KR102017658B1

KR102017658B1 - Method for improving CO₂injectivity in underground storage using nano particles

Info

Publication number: KR102017658B1
Application number: KR1020170120202A
Authority: KR
Inventors: 박용찬; 서영진; 이승우
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-09-03
Also published as: KR20190031926A; AU2018101151A4

Abstract

본 발명은 이산화탄소를 지중에 저장하기 위한 CCS 기술에 관한 것이며, 특히 이산화탄소의 주입성을 향상시키기 위한 기술이다. 본 발명에서는 이산화탄소를 본격적으로 주입하기에 앞서 나노 입자를 포함하는 나노 유체를 저장층에 미리 주입함으로써, 저장층 내 잔류수포화도를 저감시키며, 결과적으로 이산화탄소의 상대유체투과율을 향상시킨다. 이를 통해 저장층 내 이산화탄소의 주입성 및 저장성이 향상된다. The present invention relates to a CCS technology for storing carbon dioxide in the ground, and in particular, to improve the injection properties of carbon dioxide. In the present invention, the nanofluid containing nanoparticles is pre-injected into the storage layer prior to full-scale injection of carbon dioxide, thereby reducing the degree of residual saturation in the storage layer and consequently improving the relative fluid permeability of the carbon dioxide. This improves the injection and storage of carbon dioxide in the storage layer.

Description

Method for improving CO₂injectivity in underground storage using nano particles}

본 발명은 이산화탄소를 육상 또는 해저 지하 심부의 개발 완료된 유전, 가스전 또는 대수층 등을 이용하여 저장하는 지중 가스 저장기술에 관한 것으로서, 특히 지중 대수층에 이산화탄소의 주입성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an underground gas storage technology for storing carbon dioxide using developed oilfields, gas fields, or aquifers in deep underground water or undersea, and more particularly, to a method for improving the injectability of carbon dioxide into underground aquifers.

지구온난화를 일으키는 온실가스는 메탄, 프레온가스, 이산화탄소 등 그 종류가 다양하지만, 이산화탄소는 전체 온실가스에서 차지하는 비중이 80%로 가장 클 뿐만 아니라 유일하게 규제 가능한 가스(controlable gas)이다. 즉, 온실가스 문제는 주로 이산화탄소의 저감에 초점이 맞춰져 있다.There are various kinds of greenhouse gases that cause global warming, such as methane, freon gas, and carbon dioxide, but carbon dioxide is the largest and only controllable gas (80%) in total greenhouse gas. In other words, the greenhouse gas problem is mainly focused on the reduction of carbon dioxide.

이산화탄소 감축기술의 하나로서 최근 CCS(Carbon Capture & Storage)에 대한 기대가 증가하고 있다. 특히 국제에너지기구(IEA)에 의하면 2050년에는 이산화탄소 감축량 중 19%인 년간 약 92억톤의 이산화탄소를 CCS 기술이 담당해야 하는 것으로 분석되었다. 실증 또는 상용화 규모라 부를 수 있는 CCS프로젝트가 현재 전 세계에서 4개 정도만 가동되고 있지만, 계획 중인 프로젝트는 약 300개 정도이며, 2050년에는 3500개 이상의 프로젝트가 필요하다는 예측도 나와 있다.As one of carbon dioxide reduction technologies, expectations for carbon capture & storage (CCS) have increased recently. In particular, according to the International Energy Agency (IEA), CCS technology is responsible for about 9.2 billion tonnes of CO2 per year, which is 19% of CO2 reduction in 2050. There are only four CCS projects in the world, which can be called demonstration or commercial scale, but there are about 300 projects planned, and more than 3,500 projects are expected in 2050.

CCS의 저장분야인 지중저장기술은 발전소 등에서 포집된 이산화탄소를 육상 또는 해저 지하의 심부에 반영구적으로 저장시키는 기술로서 지질학적 환경에 따라 유전, 가스전, 대수층 등이 주요 저장소이다. 저장소를 결정할 때 가장 중요한 조건으로는 적어도 800m 이상 심부 지역이어야 하며, 저류암(저장층)은 공극률과 투과율이 커야하고 그 상부에는 주입된 이산화탄소가 지상으로 누출되지 않는 불투수층(상부 덮개암)이 존재해야 한다.Underground storage technology, which is a storage area of CCS, is a technology that semi-permanently stores carbon dioxide captured from power plants, such as on the ground or under the sea floor. The main storage is oil field, gas field, and aquifer, depending on geological environment. The most important condition when deciding the reservoir should be at least 800m deep, and the reservoir (storage layer) should have high porosity and permeability, and there is an impermeable layer (upper cover cancer) in which the injected carbon dioxide does not leak to the ground. Should be.

CCS의 성공을 위해서는 대규모 저장이 가능한 대용량 심부 저장층의 확보와 함께 저장층의 주입성이 매우 중요하다. 대용량의 저장층 확보 및 주입성은 모두 잔류수포화도와 관계가 있다. For the success of CCS, the injection of the storage layer is very important along with securing a large deep storage layer capable of large-scale storage. Both the storage capacity and the implantability of the large-capacity storage layer are related to residual saturation.

즉, 대용량 저장층이란 이산화탄소가 저장될 수 있는 공간이 크다는 것을 의미하는데, 이를 위해서는 저장층 자체의 볼륨도 커야 하지만, 저장층을 이루는 암석의 공극률도 커야 한다. 또한, 공극 내 잔류수포화도가 낮아야 한다. 저장층을 이루는 암석의 공극에는 이산화탄소를 계속적으로 주입해도 이산화탄소에 의하여 완전히 포화되지 않고 얼마간의 물이 남아 있게 되는데 이를 잔류수포화도(irreducible water saturation)라고 한다. 잔류수포화도가 높다는 것은 이산화탄소가 채워질 수 있는 공간이 적어진다는 것을 의미하므로 실제 저장 공간이 줄어들게 된다. 또한, 저장층 내 투과성은 포화도(saturation)와 관계되는데, 예컨대 공극에 이산화탄소의 포화도가 올라갈수록 이산화탄소의 투과성이 향상되며, 반대의 경우 투과성이 저하된다. 잔류수포화도가 높아지면 상대적으로 이산화탄소의 포화도가 낮아지므로 이산화탄소의 투과성 저하로 이어진다. 투과성이 낮아지면 주입성도 함께 낮아지므로 CCS 사업 전체의 경제성에도 바람직하지 않다. 결국, 대용량 저장층의 확보와 이산화탄소의 주입성 증대는 모두 저장층 내 공극의 잔류수포화도와 깊게 연관된다. That is, the mass storage layer means that the space for storing carbon dioxide is large. For this purpose, the volume of the storage layer itself must be large, but the porosity of the rock constituting the storage layer must be large. In addition, the degree of residual saturation in the voids should be low. Continuously injecting carbon dioxide into the pores of the rocks forming the storage layer does not completely saturate by the carbon dioxide, but some water remains. This is called irreducible water saturation. High residual saturation means less space for carbon dioxide to be filled, and thus the actual storage space is reduced. In addition, permeability in the storage layer is related to saturation. For example, as the saturation of carbon dioxide increases in the pores, the permeability of carbon dioxide is improved, and vice versa. Higher residual saturation results in lower saturation of carbon dioxide, leading to lower permeability of carbon dioxide. Lower permeability also lowers the implantability, which is undesirable for the overall economy of the CCS project. As a result, both securing a large storage layer and increasing the injectability of carbon dioxide are deeply related to the residual saturation of the pores in the storage layer.

대수층은 친수성(water-wet)을 보이는데 대부분 잔류수포화도가 50% 근처로 높고 상대유체투과도(relative permeability)는 낮은 양상을 보인다고 보고되고 있다. 그리고 발명자가 암석코어에 대하여 수행한 실험에서도, 도 1의 표에 나타난 바와 같이, 암석코어는 매우 높은 잔류수포화도와 낮은 상대유체투과도(krCO₂)를 보이고 있다. Aquifers are hydrophilic (water-wet), most of which have been reported to have high residual saturation of around 50% and low relative permeability. In the experiments performed by the inventors on the rock cores, the rock cores show very high residual saturation and low relative fluid permeability (krCO ₂ ).

이상에서 설명한 바와 같이, 저장층의 잔류수포화도가 높을 경우 저장층의 용량저하를 나타낼 뿐만 아니라, 상대유체투과도도 저하시켜 이산화탄소의 주입성에 부정적인 영향을 미치게 된다. As described above, when the residual saturation degree of the storage layer is high, not only does the capacity of the storage layer be lowered, but also the relative fluid permeability is lowered, thereby adversely affecting the injectability of carbon dioxide.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소가 주입되는 주입정 주변에서 저장층의 잔류수포화도를 저감시켜 저장층 전체에 대한 이산화탄소의 주입성을 향상시키기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a method for improving the injectionability of carbon dioxide into the entire storage layer by reducing the residual saturation degree of the storage layer around the injection well in which carbon dioxide is injected. .

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 지중 가스 저장층의 주입성 향상방법은, (a)지중의 가스 저장층까지 연결되어 있는 주입정을 통해 상기 저장층의 잔류수포화도를 낮추도록, 나노 입자를 포함하는 나노 유체를 주입하는 단계; 및 (b)상기 (a)단계 후 상기 저장층에 이산화탄소를 주입하여 저장하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 (b)단계에서 이산화탄소를 주입함에 따라, 상기 (a)단계 완료 후에 상기 저장층의 공극을 채우고 있던 상기 나노 유체와 물은 함께 배출되어 상기 주입정 주변의 잔류수포화도가 낮아짐으로써 상기 저장층의 이산화탄소 주입성이 향상되는 것에 특징이 있다. In order to solve the above object, the method for improving the implantability of the underground gas storage layer according to the present invention includes: (a) reducing the degree of residual saturation of the storage layer through an injection well connected to the underground gas storage layer. Injecting a nanofluid comprising a; And (b) injecting and storing carbon dioxide in the storage layer after the step (a). As the carbon dioxide is injected in the step (b), the storage layer after the completion of the step (a). The nano-fluid and the water filling the pores of the is discharged together, the residual saturation degree around the injection well is characterized in that the carbon dioxide injection of the storage layer is improved.

본 발명에 따르면, 상기 나노 유체는 나노 입자와 물을 혼합된 형태이며, 특히 상기 나노 입자는 100nm 이하의 입도를 가지는 것이 바람직하다. According to the present invention, the nanofluid is in the form of a mixture of nanoparticles and water, and in particular, the nanoparticles preferably have a particle size of 100 nm or less.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 나노 입자는 TiO₂, ZnO, FeO, Al₂O₃, CaO 중 적어도 어느 하나의 금속 산화물일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the nanoparticles may be at least one metal oxide of TiO ₂ , ZnO, FeO, Al ₂ O ₃ , CaO.

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또한, 상기 나노 입자는 석탄재를 포함하는 광물계 나노 클레이 또는 SiO2 중 어느 하나를 사용할 수 있다. In addition, the nanoparticles may use any one of mineral nanoclay or SiO2 including coal ash.

본 발명에서 상기 나노 입자는 에멀젼 형태로서, 폴리머 및 계면활성제 중 적어도 어느 하나가 더 혼합된 것이 바람직하다. In the present invention, the nanoparticles are in the form of an emulsion, preferably at least one of a polymer and a surfactant is further mixed.

본 발명에서는 이산화탄소 저장층에서 주입정 주변의 잔류수포화도를 낮춤으로써 주입정 주변의 이산화탄소 상대투과율을 향상시켜, 저장층 전체에서의 이산화탄소 주입성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. In the present invention, by reducing the residual saturation degree around the injection well in the carbon dioxide storage layer has the advantage that the relative permeability of the carbon dioxide around the injection well can be improved, thereby improving the carbon dioxide injection in the entire storage layer.

도 1은 암석코어 시료에 대한 상대유체투과도 실험의 결과를 나타낸 표이다.
도 2는 상대유체투과율 측정할 때의 주입되는 물과 이산화탄소의 함량비를 나타낸 표이다.
도 3은 도 2의 조건으로 유체들을 코어시료에 주입한 경우의 이산화탄소 포화도, 물과 이산화탄소의 상대투과도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장층의 주입성 향상방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 대한 시뮬레이션에 사용한 저장층의 평면도(도 5) 및 단면도(도 6)이다.
도 7은 나노 유체를 주입하지 않은 경우(실선) 주입한 경우(점선)의 이산화탄소의 포화도 및 상대유체투과도를 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9는 나노 유체의 선행 주입 여부에 따라 이산화탄소의 주입시 주입정의 바닥 압력(도 8) 및 이산화탄소의 누적 주입량(도 9)을 나타낸 그래프이다. 1 is a table showing the results of a relative fluid permeability experiment for a rock core sample.
Figure 2 is a table showing the content ratio of water and carbon dioxide injected when measuring the relative fluid permeability.
3 is a graph showing the carbon dioxide saturation, the relative permeability of water and carbon dioxide when the fluids are injected into the core sample under the conditions of FIG. 2.
4 is a view for explaining a method of improving the injectability of the underground gas storage layer according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are a plan view (FIG. 5) and a cross-sectional view (FIG. 6) of the storage layer used in the simulation for the present invention.
7 is a graph showing the saturation and relative fluid permeability of carbon dioxide when the nanofluid is not injected (solid line) and injected (dashed line).
8 and 9 are graphs showing the bottom pressure of the injection well (FIG. 8) and the cumulative injection amount of carbon dioxide (FIG. 9) upon injection of carbon dioxide depending on whether the nanofluid is injected beforehand.

본 발명은 이산화탄소 포집 및 지중 저장 시스템(이하, "CCS"라 한다)에서 이산화탄소의 주입성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다. CCS가 성공적으로 운용되기 위해서는 앞에서도 설명하였듯이 대용량의 저장층과 원활한 주입성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 본 발명은 지중 저장층의 주입성 향상을 위한 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for improving the injectability of carbon dioxide in a carbon dioxide capture and underground storage system (hereinafter referred to as "CCS"). In order to successfully operate CCS, as described above, it is very important to have a large storage layer and smooth injection. The present invention provides a method for improving the implantability of the underground storage layer.

지중 저장층의 구조에 대해서 간략하게 설명한다. The structure of the underground storage layer will be briefly described.

저장층은 사암과 같이 주로 공극이 발달되어 있는 암석으로 이루어진 지층이다. 이러한 저장층은 매트릭스(암석)과 공극으로 이루어진다. 공극은 다시 상대적으로 큰 공극과 작은 공극으로 나눌 수 있으며, 모든 공극은 물로 포화되어 있는 것이 일반적이다. 저장층 내 물로 포화되어 있는 공극이 CCS에서 이산화탄소를 저장하는 공간이 된다. 주입정을 통해 이산화탄소를 고압으로 주입하면, 이산화탄소가 공극을 따라 이동하면서 물을 밀어내고 공극에 저장된다. The reservoir is a strata composed of rocks with large pores, such as sandstone. This storage layer consists of a matrix (rock) and pores. The pores can be further divided into relatively large pores and small pores, all of which are generally saturated with water. The voids saturated with water in the storage layer become the space for storing carbon dioxide in the CCS. When carbon dioxide is injected at a high pressure through an injection well, carbon dioxide moves along the pores, pushes out water, and is stored in the pores.

이산화탄소의 주입성은 아래의 식으로 나타낼 수 있다. The injectability of carbon dioxide can be expressed by the following equation.

I ∝ A·ΔP·(k_rCO2·k)I ∝ A · ΔP · (k _rCO2 · k)

여기서, I는 주입성(volume/time), A는 주입정과 지층의 접촉면적, ΔP는 저장층의 압력과 주입 압력의 차이, k_rCO2는 이산화탄소의 상대유체투과도, k는 절대투과도이다. Where I is the injection volume (volume / time), A is the contact area between the injection well and the strata, ΔP is the difference between the storage layer pressure and injection pressure, k _rCO2 is the relative fluid permeability of carbon dioxide, and k is the absolute permeability.

즉, 주입성이란 이산화탄소 가스가 단위 시간당 얼마나 많은 양이 주입될 수 있는지에 관한 것이다. 여기서 중요한 항목은 이산화탄소의 상대유체투과도이다 즉, 주입정과 지층 사이의 접촉면적은 주입정의 크기에 의존하는 것이고 압력차이 역시 주입 압력의 세기에 의존하는데, 이들은 경제성의 관점에서 설계에 의해 최적화되는 사항이다. 절대투과도는 지층의 고유한 물성에 관한 것이므로 주입성에 큰 영향을 미치지 않는다. 결국 주어진 조건(주입정의 크기, 주입압력)에서 이산화탄소의 주입성을 증대시키려면 이산화탄소의 상대유체투과도를 증가시키는 것이 핵심요소이다. In other words, implantability refers to how much carbon dioxide gas can be injected per unit time. An important item here is the relative fluid permeability of carbon dioxide, ie the contact area between the injection well and the strata depends on the size of the injection well and the pressure difference also depends on the strength of the injection pressure, which is optimized by design from an economic point of view. . Absolute permeability is related to the inherent physical properties of the strata and does not significantly affect the implantability. After all, increasing the relative fluid permeability of carbon dioxide is a key factor in increasing the carbon dioxide implantability under given conditions (injection well size, injection pressure).

상대유체투과도(또는 상대유체투과율)를 설명한다. Describe the relative fluid permeability (or relative fluid permeability).

암석(저장층) 내 유체의 투과율은 절대투과율, 유효투과율 및 상대유체투과율로 구분된다. 절대투과율이란 단상(single phase)의 유체가 암석을 통해 유동할 때의 흐름의 용이도에 관한 것이며, 유효투과율이란 물과 오일, 물과 기체 등과 같이 복수의 유체(multi phase)가 함께 암석을 통해 유동할 때의 각 성분의 흐름 용이도에 관한 것이며, 또한 상대유체투과율이란 절대투과율에 대한 각 성분의 유효투과율의 비로 나타낸다. Permeability of fluid in rock (storage layer) is divided into absolute permeability, effective permeability, and relative fluid permeability. Absolute permeability refers to the ease of flow when a single phase fluid flows through a rock. Effective permeability refers to multiple phases such as water, oil, water, and gas. It relates to the ease of flow of each component when flowing, and the relative fluid permeability is expressed as the ratio of the effective permeability of each component to the absolute permeability.

저류암 내에 단상의 유체만 존재할 경우 이 유체의 흐름을 절대투과율만으로 나타낼 수 있지만, 대부부의 저류암에는 2상 이상의 유체가 존재하며 이들은 서로의 흐름에 영향을 미치기 때문에 복수의 유체의 흐름을 나타내기 위한 상대유체투과율 개념이 반드시 필요하다. If only one phase of fluid is present in the reservoir, the flow of this fluid can be represented by absolute transmittance only. However, most of the reservoir has two or more phases of fluid, and they represent the flow of plural fluids because they affect each other's flow. The concept of relative fluid transmittance is essential to betting.

상대유체투과율은 저류암 내 해당 유체의 포화율과 비례하며, 유체(기체)의 포화율은 잔류수포화도(물과 기체가 유동한다고 가정할 때)에 의하여 큰 영향을 받는다. The relative fluid permeability is proportional to the saturation rate of the corresponding fluid in the reservoir, and the saturation rate of the fluid (gas) is strongly influenced by the residual saturation (assuming water and gas flow).

이산화탄소와 물이 저장층에서 유동된다고 가정하여 이 저장층에 대한 암석 코어시료의 잔류수포화도와 상대유체투과율을 측정하는 실험을 도 2 및 도 3의 표를 참고하여 설명한다. 도 2는 상대유체투과율 측정할 때의 주입되는 물과 이산화탄소의 함량비를 나타낸 표이며, 도 3은 도 2의 조건으로 유체들을 코어시료에 주입한 경우의 이산화탄소 포화율, 물과 이산화탄소의 상대투과율을 나타낸 그래프이다. Assuming that carbon dioxide and water flow in the storage bed, an experiment for measuring residual saturation and relative fluid permeability of the rock core sample for the storage bed will be described with reference to the tables of FIGS. 2 and 3. Figure 2 is a table showing the content ratio of water and carbon dioxide injected when the relative fluid permeability is measured, Figure 3 is the carbon dioxide saturation rate, relative permeability of water and carbon dioxide when the fluids are injected into the core sample under the conditions of FIG. Is a graph.

실험에서는 먼저 코어시료에 대하여 건조, 가열 및 부압을 인가하여, 코어시료 내부의 공극을 완전하게 진공으로 만든 상태에서 이 공극을 물(염수, brine)로 완전히 포화시킨다. 공극은 완전히 물로 채워진 상태가 된다. 이러한 상태에서, 도 2의 표에 나타난 것처럼, point1 ~ point5까지 일정 시간 간격으로 물과 이산화탄소의 상대 주입량을 변경해가면서 코어시료에 유체들을 주입한다. 즉, 코어시료가 완전히 물로 포화된 조건에서, point1 시점에서는 물만 0.8cc 주입하고 이산화탄소는 주입하지 않았으며, point2부터 point4까지 이산화탄소의 양을 점차 늘려가면서 주입하였고, point5에서는 물은 주입하지 않고 이산화탄소만 주입하였다. 그리고 각 포인트에서 각 유체의 상대유체투과율을 구하였고 이산화탄소의 포화율을 측정하여, 도 3의 상대유체투과율 그래프로 나타냈다. 지금까지 이산화탄소의 포화율을 측정하는 것으로만 설명하였으나, 코어시료의 공극은 이산화탄소와 물에 의하여 포화되어 있으므로, 코어시료 내의 이산화탄소의 포화율이 0.2라면 역으로 물의 포화율은 0.8이 되는 것이므로, 도 3의 그래프에서 X축 좌표를 이산화탄소 또는 물 어느 것으로 상정해도 된다. 다만, 2개의 유체 중 습윤도(wettability)가 상대적으로 높은 유체의 포화율을 기준으로 하는 것이 일반적이다. In the experiment, the core sample is first dried, heated, and negative pressure is applied to completely saturate the voids with water (brine) while making the voids inside the core sample completely vacuum. The voids are completely filled with water. In this state, as shown in the table of FIG. 2, the fluids are injected into the core sample while changing the relative injection amounts of water and carbon dioxide from point 1 to point 5 at regular intervals. That is, under the condition that the core sample was completely saturated with water, 0.8cc of water was injected at the point 1 and no carbon dioxide was injected.Increasing the amount of carbon dioxide from point 2 to point 4 was gradually increased. Injected. In addition, the relative fluid permeability of each fluid at each point was obtained, and the saturation rate of carbon dioxide was measured. The relative fluid permeability graph of FIG. Until now, only the saturation rate of carbon dioxide has been described. However, since the pores of the core sample are saturated with carbon dioxide and water, if the saturation rate of carbon dioxide in the core sample is 0.2, the saturation rate of water is 0.8. In the graph of 3, the X-axis coordinate may be assumed to be carbon dioxide or water. However, the wettability of the two fluids is generally based on a relatively high saturation rate of the fluid.

도 3의 그래프를 참고하면, 코어시료를 완전히 진공으로 만든 상태에서 이산화탄소는 전혀 주입하지 않고 물만 주입한 경우 물의 상대투과율은 1이다. 그러나 이산화탄소의 양을 증가시켜 가면 이산화탄소의 상대투과율은 점차 높아지고 물의 상대투과율은 점차 하강하게 된다. Referring to the graph of FIG. 3, the relative transmittance of water is 1 when water is injected without carbon dioxide injected at all while the core sample is completely vacuumed. However, as the amount of carbon dioxide is increased, the relative transmittance of carbon dioxide gradually increases, and the relative transmittance of water gradually decreases.

point5의 지점에서는 물은 전혀 주입하지 않고 이산화탄소 가스만 주입하므로, 이 지점에서는 point1의 지점과 반대로 이산화탄소의 상대투과율이 1, 물의 상대투과율 0, 그리고 코어시료의 이산화탄소 포화율이 1이 되어야 하지만, 도 3의 그래프에 나타난 바와 같이, 코어시료 내 이산화탄소의 포화율은 1이 아니라 0.7정도에 머물고 있다. At the point 5, only carbon dioxide gas is injected without any water. At this point, the relative permeability of carbon dioxide should be 1, the relative permeability of water 0, and the carbon dioxide saturation of the core sample should be 1 as opposed to the point 1, As shown in the graph of 3, the saturation rate of carbon dioxide in the core sample stays at about 0.7, not 1.

즉, 물은 전혀 주입하지 않고 이산화탄소만 계속적으로 주입하는 경우라도 코어시료 내의 공극에는 물이 유착되어 더 이상 배출되지 않는 최소로 잔존하는 양이 있다는 것을 알 수 있다. 이렇게 최소로 잔존하는 물의 포화율을 잔류수포화도라고 한다. That is, even in the case of continuously injecting only carbon dioxide without injecting water at all, it can be seen that there is a minimum amount of water remaining in the pores in the core sample due to coalescence of water and no more discharge. The minimum residual water saturation rate is called residual saturation degree.

point1 지점도 마찬가지다. 즉, 본 실험에서는 처음에 초기화단계를 통해 인위적으로 코어시료 내의 공극을 완전히 진공으로 만들고 물을 채웠으므로, 물의 포화도가 1이 되었다. 그러나 point5의 지점에서 다시 역으로 물의 함량을 늘려가고 이산화탄소의 양을 줄여가는 과정을 통해 최종적으로 물만 100% 주입하는 경우, 원래의 point1지점으로 돌아가지 않고 코어시료 내 물의 포화도는 1미만으로 형성된다. 즉, 물만 100% 주입하는 경우라도 이산화탄소가 코어시료에 유착하여 배출되지 않는 최소량이 잔존한다. 즉, 자연상태의 저류층에서 다상의 유체가 유동될 때 각 유체의 최소 잔존량이 존재하게 되는데 이를 잔류포화도라고 한다. The same is true for point1. In other words, in the present experiment, the initial stage was artificially completely vacuumed the voids in the core sample and filled with water, so the saturation of the water became 1. However, if 100% of water is finally injected through the process of increasing the water content and reducing the amount of carbon dioxide from the point 5 again, the water saturation in the core sample is less than 1 without returning to the original point 1 point. . In other words, even when only 100% of water is injected, the minimum amount of carbon dioxide that adheres to the core sample and is not discharged remains. That is, when the multiphase fluid flows in the natural reservoir, there is a minimum residual amount of each fluid, which is called residual saturation.

잔류포화도는 CCS에서 실질적으로 매우 중요한 의미를 갖는다. 즉, CCS에서 이산화탄소를 저장하고자 할 때 저류층의 잔류수포화도가 낮으면 이산화탄소 주입가능량(저장층의 용량)이 커진다. 또한, 잔류수포화도가 낮으면 도 3의 그래프와 같이 이산화탄소의 포화율이 증가하여 이산화탄소의 상대투과율이 증대된다. 상대투과율의 증대는 이산화탄소의 주입성을 향상시킨다. Residual saturation has a very important meaning in CCS. That is, when the carbon dioxide is to be stored in the CCS, if the residual saturation degree of the storage layer is low, the amount of carbon dioxide that can be injected (capacity of the storage layer) increases. In addition, when the residual saturation degree is low, as shown in the graph of FIG. 3, the saturation rate of carbon dioxide increases, so that the relative transmittance of carbon dioxide increases. Increasing the relative transmittance improves the injectability of carbon dioxide.

정리하면, CCS에서 이산화탄소의 주입성을 향상시키기 위해서는 이산화탄소의 상대투과율을 높여야 하며, 이를 위해서는 저장층의 잔류수포화도를 낮추어야 한다. 또한 잔류수포화도를 낮추면 공극 내 물의 잔류량이 줄어들어 이산화탄소가 저장될 수 있는 볼륨도 커진다. In summary, in order to improve the injectability of carbon dioxide in the CCS, the relative permeability of carbon dioxide should be increased, and the residual saturation degree of the storage layer must be lowered for this purpose. Reducing the residual saturation also reduces the amount of water remaining in the voids, which increases the volume of carbon dioxide stored.

본 발명은 저장층에서의 잔류수포화도를 낮추고 이산화탄소의 상대유체투과도를 증대시킴으로써 이산화탄소의 주입성을 증대시키는 방법을 제공하고자 한다. 다만, 한가지 고려할 점은 저장층 전체가 아니라 주입정 주변에서만 이산화탄소의 상대유체투과도를 증대시키고 잔류수포화도를 낮추는 것을 목표로 한다. 주입정 주변에서만 주입성을 개선하는 것을 통해 저장층 전체에서의 이산화탄소 주입성 향상이 일정 범위에서 가능하기 때문이다. 즉, 이산화탄소가 주입되는 지점(주입정 주변)에서 이산화탄소는 3차원의 방사형으로 퍼져 나가기 때문에, 주입 지점 근처에서의 투과성이 향상되면 저장층 전체에서의 투과성이 향상될 수 있기 때문이다. The present invention aims to provide a method of increasing the injectability of carbon dioxide by lowering the residual saturation degree in the storage layer and increasing the relative fluid permeability of the carbon dioxide. One point to consider, however, is to increase the relative fluid permeability and reduce residual saturation of carbon dioxide only around the injection well, not the entire reservoir. This is because improving the implantability only in the vicinity of the injection well can improve the carbon dioxide implantability in the entire storage layer within a certain range. That is, since the carbon dioxide spreads in a three-dimensional radial form at the point where the carbon dioxide is injected (periphery of the injection well), if the permeability near the injection point is improved, the permeability in the entire storage layer may be improved.

본 발명에서는 나노 입자를 포합하는 나노 유체를 저장층에 먼저 주입하는 것에 특징이 있다. 즉, 이산화탄소를 본격적으로 주입하기에 앞서 나노 유체를 먼저 주입하여 주입성을 개선한 후 이산화탄소를 주입할 수 있다. 또는 이산화탄소와 나노 유체를 함께 주입하여 주입성을 개선할 수 있다. In the present invention, the nanofluid containing the nanoparticles is first injected into the storage layer. That is, before injecting carbon dioxide in earnest, the nanofluid may be injected first to improve the injection property, and then carbon dioxide may be injected. Alternatively, carbon dioxide and nano fluids may be injected together to improve the implantability.

본 발명에서 사용하는 "나노 입자"란 수 nm 에서 수백 nm의 크기를 갖는 입자를 말하며, 대략 100nm 이하의 크기를 가지는 입자를 말한다. 본 발명에서 나노 입자를 이루는 물질은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 즉, TiO₂, ZnO, FeO, Al₂O₃, CaO 등의 금속 산화물 계열 나노 입자, 석탄재 등과 같은 광물 나노 입자이다. 위의 나노 입자들은 저장층 내 크기가 작은 미세 공극을 통해 유동할 수 있으며, 비표면적이 커서 용매에 대한 분산성이 크다는 이점이 있다. 나노 입자를 저장층에 주입하면, 앞에서 설명한 이산화탄소의 상대유체투과도를 증대시킬 수 있으며, 저장층의 잔류수포화도를 낮출 수 있다. As used herein, the term "nanoparticle" refers to a particle having a size of several nm to several hundred nm, and a particle having a size of about 100 nm or less. In the present invention, the material forming the nanoparticles can be largely divided into three types. That is, mineral nanoparticles such as metal oxide-based nanoparticles such as TiO ₂ , ZnO, FeO, Al ₂ O ₃ , CaO, and coal ash. The nanoparticles can flow through the small pores in the storage layer, and has the advantage that the specific surface area is large, dispersibility in the solvent. When the nanoparticles are injected into the storage layer, the relative fluid permeability of the carbon dioxide described above can be increased, and the residual saturation degree of the storage layer can be lowered.

먼저, 나노 입자는 저장층의 공극을 따라 유동하는 2상 유체, 즉 이산화탄소와 물 사이의 계면장력을 저감시켜 이산화탄소가 작은 공극 내로 침투할 수 있도록 한다. 저장층에는 상대적으로 큰 공극과 작은 공극들이 분포해 있는데, 물과 이산화탄소 사이에 계면장력이 크면 이산화탄소가 큰 공극만을 따라서 유동되고 작은 공극들로 침투하지 못하는 현상이 발생한다. 작은 공극으로 이산화탄소가 침투하여 물과 자리바꿈하지 못하므로 잔류수포화도가 저하되지 않는다. 이산화탄소가 작은 공극을 통해서도 유동함으로써 이른바 'sweep efficiency"를 높이기 위해서는 물과 이산화탄소 사이의 계면장력이 낮아야 한다. 다른 말로 설명하면 모세관 압력으로 설명할 수 있다. 작은 공극 내의 물이 외부로 배출될 수 있도록 하기 위해서는 모세관 압력이 작아야 하는 것과 동일한 이치이다. 나노 입자는 높은 흡착성으로 인하여 저류층 내 유체간 계면장력을 감소시킬 수 있다.First, the nanoparticles reduce the interfacial tension between the two-phase fluid flowing along the pores of the storage layer, that is, carbon dioxide and water, so that carbon dioxide can penetrate into the small pores. In the storage layer, relatively large pores and small pores are distributed. When the interfacial tension between water and carbon dioxide is large, carbon dioxide flows along only the large pores and does not penetrate into the small pores. Small pores do not penetrate carbon dioxide and exchange with water, so residual saturation is not reduced. In order to increase the so-called 'sweep efficiency' as carbon dioxide also flows through small pores, the interfacial tension between water and carbon dioxide must be low. In other words, it can be explained by capillary pressure. This is the same reason that the capillary pressure must be small in order to reduce the interfacial tension between fluids in the reservoir due to the high adsorption.

모세관 측정법을 이용해 합성오일과 나노입자가 포함된 유체 간의 계면장력을 측정하였다. 염수 내 나노입자를 섞게 되면 계면장력이 14.7 mN/m에서 9.3mN/m로 줄어드는 결과를 얻었다. 더욱이 나노 유체의 농도를 0.01 wt%에서 0.05wt%로 늘리자, 계면장력이 9.3 mN/m에서 5.2 mN/m로 줄어드는 결과를 얻었다. 이를 통해 계면장력은 나노유체의 농도에 민감하며, 나노유체의 농도가 증가할수록 계면장력은 감소한다는 결론을 얻었다. 특히 SiO₂를 사용했을 때 계면장력을 가장 많이 감소시켰다. Capillary measurement was used to measure the interfacial tension between synthetic oil and fluid containing nanoparticles. Intermixing the nanoparticles in saline resulted in a decrease in interfacial tension from 14.7 mN / m to 9.3 mN / m. Furthermore, increasing the concentration of nanofluid from 0.01 wt% to 0.05wt% resulted in a decrease in interfacial tension from 9.3 mN / m to 5.2 mN / m. It was concluded that the interfacial tension is sensitive to the concentration of nanofluid and that the interfacial tension decreases as the concentration of nanofluid increases. In particular, when SiO ₂ was used, the interfacial tension was reduced the most.

또한 나노 유체를 통해 저장층 내 암석의 젖음성이 대체(wettability alteration)되어 주입 유체의 상대투과도를 향상시킬 수 있다. 암석의 젖음성(wettability)은 섞이지 않는 두 유체가 경쟁하여 암체 표면에 유체가 흡착되는 성향을 말한다. 젖음성이 물에서 이산화탄소로 대체되면 이산화탄소의 상대투과도가 향상된다. 나노 입자는 높은 흡착성으로 인하여 암체의 젖음성을 대체할 수 있다. 나노 입자의 주입 유체 내 농도가 높을수록, 나노입자의 크기는 작을수록 유리하다. 특히 SiO₂ 나노입자는 탄산염 암 코어에서 발생시키는 젖음성 대체에 사용될 수 있다는 것을 확인하였다. In addition, the wettability of the rock in the storage layer through the nanofluid can be altered to improve the relative permeability of the injected fluid. The wettability of rock refers to the tendency for two non-mixing fluids to compete and adsorb fluid to the surface of the rock. When wettability is replaced with carbon dioxide in water, the relative permeability of carbon dioxide is improved. Nanoparticles can replace the wettability of rock bodies due to their high adsorption properties. The higher the concentration of nanoparticles in the injection fluid, the smaller the size of the nanoparticles is advantageous. In particular, it was confirmed that SiO ₂ nanoparticles could be used to replace the wettability generated in carbonate rock cores.

한편, 나노 입자는 주입 유체의 점성도를 올려 이산화탄소가 작은 공극 내로 유입될 수 있도록 한다. 앞에서도 설명한 바와 같이 주입 유체와 물이 공극을 통해 함께 유동할 때 주입 유체의 유동비(mobility ratio)가 높아지면 주입 유체가 큰 공극을 따라서만 유동함으로써 작은 공극 내로 침투하지 못하는 문제가 발생한다. 이른바 "viscous fingering"이 발생하여 "sweep efficiency"가 감소하는 문제가 생긴다. 이를 방지하기 위해서는 주입 유체의 점성도를 증가시켜 주어야 한다. 나노 입자를 물과 같은 유체와 함께 저장층에 먼저 주입하거나, 또는 이산화탄소와 나노 입자를 함께 주입하는 경우 주입유체의 점도가 올라감으로써 유동비가 저하되어 주입 유체가 작은 공극으로도 유입될 수 있다. Nanoparticles, on the other hand, increase the viscosity of the injection fluid so that carbon dioxide can be introduced into the small pores. As described above, when the injection fluid and the water flow together through the pores, if the flow ratio of the injection fluid becomes high, the injection fluid flows only along the large pores, thereby preventing the infiltration into the small pores. So-called "viscous fingering" occurs, causing the problem of reduced "sweep efficiency". To prevent this, the viscosity of the injected fluid should be increased. When nanoparticles are first injected into a storage layer together with a fluid such as water, or when carbon dioxide and nanoparticles are injected together, the flow rate is lowered by increasing the viscosity of the injection fluid, and thus the injection fluid may be introduced into small pores.

조사 결과에 따르면, 1% 금속산화물 계열의 나노입자를 이산화탄소에 섞은 이산화탄소 나노유체의 점성도는 보통의 이산화탄소에 비해 140배 높은 것으로 조사되었다. 나노입자의 종류 또한 나노입자의 점성도에 영향을 미친다. 같은 농도에서, SiO₂ 나노유체의 점성도가 Al₂O₃ 나노유체의 점성도 보다 높다는 것을 확인하였다. According to the survey results, the viscosity of carbon dioxide nanofluid mixed with carbon dioxide-based nanoparticles of 1% metal oxide was 140 times higher than that of ordinary carbon dioxide. The type of nanoparticles also affects the viscosity of the nanoparticles. At the same concentration, it was confirmed that the viscosity of the SiO ₂ nanofluid was higher than that of the Al ₂ O ₃ nanofluid.

이상에서 설명한 바와 같이, 나노 입자를 이산화탄소와 함께 주입하거나, 또는 이산화탄소를 주입하기 전에 일정한 유체와 함께 나노 입자를 먼저 주입하면, 이산화탄소의 주입성이 개선된다. 즉, 주입 유체의 점도가 상승되며, 물과 주입 유체 사이의 계면장력이 저하되어 저장층의 작은 공극으로도 유체가 유입될 수 있으며, 상대유체투과율이 상승된다. 결과적으로 저장층 내 잔류수포화도는 낮아지고 주입 유체의 상대유체투과율은 상승됨으로써, 주입 유체의 sweep efficiency가 증대된다. As described above, injecting the nanoparticles with carbon dioxide, or injecting the nanoparticles first with a certain fluid before injecting the carbon dioxide, improves the implantability of carbon dioxide. That is, the viscosity of the injection fluid is increased, the interfacial tension between the water and the injection fluid is lowered so that the fluid can be introduced into the small voids of the storage layer, the relative fluid transmittance is increased. As a result, the residual saturation in the storage layer is lowered and the relative fluid permeability of the injected fluid is increased, thereby increasing the sweep efficiency of the injected fluid.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 나노 입자를 CCS 저장층에 주입하는 개념을 개발하였다. 보다 구체적으로 나노 입자를 CCS 저장층에 주입하는 방법에 대하여 설명한다. In the present invention, as described above, the concept of injecting nanoparticles into the CCS storage layer was developed. More specifically, a method of injecting nanoparticles into the CCS storage layer will be described.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장층의 주입성 향상방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a method of improving the injectability of the underground gas storage layer according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 지상으로부터 지하 심부의 저장층(10)까지 주입정(20)이 설치되어 있다. 저장층(10)은 다공성 암질로서 공극률이 매우 크다. 본 발명에서는 먼저 주입정(20)을 통해 저장층(10)의 잔류수포화도를 저하시킬 수 있는 나노 입자를 고압으로 주입한다. 나노 입자는 안정화된 형태인 에멀젼 형태로 형성하여, 물과 혼합하여 주입할 수 있다. 또한, 나노 입자와 함께 계면활성제나 폴리머를 함께 주입하하여 분산성을 향상시킬 수 있다. 나노 입자를 포함하는 유체를 나노 유체라 한다. 나노 유체는 에멀젼 형태의 나노 입자를 물과 혼합하거나, 폴리머나 계면활성제를 더 혼합하거나, 또는 이산화탄소와 혼합하여 제조할 수 있다.Referring to FIG. 4, the injection well 20 is installed from the ground to the storage layer 10 of the underground core. The storage layer 10 is porous rock and has a very large porosity. In the present invention, first, the nanoparticles that can lower the degree of residual saturation of the storage layer 10 are injected at high pressure through the injection well 20. The nanoparticles may be formed in the form of emulsion, which is a stabilized form, mixed with water, and then injected. In addition, dispersibility can be improved by injecting a surfactant or a polymer together with the nanoparticles. Fluids containing nanoparticles are called nanofluids. Nanofluids can be prepared by mixing nanoparticles in emulsion form with water, further mixing polymers or surfactants, or with carbon dioxide.

저장층(10)의 공극은 물로 채워져 있는 상태에서, 나노 유체가 주입됨에 따라 공극에서 일부의 물이 밀려 나가면서 그 자리를 나노 유체가 채우게 된다. 나노 유체는 저장층(10)의 공극을 따라 주입정(20) 주변으로 방사형으로 확산된다. 상기한 바와 같이, 나노 유체를 주입하면 주입정(20) 주변의 저장층(10) 내 공극은 나노 유체와 물에 의하여 포화된 상태가 된다. As the pores of the storage layer 10 are filled with water, as the nanofluid is injected, some of the water is pushed out of the pores and the nanofluid is filled in place. The nanofluid diffuses radially around the injection well 20 along the pores of the storage layer 10. As described above, when the nanofluid is injected, the voids in the storage layer 10 around the injection well 20 are saturated with the nanofluid and water.

상기한 상태에서 주입정(20)을 통해 이산화탄소를 주입하면 나노 유체와 물이 함께 공극으로부터 배출되면서 그 자리를 이산화탄소가 채우게 된다. 주목할 점은 잔류수포화도이다. 나노 유체를 사전에 주입하지 않고 물로 포화되어 있는 상태에서 이산화탄소를 주입하는 경우 대수층의 경우 잔류수포화도가 50% 정도이므로 공극에는 50% 정도의 이산화탄소 포화율을 보이게 된다. 그러나 나노 유체를 먼저 주입한 경우 공극 내 물이 더 많이 배출됨으로써 잔류수포화도가 획기적으로 저하된다. 즉, 이산화탄소의 포화율이 50%보다 훨씬 높아지는 결과를 나타낸다. When the carbon dioxide is injected through the injection well 20 in the above state, the carbon dioxide is filled in place while the nanofluid and water are discharged from the pores. Note the residual saturation degree. In the case of injecting carbon dioxide in the saturated state of water without injecting the nanofluid in advance, the aquifer has a residual carbon saturation of about 50% and thus the carbon dioxide saturation rate of about 50% is shown in the pores. However, when the nanofluid is injected first, the residual water saturation is drastically lowered due to more water discharged in the pores. That is, the saturation rate of carbon dioxide is much higher than 50%.

상기한 바와 같이 나노 유체를 사용하면 공극 내 물이 계속적으로 배출되어 공극 내 잔류수포화도가 나노 유체를 사전처리 하지 않은 경우에 비하여 훨씬 낮아지게 된다. 공극 내 잔류수포화도가 낮아지므로 거꾸로 이산화탄소의 포화율과 상대투과율은 증가하는 바, 이산화탄소의 주입성이 향상되는 결과로 이어진다. As described above, when the nanofluid is used, water in the pores is continuously discharged, so that the residual saturation in the pores is much lower than in the case where the nanofluid is not pretreated. Since the residual saturation in the pores is lowered, the saturation rate and relative permeability of carbon dioxide are increased, resulting in improved carbon dioxide injectability.

한편, 본 발명에서는 나노 유체를 저장층(10)에서 주입정(20) 주변에만 주입하므로 나노 유체의 주입양을 미리 결정하거나, 일정 압력으로 일정 시간 주입하는 등의 방식을 통해 주입정을 기준으로 일정 반경 내의 영역에만 나노 유체가 주입되도록 한다. 이산화탄소를 계속적으로 나노 유체와 함께 주입하면 효과는 더 상승하겠지만, 경제성을 고려하면 주입정 초입 부분에만 주입하는 것이 바람직하다. On the other hand, in the present invention, since the nano-fluid is injected only around the injection well 20 in the storage layer 10, the injection amount of the nano-fluid is determined in advance, or a predetermined time is injected at a predetermined pressure. Allow nanofluids to be injected only within a certain radius. Continuously injecting carbon dioxide with the nanofluid will increase the effect, but in consideration of economics, it is preferable to inject only in the injection well entrance.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에서는 주입정 주변에 나노 유체 배출정을 별도로 형성할 수 있다. 즉, 주입정 주변에 배출정을 형성하고, 주입정에 나노 유체를 단독으로 주입한 후, 이산화탄소를 주입하면서 배출정에서 나노 유체와 물을 배출시킬 수 있다. 또는 나노 유체와 이산화탄소를 함께 주입정을 통해 주입하면서 저장층의 공극으로부터 배출된 물과 나노 유체 및 이산화탄소를 함께 배출정으로 배출시킬 수 있다. 상기한 과정을 통해 공극 내 잔류수포화도를 낮추어 놓은 상태에서 이산화탄소만을 주입하여 주입성을 증대시킬 수도 있다. 그리고 배출정을 통해 회수된 유체는 나노 유체와 물 및 이산화탄소를 상호 분리하여 나노 유체는 다시 재사용할 수 있다. In another embodiment of the present invention, nanofluidic discharge wells may be separately formed around the injection wells. That is, the discharge well is formed around the injection well, and after the nanofluid is injected alone into the injection well, the nanofluid and water can be discharged from the discharge well while injecting carbon dioxide. Alternatively, the nanofluid and carbon dioxide may be injected together through the injection well, and the water, nanofluid and carbon dioxide discharged from the pores of the storage layer may be discharged together into the discharge well. Through the above process, only the carbon dioxide may be injected in a state where the residual saturation degree in the pores is lowered, thereby increasing the implantability. The fluid recovered through the discharge well separates the nanofluid, water and carbon dioxide, and the nanofluid can be reused again.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 이산화탄소를 주입하는 중간에 나노 유체를 간헐적으로 또는 주기적으로 재주입함으로써 주입정 주변에 잔류수포화도를 낮출 수도 있을 것이다. In addition, in one embodiment of the present invention it may be possible to lower the residual saturation around the injection well by intermittently or periodically re-injecting the nanofluid in the middle of injecting carbon dioxide.

본 발명의 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 본 발명에 따른 저장층 주입성 개선 효과를 알아보았다. 가상의 저류층은 도 5에 도시된 바와 같이 반지름 5 km, 두께 50 m인 사암으로 이루어진 원통으로 수평방향의 투과도는 50 md, 수직방향의 투과도는 5 md로 가정하였다. 저류층 최하부 심도는 1500 m 이며 초기압력은 15 MPa, 최대주입압력은 30 MPa로 설정하였다. 원통 중 1/10에 해당하는 36도 부분을 시뮬레이션에 사용하였으며, 이후 유체의 주입량도 1/10에 해당하는 위 영역에 주입하였다. Researchers of the present invention have been shown to improve the storage layer implantability according to the present invention through a computer simulation. As shown in FIG. 5, the hypothetical storage layer is a cylinder made of sandstone having a radius of 5 km and a thickness of 50 m. The horizontal permeability is assumed to be 50 md in the horizontal direction and 5 md in the vertical direction. The bottom depth of the reservoir is 1500 m, the initial pressure is set to 15 MPa, and the maximum injection pressure is set to 30 MPa. A 36-degree portion corresponding to 1/10 of the cylinder was used for the simulation, and then a fluid injection amount was also injected into the upper region corresponding to 1/10.

도 5 및 도 6에서 위와 같은 시뮬레이션 조건을 확인할 수 있으며 주입정 주변 반지름 약 150 m 구간이 CO2의 본격적 주입에 앞서 나노 유체를 이용한 상대유체투과도가 개선된 부분을 표시하고 있다. 나노 유체의 주입을 통해 상대유체투과도가 도 7과 같이 일부개선 되었다고 가정하여 CO2 지중저장 시뮬레이션을 실시하였다.5 and 6, the simulation conditions as described above can be confirmed, and the radius around the injection well is about 150 m, and the relative fluid permeability using the nanofluid prior to full-fledged injection of CO2 indicates the improved portion. The CO2 underground storage simulation was performed assuming that the relative fluid permeability was partially improved through injection of the nanofluid.

저류층 전체 반지름이 5 km인것에 비해 약 150 m 정도만 개선시켰다고 가정하였을 때의 CO2 주입량과 주입정 바닥의 압력은 도 8 및 도 9에 도시하였다. 일정한 양으로 CO2를 주입하는 조건이며 이때 주입정 바닥의 압력은 도 8과 같다.The amount of CO 2 injected and the pressure at the bottom of the well is assumed in FIG. 8 and FIG. 9 when it is assumed that the total reservoir radius is improved by about 150 m compared to 5 km. CO2 is injected in a certain amount and the pressure at the bottom of the injection well is shown in FIG.

상대유체투과도가 개선된 경우에는 그렇지 않은 경우와 비교해 더 낮은 압력을 보이고 있다. 이럴 경우 주입 중 지층에 손상이 생길 가능성이 낮아지며 장기적으로 최대주입압력에 도달하는 시기가 늦춰지게 된다. 3650일 시점에서의 압력을 비교하면 개선된 경우는 26.30 MPa로 베이스라인의 27.57 MPa에 비해 1.27 MPa낮을 것으로 예측되었다. 초기압력이 15 MPa인 점을 고려하면 베이스라인에 비해 10.1% 정도 낮은 것이다.Improved relative fluid permeability shows lower pressures than otherwise. This reduces the likelihood of damage to the stratum during injection and slows down the long-term peak injection pressure. Comparing the pressure at 3650 days, the improved case was 26.30 MPa, 1.27 MPa lower than the baseline 27.57 MPa. Considering the initial pressure of 15 MPa, it is about 10.1% lower than the baseline.

도 9는 누적 CO2 주입량으로 베이스라인이 672.6 kt CO2인 것에 비해 주입성이 개선된 경우는 763.4 kt CO2로 누적 주입량 측면에서도 13.5% 높게 나타났다.FIG. 9 shows that the baseline is 672.6 kt CO2 as the cumulative CO2 injection amount, which is 13.5% higher in terms of the cumulative injection amount as 763.4 kt CO2.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 이산화탄소 저장층에서 주입정 주변의 잔류수포화도를 낮춤으로써 주입정 주변의 이산화탄소 상대투과율을 향상시켜, 저장층 전체에서의 이산화탄소 주입성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. As described above, the present invention has the advantage of improving the relative permeability of carbon dioxide around the injection well by reducing the residual saturation around the injection well in the carbon dioxide storage layer, thereby improving the carbon dioxide injection property in the entire storage layer. .

Claims

(a) injecting a nanofluid containing nanoparticles to lower the degree of residual saturation of the storage layer through an injection well connected to an underground gas storage layer; And
(b) injecting and storing carbon dioxide in the storage layer after the step (a);
As the carbon dioxide is injected in the step (b), after the completion of the step (a), the nanofluid and the water filling the pores of the storage layer are discharged together, so that the residual saturation around the injection well is lowered. CO2 injection is improved,
The nanoparticles have a particle size of less than 100nm injection method of the underground gas storage layer, characterized in that the.

The method of claim 1,
The nanofluid is a method of improving the injection properties of the underground gas storage layer, characterized in that the nanoparticles and water mixed.

delete

The method of claim 1,
The nanoparticles are TiO ₂ , ZnO, FeO, Al ₂ O ₃ , CaO at least one of the metal oxide, characterized in that the implantability improvement method of the underground gas storage layer.

delete

The method of claim 1,
The nanoparticles are any one of mineral-based nanoclays or SiO ₂ containing coal ash, the injection method of the underground gas storage layer, characterized in that.

The method of claim 1,
The nanoparticles are improved injectability of the underground gas storage layer, characterized in that the emulsion form.

The method of claim 1,
The nanofluid is injected method of the underground gas storage layer, characterized in that at least one of a polymer and a surfactant is further mixed.