을 구축하고 실제 생산 시험 결과와 비교분석한 결과이다. 30 일 동안의 생산 시험 과정 중 지층 투과계수, 생산 압력, 가스 생산량, 물 생산량 등을 비교한 결과, Case 1의 유효응력 증가폭이 Case 2보다 상대적으로 크게 예측되었고, 이로 인해 수직 방향의 압밀변형에 의한 침하량도 증가하는 결과를 보였다.
- 9(a)는 등가소성변형률 분포를 나타낸다. 가스 생산지역 및 하부 퇴적층 구간의 케이싱은 높은 저류층 압력임에도 케이싱의 높은 강성으로 인해 압축응력과 인장응력이 증가함에도 불구하고 등가소성변형률의 값은 2% 수준에 불과한 것으로 예측되었다. 이는 Veeken et al.
- 케이싱의 강성이 시멘트의 강성보다 크기 때문에 시멘트에서의 응력은 훨씬 적은 범위로 증가하는 것으로 예측되었다. 자갈충진 내 소성변형률의 경우에 있어서 스크린(screen) 중간 부분에서의 최대수직소성변형률은 1.1% 값으로 파괴를 초래하지 않는 충분히 작은 값으로 계산되었다(Fig. 9(c)).
- 이는 가스하이드레이트 생산과정에서의 예측 정밀도 향상을 위해서는 물리 탐사 및 검층 자료의 통합적 분석을 통한 하이드레이트 부존 퇴적층의 기하학적 특징 파악 및 파라미터 추정과 실내 및 파일럿 스케일의 실험을 통해 해리 과정에서의 물성 변화 특성 연구가 선행되어야 함을 시사한다. 주변 퇴적층의 압밀 변형 이외에도 생산 도중 시추공 내부로의 모래 유입, 물 유입량 증가, 공저 압력 상승 등으로 인해 생산이 당초 계획보다 일찍 종료되는 문제도 확인되었다. 따라서, 생산 시추공 및 케이싱의 역학적 변형 평가에서는 자갈충진(gravel packer) 적용 효과 및 모래 생산(sand production)에 대한 면밀한 해석적 검토가 실시되어야 할 것이다.
- 따라서, 생산 시추공 및 케이싱의 역학적 변형 평가에서는 자갈충진(gravel packer) 적용 효과 및 모래 생산(sand production)에 대한 면밀한 해석적 검토가 실시되어야 할 것이다. 단층 활성화 가능성에 대한 해석적 평가에서는 생산정과 교차하는 일부 단층에서 미끄러짐이 발생할 수 있음이 확인되었다. 이들 단층의 활성화 및 이에 따른 투과 특성의 변화는 해리 가스가 누출되는 위험성을 초래할 수 있으며, 상업적 장기 생산 과정에서는 주변 퇴적층에 위치한 단층들에까지 영향을 미칠 수 있으므로, 정밀 부지조사 및 면밀한 데이터 분석을 통한 사전분석이 필수적이다.
- 이를 위해서는 가스하이드레이트 해리/재생성, 해리 가스의 유동 및 이에 따른 주변 지반 입자의 상호 분리와 같은 미시적 현상에서부터 생산용 시추공 붕괴 및 퇴적층 지반 변형과 같은 거시적 현상을 동시에 규명할 필요가 있다. 또한, 실증사례 결과에서 볼 수 있듯이 가스 회수 생산 과정은 감압에 의한 유체의 수리적 유동, 흡열 반응에 해당하는 해리에 의한 열전달, 해리 가스에 의한 유효 응력 변화 및 변형 특성의 변화에 기인한 역학적 변형이 복합된 형태로 나타난다. 대표적인 예로는 퇴적층 압밀에 의한 주변 퇴적층의 투과특성의 감소에 따른 물/가스 유동 양상의 변화와 해리 및 하이드레이트 재생성에 따른 지반 변형 및 강도 특성의 변화, 유체 압력 변화에 따른 퇴적층 내 유효 응력의 변화에 기인한 인장/전단파괴 및 단층의 재활성화에 따른 해리 가스 누출 등을 들 수 있다.
- , 2013), 상기 해석들의 입력 물성치로 활용되는 지층 물성의 불확실성 평가는 국내 가스 시험생산의 성능 예측 및 성공도 향상 측면에서 중요하다. 또한, 다양한 연계 해석기법 중에서도 가스하이드레이트 해리/재성성 및 해리 가스의 유동 해석과 주변 퇴적층 지반의 역학적 변형을 모사하는 해석을 개별 연계하여 활용하는 방식이 다양한 스케일의 복합거동 시뮬레이션의 예측 정밀도 향상에 효과적일 것으로 보이며, 현장실증 데이터는 이러한 해석 기법에 의한 예측 결과와의 비교 검증 자료로도 매우 중요한 의의를 가진다.
후속연구
- 시험 생산을 통해 감압법에 의한 해저 가스하이드레이트로부터 천연가스의 회수 생산이 가능함을 실증하는 데는 성공하였으나, 상업적 가스 생산을 위해서는 생산성 향상, 생산 시스템의 장기 운영 방안 마련 및 안정성 확보 대책 등에 관한 추가 연구개발이 필요할 것으로 보인다(Table 3).
- 전 세계 가스하이드레이트 부존량의 약 90% 이상이 해저에 부존되어 있는 것으로 알려져 있으므로, 성공적인 해상 생산 시험을 통해 습득한 다양한 데이터는 상당한 의의가 있다고 할 수 있다. 특히, 국내에서도 동해 울릉분지 유망 지역에서 해상 시험 생산이 계획되고 있으므로 본 사례분석을 통해 습득한 정보 및 실증시험을 통해 얻은 교훈은 매우 유용한 자료가 될 것이다.
- 이러한 압밀변형은 생산 지층의 두께에 따라서도 큰 차이를 보였다. 이는 가스하이드레이트 생산과정에서의 예측 정밀도 향상을 위해서는 물리 탐사 및 검층 자료의 통합적 분석을 통한 하이드레이트 부존 퇴적층의 기하학적 특징 파악 및 파라미터 추정과 실내 및 파일럿 스케일의 실험을 통해 해리 과정에서의 물성 변화 특성 연구가 선행되어야 함을 시사한다. 주변 퇴적층의 압밀 변형 이외에도 생산 도중 시추공 내부로의 모래 유입, 물 유입량 증가, 공저 압력 상승 등으로 인해 생산이 당초 계획보다 일찍 종료되는 문제도 확인되었다.
- 주변 퇴적층의 압밀 변형 이외에도 생산 도중 시추공 내부로의 모래 유입, 물 유입량 증가, 공저 압력 상승 등으로 인해 생산이 당초 계획보다 일찍 종료되는 문제도 확인되었다. 따라서, 생산 시추공 및 케이싱의 역학적 변형 평가에서는 자갈충진(gravel packer) 적용 효과 및 모래 생산(sand production)에 대한 면밀한 해석적 검토가 실시되어야 할 것이다. 단층 활성화 가능성에 대한 해석적 평가에서는 생산정과 교차하는 일부 단층에서 미끄러짐이 발생할 수 있음이 확인되었다.
- 해저 환경에서의 사면 붕괴는 육상에 비해 훨씬 불리한 것으로 알려져 있다. 난카이 해구 생산 사례에서는 검토되지 않았으나 생산 시스템의 통합 안정성 분석을 위해서는 해저면의 경사도를 고려한 해석이 추가 수행되어야 할 것이다.
- 해저 지반 가스하이트레이트로부터 천연가스의 대규모 상업적 생산 및 경제성 향상을 위해서는 최초의 시험생산 실증을 통해 파악된 이러한 제반 문제를 극복하고 장기적이고 안정적인 생산을 위한 추가 연구 개발이 요구된다. 이를 위해서는 가스하이드레이트 해리/재생성, 해리 가스의 유동 및 이에 따른 주변 지반 입자의 상호 분리와 같은 미시적 현상에서부터 생산용 시추공 붕괴 및 퇴적층 지반 변형과 같은 거시적 현상을 동시에 규명할 필요가 있다.
- 끝으로 본 사례분석이 향후의 국내 동해 울릉분지 시험 생산 계획 수립, 설계 및 시공에 유용한 자료를 제공함과 동시에 보다 많은 암반공학 전공자들이 성공적인 국내 시험 생산에 기여할 수 있는 계기를 제공할 수 있기를 기대한다.
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