중규모 가스하이드레이트 생산모사 실험시스템의 해리유동 전산 분석 연구

Abstract

가스하이드레이트는 천연가스가 저온, 고압 조건에서 물 분자와 물리적으로 결합하여 형성된 고체 상태의 결정으로, 주 구성 성분인 메탄은 연소 시 석유, 석탄과 같은 일반적인 석유자원에 비해 상대적으로 이산화탄소를 적게 배출하는 친환경적인 특성을 가지고 있어 청정 에너지원으로 각광을 받고 있다. 미국, 캐나다, 중국, 일본 등 여러 국가에서 가스하이드레이트 개발을 위한 연구가 진행 중에 있으며, 국내의 경우 2007년에 동해 울릉분지 1차 시추(UBGH1)와 2010년 2차 시추(UBGH2)를 수행하였다. 또한 시추자료를 바탕으로 코어유동실험을 수행하여 감압법을 이용하여 해리거동을 파악하였으며, 시험생산 후보지의 전산수치 해석모델을 구축하여 전산수치 해석을 수행하였다. 그러나 가스하이드레이트 해리는 물질전달과 열전달이 복합적으로 작용하는 현상으로 코어 스케일에서는 열전달이 해리에 큰 영향을 미치지만 현장 스케일에서는 물질전달이 큰 영향을 미친다. 따라서 코어 스케일에서의 연구 결과를 곧바로 가스하이드레이트 현장 시험생산에 적용하는 것은 한계가 있다. 최근 이러한 문제점을 극복하고자 한국지질자원연구원에서 동해 울릉분지 환경을 모사한 중규모 가스하이드레이트 생산모사 실험시스템에서 연구를 수행하였으며, 현장 시험생산 후보지의 가스하이드레이트 개발·생산 계획 수립을 위해 실험시스템 내 다양한 생산조건에서 해리거동을 파악하는 것이 필요하다.

따라서 이 연구에서는 현장 적용성 확장을 위해 수행된 중규모 가스하이드레이트 생산모사 실험시스템에 대한 전산수치 모델을 구축하여 유체의 유동과 관련된 변수를 변화시켜 실험결과와 전산수치 해석결과를 비교·검증하고자 하였다. 또한 다양한 가스하이드레이트 함유 퇴적층의 물성 변화에 따른 민감도 분석을 수행하여 중규모 가스하이드레이트 생산모사 실험시스템 내 해리거동을 파악하고자 하였다.

With increasing energy demands and environment problems, gas hydrate may serve as a potentially important resources of future energy requirements. Gas hydrate is solid clathrate compound in which a large amount of methane is trapped with in a crystal structure of water. Depressurization method can be considered to the most productive and effective method for gas hydrate production because gas may be continuously produced.

There are many researches and expeditions to develop the gas hydrate in USA, Canada, China and Japan. In Korea, the first Ulleung Basin Gas Hydrate drilling expedition(UBGH1) was performed in 2007 and the second Ulleung Basin Gas Hydrate drilling expedition(UBGH2) was performed in 2010 at the locations that have high potential gas hydrate bearing sediments in Ulleung basin, East Sea of Korea. Based on this expeditions, numerical simulation has been performed by considering the experiment of the gas hydrate production in core scale. However, it is limited to immediately apply to field production test using the result of core scale because the researches related to the productivity and stability are insufficient during the gas hydrate production. Therefore, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources(KIGAM) experimented with the Mesoscale Gas Hydrate Production Simulation Experimental System to solve this problems. It is necessary to analyze the results of the experiment with the numerical simulation for applying to field production test.

In this study, numerical simulation model, reflecting the Mesoscale production simulation system, has been made for the extension of the field applicability and verified by comparing experimental and simulation results. The parameters related to fluid flow are changed and simulation results of the dissociation behavior are compared to the experimental result. Also. sensitivity of the sediments properties has been analyzed to predict gas, water production and flow behavior by gas hydrate dissociation.