KR101160147B1 - 하이드레이트 가스 생산 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해저층 아래의 가스(gas)를 생산하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 해저층 아래의 메탄(Methane, CH4) 하이드레이트(hydrate) 천연가스를 효율적으로 생산하기 위한 하이드레이트 가스 생산 장치에 관한 것이다. 종래의 열수 주입법에 의한 선박의 하이드레이트 가스 생산 장치는, 선박으로부터의 열수가 공급될 때 시추용 파이프를 통해 해저로 내려가는 동안 주변 해수로 인한 열 손실이 발생되어 시추용 파이프 내의 열수의 온도가 점차 감소될 수 있으며, 주입된 열수에 의해 하이드레이트가 해리될 때 해저층을 통해 누수가스가 발생될 수 있다. 이에 본 발명은, 해수면에서 하이드레이트층까지 공급되는 열수의 열 손실을 최소화하고, 하이드레이트층과 해저층 간의 경계에서의 가스 누수를 차단하여 하이드레이트 가스의 채취 효율을 높일 수 있는 하이드레이트 가스 생산 기술을 마련하고자 한다.
하이드레이트층, 메탄, 열수 주입법, 시추용 파이프

Description

하이드레이트 가스 생산 장치{APPARATUS FOR PRODUCING HYDRATE GAS}
본 발명은 해저층 아래의 가스(gas)를 생산하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 해저층 아래의 메탄(Methane, CH4) 하이드레이트(hydrate) 천연가스를 효율적으로 생산하는데 적합한 하이드레이트 가스 생산 장치에 관한 것이다.
하이드레이트(hydrate) 가스 생산 장치, 예컨대 메탄(Methane, CH4) 하이드레이트 천연가스 생산 장치는, 고체화된 하이드레이트 층으로부터 에너지원인 천연가스를 채취하는 시스템 및 선박으로서, 해저 아래의 한계 지역, 특히 낮은 웰(well) 압력과 하이드레이트 형성 위협을 갖는 지역으로부터의 생산에 적합해야 한다.
이러한 메탄 하이드레이트를 자원으로 활용하기 위해서는 채굴 기술이 중요한데, 메탄 하이드레이트는 압력이 낮아지면 메탄이 방출되며 해리되는 특성 때문에 석탄처럼 고체 상태로 채굴하기 어렵다. 메탄 하이드레이트를 해리시켜 메탄만 뽑아내는 방법으로 ‘열수(熱水) 주입법’과 ‘감압법’이 있다. 열수 주입법은 뜨거운 물을 넣어 메탄 하이드레이트를 해리시키는 방법이고, 감압법은 메탄 하이드레이트 층의 압력을 낮춰 메탄을 분리시키는 방법이다.
여기서, 열수 주입법은, 시추 장치, 파이프 등을 통해 열수를 하이드레이트 층에 공급하여 천연가스를 채취하는 기법으로서, 이에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 예시적으로 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 열수 주입법에 의한 선박의 하이드레이트 가스 생산 장치를 개략적으로 예시한 도면이고, 도 2는 종래의 열수 주입법이 사용되는 시추용 파이프(10)의 단면을 예시한 도면이다.
도 1에 예시한 바와 같이, 선박의 하이드레이트 가스 생산 장치는, 시추 장비, 저장 탱크 등(도시 생략됨)을 갖춘 해수(a) 면 상의 선박(1)과, 이러한 선박(1)에 장착되어 해저층(b) 아래의 하이드레이트층(c)까지 연결된 시추용 파이프(10)로 구성될 수 있다.
시추용 파이프(10)를 통해 선박(1)으로부터의 열수가 하이드레이트층(c)까지 공급될 수 있으며, 이렇게 공급되는 열수에 의한 열(H)로 인해 하이드레이트층(c)의 일부가 해리될 수 있다. 하이드레이트층(c)으로부터 해리된 하이드레이트 가스, 예컨대 메탄 하이드레이트 천연가스는 다시 시추용 파이프(10)를 통해 선박(1)으로 공급됨으로써, 종래 열수 주입법에 의해 메탄 하이드레이트 천연가스가 채취될 수 있을 것이다.
이러한 시추용 파이프(10)는 도 1의 A 부분을 상세히 도시한 도 2에 예시한 바와 같이, 외부 파이프(12)와 내부 파이프(14)로 이루어진 2중 형태의 파이프 구 조로 구성될 수 있는데, 여기서 외부 파이프(12)는 시추용 파이프(10)의 외벽을 형성하는 관이며, 내부 파이프(14)는 외부 파이프(12)의 내부에서 일정 간격을 두고 외부 파이프(12)와 이격(離隔)되게 형성되는 관이다.
이러한 내부 파이프(14)의 내부로는 선박(1)으로부터의 열수가 흘러 하이드레이트층(c)까지 공급될 수 있으며, 내부 파이프(14)와 외부 파이프(12)의 이격된 공간 사이로는 하이드레이트층(c)으로부터 해리된 가스, 예컨대 메탄 하이드레이트 천연가스가 흘러 선박(1)까지 공급될 수 있다.
그런데, 이와 같은 종래의 열수 주입법에 의한 선박의 하이드레이트 가스 생산 장치는, 주입된 열수에 의해 하이드레이트층(c)의 일부 하이드레이트가 해리될 때, 도 1에 예시한 것처럼 해저층(b)을 통해 누수가스(G)가 발생될 수 있다. 이는, 해저층(b)과 하이드레이트층(c)을 구분하는 해저 경계층이 약하거나 아예 존재하지 않기 때문이다.
또한, 선박(1)으로부터의 열수가 공급될 때, 시추용 파이프(10)를 통해 해저로 내려가는 동안 주변 해수로 인한 열 손실이 발생되어 시추용 파이프(10) 내의 열수의 온도가 점차 감소될 수 있다. 즉, 선박(1)이 있는 해수 면에서 하이드레이트층(c)까지의 깊이가 상당하기 때문에, 고온의 열수라 할지라도 실제 하이드레이트층(c)을 해리시키기 위한 충분한 온도를 항상 보장할 수만은 없는 실정이다.
이에 본 발명은, 해수면에서 하이드레이트층까지 공급되는 열수의 열 손실을 최소화하여 하이드레이트층의 해리에 따른 가스 채취 효율을 높일 수 있는 하이드레이트 가스 생산 기술을 마련하고자 한다.
또한 본 발명은, 하이드레이트층과 해저층 간의 경계에서의 가스 누수를 차단하여 하이드레이트 가스의 채취 효율을 높일 수 있는 하이드레이트 가스 생산 기술을 마련하고자 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 실시예에 따르면, 해저층의 하부의 하이드레이트층으로부터 가스를 채취하기 위한 하이드레이트 생산 설비 수단과, 상기 하이드레이트 생산 설비 수단에서 상기 해저층의 상부까지 해수를 공급하기 위한 해수 공급 라인을 갖는 제 1 시추용 파이프와, 상기 해저층의 구간에 존재하며, 상기 해수 공급 라인으로부터의 해수를 가열하는 해수 가열 라인을 갖는 제 2 시추용 파이프와, 상기 하이드레이트층의 구간에 존재하며, 상기 해수 가열 라인으로부터 가열된 열수에 의해 상기 하이드레이트층의 일부를 해리시키는 열수 공급 라인을 갖는 제 3 시추용 파이프를 포함하는 하이드레이트 가스 생산 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 열수의 열 손실을 최소화하여 하이드레이트층의 해리에 따른 가스 채취 효율을 높일 수 있으며, 하이드레이트층과 해저층 간의 경계에서의 가스 누수를 차단하여 하이드레이트 가스 채취 신뢰도를 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 2중 파이프 구조의 시추용 파이프 내에 가열 및 냉각 기능을 갖는 열전 소자를 마련하고, 해수 면에서 해저층 까지는 일반적인 해수를 공급하되, 해저층 구간에서 열전 소자의 가열 작용에 의해 해수를 가열시켜 해수면에서 하이드레이트층까지 공급되는 열수의 열 손실을 최소화한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에서는, 2중 파이프 구조의 시추용 파이프 내에 가열 및 냉각 기능을 갖는 열전 소자를 마련하고, 열전 소자의 냉각 작용에 의해 해저층 구간에서의 시추용 파이프의 외벽에 얼음을 형성하여 하이드레이트층으로부터 채취된 가스가 누출되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 하이드레이트 가스 생산 장치를 개략적으로 도시한 대한 구성도이다.
도 3에 예시한 바와 같이, 본 실시예에 적용될 수 있는 하이드레이트 가스 생산 장치는, 시추 장비, 저장 탱크 등(도시 생략됨)을 갖춘 해수(a) 면 상의 선 박(1)과, 이러한 선박(1)에 장착되어 해저층(b) 아래의 하이드레이트층(c)까지 연결된 시추용 파이프(100)로 구성될 수 있다. 이때, 선박(1)은, 본 실시예의 적용을 위한 하이드레이트 가스 생산 설비 구조의 일 예이며, 하이드레이트 가스를 생산하는데 필요한 시추 장비, 저장 탱크 등을 갖추고 있다면 특별히 선박 구조에 한정될 필요는 없을 것이다.
한편, 본 실시예에 적용될 수 있는 시추용 파이프(100)는, 도 2에서 이미 예시한 바와 같이, 2중 파이프 형태일 수 있으며, 각 구간마다 개별적인 특징을 가질 수 있다.
예컨대, 시추용 파이프(100)의 해수(a) 구간은 해수 공급 라인과 가스 공급 라인의 2중 파이프 형태일 수 있으며, 해저층(b) 구간은 해수 가열 라인과 가스 공급 라인의 2중 파이프 형태일 수 있고, 하이드레이트층(c) 구간은 열수 공급 라인과 가스 공급 라인의 2중 파이프 형태일 수 있다.
해수 공급 라인을 통해 선박(1)으로부터의 해수가 해저층(b)의 표면까지 제공되면, 해저층(b) 구간의 해수 가열 라인(B)에서는 선박(1)으로부터 제공되는 해수를 가열할 수 있다. 이러한 해수 가열 라인(B)에 대해서는 도 4에서 보다 상세히 다루기로 한다.
해수 가열 라인(B)에서 가열된 열수는, 하이드레이트층(c)까지 공급될 수 있으며, 이렇게 공급되는 열수에 의한 열(H)로 인해 하이드레이트층(c)의 일부가 해리될 수 있다. 하이드레이트층(c)으로부터 해리된 하이드레이트 가스, 예컨대 메탄 하이드레이트 천연가스는 다시 시추용 파이프(100)를 통해 선박(1)으로 공급됨 으로써, 메탄 하이드레이트 천연가스가 채취될 수 있을 것이다.
도 4는 도 3의 하이드레이트 가스 생산 장치에서 하이드레이트 가스 생산을 위한 시추용 파이프(100)의 해저층(b) 구간의 해수 가열 라인(B)을 상세히 예시한 도면으로서, 시추용 파이프(100)의 외벽을 형성하는 외부 파이프(102)와, 외부 파이프(102)의 내부에 형성되는 내부 파이프(104)와, 외부 파이프(102)와 내부 파이프(104)의 사이에 형성되며 외부 전원 공급에 대응하여 냉각 또는 가열되는 열전 소자(106)를 포함한다.
도 4에 예시한 바와 같이, 본 실시예에 적용될 수 있는 하이드레이트 가스 생산을 위한 시추용 파이프(100)의 해저층(b) 구간의 해수 가열 라인(B)은, 외부 파이프(102)와 내부 파이프(104)로 이루어진 2중 형태의 파이프 구조로 구성될 수 있는데, 여기서 외부 파이프(102)는 시추용 파이프(100)의 외벽을 형성하는 관이며, 내부 파이프(104)는 외부 파이프(102)의 내부에서 일정 간격을 두고 외부 파이프(102)와 이격(離隔)되게 형성되는 관이다.
이러한 내부 파이프(104)의 내부로는 선박(1)으로부터의 해수가 공급될 수 있으며, 공급된 해수는 내부 파이프(104)의 외면에 부착된 열전 소자(106)의 가열 작용에 의해 열수로 변형되어 하이드레이트층(c) 구간의 열수 공급 라인에 제공될 수 있다.
또한, 외부 파이프(102)의 내면에 부착된 열전 소자(106)의 냉각 작용에 의해 외부 파이프(102)의 외면에는 일정 량의 얼음(I)이 형성될 수 있다. 이러한 얼음(I)은, 추후 하이드레이트층(c)으로부터 채취되는 가스를 공급함에 있어서, 해저 층(b) 구간에서의 가스 누출을 방지할 수 있을 것이다.
이때, 내부 파이프(104)와 외부 파이프(102)의 이격된 공간 사이로는 하이드레이트층(c)으로부터 해리된 가스, 예컨대 메탄 하이드레이트 천연가스가 흘러 선박(1)까지 공급될 수 있도록, 내부 파이프(104)와 외부 파이프(102) 사이의 열전 소자(106)는 일정 공간을 두도록 형성됨이 바람직할 것이다.
즉, 도 5의 외부 파이프(102) 및 내부 파이프(104)의 단면도에 예시된 바와 같이, 열전 소자(106)가 내부 파이프(104)의 전체 외면을 감싸도록 형성되는 것이 아니라, 가스의 공급 라인을 위해 일정 공간을 두고 이격되게 형성될 수 있다.
도 6은 도 4의 열전 소자(106)를 보다 구체적으로 예시한 것으로, 냉각 세라믹 판(106/1), 발열 세라믹 판(106/2), 전기 전도 판(106/3), 반도체(106/4), 전원 공급 라인(108)을 포함한다.
냉각 세라믹 판(106/1)은 전기 전도 판(106/3)과 연결된 전원 공급 라인(108)으로부터 전원이 공급될 때 자체 냉각될 수 있다. 이러한 냉각 세라믹 판(106/1)은, 외부 파이프(102)의 내면과 부착될 수 있는 바, 냉각 세라믹 판(106/1)의 냉각 작용에 의해 외부 파이프(102)가 냉각되어 외부 파이프(102)의 외면에 일정 량의 얼음을 발생시킬 수 있다.
또한, 발열 세라믹 판(106/2)은 전기 전도 판(106/3)과 연결된 전원 공급 라인(108)으로부터 전원이 공급될 때 자체 가열될 수 있다. 이러한 발열 세라믹 판(106/2)은, 내부 파이프(104)의 외면과 부착될 수 있는 바, 발열 세라믹 판(106/2)의 가열 작용에 의해 내부 파이프(104)가 가열되어 내부 파이프(104)의 내부에 흐르는 해수를 가열할 수 있다.
반도체(106/4)는, 예컨대 n형, p형 열전 반도체로서, 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 형성될 수 있다.
전원 공급 라인(108)은 선박(1)과 연결될 수 있으며, 선박(1) 내의 전원 공급 수단(도시 생략됨)으로부터의 외부 전원을 전기 전도 판(106/3)에 공급할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 2중 파이프 구조의 시추용 파이프 내에 가열 및 냉각 기능을 갖는 열전 소자를 마련하여, 해수 면에서 해저층 까지는 일반적인 해수를 공급하되, 해저층 구간에서 열전 소자의 가열 작용에 의해 해수를 가열시켜 해수면에서 하이드레이트층까지 공급되는 열수의 열 손실을 최소화하도록 구현하였다.
또한 본 실시예에서는, 2중 파이프 구조의 시추용 파이프 내에 가열 및 냉각 기능을 갖는 열전 소자를 마련하여, 열전 소자의 냉각 작용에 의해 해저층 구간에서의 시추용 파이프의 외벽에 얼음을 형성하여 하이드레이트층으로부터 채취된 가스가 누출되는 것을 방지하도록 구현하였다.
앞서 언급한 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예증하는 것이며, 이 분야의 당업자라면 첨부한 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이, 많은 다른 실시예를 설계할 수 있음을 유념해야 한다. 청구항에서는, 괄호 안에 있는 어떤 참조 기호도 본 발명을 한정하도록 해석되지 않아야 한다. "포함하는", "포함한다" 등의 표현은, 전체적으로 모든 청구항 또는 명세서에 열거된 것을 제외한 구성 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 구성 요소의 단수의 참조부는 그러한 구성 요소의 복수의 참조부를 배제하지 않으며, 그 반대도 마찬가지이다. 서로 다른 종속항에 확실한 수단이 기술되었다고 하는 단순한 사실은, 이러한 수단의 조합이 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.
도 1은 종래의 하이드레이트 가스 생산 장치의 개략적인 도면,
도 2는 도 1의 시추용 파이프(10)의 일부 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이드레이트 가스 생산 장치의 개략적인 구성 도면,
도 4는 도 3의 하이드레이트 가스 생산 장치에서 시추용 파이프(100)의 해저층(b) 구간의 해수 가열 라인(B)을 상세히 예시한 도면,
도 5는 도 3의 시추용 파이프(100)의 해저층(b) 구간의 단면도,
도 6은 도 4의 열전 소자(106)의 상세 구성도.

Claims (8)

  1. 해저층의 하부의 하이드레이트층으로부터 가스를 채취하기 위한 하이드레이트 생산 설비 수단과,
    상기 하이드레이트 생산 설비 수단에서 상기 해저층의 상부까지 해수를 공급하기 위한 해수 공급 라인을 갖는 제 1 시추용 파이프와,
    상기 해저층의 구간에 존재하며, 상기 해수 공급 라인으로부터의 해수를 가열하는 해수 가열 라인을 갖는 제 2 시추용 파이프와,
    상기 하이드레이트층의 구간에 존재하며, 상기 해수 가열 라인으로부터 가열된 열수에 의해 상기 하이드레이트층의 일부를 해리시키는 열수 공급 라인을 갖는 제 3 시추용 파이프를 포함하되,
    상기 제 2 시추용 파이프는,
    외벽을 형성하는 외부 파이프와,
    상기 외부 파이프의 내부에서 일정 간격을 두고 상기 외부 파이프와 이격되게 형성되는 내부 파이프와,
    상기 외부 파이프와 내부 파이프의 사이에 형성되는 열전 소자를 포함하는
    하이드레이트 가스 생산 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 파이프의 내부는,
    상기 해수 가열 라인이 형성되는 하이드레이트 가스 생산 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 파이프와 내부 파이프의 사이는,
    상기 가스 공급 라인이 형성되는 하이드레이트 가스 생산 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 소자는,
    상기 외부 파이프의 내면에 부착되어 외부 전원 공급에 대응하여 냉각되는 냉각 세라믹 판과,
    상기 내부 파이프의 외면에 부착되어 상기 외부 전원 공급에 대응하여 가열되는 발열 세라믹 판을 포함하는
    하이드레이트 가스 생산 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 세라믹 판은,
    상기 외부 파이프를 냉각시켜 상기 외부 파이프의 외벽에 얼음을 형성하여 상기 해저층의 구간에서의 상기 하이드레이트층의 해리 가스의 누출을 방지하는 하이드레이트 가스 생산 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 발열 세라믹 판은,
    상기 내부 파이프를 가열하여 상기 해수 공급 라인으로부터의 해수를 가열하는 하이드레이트 가스 생산 장치.
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