초록 ▼

2005년도는 가스하이드레이트 개발 10개년 계획 1단계 3년의 첫해로 지질, 지화학 연구 분야에서는 울릉분지의 광역지질을 포함한 가스하이드레이트 부존가능 심부지층에 대한 탄성파 층서 및 퇴적 시스템을 파악하고, 가스하이드레이트 분포 지역의 음향특성과 사면 안전성을 조사하였다. 가스하이드레이트 부존 안정영역을 추정하기 위해 필수적인 해저지열 측정과 탐침개발을 수행하였으며 다음과 같은 퇴적물의 광물학적, 퇴적학적, 지화학적, 고생물학적 분석을 실시하였다; 퇴적물 내 유기물, 잔류 탄화수소가스 및 간극수 분석, 퇴적률 분석, 광물조성,

2005년도는 가스하이드레이트 개발 10개년 계획 1단계 3년의 첫해로 지질, 지화학 연구 분야에서는 울릉분지의 광역지질을 포함한 가스하이드레이트 부존가능 심부지층에 대한 탄성파 층서 및 퇴적 시스템을 파악하고, 가스하이드레이트 분포 지역의 음향특성과 사면 안전성을 조사하였다. 가스하이드레이트 부존 안정영역을 추정하기 위해 필수적인 해저지열 측정과 탐침개발을 수행하였으며 다음과 같은 퇴적물의 광물학적, 퇴적학적, 지화학적, 고생물학적 분석을 실시하였다; 퇴적물 내 유기물, 잔류 탄화수소가스 및 간극수 분석, 퇴적률 분석, 광물조성, 구성 유기체 분석, 유기물의 성분, 종류, 기원 및 성숙도 분석, 잔류탄화수소의 농도, 성분 및 기원, 간극수의 성분과 특성, SMI (sulfate methane interface) 심도 추정, 해수 내 용존가스의 성분과 함량 분석을 수행하였다.
물리탐사 분야에서는 2차원 현장탐사를 수행하고 취득된 자료의 전산처리와 자료해석을 통한 조사지역에서의 가스하이드레이트 분포 유망지역 도출이 주 연구내용이다. 현장자료취득은 본 연구와 연계하여 추진한 한국석유공사의 현장조사사업에서 수행되었는데 1단계 지역인 대륙붕 제6-1광구 및 북부지역에서 총 6,600 L-km의 2차원 탄성파 탐사, 중력탐사 그리고 다중빔 탐사가 수행되었다.
이 연구에서는 취득된 자료의 분석, 연구사업으로 기본전산처리, 특수전산처리, 탐사기술개발 기초연구와 자료해석이 포함되어 있다. 기본전산처리는 취득된 현장 탐사자료를 전산처리하여 탄성파 단면도를 제작하는 과정이며 특수전산처리는 탄성파 신호를 분석하여 가스하이드레이트 및 자유가스의 부존과 관련된 속도 특성 및 진폭특성의 분석이 포함된다. 탐사기술개발 기초연구에는 자료처리 품질향상을 위한 심도구조보정 연구와 속도특성의 정밀 도출을 위한 모델링 연구 그리고 향후 취득될 시추공 자료와 탄성파 탐사자료의 대비를 위한 수직탄성파 탐사기술개발이 포함되어 있으며 지층의 속도정보 정밀산출을 위한 기초연구로 해저면 굴절법 탐사연구를 수행하였다. 자료해석에는 BSR과 가스 분출 등 탄성파 단면도 상에 나타나는 가스하이드레이트 부존과 관련된 특성 해석이 포함된다.
가스하이드레이트 시추 연구에서는 동해 울릉분지에 적합한 비용대비 효율적인 시추 전략을 수립하기 위하여, 가스하이드레이트의 산출 양상의 유형을 퇴적물 내 응집된 정도에 따라 구분하였다. 그리고 해저면하 시추 목표 심도와 이용 가능한 시추 장비의 규모와 비용 등에 따라 시추 단계를 3단계로 구분하고 각 시추 단계별 기대 효과와 장단점들을 비용대비 효과의 관점에서 분석하였다. 이러한 분석에 근거하여 현 단계에서 동해 울릉분지에서 실행 가능한 가장 적합한 시추 전략을 도출하였다. 또한 차후 가스하이드레이트 층 시추 시 양질의 가스하이드레이트 시료를 확보하기 위하여 수행해야 할 압력코어 방식의 코아링에 대한 검토 작업을 실시하였다. 또한 가스하이드레이트 시추 성공에 필수적인 가스하이드레이트 산출 양상에 대한 지질학적, 퇴적학적 지배인자에 대한 이해를 위하여 기존 연구결과들을 가스 하이드레이트 매적과정과 퇴적모델의 관점에서 재정리하였으며, 동해 울릉분지의 가스하이드레이트 산출과 관련된 기존 연구 결과들도 재평가하였다.
개발 생산 연구 분야에서는 가스하이드레이트 최적층의 석유공학적 기초 물성 및 대표적 특수물성인 상대유체투과율 측정, 기존에 제안된 생산기법의 생산성 분석 실험을 위한 실험 시스템구축 및 검증, 새로운 생산법의 일종인 이산화탄소 치환기법 실험을 위한 이산화탄소-메탄하이드레이트 치환량 및 속도측정, 기존 전산 모사모형의 구조해석 및 적용성 검토 등을 수행하였다.

Abstract ▼

Gas hydrates draw great attention for the last 20 years as a new clean energy resources substituting conventional oil and gas. Many countries including USA, Japan, Canada, Germany, India have launched extensive research programs to study the characterization of gas hydrates and eventually to produce

Gas hydrates draw great attention for the last 20 years as a new clean energy resources substituting conventional oil and gas. Many countries including USA, Japan, Canada, Germany, India have launched extensive research programs to study the characterization of gas hydrates and eventually to produce them from the ocean.
Results of preliminary survey by Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources(KIGAM) during the period of $2000{\sim}2004$ showed that gas hydrates can he present in deep sea area over 1,000 m water depth in the East Sea. From this optimistic conclusion, government initiated ${\ulcorner}$10 Year Gas Hydrates Development Program${\lrcorner}$ starting this year by establishing 'Gas Hydrates R&D Organization. ${\ulcorner}$10 Year Gas Hydrates Development Program${\lrcorner}$ consists of three stages with the final goal of commercial test production of gas hydrates in 2015 with joint cooperation of Korea Gas Corporation(KOGAS), Korea National Oil Corporation(KNOC) and KIGAM.
The goal of the first stage is to identify the potential area of gas hydrates in the prospect area I of the East Sea and retrieving the real sample of gas hydrates by deep sea drilling as well as the development of production techniques. For this Purpose, studies of following 4 topics were performed with close interaction and international collaborations; geological and geochemical studies, geophysical study, drilling study, and production study.
Six piston cores had been acquired for geological and geochemical studies from the East Sea (Latitude $35.95^{\circ}{\sim}36.74^{\circ}$ and Longitude $129.83^{\circ}{\sim}130.93^{\circ}$). To analyze the sediments we used x-ray diffraction analysis. The sediments consist of quartz, feldspar, mica, amorphous opal-A, clay minerals, calcite, and pyrite. The most dominant minerals are opal-A originated from siliceous diatoms. The opal-A increases to the upper part of the piston cores, specially from the marginal side of the basin. Calcite minerals decrease to the upper part of the piston cores. Cores from the deep basin area show increasing of opal-A and decreasing of calcite minerals. On the other hand variations of amount of opal minerals coincide with total organic carbon contents. This trend suggests that the organic sediments in Ulleung Basin derived from siliceous algae. The organic matters are dominantly originated from marine algae identified by isotope data. The contents of TOC are mostly higher than 0.5% which indicates sufficient TOC for gas hydrates formation. The contents of $T_{max}$, in the core sediments are lower than $435^{\circ}C$ which indicates thermal immature stage for the organic matters.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...65
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...69
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...79
• 제 1 절 서론...79
• 제 2 절 지질.지화학 연구...80
• 1. 지질.지화학 탐사자료 취득 및 분석...80
• 가. 시추지점 선정...80
• 나. 시료채취...86
• 다. 퇴적물의 광물조성...86
• 라. 퇴적물의 지화학 분석...102
• 2. 해저면 구조 및 음향상 분포...122
• 가. 연구지역...122
• 나. 자료획득 및 분석...122
• 다. 조사장비 특성...124
• 라. 연구방법...125
• 마. 연구결과...125
• 3. 해저지열 측정 및 탐침 개발...139
• 가. 탐침 장비...139
• 나. 지열 모델링...163
• 다. 지열 측정...172
• 제 3 절 물리탐사 연구...205
• 1. 개요...205
• 2. 현장자료취득...206
• 가. 탐사지역...206
• 나. 탄성파 탐사...208
• (1) 반사법 탐사...208
• (2) 굴절법 탐사...211
• (가) 탐사방법...212
• (나) 자료취득과정...213
• 다. 중력 탐사...214
• 라. 다중빔 탐사...215
• 3. 자료처리...219
• 가. 탄성파 자료처리...219
• (1) 반사법 탐사자료 기본전산처리...219
• (가) 전산처리 시스템...219
• (나) 전산처리 과정...221
• (2) 굴절법 탐사자료 전산처리...230
• (가) 전처리 과정...230
• (나) 기본 탄성파 자료처리...231
• (다) 탄성파 주시 토모그래피를 이용한 속도 구조 도출...231
• 나. 특수전산처리...232
• (1) 서언...232
• (2) AVO 분석을 위한 특성화 전산처리...233
• (가) 공심점 기준의 해저면 심도...234
• (나) 진진폭보정...235
• (다) 디콘볼루션...236
• (라) 레이던 필터링...237
• (마) 디엠오 보정...238
• (바) 대화식 중합속도분석 및 구간속도변환...239
• (사) 중합 및 구조보정...243
• (3) AVO 분석...244
• (4) AVO 이상 형태 분석...250
• (5) AVO 속성값을 이용한 암석물성 계산...253
• (6) AVO 정밀속도장을 구하기 위한 AVO 역산...255
• (7) 결언...256
• 다. 자료처리기법 개발...257
• (1) 심도구조보정...257
• (가) 서언...258
• (나) 유한차분법 수직탐사 모델링...259
• (다) 선중합 심도구조보정...264
• (라) 수치모형 실험...265
• (마) 결언...270
• (2) 탄성파 모델링기술을 이용한 가스하이드레이트의 지구물리학적특성 연구...270
• (가) 수치모형실험...270
• (나) 축소모형실험...282
• (다) 복소분석...297
• (라) 결언...301
• (3) 수직탄성파탐사(VSP)를 이용한 가스하이드레이트 탐사기술 개발...301
• (가) 수직탄성파탐사...301
• (나) VSP 자료용 중합전 위상막 구조보정 알고리듬 개발...304
• (다) 흡수에 의한 진폭 감쇠를 고려한 구조보정 알고리듬 개발...318
• (라) 결언...330
• 4. 자료해석...331
• 가. 해저지형...331
• 나. 유망지역 자료해석...331
• 제 4 절 시추 연구...339
• 1. 가스하이드레이트 시추전략 수립과 시추기술 연구...339
• 가. 시추전략 수립...339
• (1) 가스하이드레이트 산출 양상...339
• (2) 가스하이드레이트 시추 단계시추 전략...346
• 나. PROD 시추 기술 연구...347
• 다. 압력코어 방식의 시추 필요성...350
• 2. 가스하이드레이트의 매적과정과 퇴적모델...350
• 가. 퇴적과정과 환경...350
• (1) 퇴적환경 및 세팅...353
• (2) 매적(accumulation) 과정...354
• (3) 퇴적물 특성...355
• 나. 퇴적모델과 저류층 특성...356
• (1) 안정적 지층 모델: Blake Ridge...357
• (2) 역동적 지층모델: Hydrate Ridge...360
• 다. 동해 울릉분지...363
• (1) 해저지형 및 지구조 세팅...365
• (2) 퇴적물 특성...366
• (3) 매적...367
• 제 5 절 개발생산 연구...370
• 1. 인공 가스하이드레이트 및 퇴적층 모사 입자 특성...371
• 가. 인공가스하이드레이트 제조...371
• 나. 퇴적층 모사 입자...371
• 2. 가스하이드레이트 퇴적층 물성 측정...373
• 가. 퇴적층의 기초 물성...373
• (1) 실험장치 시스템 구축...375
• (2) 연구내용...376
• (가) 투수계수의 측정...376
• (나) 전기비저항의 측정...377
• (다) 시료 준비...378
• (3) 연구결과...380
• (가) 점토 함유율의 영향...380
• (나) 봉압의 영향...382
• 나. 가스하이드레이트 함유 퇴적층의 기초 물성...384
• (1) 퇴적층 모사 및 공극률 측정...384
• (2) 가스하이드레이트 포화도에 따른 유체투과율...386
• (가) 실험장비...386
• (나) 실험방법...388
• (다) 결과...389
• (3) 가스하이드레이트 포화도에 따른 전기저항...394
• (가) 실험장비 구축...394
• (나) 실험방법...395
• (다) 결과...397
• (4) 가스하이드레이트 포화도에 따른 음파속도...400
• (가) 실험장비 구축...400
• (나) 실험방법...402
• (다) 결과...402
• (5) 가스하이드레이트 생산 시 퇴적층의 부피 변화...405
• (가) 실험장비 구축...405
• (나) 실험방법...408
• 다. 가스하이드레이트 퇴적층의 상대유체투과율...409
• (1) 실험 방법 및 예비 결과...409
• (2) 물 주입실험 결과...410
• (3) 상대유체투과율 계산...413
• 라. 퇴적층의 검층기법 연구...417
• (1) 가스하이드레이트 함유층의 공극률 해석...417
• (2) 검층자료를 이용한 저류층 유체투과율 해석...418
• (가) 실험적 관계식을 이용한 방법...419
• (나) 통계적 회귀분석(Statistical regression) 방법...419
• (3) 인공신경망(Artificial neural networks) 해석기법...422
• (4) 기초 물성 측정실험 결과 해석용 S/W 개발...422
• 3. 생산기법 연구...426
• 가. 치환기법을 이용한 가스하이드레이트 생산 기술...426
• (1) 액상 $CO_2$를 이용한 균질 $CH_4$ 하이드레이트 치환...427
• (가) 연구 방법...427
• (나) 연구 결과...427
• (2) 균질 $CH_4$ 하이드레이트층에서의 배가스 치환 공정 모사...431
• (가) 실험 방법...432
• (나) 실험 결과...432
• 나. 열자극 생산기법...440
• (1) 실험 장비 설계 및 제작...440
• (가) 다공성 매질...441
• (나) 코어홀더...442
• (다) 온도측정 센서 (RTD Sensor)...442
• (라) 정량주입펌프 (Injection Pump)...442
• (마) 역압력조절기 (Back Pressure Regulator)...442
• (바) 온습도 조절기 (Temp. & Humid Chamber)...444
• (사) 컨트롤 박스 (Control Box)...444
• (아) 히터 (Heater)...444
• (2) 하이드레이트 형성 및 해리실험 결과 분석...444
• (가) 하이드레이트 평형조건 측정실험...444
• (나) Annealing을 통한 가스하이드레이트 형성실험...446
• 다. 열염수 주입기법...449
• (1) 실험 시스템...449
• (2) 실험 방법...450
• (가) 미고결 다공성 시료의 제작...450
• (나) 메탄 하이드레이트의 형성...451
• (다) 상대유체투과율 측정...451
• (3) 연구 결과...453
• (가) 실험 조건...453
• (나) 회수율 곡선 분석...454
• (다) 상대유체투과율 곡선 분석...455
• 4. 전산모사 연구...461
• 가. 연구 사례...461
• (1) 연구 사례 연구...461
• (2) 하이드레이트 개발 모사 모델...462
• (가) MH-21 HYDRES...462
• (나) TOUGH-Fx/Hydrate...462
• (다) 기타...462
• 나. TOUGH-Fx/Hydrate 모델 적용...464
• (1) 개요...464
• (2) 지배방정식...465
• (가) 조성 및 상...465
• (나) 질량 및 에너지 보전방정식...466
• (다) 질량 축적항...466
• 다. 적용 사례 연구...467
• (1) 평형 및 운동 상태에서의 열주입...467
• (2) 2차원 시스템에서 평형상태 하이드레이트 해리...469
• 제 6 절 파급효과 분석...472
• 1. 연구의 개요...472
• 2. 신재생에너지의 개발 현황...473
• 가. 신.재생에너지의 개념...473
• 나. 세계 신.재생에너지 현황 및 정책...474
• 다. 국내 신.재생에너지의 현황 및 정책...476
• (1) 국내 신.재생에너지 현황...476
• (2) 국내 신.재생에너지 정책...477
• 3. 지속가능한 발전을 위한 신재생에너지 R&D 평가틀 구축...480
• 가. 평가틀 체계...480
• 나. 분석 방법론(가중치설정 기법)...481
• (1) AHP의 이론...483
• (가) 비교행렬 및 가중치 산정...483
• (나) 일관성 검증(consistency test)...486
• 다. 평가항목 및 지표 선정...487
• (1) 1차 평가항목 선정...487
• (2) 평가항목에 대한 전문가 자문...488
• (3) 최종 평가항목...488
• 라. 가중치 선정과정...491
• 마. 결과 및 정리...491
• 4. 에너지원별 기초평가...493
• 가. 정책성...493
• (1) 에너지 안보성(개발가능량)...493
• 나. 경제성...494
• (1) 생산비...494
• (2) 이산화탄소저감효과...496
• (3) 기술이전효과 - 시장규모...497
• (4) 수요처 다양성...499
• 라. 사회적 지속성...500
• (1) 에너지접근성 확대...500
• (2) 지역 지원성...500
• (3) 국내 적용성(에너지 밀도)...501
• 마. 기술성...502
• (1) 기술수준...502
• (2) 기술개발 리스크...503
• 5. 맺음말...503
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...523
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...525
• 제 6 장 참고문헌...527