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[국내논문] 가스하이드레이트 개발과정에서의 단층 재활성화 해석
Numerical Analysis for Fault Reactivation during Gas Hydrate Production 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.26 no.2, 2016년, pp.59 - 67  

김형목 ,  김아람 (세종대학교 공과대학 에너지자원공학과)

초록
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본 논문에서는 해저 하이드레이트 퇴적층에서의 메탄가스 생산 과정에서 발생 가능한 생산정 주변 단층의 재활성화 가능성을 수치해석을 통해 평가하고 재활성화에 따른 미소지진 규모를 예측한 결과를 소개하였다. 가스 생산에 의한 하이드레이트 퇴적층의 유효응력 변화 및 역학적 변형은 TOUGH+Hydrate 코드와 FLAC3D 코드를 순차적으로 연계해석함으로써 시뮬레이션하였다. 단층면 재활성화 기준은 모어쿨롱(Mohr-Coulomb)법칙이 유효한 것으로 가정하였다. 30일간의 시험생산 해석 결과, 감압에 의한 공극압력 감소 및 유효응력의 증가가 주변 단층의 활성화를 일으킬 가능성은 크지 않은 것으로 나타났다. 초기응력 조건에 따른 활성화 가능성을 활동마찰각으로 평가한 결과로부터 수평응력에 비해 수직응력이 상대적으로 큰 정단층 응력조건(normal fault stress regime)에서 단층 재활성화 가능성이 상대적으로 큰 것으로 파악되었다. 또한, 정단층 응력조건에서 단층 재활성화에 기인한 유도지진 발생규모를 모멘트 크기(moment magnitude)로 추정할 경우, 모두 음(-)의 값을 보여 인간이 감지하지 어려운 수준의 미소지진에 해당하는 결과를 보였다. 다만, 본 해석은 하이드레이트 생산과정에서의 단층재활성화 가능성 평가를 목적으로 한 해석기법 구축 및 그 적용성을 소개할 목적으로 상당히 단순화된 지질구조 모델을 가정한 결과이므로, 향후 하이드레이트 시험 생산 및 상업 생산 지역에서의 상세 지질구조, 입력 물성 및 생산 설계조건을 반영한 해석에서는 상이한 결과를 보일 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we perform a numerical analysis to evaluate the potential of fault reactivation during gas production from hydrate bearing sediments and the moment magnitude of induced seismicity. For the numerical analysis, sequential coupling of TOUGH+Hydrate and FLAC3D was used and the change in e...

Keyword

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문제 정의

  • 본 연구에서는 이들 유사 프로젝트에 적용된 해석기법을 이용하여 심부 해저 하이드레이트 부존층에서 가스 생산과정에서 주변 단층의 재활성화 가능성 평가를 위한 수치해석을 실시하고 재활성화에 따른 미소지진 규모를 추정한 결과를 소개하고자 한다.
  • 해석에 사용한 제반 입력 물성값은 Table 1 및 Table 2에 제시하였다. 가스하이드레이트 회수 생산과정에서는 해리에 의한 주변 지층의 강성변화가 예상되지만 본 연구에서는 이들 강성변화에 의한 효과는 무시하고 가스 생산 과정에서의 단층 재활성화 평가를 주된 목적으로 하였다. 단층면은 모어쿨롱(Mohr-Coulomb) 파괴거동을 하는 것으로 가정하고, 경사각은 10°, 단층대의 두께는 10 m, 투과계수는 0.
  • 본 고에서는 해저 하이드레이트 퇴적층에서의 가스 생산 과정에서 발생 가능한 생산정 주변 단층의 재활성화 가능성 평가기법을 구축하고 간략화된 해석모델을 사용한 기초해석결과를 소개하였다. 가스하이드레이트 생산 해석 및 역학적 변형은 TOUGH+Hydrate 코드와 FLAC3D 코드를 순차적으로 연계해석함으로써 구현하였다.
  • 또한, 가스 생산과정에서의 단층 재활성화에 기인한 유도지진 발생규모를 모멘트 크기(moment magnitude)방식으로 추정한 결과, 모두 음(-)의 값으로 추정되어 미소지진 수준에 해당하는 결과를 보였다. 다만, 본 기초해석은 하이드레이트 생산과정에서의 단층 재활성화 가능성 평가를 목적으로 구축한 해석기법의 적용성 시험을 목적으로 상당히 단순화된 지층 및 지질구조 모델을 사용한 결과이므로, 실제 상세 지질구조, 입력 물성 및 단층 미끄러짐 거동 특성을 고려한 해석에서는 상이한 결과를 보일 수 있다.

가설 설정

  • 해저 퇴적층에서의 단층 재활성화 해석은 극히 제한적이므로 Fig. 2(a)에 보고된 결과를 참고로 하여 임의의 단층면 및 구조를 가정하고 가스하이드레이트 퇴적층의 구조 및 물성은 동해 울릉분지 특성값을 사용하여 해석모델을 구성하였다(Moridis et al., 2013; Kim, 2015). Fig.
  • 단층면은 모어쿨롱(Mohr-Coulomb) 파괴거동을 하는 것으로 가정하고, 경사각은 10°, 단층대의 두께는 10 m, 투과계수는 0.99×10-17 m2로 설정하였다.
  • 기본 해석조건으로 생산량 0.1 kg/s로 30 일 동안 시험 생산하는 것을 가정하였다. 초기응력 분포는 수평응력(σh)과 수직응력(σv)이 동일한 등방응력조건을 가정하고, 초기 응력조건이 해석결과에 미치는 영향을 파악하기 위해 정단층 응력조건(K= σhv = 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스하이드레이트가 미래 청정에너지원으로 주목받는 이유는 무엇입니까? 불타는 얼음(burning ice)으로 불리는 가스하이드레이트는 저온고압 조건에서 천연가스가 물분자와 물리적으로 결합하여 형성된 고체 천연가스 물질로 전 세계 사용량의 수십 년에서 수백 년 해당하는 막대한 양이 지구상에 골고루 분포되어 있어 미래 청정에너지원으로 주목을 받고 있다. 가스하이드레이트 형성을 위해서는 충분한 양의 천연가스와 물 그리고 저온고압 조건이 필요하기 때문에 주로 수심 500 m 이상의 심해저에서 대부분이 발견되어 왔다.
가스하이드레이트 형성은 어떠한 특징을 갖는가? 불타는 얼음(burning ice)으로 불리는 가스하이드레이트는 저온고압 조건에서 천연가스가 물분자와 물리적으로 결합하여 형성된 고체 천연가스 물질로 전 세계 사용량의 수십 년에서 수백 년 해당하는 막대한 양이 지구상에 골고루 분포되어 있어 미래 청정에너지원으로 주목을 받고 있다. 가스하이드레이트 형성을 위해서는 충분한 양의 천연가스와 물 그리고 저온고압 조건이 필요하기 때문에 주로 수심 500 m 이상의 심해저에서 대부분이 발견되어 왔다.
하이드레이트 층으로부터의 일반적인 가스 생산과정은 어떠합니까? 가스하이드레이트 실물을 채취하여 개발에 나서고 있는 나라는 미국, 일본, 중국, 인도, 한국 등에 불과하다. 하이드레이트층으로부터 가스 생산을 위해서는 일반적으로 생산정 주변 압력을 저감시킴으로써 고체 천연가스의 해리(dissociation) 현상을 유발하여 가스 상태로 변환시키는 감압법(depressurization)을 통한 생산이 가장 일반적이다. 미국에서는 캐나다, 일본 등과 공동으로 북극지역 영구동토층에 해당하는 말릭사이트(Mallik)에서 감암법을 통해 세계 최초로 가스 연속 생산에 성공한 바 있다.
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참고문헌 (23)

  1. 김형목, J. Rutqvist, 2015, "호층 구조 가스하이드레이트 퇴적층에서 수직 생산정을 이용한 가스 회수생산 해석", 2015 한국암반공학회 춘계 총회 및 학술발표회 발표자료집, 2015년 3월, pp. 303-307. 

  2. 임대희, 김정규, 송재준, 2013, "감압법을 이용한 가스하이드레이트 회수생산시 해저지반 거동예측에 관한 수치해석적 연구, 2013 한국암반공학회 추계 총회 및 학술발표회 발표자료집, 2013년 10월, pp. 206-211. 

  3. Cappa, F. and J. Rutqvist, 2011, "Modeling of coupled deformation and permeability evolution during fault reactivation induced by deep underground injection of CO2", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 5, pp. 336-346. 

  4. Figueiredo, B., C.F. Tsang, J. Rutqvist, J. Bensabat, and A. Niemi, 2015, "Coupled hydro-mechanical processes and fault reactivation induced by CO2 injection in a three-layer storage formation", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 29, pp. 432-448. 

  5. Gan, Q. and D. Elsworth, 2014, "Analysis of fluid injection-induced fault reactivation and seismic slip in geothermal reservoirs", Journal of Geophysical Research: Solid Earth, Vol. 199(4), pp. 3340-3353. 

  6. Hanks, T.C and H. Kanamori, 1979, "A moment magnitude scale", Journal of Geophysical Research, Vol. 84, pp. 2348-2350. 

  7. Itasca, 2012, FLAC3D: Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Version 4.0, Minneapolis, Minnesota, Itasca Consulting Group, pp.438. 2009. 

  8. Kim, A.R., J.W. Lee and H.M. Kim, 2015, "A case study of test production of gas from hydrate bearing sediments on Nankai trough in Japan", Tunnel and Underground Space Vol. 25, No. 2, pp. 133-143. 

  9. Kim, A.R. and H.M. Kim, 2016, "Scenario Analysis of Injection Temperature and Injection Rate for Assessing the Geomechanical Stability of CCS (Carbon Capture and Sequestration) System)", Tunnel and Underground Space Vol. 26, No. 1, pp. 12-23. 

  10. Kim. H.M and J. Rutqvist, 2014, "Geomechanical model analysis for the evaluation of mechanical stability of unconsolidated sediments during gas hydrate development and production", Tunnel and Underground Space Vol. 24, No. 2, pp. 143-154. 

  11. Kim. H.M, J. Rutqvist, and W.S. Bae, 2014, "Sensitivity analysis for fault reactivation in potential CO2-EOR site with multi-layers of permeable and impermeable formation", Geosystem Engineering, Vol. 17, No. 5, pp. 253-263. 

  12. Kim H.M., 2015, "Numerical analysis for geomechanical deformation of sea bed due to gas hydrate dissociation", J. Korean Soc. Miner. Energy Resour. Eng. Vol. 52, No. 2, pp. 148-157. 

  13. Kim H.W., D.S. Cheon, B.H. Choi, H.S. Choi and E.S. Park, 2013, "Case Study on Stability Assessment of Pre-existing Fault at CO2 Geologic Storage", Tunnel and Underground Space Vol. 23, No. 1, pp. 13-30. 

  14. Mazzoldi, A., A.P. Rinaldi, A. Borgia and J. Rutqvist, 2012, "Induced seismicity within geological carbon sequestration projects: Maximum earthquake magnitude and leakage potential from undetected faults", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 10, pp. 434-442. 

  15. Mohammedyasin, M.S., 2015, Deep-seated faults and hydrocarbon leakage in the Snohvit Gas Field, Hammerfest Basin, southwestern Barents Sea, Msc. thesis, Norwegian University of Science and Technology (NTNU) - Tronheim, p. 97. 

  16. Moridis, G.J., M.B., Kowalsky and K. Pruess, 2008, TOUGH+HYDRATE v1.0 USER's MANUAL: A code for the simulation of system behavior in hydrate bearing geologic media, LBNL-149E, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720. 

  17. Moridis, G.J., J. Kim, M.T. Reagan and S.J. Kim, 2013, "Feasibility of gas production from a gas hydrate accumulation at the UBGH2-6 site of the Ulleung basin in the Korean East Sea", Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 108, pp. 180-210. 

  18. NRC (National Research Council), 2013, Induced seismicity potential in energy technology, Washington D.C., The National Academies Press, p. 211. 

  19. Rutqvist, J and G.J. Moridis, 2007, "Numerical studies of geomechanical stability of hydrate-bearing sediments", Offshore technology conference, 2007 May, Houston, Texas, U.S.A. 

  20. Rutqvist, J., G.J. Moridis, T. Grover, S. Silpnagarmert, T. Collett and S.A. Holdich, 2012, "Coupled multiphase fluid flow and wellbore stability analysis associated with gas production from oceanic hydrate-bearing sediments", J. Petroleum Science and Engineering, Vol. 92-93, pp. 65-81. 

  21. Rutqvist, J, A.P. Rinaldi, F. Cappa and G.J. Moridis, 2013, "Modeling of fault reactivation and induced seismicity during hydraulic fracturing of shale-gas reservoirs", Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 107, pp. 31-44. 

  22. Qui, K., K. Yamamoto, R. Birchwood, Y. Chen, C. Wu, C.P. Tan and V. Singh, 2013, "Evaluation of Fault Reactivation", Offshore Technology Conference, Houston, Texax, U.S.A., 30 April - 3 May 2012, OTC 22890. 

  23. van Genuchten, M.T., 1980, "A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils," Soil Sci Soc Am J., Vol. 44, pp. 892-898. 

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