KR101179801B1 - 메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탄 하이드레이트층으로부터 메탄 가스를 채취하는 경우에, 열원을 연료 소비에 의존하지 않고, 경제성과 기술적 곤란성을 개선한 채취 기술을 제공하는 것을 목적으로 하며, 해저(500)의 하방 1,000 m～1,500 m의 지하 대수층(300)으로부터 펌프(31)에 의해 온수를 퍼 올려 지열 에너지를 메탄 하이드레이트층(100) 밑의 투수층(104) 내에서 유동시키고, 메탄 하이드레이트층(100)의 미분해 영역(101)의 분해 경계면(105)을 분해하여 메탄 가스를 발생시키며, 주위의 영역(102, 103)으로부터 가스 유입구 스크린(12)을 통하여 생산정(生産井)(20)에 도입하여 상승시키고, 해상에서 메탄 가스를 회수한다.

Description

메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템{PROMOTION OF METHANE HYDRATE DECOMPOSITION AND METHANE GAS COLLECTING SYSTEM}

본 발명은 메탄 하이드레이트의 채취 시스템에 관한 것이다.

최근의 연구·조사 결과로부터, 일본의 주변 해역에는 일본 내의 가스 소비량의 100년분에 해당하는 메탄 하이드레이트가 존재할 가능성이 있는 것으로 보고되어 있다. 메탄 하이드레이트는 심해의 해저 밑에 풍부하게 존재하며, 메탄 및 물이 높은 압력과 저온 상태에서 고체화되어 존재하는 잠재 자원이다.

현재의 기술에서는 생산성이 낮기 때문에 경제적으로 채취하는 것이 어렵다. 그러나 저렴한 생산 방법의 개발과 생산 거동의 최적화 실현을 전제로 하여, 장래의 에너지원으로서의 활로를 발견하는 것이 기대되고 있다.

메탄 하이드레이트로부터 메탄 가스를 채취하는 수단으로서는, 지금까지 감압법과 가열법이 제안되고 있으며, 또한 기본 개념으로서 쌍방을 조합한 병용법도 검토되고 있다.

감압법은 메탄 하이드레이트층의 압력을 감압하고, 분해 영역이 되도록 메탄 하이드레이트를 유지하며, 분해한 메탄 가스를 채취하는 기술이다(예컨대 특허문헌 1 참조). 이 기술은 지층을 감압하는 수단과 메탄 가스를 회수하는 수단으로 구성된다. 감압법은 인공적인 열원을 필요로 하지 않기 때문에 연료를 소비하지 않는다(지층 간의 자연 전열은 활용함). 또한 가열을 위한 갱정(坑井)도 필요로 하지 않기 때문에, 굴착비를 대폭으로 삭감할 수 있다. 그러나, 단순 감압법의 기술에서는 메탄 하이드레이트의 기화에 필요한 잠열의 공급 속도가 느리다는 것과, 출사(出砂)·출수(出水)가 크다는 것과, 생산 유체의 재(再)하이드레이트화나 빙결 리스크가 존재하고 있다는 것과, 생산 거동의 변화가 커서 생산 설비의 이용 효율이 뒤떨어진다는 것과 같이, 상업화를 실현하는데 있어서 장해가 되는 특징이 매우 많이 존재한다.

또한 연구되어 있는 일반적인 가열법은 해저 밑의 메탄 하이드레이트층에 열수를 압입하고, 메탄 하이드레이트를 분해하여 메탄 가스를 채취하는 방법이다(예컨대 특허문헌 2 참조).

이 기술은, 예컨대 플랫폼 위에 열수 제조 장치를 구비하여 해수를 가열하고, 압입정(壓入井)을 통하여 열에너지를 메탄 하이드레이트층에 압입한다. 그러나 열수 제조의 목적으로 대량의 연료를 소비하며, 또한 압입정을 통하여 메탄 하이드레이트층에 열에너지를 배급하기 위해 고액의 개발 투자가 필요해진다.

현시점에서 가장 기대되고 있는 메탄 가스 채취 방법은 단순 감압법이지만, 이 방법에는 이하와 같은 해결해야 할 과제가 존재한다.

(가) 감압도의 강화가 유일한 생산 촉진 수단이며, 강력한 감압이 절대 요건이 된다. 이 때문에, 해저면의 침하·균열·가스 누설의 리스크가 있다.

(나) 강한 감압에 따르는 출사·출수 리스크가 높기 때문에, 개발 시스템 전체의 경제적 부하가 크다.

(다) 잠열의 공급이 부족하기 때문에, 생산성의 급격한 저하나 지질 및 생산 유로의 재하이드레이트화 혹은 빙결 등의 심각한 생산 장해의 우려가 있다.

(라) 강한 감압 조건 하에서 과도하게 물을 흡인함으로써, 물 처리 비용이 상승하고, 또한 메탄 하이드레이트층의 압밀이 촉진되어 지층 침투율이 저하한다.

(마) 생산 거동 곡선의 형상이 나쁘게 되어, 메탄 하이드레이트 개발의 과반을 차지하는 해저(sub-sea) 비용의 팽창이 불가피해진다.

(바) 감압법 특유의 생산 거동 곡선에서는 회수율의 개선이 곤란해진다.

특허문헌1:일본특허공개제2006-45128호공보 특허문헌2:일본특허공개제2005-213824호공보

메탄 하이드레이트 개발의 최대의 과제는 경제성이 낮다는 데에 있다. 경제성에 관한 최대의 감도 인자는 생산성이라고 보여지지만, 현시점에서 유력한 생산 방법으로 여겨지는 단순 감압법에서는 생산성의 대폭적인 개선이 곤란하다.

감압법에 있어서 생산성의 개선을 방해하는 주요한 원인은 잠열 공급 능력의 부족에 있다. 상평형 곡선에서의 압력과 온도의 관계로부터, 감압법에만 의존하는 방법에서는 잠열 공급 속도가 느리기 때문에, 메탄 하이드레이트층의 지층 온도가 저하한다. 이로부터 생산성의 급격한 저하와 생산 유체의 재하이드레이트화나 유로의 빙결 리스크를 피할 수 없다.

한편, 열수 압입식의 가열법은 대량의 연료를 필요로 한다는 것과, 온수를 메탄 하이드레이트층에 압입하는 기술적 곤란성이나 고비용의 문제가 있다.

본 발명은 전술한 감압법과 가열법의 약점을 해소하여, 메탄 하이드레이트 개발에서의 경제적 및 기술적 곤란을 극복하고자 하는 것이다. 즉, 감압법의 특징인 고레벨의 출사·출수를 억제하고, 생산성을 평준화하며, 생산 유로의 재하이드레이트화나 빙결을 예방하는 등에 의해 개발비를 절감하고, 한편에서는 열수 압입식의 가열법의 특징인 다량의 연료 소비를 해소함으로써 경제성의 대폭적인 향상을 얻고자 하는 것이다.

본 발명에서는 감압법에 기인하는 장해의 대부분을 제거할 수 있다. 또한 엄청나게 많은 지열 에너지를 저렴한 비용으로 이용할 수 있다.

본 발명은 상기 장해나 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 하기 (a)～(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스 채취 시스템이다.

(a) 심부(深部) 대수층으로부터 열매체를 퍼 올리는 가열정(加熱井)

이 가열정은 해저로부터 하방으로 1,000 m～1,500 m 정도 파 내려가져, 심부 대수층의 지열에 의해 온도 상승된 열매체, 예컨대 온수 또는 열수를 퍼 올림으로써 지열 에너지를 채취하고, 이것을 메탄 하이드레이트층에 공급하는 갱정이다.

(b) 메탄 가스를 채취하는 생산정(生産井)

이 생산정은 지열 에너지를 공급받아, 메탄 하이드레이트의 분해에 의해 생성된 메탄 가스를 채취하는 갱정으로, 갱정 내로의 모래의 침입을 방지하기 위해 메탄 하이드레이트층 상부의 위치에 양질의 스크린을 장착한다.

(c) 열교환을 끝낸 열매체를 심부 대수층에 환류시키는 환류정(還流井)

이 환류정도 가열정과 마찬가지로, 해저로부터 하방으로 1,000 m～1,500 m 정도 파 내려간 것이다. 그 목적은 분해 경계면 부근에서 열교환을 끝내고 차게 식은 물을 채취하고, 이것을 심부 대수층에 환류시키는 것이다.

(d) 메탄 하이드레이트의 분해 경계면에 열매체를 공급하는 수단

이 수단은 상기 온수 또는 열수 등의 열매체를 심부 대수층으로부터 채취하여 그 지열 에너지를 메탄 하이드레이트층에 공급하는 수단으로서, 예컨대 펌프 장치, 유량 조정 장치 등으로 이루어지고, 각종 계측기나 제어 장치를 구비한다.

이상의 본 발명의 메탄 가스 채취 시스템에서, 생산정에 감압법을 병용하면 생산성이 촉진된다. 감압 수단은 세퍼레이터(가스·물·모래의 분리 장치)나 부스터 펌프(감압을 촉진하기 위한 장치) 등의 해저 생산 시스템으로 이루어진다. 단순 감압법과 비교해서는, 열에너지의 공급 속도가 빨라지기 때문에, 감압도를 완화할 수 있다.

상기 가열정은, 상기 생산정의 하단을 심부 대수층까지 연장시킨 갱정으로 하여도 좋다.

또한 상기 환류정은 상기 생산정의 하단을 심부 대수층까지 연장시킨 갱정으로 하여도 좋다. 이들에 의해 갱정의 수가 반감하고, 총개발비가 현저히 압축된다.

본 발명은 열원으로서 엄청나게 많이 존재하는 지하의 지열을 이용한다. 이 때문에, 본 발명에서는 특별한 연료 등을 필요로 하는 일 없이, 장기간 안정적으로 메탄 하이드레이트층에 지열 에너지가 공급된다. 충분한 열량의 공급에 의해 메탄 하이드레이트 분해 경계면의 확대와 분해 촉진을 실현할 수 있다.

열수 압입식의 가열법과 비교하면, 본 발명은 열수 제조 장치나 방대한 연료비가 불필요해지는 것뿐만 아니라 해상의 플랫폼으로부터 각 갱정까지의 가열 라인도 불필요해진다. 이 때문에, 본 발명은 플랫폼에서의 열수 제조와 갱정까지의 수송에 드는 고액의 설비비 부담으로부터 해방된다.

또한 본 발명은 감압법과 가열법의 유리한 기능을 부분적으로 병용하고, 또한 2계통의 생산 제어 수단을 확보하고자 하는 경우에는, 메탄 하이드레이트 하면의 분해 경계면에서 효과적으로 열교환을 행하고, 광역에서 동시에 분해를 촉진하는 것이 가능해진다. 따라서 생산 거동 곡선의 평준화, 회수율의 향상, 평균 일산량(日産量)의 개선을 도모할 수 있다. 이들은 모두 경제성을 개선하는 효과가 높다.

이 경우, 가열에 의해 메탄 하이드레이트의 분해가 촉진되기 때문에, 병용하는 감압법의 감압도를 저감하는 것이 가능해진다.

감압도의 저감에 의해 물의 지층 내 잔존율을 높일 수 있기 때문에, 물 처리 비용이 감소한다. 또한 지층의 압밀 현상도 완화되어, 침투율의 악화를 억제할 수 있다. 출사·출수는 감압도의 함수이지만, 감압도의 완화에 의해 출사·출수에 기인하는 생산 장치에 대한 부하를 경감하고, 해저 시스템의 설계 사양을 대폭 축소하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 시설 건설비의 현저한 삭감을 기대할 수 있다.

본 발명에서는, 심부 대수층으로부터 얻은 지열 에너지를 메탄 하이드레이트층에 장기간 연속적으로 공급함으로써 메탄 하이드레이트층, 갱 바닥 및 생산 시스템을 통과하는 생산 유체의 온도 저하를 억제할 수 있으므로, 재하이드레이트화 및 빙결 대책비의 경감도 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예의 메탄 가스 생산 시스템의 개념도이다.
도 2는 지층·유체 온도 조건의 예를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 3은 심도와 지층 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 가열 갱정과 환류정 사이의 온수의 순환 경로를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 5는 상평형 곡선의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예의 상평형 곡선의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일산량의 경년 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 층 두께와 생산성의 관계를 나타내는 그래프이다.

수심 1,000 m, 해저 온도 4℃, 지온(地溫) 구배를 3℃/100 m～4℃/100 m로 하면, 해저 밑 1,000 m의 지온은 34℃～44℃로 예상된다. 라이저가 없는(riserless) 굴착 작업의 심도 한계는 해저면 밑 1,500 m 전후이다. 이 부근까지는 통상 지층압이 낮기 때문에 라이저가 없는 저압 로테이팅(BOP)을 사용할 수 있는 것으로 생각된다. 이 이상 깊게 파 들어가는 경우는 안전 대책 상의 이유에서 본격적인 BOP와 라이저가 필요해지기 때문에, 굴착 비용이 급격하게 상승한다. 경제적으로 이용할 수 있는 심부 대수층의 한계 심도는 해저면 밑 1,500 m 정도이다.

따라서 이용할 심부 대수층에 대해서는 해저면 밑 1,000 m～1,500 m의 범위에서 비교 검토하고, 지열 에너지 공급 능력이 가장 높은 모래층을 선택한다. 심도에 따라 굴착비가 변화하지만, 지온 구배와 굴착비의 심도 구배가 상쇄하기 때문에, 이 사이에서는 경제성에 미치는 차가 근소하다.

또한 심부 대수층의 층 두께는 두꺼울수록 열매체의 유량 확보가 용이해지고, 열량 공급량도 증대한다. 이용할 수 있는 열매체의 물독(reservoir)은 기본적으로 큰 것이 바람직하다.

본 발명은 이러한 심부 대수층의 온수를 가열정에 장착한 펌프에 의해 퍼 올려, 메탄 하이드레이트층 하부의 분해 경계면 부근에 공급한다. 펌프는 저렴한 단상식 다운홀 펌프를 이용할 수 있다.

메탄 하이드레이트층의 초기 침투율은 낮지만, 고체의 메탄 하이드레이트 구조가 소멸한 후에는 고침투성으로 된다. 이 때문에, 메탄 하이드레이트층의 하부가 분해 조건 영역에 도달한 후의 모래층을 열교환 유로로서 활용하면 열매체를 유동시키는 동력이 경감된다. 메탄 하이드레이트층의 하단은 본래 분해 경계선의 조건 하에 있다.

침투율이 절대 침투율의 수준까지 개선되지 않으면, 감압법에 따라 분해 경계면의 메탄 하이드레이트에 대한 분해를 선행한다. 경계면의 분해가 시작되고, 침투율이 절대 침투율의 수준까지 변화하면 열교환 유로를 확립할 수 있다.

메탄 하이드레이트층 하부의 분해 경계면 부근에 침투성이 높은 모래층이 존재한다는 것은 실증 실험 등에 의해 예견되어 있으며, 주된 불확실성은 단층과 유동 저항의 불균일성에 있다.

기초 시추나 재래형 석유 가스 개발에 관한 기초적 지식에 따르면, 메탄 하이드레이트층 하부의 분해 경계면 부근의 절대 침투율은 수평 방향으로 200 md～1 d로 된다. 진흙층의 절대 침투율은 수 μd～0.7 md이다. 메탄 하이드레이트층은 진흙과 모래가 번갈아 있는 층인 것이 예상되며, 물은 상층을 향하여 흐르기 어렵다.

설정한 압력 범위에서 열매체를 순환시키는 것이 어려우면, 고체의 메탄 하이드레이트 구조가 완전히 소멸하여, 경계면 부근의 투수성이 확보되고 나서 펌프를 기동한다. 이 때문에, 펌프에는 디퍼렌셜 프레셔 스위치를 장착하면 좋다.

수심 1,000 m의 경우를 예로 들면, 감압법을 이용하면 해저면 밑 300 m 부근의 메탄 하이드레이트 농축층의 온도는 14℃ 전후이며, 감압하지 않아도 대략 16℃에서 분해 영역에 들어간다. 열교환을 끝낸 열매체는 환류정에 장착한 펌프에 의해 심부 모래층으로 환류시킨다. 이에 따라, 메탄 하이드레이트층에 물의 축적(accumulation)이 생기는 것이 회피되어, 잠재적인 트러블 인자인 지층의 압력 상승이 회피된다.

가열정과 환류정의 구조는 후술하는 바와 같이 단순화된다. 갱 내에는 배관을 설치하지 않는다. 삽입하는 장치류는, 와이어 라인을 이용한 1회의 승강 작업(원 트립)으로 회수 및 수리가 가능한 구조로 한다. 이에 따라 고가의 굴착 장치 대신에 워크보트(workboat)에 의해 개수 작업을 실현한다.

메탄 하이드레이트층은 분해에 의해 프리 메탄 가스와 물을 생성한다. 처음에는 에멀션이 대부분을 차지하지만 지질의 불균질성, 미세균열(microfracture), 소단층(小斷層) 등의 개재에 의해 시간 경과에 따라 중력 제어가 촉진된다. 물이나 모래가 산출되면 생산 비용이 현저히 상승하기 때문에, 이를 피하기 위해 감압법의 감압도를 억제하여, 지층 내 및 갱 바닥에서의 가스와 물의 중력 분리를 촉진시키는 것이 효과적이다.

강한 감압 조건 하에서 가스만을 선택적으로 생산하는 것은 곤란하지만, 감압도를 약하게 함으로써, 생산 유체의 가스-물의 비(ratio)는 명백히 개선된다. 이 때문에, 출사·출수량의 대폭적인 억제를 기대할 수 있다. 출사·출수량의 삭감은 해저 비용을 중심으로 하는 개발 비용의 절감에 매우 효과가 있다.

또한 분해 경계면에 직접 심부의 지열 에너지를 공급함으로써 분해 경계면의 확대가 빨라지고, 생산성이 시간적으로 평준화되며, 회수율의 개선이 가능해진다. 또한 생산 유체의 온도가 상승하기 때문에 메탄 하이드레이트층이나 유로의 하이드레이트화 혹은 빙결 리스크가 경감된다.

한편, 메탄 하이드레이트의 분해에 의해 메탄 하이드레이트층의 층압이 약간 높아질 것이라고 예상된다. 열수를 압입하는 가열법에서는 압입수가 메탄 하이드레이트층 내에 축적되기 때문에 지층압을 더욱 현저히 상승시킨다. 이 때문에 시일층의 손상 리스크가 증대한다. 또한 감압 효과를 저해한다. 아울러 생산수의 양이 증대하여, 경제성이 악화하게 된다.

본 발명의 시스템은 열매체의 지층 내 순환을 도모하며, 메탄 하이드레이트 하부의 모래층을 열교환 유로로서 이용하기 때문에 시일층을 손상시키는 리스크를 최소화할 수 있다.

분해 가스의 유동에는 여러가지 조건이 영향을 끼치지만, 생산 유체의 가스-물의 비나 물-모래의 비를 저감하는 것은 경제성의 개선에 직결된다. 이를 목적으로 생산 가스용의 스크린을 메탄 하이드레이트층의 상부에 배치하고, 열매체의 순환 포트를 하부에 배치한다. 생산 비용의 개선을 실현하는데 있어서, 가스와 물의 분리가 불충분한 중간층(에멀션)의 생산은 바람직하지 않다. 이 때문에, 메탄 가스의 유입구과 열매체의 순환 포트의 위치가 가능한 범위에서 상하로 분리되어, 감압도의 억제를 더욱 도모한다.

가열과 감압의 병용에 의한 메탄 하이드레이트 분해율의 개선에 의해, 생산정의 평균 일산량의 증대와 회수율의 향상을 실현할 수 있다. 또한 생산성의 평준화와 출사·출수량의 경감은 생산 시스템의 설계 사양의 간략화를 가능하게 하여, 시설 건설비를 절감하는데 있어서 매우 효과적이다. 본 발명은 이들 상승 효과에 의해 경제성의 대폭적인 개선을 기대할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 메탄 하이드레이트 개발에서의 메탄 가스 생산 시스템의 개념도를 나타내고 있다. 메탄 하이드레이트층의 꼭대기부(500)의 아래에 메탄 하이드레이트층(100), 메탄 하이드레이트 불포화층(200), 심부 대수층(300)이 존재한다.

도 1에 보아 우측의 갱정(10)은 생산정(20)과 가열정(30)을 상하로 통합한 갱정이다. 이 갱정은 메탄 하이드레이트층(100)의 아래에 존재하는 메탄 하이드레이트 불포화층(200)을 관통하며, 하방의 심부 대수층(300)으로부터 열매체를 퍼 올린다. 생산정(20)과 가열정(30)을 상하로 통합함으로써 굴착비의 증가를 방지하고 있다. 이 갱정(10)은 필요한 부분의 지층 간극에 시멘트 주입부(11)를 형성하여, 안정화를 도모하고 있다.

생산정(20)에 있어서는, 상부에 가스 유입구 스크린(12)을 설치하고, 중간에 패커(packer)(13)를 설치하고 있다. 가스 유입구 스크린(12)은 메탄 하이드레이트층(100)의 상부에 배치되며, 드로우다운(draw-down)을 확보하여 메탄 하이드레이트층(100) 내의 분해 가스를 취득하고, 갱정(10) 내를 상승시켜 해상에서 회수한다. 패커(13)는 생산 가스와 열매체의 유로를 격리한다.

가열정(30)은 심부 대수층(300)으로부터 열매체를 퍼 올려, 메탄 하이드레이트층(100)의 분해 경계면(105)에 연속적으로 공급한다. 이 때문에 가열정(30) 내에 펌핑용 펌프(31) 등을 구비하고 있다.

메탄 하이드레이트층 내의 미분해 영역(고체상)(101)은, 가열에 의해 갱정의 주변부(102, 103)로부터 순차 분해가 진행되어, 메탄 가스와 물의 분해상으로 된다. 여기서 중력에 의해 서서히 물이나 모래가 분리 감소하여 메탄 가스가 주체가 된 생산 유체가, 생산정의 상부에 설치된 가스 유입구 스크린을 통하여 가스의 회수 라인에 도입된다.

지층 내의 열매체의 유동은 지층압, 지층 구배, 온도, 드로우다운, 중력, 침투율 등에 따라 제어되지만, 메탄 하이드레이트층의 하부의 투수층(104) 내를 화살표 34로 나타내는 바와 같이 흘러, 미분해 영역(고체상)(101)의 하방에 있는 메탄 하이드레이트 분해 경계면(105)을 직접 가열한다.

도 1에서 보아 좌측에 나타내는 갱정(10)은 상부에 생산정(20), 그 하부에 환류정(40)을 구비하고 있다. 생산정(20)의 구조나 기능은 전술한 바와 동일하다. 환류정(40)은 메탄 하이드레이트층(100)의 하단으로부터 심부 대수층(300)에 도달하도록 설치되며, 메탄 하이드레이트 분해 경계면(105) 부근을 통과하는 과정에서 열교환을 끝낸 열매체를 심부 대수층(300)으로 환류시킨다. 펌프(41)의 작동에 의해, 예컨대 환류정(40)의 하단 부근의 지층압은 3 ㎫ 정도 상승한다. 이 때문에 심부 대수층(300)에 압력 구배가 생기고, 물은 화살표 33의 방향으로 유동한다. 차게 식은 열매체는 심부 대수층(300)을 유동하는 중에 충분한 지열 에너지를 흡수하여, 다시 원래의 지온 근처까지 온도가 상승한다.

심부 대수층(300)의 유체 압력은 일반적으로 고유의 지층압 조건 하에 있다. 그 후, 드로우다운의 발생에 의해 열매체는 열에너지를 비축하면서 가열정(30)의 섬프(sump)(35) 내에 유입된다. 섬프(35)에 모아진 열매체는 전술한 펌프(31)에 의해 퍼 올려져 메탄 하이드레이트 분해 경계면(105) 부근의 포트(36)로부터 토출된다.

메탄 하이드레이트층 하부의 분해 경계면(105) 부근에 토출된 열매체는, 절대 침투율이 높은 모래층(104)을 통하여 흐른다. 이 열매체는 펌프(31)의 승압력을 주된 동력원으로 하여 화살표 34로 나타내는 바와 같이 유동한다. 펌프(31, 41)의 승압력은 조건에 따라 다르지만 예컨대 3 ㎫ 정도로 예상된다.

메탄 하이드레이트층(100)의 하부의 모래층(104)을 흐르는 도중에 열매체와 메탄 하이드레이트층 사이에서 열교환이 행해진다. 열에너지를 방출한 열매체는 환류정(40)의 펌프(41)에 의해 흡인된다. 따라서 펌프(31, 41) 사이에는 6 ㎫ 정도의 드로우다운을 확보할 수 있다. 펌프(31, 41)에 의해 형성되는 드로우다운을 주요한 동력으로 하여 심부 대수층(300)과 메탄 하이드레이트층(100) 사이에서의 열매체의 순환이 장기적으로 계속된다.

본 발명의 상기 실시예의 메탄 가스 회수 시스템에서는 열매체를 땅속에서 순환시키는 순환 루프를 기본으로 하기 때문에, 메탄 하이드레이트층(100)과 심부 대수층(300) 사이의 압력차는 확대되지 않는다.

열수 압입식의 가열법과 같은 강제적인 온수 압입을 행하지 않기 때문에, 지층수의 축적을 회피할 수 있다. 이 때문에 지층의 압력 상승을 일으키는 리스크가 작으며, 시일이 손상되는 위험성이 경감된다. 이에 따라 안전성이 향상되고 해저면의 침하나 압밀 대책비의 경감이 가능해진다.

본 발명의 메탄 가스 회수 시스템은 개념적으로 감압과 가열의 병용이 가능하다. 이에 따라 종래의 단독 감압법에 비하여 감압도의 경감이 가능해지기 때문에, 출사·출수 리스크가 감소한다. 메탄 하이드레이트 미분해 영역(101)은 메탄 하이드레이트의 분해에 의해 축소된다. 그러나, 감압에 의한 분해 경계면의 진행은 미분해 영역(101)의 중앙 부근에서는 진행되기 어렵다. 분해면의 진행이 선행하는 부분은 미분해 영역(101)의 상방과 하방의 주위의 영역(102, 103) 부근이 된다. 상단부의 영역(102)은 잠열의 공급량이 작기 때문에 분해 속도가 느리다.

종래의 감압법에서는 하부 경계면(105) 부근에서 메탄 하이드레이트 분해 촉진에 필요한 잠열 공급 능력이 부족하다. 본 발명의 메탄 가스 회수 시스템은, 이러한 잠열 공급 능력이 부족한 하부 경계면(105) 부근의 모래층(104)에 심부의 지열 온수를 인공적으로 순환시키고, 지층 간의 높은 온도차를 이용하여 직접 열교환을 행하고자 하는 것이다.

도 1에서 보아 우측의 생산정(20)은 좌측의 생산정(20)에 비하여, 감압도를 약간 약하게 함으로써 가스-물의 비를 저하시키는 것이 가능하다. 또한 그 갱정은 지열 순환수의 상류측에 위치하기 때문에 열에너지의 공급량이 보다 크다. 감압도와 열교환의 효과의 크기가 상쇄되기 때문에, 좌우의 갱정의 생산성은 근사하다고 해석된다.

본 발명의 메탄 가스 회수 시스템에서는 열매체를 지층 내에서 순환시킴으로써 지열 에너지를 직접적으로 메탄 하이드레이트의 분해 경계면에 공급하고자 하는 것이며, 그 성공 여부는 다분히 열매체의 유량과 그 유동성에 의존한다.

이 때문에 메탄 하이드레이트의 분해에 필요한 열매체의 순환량을 확보할 수 있는지의 여부에 대해서 가능한 범위에서 검증을 행하였다. 지질 조건을 균일하다고 간주하고, 달시(Darcy)의 법칙을 적용하였다.

원주(圓柱)를 이용한 집유(集油)[집수(集水)] 능력의 계산식은 이하를 이용하였다.

계산식: Q = 2×PI()×k×h×100×ΔP/1.03323/μ/Ln(r_e/r_w)

여기서, PI():π, k:절대 침투율=300 mdarcy, h:저장조(reservoir)의 두께=17.6 m, ΔP:차압=3 ㎫, μ:점성=1.00 cp, r_e:저장조 반경(radius)=180 m, r_w:갱정 반경=17.8 ㎝로 하였다. 이 결과, 펌프에의 집수 능력은 약 1202 ㎥/d로 계산되었다.

한편, 특정한 일산량을 확보하기 위해 필요한 열량 및 유량을 계산하였다.

그 결과, 갱정의 생산성을 4만 ㎥/d, 분해 경계면 부근에서의 열교환 전후의 온도차를 20℃, 열효율 100％, 가열법에서의 분해 의존도를 20％로 하였을 때에 필요한 열매체량은 약 254 ㎥/day/well로 계산되었다. 만약 시스템 전체의 열효율을 30％로 간주한 경우, 필요한 열매체량은 약 846 ㎥/day/well이 된다.

전술한 계산 및 다른 계산 결과로부터 생산성을 유지하기 위해 필요한 지열 에너지를 순환시키는 것이 충분히 가능하다고 해석되었다. 만약 갱정의 생산성이 4만 ㎥/day 이하이면 필요 열량은 더욱 감소하고, 여력은 증대한다.

가열정에 설치하는 펌프는, 투수성이 좋은 심부 대수층이 존재하는 한은, 열매체량을 확보하는 데에 장해는 없다. 열원으로서 복수의 심부 모래층을 이용하는 것도 용이하다.

또한 최신의 다운홀 펌프는 열매체를 지층 내에서 순환시키기 위해 필요한 승압력과 토출력을 가지며, 모두 100％ 전후의 여력이 있다고 해석되었다.

도 2는 심부 지열을 이용한 본 발명의 메탄 가스 회수 시스템의 메카니즘과 지층·유체 온도 조건의 예를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 현단계에서는 실증을 행할 수 없기 때문에, 이 그래프는 기초적 지견을 기초로 작성한 것이다.

종축에 메탄 하이드레이트층(100), 메탄 하이드레이트 불포화층(200), 심부 대수층(300)의 심도를 취하고, 횡축에 온도를 취하여, 지온 구배선(610), 및 본 발명의 메탄 가스 분해·회수 시스템의 열사이클선도(601～608)를 모식적으로 도시하고 있다.

수심을 1,000 m로 하면 해저로부터 심부 대수층(300)까지의 구간에서는 지온 구배선(610)이 예상된다. 이 때문에, 심부 대수층(300) 부근에서는 42℃ 정도의 지온이 기대된다[점 601]. 펌프에 의해 심부 대수층으로부터 열매체를 퍼 올려, 메탄 하이드레이트층 하부의 분해 경계면 부근의 모래층(110)에 토출하는 프로세스는 선 602로 표시되고, 그 종점 603에서의 열매체의 온도는 40℃ 정도로 된다. 점 603은 메탄 하이드레이트의 분해 프론트 부근에 도달하였을 때의 열매체 온도를 나타내고 있으며, 선 604로 나타내는 바와 같이 분해 경계면 부근을 통과하고 있는 사이에 온도가 20℃ 정도까지 저하하여, 열매체 온도차가 20℃(40℃→ 20℃) 정도인 열에너지를 방출하며, 종점 605에 다다른다. 이 20℃로 온도가 낮아진 열매체는 환류정에 설치한 펌프 등에 의해, 선 606의 프로세스를 거쳐 심부 대수층에 환류된다. 온도차 20℃는 절대 요건이 아니며, 계산 상으로는 30％의 열효율이어도 분해에 필요한 열량을 만족시킨다.

계속해서 이 열매체는 심부 대수층(300)을 유동하는 중에 선 608로 나타내는 바와 같이 지열을 흡수하고, 재차 지열 온도 42℃[점 601] 정도까지 회복한다. 지열은 장소에 따라 차이가 있다. 심부 대수층(300)의 두께가 얇은 경우, 또는 열에너지를 증량하고자 하는 경우에는 약간 깊은 심부 대수층을 이용하는 것이 바람직하다.

도 2에서는 열매체의 1차원의 유동을 모식적으로 나타내고 있지만, 실제로는 방사형으로 유동하는 등과 같이 2차원의 유동이 된다. 따라서 열교환의 시간적 변화는 약간 복잡해진다.

곡선 620은 단순 감압법에 따라 생산을 계속하였을때의 지온 변화를 정성적으로 나타낸 것이다. 잠열 공급 속도가 느리기 때문에, 분해에 따라 지층 온도가 저하한다. 곡선 630은 본 발명의 메탄 가스 회수 시스템에 의해 생산하는 중인 지층 유체의 온도를 예찰한 것이지만, 분해에 따른 잠열 이상의 지열 에너지를 메탄 하이드레이트층에 흡수시키면 지온을 약간 상승시킬 수 있다. 생산성을 좌우하는 분해 경계면 부근의 유체 온도는 펌프 등급에 의해 제어할 수 있다.

도 3은 일본의 남해 앞바다에서 예상되는 심도와 지층 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 아직 조사가 충분하다고는 말할 수 없고, 장소에 따라서는 이들 수치가 약간 다르지만, 광역에서의 지온 구배는 3℃/100 m～4℃/100 m로 추측된다.

심도와 압력의 관계는 거의 직선형의 관계로 있다고 보여지고, 심도 1,350 m 부근까지 정상압의 지층 조건 하에 있는 것을 나타내고 있다.

일본의 남해 앞바다에서는 위치에 따라 차이는 있지만, 수심 1,000 m 부근에서는, 1,100 m까지 진흙층이고, 그 밑에 메탄 하이드레이트 함유하는, 진흙과 모래가 번갈아 있는 층이 존재하고, 메탄 하이드레이트 농축대의 하단은 1,350 m 부근인 것으로 예상되며, 메탄 하이드레이트 농축층 하단의 지층 온도는 약 14℃ 정도로 생각된다.

또한 메탄 하이드레이트 평형 곡선으로부터, 메탄 하이드레이트 농축층 하단의 분해 경계면 온도는 16℃ 정도로 생각된다. 따라서 메탄 하이드레이트 농축층 하단에서의 지층 온도와 경계면 온도의 차는 약 2℃ 정도로 추정된다. 이 때문에, 연료를 이용하는 일 없이 40℃ 정도의 온수를 공급하여, 분해 경계면 부근에서 효율적으로 열교환을 행할 수 있으면, 매우 저렴한 병용법이 성립된다고 해석된다.

도 3으로부터, 수심 1,000 m일 때에는, 해저 밑 1,000 m 이상 깊은 대수층으로부터 40℃ 이상의 온수를 비교적 용이하게 확보할 수 있는 것으로 해석된다(해저 온도 4℃, 지온 구배 4℃/100 m의 경우, 해저 밑 1,000 m의 대수층의 온도는 계산 상으로는 약 44℃가 됨).

온수를 계속해서 강제 압입하면 지층압은 높아지지만, 본 발명의 지층 내에서의 순환 방식을 기본으로 하는 생산 수단에서는 고압력의 유체를 강제 주입할 필요가 없기 때문에, 메탄 하이드레이트층에서의 압력의 축적을 해소할 수 있다. 대수층의 침투율이 충분하면, 단상의 다운홀 펌프에 의해 완만한 온수 순환을 기대할 수 있다.

도 4는 도 1에서 나타낸 가열정(30)의 꼭대기부로부터 메탄 하이드레이트층의 분해 경계면 부근을 통하여 환류정(20)의 밑바닥부에 이르는 열매체의 이동 경로를 모식적으로 평면도로 나타낸 것이다. 도 4에서는 이들 갱정을 평면적으로 균등하게 배치하고, 메탄 가스를 회수하는 메탄 하이드레이트층의 평면적을 편의적으로 정사각형으로 나타내고 있다. 열매체의 평면적인 유동 방향은 갱정 위치, 온도 구배, 이방성, 지층 구배, 지층의 물리적 압력 구배, 중력(重力), 침투율 등에 좌우되지만, 메탄 하이드레이트 분해 경계면 부근의 모래층에 지열 에너지를 전달할 수 있으면 된다. 이들 갱정을 어떤식으로 배치하여도, 화살표로 나타내는 바와 같이 열매체는 지층면을 따라 거의 방사형으로 유동하는 것으로 생각된다.

도 5는 단순 감압법에서 예상되는 메탄 하이드레이트층의 심도·압력·온도와 상평형 곡선의 관계를 나타내는 그래프이다. 종축에는 심도를 대수 눈금으로 나타내고, 횡축에는 온도를 취하여, 메탄 하이드레이트의 상평형 곡선(702)을 그리고 있다.

상평형 곡선(702)의 좌측 하측의 사선을 그은 영역은 메탄 하이드레이트의 고체상 영역이다. 상평형 곡선(702)으로부터 우측 상측의 영역은 메탄 가스 영역이며, 0℃보다 저온측의 영역은 메탄 가스와 물과 얼음의 혼합 영역이고, 0℃보다 고온측의 영역은 메탄 가스와 물의 혼합 영역이다. 또한, 종축에는 심도에 더하여, 압력의 눈금을 달았다.

예컨대 심도 1,000 m에서의 메탄 하이드레이트층의 온도는 14℃ 전후이고, 3 ㎫ 정도까지 감압하면 점 710의 상태가 되며, 기체로서 회수할 수 있을 것이다. 그러나 잠열의 공급 속도가 느리기 때문에, 양호한 생산성을 유지할 수 없으며 온도 강하를 수반하여 점 711에 이른다. 이 때문에 기화가 방해되며, 생산성은 현저히 저하한다.

단순 감압법에서는, 초기의 생산성은 양호하지만 시간의 경과에 따라 잠열 공급량이 저하한다. 생산 개시 초기에는, 메탄 하이드레이트 상부와, 메탄 하이드레이트층과 번갈아 있는 층을 형성하는 진흙층으로부터도 잠열이 공급되지만, 이들에는 재생산성이 없기 때문에 생산을 계속하는 사이에 잠열 부족이 뚜렷하게 된다.

메탄 하이드레이트층의 하부로부터의 잠열 공급은 생산을 끝낼 때까지 유지되지만 전달 속도가 느리기 때문에 지층 온도가 저하하고, 분해 경계면의 온도 압력 조건이 상평형 곡선의 경계선에 근접하게 된다. 이에 따라 생산성의 급감이 불가피해진다. 이 때문에, 생산 거동의 형상이 악화하여, 시설의 이용 효율 저하와 건설비 상승의 원인이 된다.

도 6은 본 발명의 메탄 가스 회수 시스템을 이용하는 경우의 상평형 곡선에 기초하는 거동을 나타내는 그래프이며, 도 5와 마찬가지로 눈금을 설정하고 있다. 본 발명에서는 펌프를 이용하여 심부의 지열 에너지를 채취하여 직접 메탄 하이드레이트의 분해 경계면에 공급함으로써, 7 ㎫ 정도까지의 감압에서 생산을 유지할 수 있다. 충분한 잠열을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 온도 저하가 발생하지 않아, 생산성의 급격한 저하를 예방할 수 있다.

지열 에너지의 공급 속도를 조절함으로써 안정적인 생산 레벨을 유지할 수 있고, 감압도를 완화함으로써 피크 생산량을 억제할 수 있다. 즉, 2계통의 생산성 조절 수단을 확보함으로써 생산성의 평준화를 확립한다. 이 때문에 생산 시설의 설계를 현저히 저감하는 것이 가능해지는 동시에, 출사·출수량의 삭감이 실현된다.

도 7은 일정한 갱저압의 감압법에서 예상되는 일산량의 경년 변화(801)와 심부 지열을 이용한 본 생산 시스템에 의해 기대되는 일산량의 경년 변화(811)를 비교한 것이다. 종축은 갱정의 일산량, 횡축은 생산 연수를 나타내고 있다. 일정한 갱저압의 단순 감압법에서는 선 801과 같이 생산 초기에는 일산량이 급증하지만, 일정한 갱저압에서 강한 감압을 속행하여도 일산량이 급속하게 감소하게 된다.

본 발명의 시스템에서는 감압도를 억제함으로써 생산 피크의 레벨을 낮게 억제하고, 또한 열량을 제어하면서 연속적으로 공급함으로써 장기간의 안정적인 고원형(plateau)의 생산을 유지할 수 있다.

즉, 감압도의 억제와 지열 에너지의 공급량을 제어함으로써 감압법에 따른 생산 거동 곡선을 선 811과 같이 교정할 수 있다.

이 예에서는 감압법의 생산 거동 곡선에 의존하는 장치의 설계 사양선 802이, 본 시스템을 채용함으로써 선 812와 같이 변화한다. 이 결과, 해저 시스템의 설계 사양이 삭감되는 한편, 평균 생산성은 증가한다. 생산 거동 곡선(801, 811)을 입력한 경제성 모델에 의한 자동 계산 결과에서는 회수율도 명백히 향상된다.

이것은, 생산 시설의 건설비를 대폭 절감하는 한편, 가스 판매 수입을 늘리는 것을 의미하고 있어, 현저한 경제 효과를 기대할 수 있다.

도 8은 감압법에서 예상되는 메탄 하이드레이트층의 층 두께와 생산성의 관계, 그리고 생산성의 개선 여지를 나타내는 그래프이다. 종축에 메탄 하이드레이트의 층 두께를 취하고, 횡축에 갱정의 생산성을 나타내었다. 곡선 832는 감압법의 생산성 예측값을 나타내고 있다. 감압법에서는 잠열의 공급 부족이 시작되는 두께를 넘으면, 층 두께가 두꺼워져도 생산성에 기여하지 않고, 미분해의 영역 비율만이 확대된다. 즉 두꺼운 메탄 하이드레이트가 제공되어도 그 이점을 생산성 개선에 충분히 유용하게 쓸 수 없다.

한편, 심부 지열을 이용한 본 발명의 메탄 가스 회수 시스템을 이용하면 잠열의 공급이 촉진되기 때문에, 미분해 영역의 확대를 방지한다. 메탄 하이드레이트층의 두께가 두꺼워지면, 그 이점을 직접 생산성의 향상에 유용하게 사용할 수 있다. 선 833은 지열 에너지를 공급하는 본 시스템이 기대하는 상한값을 나타내고 있다. 선 833과 선 832 사이의 영역은, 잠열의 공급량에 따라 변화하는 기대 영역을 나타내지만, 현단계에서는 정량적인 검증을 할 수 없다.

또한 선 831은 해양에서의 평균적인 재래형 가스 갱정의 생산성을 나타내고 있다.

재래형 가스 개발에서는 일반적으로 층 두께가 두꺼울수록 생산성이 향상되고, 그 결과 경제성도 양호하게 된다. 본 생산 시스템은 기본적으로 메탄 하이드레이트의 분해 속도 촉진을 목적으로 개발한 것이며, 동시에 자원층의 층 두께의 이득을 재래형 가스 개발과 마찬가지로 획득하고자 하는 것이다.

Claims (4)

1. 심부(深部) 대수층으로부터 열매체를 퍼 올리는 가열정(加熱井)과,
   상기 가열정에 의해 퍼 올려진 열매체를 메탄 하이드레이트의 분해 경계면에 공급하는 수단과,
   상기 열매체에 의한 메탄 하이드레이트의 분해에 의해 생성된 메탄 가스를 채취하는 생산정(生産井)과,
   열교환을 끝낸 상기 열매체를 심부 대수층으로 환류시키는 환류정(還流井)
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 생산정에 메탄 하이드레이트층의 압력을 감압하는 수단을 부가한 것을 특징으로 하는 메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 가열정은, 상기 생산정의 하단을 심부 대수층까지 연장시킨 갱정(坑井)으로, 심부 대수층으로부터 지열 에너지(열매체)를 퍼 올리는 갱정인 것을 특징으로 하는 메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 환류정은, 상기 생산정의 하단을 심부 대수층까지 연장시킨 갱정으로, 열교환을 끝낸 열매체를 심부 대수층으로 환류시키는 갱정인 것을 특징으로 하는 메탄 하이드레이트의 분해 촉진 및 메탄 가스 채취 시스템.

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