가스하이드레이트 교호 퇴적층 내 감압에 따른 생산성 전산분석

Abstract

가스하이드레이트는 천연가스와 물 분자의 물리적 결합에 의해 형성된 고체 상태의 결정으로 전 세계적으로 영구동토층이나 심해퇴적층에 광범위하게 분포하고 있다. 또한 연소 시 이산화탄소를 적게 배출하는 친환경적인 특징을 가지고 있어 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 가스하이드레이트는 주로 감압법을 적용하여 퇴적층 내 압력을 낮춰 고체 상태의 결정을 해리시켜 생산한다. 이에 감압법 적용에 따른 생산 효율 분석 연구가 수행되고 있으며, 국내에서도 동해 울릉분지 가스하이드레이트를 개발하기 위해 다양한 실험 및 전산분석 연구가 진행되고 있다. 하지만 가스하이드레이트 해리는 물질 전달과 열 전달이 복합적으로 발생하는 현상이므로 실험실 규모의 결과를 바탕으로 하여 교호 퇴적층 구조 및 확장된 현장 규모에서 해석이 요구된다. 또한 공저압과 감압율과 같은 감압조건에 따라 생산 경향 및 해리유동이 상이해 질 수 있으므로, 가스하이드레이트 개발을 위해서는 퇴적층 내 감압조건이 생산성에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 동해 울릉분지 조건을 반영한 전산수치 모델을 구축하여 가스하이드레이트 교호 퇴적층 내 감압조건에 따른 생산성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 현장 규모의 전산수치 모델을 이용하여 공저압과 감압율 별 산출량 및 해리유동 비교･분석을 통해 감압조건이 생산성에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 공저압이 낮고 감압율이 클수록 압력 전파 영향 반경 및 가스하이레이트 해리영역이 크게 나타나 생산율 및 누적생산량이 증가하였다. 감압 생산 시 가스하이드레이트 교호 퇴적층 내에서 감압율은 가스하이드레이트 생산 초기에 영향이 크게 나타나며 공저압에 따라 최종 가스생산량이 상이해 질 수 있음을 파악하였다. 또한 연구지역의 생산성을 향상시킬 수 있는 방안을 파악하고자 다중생산정에 대한 전산수치해석을 수행하였다. 그 결과 다중생산정 적용 시 단일생산정보다 압력 전파 영향 반경 및 해리영역이 넓어져 가스생산량이 높게 나타났으며, 다중생산정 간격에 따라 해리유동이 상이하게 나타나 가스생산량에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 향후 이 연구결과는 국내 가스하이드레이트 개발 시 감압조건에 따른 생산성 분석에 활용 가능할 것이다.|Gas hydrates are solid crystals formed by the physical combination of natural gas and water molecules, and are widely distributed in permafrost and deep sea sediments around the world. In addition, it has an eco-friendly feature that emits less carbon dioxide during combustion, making it a popular future energy source. Gas hydrates are mainly produced by depressurization, applying a reduced pressure in the sediments layer to dissociate the solid state crystals. Production analysis studies about depressurization are in progress and various experiments and numerical analyses are also conducting in domestic to develop gas hydrates of the Ulleung Basin in the East Sea. However, since gas hydrate dissociation is a combination of mass transfer and heat transfer, analyses are required in multi layered sediments structures and extended field scales based on laboratory-scale results. For gas hydrate development, understanding the effects of depressurization conditions on productivity is needed because the production tendency and dissociation behavior could be differ by the depressurization conditions such as bottom hole pressure and depressurization rate. In this study, a numerical model was constructed to reflect the conditions of the Ulleung Basin in the East Sea to investigate the productivity in the multi layered gas hydrate bearing sediments according to the depressurization conditions. The effect of depressurization conditions on productivity was verified by comparing and analyzing the production and dissociation behavior according to various bottom hole pressure and depressurization rates using the field-scale numerical model. As the bottom hole pressure went lower and the depressurization rate went higher, the radius of pressure propagation effect and the dissociation area were widened, and thus the production rate and cumulative production increased. During the depressurization production in the multi layered gas hydrate bearing sediments, it was found that the depressurization rate was highly affected at the beginning, and the final gas production could be different depending on the bottom hole pressure. In addition, numerical analysis of multi production wells was conducted to identify the ways to improve the productivity in the study area. As a result, when the multi production wells were applied, the gas production increased since the radius of pressure propagation effect and dissociation area were wider than the single well. It was confirmed that dissociation behavior were different due to the interval between multi production wells and thus affected the gas production. In the future, the results in this study could be used for productivity analysis according to depressurization conditions in the development of domestic gas hydrate.