KR101215468B1 - 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치는, 시료; 상기 시료를 둘러싸는 슬리브; 상기 슬리브로 둘러싸인 시료가 삽입되며, 상기 슬리브의 외측에 유체가 주입되는 공간을 구비하고 있는 셀; 상기 셀이 내장되는 오븐; 상기 셀에 상기 유체를 공급하기 위한 유체 펌프; 상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 상기 시료에 이산화탄소를 공급하기 위한 펌프; 상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 측정계; 상기 셀의 하류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 측정계; 상기 슬리브에 내장된 시료를 가압하여 고정하기 위한 가압 볼트; 상기 셀의 하류측에 연결되고, 상기 셀을 관통하여 통과한 이산화탄소의 압력을 측정하여 상기 이산화탄소의 거동을 제어하는 밸브; 상기 밸브에 연결되고, 상기 밸브로부터의 상기 이산화탄소 또는 유체를 수집하는 유체 수집부; 상기 유체 수집부에 수집된 상기 이산화탄소 또는 유체의 중량을 측정하기 위한 전자 저울; 및 상기 유체 수집부에서 유출되는 이산화탄소의 유량을 측정하기 위한 유량계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법은, 셀에 시료를 장착하는 단계; 상기 셀을 오븐에 투입하는 단계; 상기 셀을 유체로 가압하는 단계; 상기 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계; 상기 셀에서 유출된 이산화탄소의 유량을 측정하여 이산화탄소의 투과율을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 이산화탄소의 투과율은, 하기 수학식에 의해서 측정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure 112012088872190-pat00004

여기에서,
K = 투과율(단위: mD, millidarcies)
μ = 점성도(단위: cP, centipoise)
L = 시료의 길이(단위: cm)
A = 시료의 단면적(단위: cm2)
t = 시간(단위: 초)
V = t 초간 유동한 유체의 체적(단위: cm3)
P1 = 입구측 압력(절대압)
P2 = 출구측 압력(절대압)
Patm = 대기압(절대압).

Description

이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING PERMEABILITY OF SAMPLE USING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 지중 저장하고 있는 지층이나 암석 또는 이렇게 지중 저장된 이산화탄소의 외부 유출을 방지하기 위한 밀폐재의, 장기간에 걸친 이산화탄소의 투과율 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 증가하고 있는 지구 환경 보전과 관련하여, 각종 산업체 등지에서 다량 배출되는 이산화탄소를 지중 저장하는 방법이 강구되고 있다.
상기 이산화탄소의 지중 저장은, 저장소의 부지 선정도 중요하지만, 지중 저장된 이산화탄소가 외부로 유출되지 못하도록 방지하는 기밀 기술 또한 매우 중요하다.
지중 저장되는 이산화탄소는, 고온·고압 조건하에서, 밀도 측면에서는 액체 상태이지만 점성도 측면에서는 기체 상태인 초임계 상태의 이산화탄소로 존재하게 된다.
상기 초임계 상태의 이산화탄소는 지중 저장 지층을 이루는 공극을 채우면서 저장되거나, 지중 저장 지층의 공극을 채운 염수에 용해되면서 저장되며, 또는 지중 저장 지층의 공극을 채운 염수와의 화학 반응 등에 의해서 저장되는 것으로 알려져 있다.
상기 이산화탄소의 지중 저장이 종료되면, 즉 지중 저장소에 저장되는 이산화탄소의 지중 압력이 포화 상태에 도달하게 되면, 이산화탄소 지중 저장용 주입 관정을 밀폐/폐쇄하게 된다.
이때, 이산화탄소의 지중 저장용 주입 관정에는 상기 초임계 상태의 이산화탄소에 의한 압력이 발생하게 되며, 이 압력에 의해서, 지중 저장 지층의 모든 방향으로 압력이 전달되며, 이에 의해서 이산화탄소 지중 저장 지층의 크랙(crack) 등을 통한 이산화탄소의 유출 가능성이 발생하게 되고, 따라서 이산화탄소를 지중 저장하기 위한 주입 관정의 상부, 즉 지표면 방향으로 이산화탄소가 유출될 가능성이 매우 높아지게 된다.
이산화탄소 지중 저장 지층에서의 초임계 이산화탄소의 거동을 더욱 정확하게 파악하기 위해서는, 이산화탄소 지중 저장 지층을 이루는 코어 시료를 채취하고, 이들 코어 시료에서의 각종 물질의 확산 거동을 정확하게 파악할 필요가 있었다.
한편, 이산화탄소 지중 저장용 주입 관정을 밀폐하기 위해서 현재 시멘트가 사용되고 있다.
상기 주입 관정 밀폐용 시멘트는 이산화탄소의 지중 저장이 종료된 이후, 이산화탄소 주입 관정을 밀폐한 상태로 장기간 유지되어야 하는데, 상술한 바와 같이, 지중 저장된 고온·고압하의 초임계 상태의 이산화탄소에 의해, 주입 관정 밀폐용 시멘트에도 고온·고압이 가해지게 되며, 이때의 고온·고압하에서의 초임계 이산화탄소에 의한 이산화탄소의 시멘트 투과율을 정확하게 파악할 필요가 있었다.
본 발명에 관련된 종래 기술로는 대한민국 등록특허 제10-1118622호(2012.06.06. 공고)가 있다.
본 발명은, 이산화탄소 지중 저장 지층을 이루는 암석 또는 이산화탄소 지중 저장 지층을 밀폐하는 시멘트 등과 같은 시료(sample)의 장기간에 걸친 투과율을 측정할 수 있는 이산화탄소를 이용한 투과율 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치는, 시료; 상기 시료를 둘러싸는 슬리브; 상기 슬리브로 둘러싸인 시료가 삽입되며, 상기 슬리브의 외측에 유체가 주입되는 공간을 구비하고 있는 셀; 상기 셀이 내장되는 오븐; 상기 셀에 상기 유체를 공급하기 위한 유체 펌프; 상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 상기 시료에 이산화탄소를 공급하기 위한 펌프; 상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 측정계; 상기 셀의 하류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 측정계; 상기 슬리브에 내장된 시료를 가압하여 고정하기 위한 가압 볼트; 상기 셀의 하류측에 연결되고, 상기 셀을 관통하여 통과한 이산화탄소의 압력을 측정하여 상기 이산화탄소의 거동을 제어하는 밸브; 상기 밸브에 연결되고, 상기 밸브로부터의 상기 이산화탄소 또는 유체를 수집하는 유체 수집부; 상기 유체 수집부에 수집된 상기 이산화탄소 또는 유체의 중량을 측정하기 위한 전자 저울; 및 상기 유체 수집부에서 유출되는 이산화탄소의 유량을 측정하기 위한 유량계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 슬리브는, 재질이 스테인레스 스틸인 것이 바람직하다.
또한, 상기 이산화탄소는, 초임계 상태로 변환되어, 셀 내의 시료로 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀 내의 상기 유체의 압력을 제어하기 위한 가압 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 시료의 상류측과 하류측에 설치된 고정 디스크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체는,오일인 것이 바람직하다.
또한, 상기 오일은, 상기 셀 내의 상기 시료를 둘러싸고 있는 슬리브를 가압하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오븐은 이산화탄소 지중 저장소의 온도로 조절되는 것이 특히 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법은, 셀에 시료를 장착하는 단계; 상기 셀을 오븐에 투입하는 단계; 상기 셀을 유체로 가압하는 단계; 상기 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계; 상기 셀에서 유출된 이산화탄소의 유량을 측정하여 이산화탄소의 투과율을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 이산화탄소의 투과율은, 하기 수학식에 의해서 측정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure 112012088872190-pat00001
여기에서,
K = 투과율(단위: mD, millidarcies)
μ = 점성도(단위: cP, centipoise)
L = 시료의 길이(단위: cm)
A = 시료의 단면적(단위: cm2)
t = 시간(단위: 초)
V = t 초간 유동한 유체의 체적(단위: cm3)
P1 = 입구측 압력(절대압)
P2 = 출구측 압력(절대압)
Patm = 대기압(절대압).
여기에서, 상기 유체는 오일인 것이 바람직하다.
또한, 상기 오븐은 이산화탄소 지중 저장소의 온도로 조절되는 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 이산화탄소는, 초임계 상태로 변환되어, 셀 내의 시료로 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 지중 저장 지층을 이루는 암석 또는 초임계 이산화탄소를 지중 저장하고 있는 주입 관정을 밀폐하는 밀폐재로서의 시멘트의 장기간에 걸친 이산화탄소의 투과율을 시뮬레이션하여 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 장기간에 걸친 상기 이산화탄소의 절대 투과율 또는 상대 투과율을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 투과율 측정 장치의 셀 주변부를 더욱 상세하게 도시한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 말하는 시료(sample)는, 이산화탄소 지중 저장용 주입 지층을 이루는 암석이나 기타 지층 성분으로서 투과율 시험을 위해 코어 드릴을 사용하여 채취한 시료 또는 이산화탄소 주입 관정을 밀폐하는 밀폐재로서의 시멘트의 일부를 코어 샘플로 채취한 시료를 가리키며, 시멘트의 경우, 이산화탄소 지중 저장용 주입 관정을 밀폐한 이후에는 추출이 곤란하므로, 본 발명에서는 사용하기 적합한 크기로 미리 형성하여 준비한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치는, 크게 보아, 셀(100), 시료(110), 및 오븐(120)을 포함하고 있다.
또한, 상기 셀(100)에는 적절한 배관을 통해서 셀(100) 내에서 시료(110)에 밀봉압을 부여하기 위한 핸드 오일 펌프(hand oil pump)(130), 셀(100)에 부여된 상기 밀봉압을 조정하기 위한 가압 장치, 바람직하게는 가압 펌프(140)와, 및 상기 셀(100) 내의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 측정계(160)와 제 2 압력 측정계(170)가 연결되어 있다.
도 1에서 이산화탄소의 전달 방향은 도면의 좌측에서 우측으로 진행되며, 따라서 본 명세서에 말하는 상류측은 도 1에서 좌측을 가리키고, 하류측은 도 1에서 우측을 가리킨다는 점을 기억해야 한다.
또한, 도면의 도시는 본 발명의 특징적인 측면을 부각시키기 위해 일부 과장되게 도시한 부분도 있지만, 이와 같은 과장이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
또한, 도면에서 도시된 각종 배관은 별도로 언급하지 않더라도 구성 요소간의 압력이나 유체의 공급에 사용된다는 점을 알 것이다.
셀(100)의 내측에 시료(110)가 삽입된다.
이때, 시료(110)는, 상술한 바와 같이, 셀(100) 내에 삽입되기 적당한 크기로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
시료(110)가 삽입된 셀(100)은 오븐(120) 내에 위치한다.
이때, 오븐(120)은 이산화탄소가 지중 저장된 환경에서의 고온 상황을 시뮬레이션하기 위한 것이다.
오븐(120)은, 시료(110)가 삽입된 셀(100)을 오븐(120)에 넣은 후에, 소정의 온도, 바람직하게는, 시뮬레이션하고자 하는 지중의 온도와 유사한 온도값으로 설정될 수 있다.
한편, 제 1 압력 측정계(160)는 셀(100)의 상류측에서 셀(100) 내부의 시료(110)에 가해지는 압력을 측정한다.
또한, 제 2 압력 측정계(170)는 셀(100)의 하류측에서 셀(100) 내부의 시료(110)에 가해지는 압력을 측정한다.
또한, 가압 펌프(140)는 셀(100)에 가해진 밀봉압을 조정하기 위한 것으로, 제 3 압력 측정계(145)에 의해서 셀(100)에 가해진 밀봉압을 판독하고, 이 밀봉압이 기준 이하가 되지 않도록 오일에 압력을 부여하는 역할을 수행한다.
참고로, 셀(100)에 가해지는 최초의 밀봉압은 상기 핸드 오일 펌프(130)에 의해서 부여된다.
도 1의 상류측에는 셀(100) 내의 시료(110)에 가해지는 압력이나 온도 변화에 따른 임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정 장치(10)와, 이산화탄소와 반응하지 않는 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 탱크(20), 상기 불활성 가스 탱크(20)로부터 공급되는 불활성 가스의 공급을 조절하기 위한 제 1 제어 밸브(22), 이산화탄소의 공급 온도를 제어하기 위한 이산화탄소 온도 제어부(30), 이산화탄소를 일정 압력 내지 일정 속도로 공급하기 위한 이산화탄소 시린지 펌프(32), 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급 탱크(40), 그리고 상기 이산화탄소의 공급을 조절하기 위한 제 2 제어 밸브(24) 등이 설치되어 있다.
상기 임피던스 측정 장치(10)는 셀(100) 내의 시료(110)에 부착된 임피던스 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 이산화탄소 온도 조절 제어부(30) 및 이산화탄소 시린지 펌프(32)는, 셀(100) 내의 시료(110)에 공급되는 이산화탄소를 지중 저장 상황에서와 유사하게 초임계 상태로 유지하는 역할을 담당한다.
한편, 도 1의 하류측에는 셀(100) 내의 시료(110)에 가해진 하류측 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 측정계(170), 셀(100)의 하류측에서 압력을 조절하는 배압 조절 밸브 또는 역압력 레귤레이터로 불리는 밸브(BPR)(180), 상기 밸브(180)를 통과하여 유출되는 유체를 수집하는 유체 수집부(195), 상기 유체 수집부(195)의 정확한 중량을 측정하기 위한 전자 저울(190), 및 유량계(200) 등이 설치되어 있다.
상기 밸브(180)를 통과하여 유출되는 유체는, 이산화탄소를 주로 포함하고 있지만, 시료 내에 포함된 물과 같은 기타 유체가 더 포함되어 있을 수도 있다.
상기 밸브(180)는 셀(100)의 상류측에서 셀(100) 내에 삽입되어 있는 시료(110)를 관통하여 셀(100)의 하류측으로 빠져나온 이산화탄소 및 시료(110) 내에 남아있는 일부 유체에 의한 압력이 설정값을 초과하면 이들을 유체 수집부(195)로 전달한다.
유체 수집부(195)는 상기 밸브(180)를 통과하여 유출된 유체(이산화탄소 및 기타 유체)를 수집하며, 이들 유출된 유체의 정확한 중량은 유체 수집부(195)의 하부에 설치된 전자 저울(190)에 의해서 계량 측정된다.
상기 유체 수집부(195)로부터 배출되는 이산화탄소는 유량계(200)를 통과하면서 그 배출량이 측정된다.
상기 유체 수집부(195)에 이산화탄소를 제외한 유체가 더 이상 수집되지 않으면, 유량계(200)는 이산화탄소의 배출량만 측정하게 된다.
도 2는 도 1에 나타낸 투과율 측정 장치의 셀(100) 주변부를 더욱 상세하게 도시한 확대도이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치는 오븐(120)과, 상기 오븐(120)에 포함되어 있는 셀(100)과, 상기 셀(100)에 삽입된 시료(110)를 포함하고 있다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 투과율 측정 장치는, 시료(110)가 삽입되어 있는 셀(100)의 상류측에서 시료(110)에 가해지는 이산화탄소의 압력을 측정하는 제 1 압력 측정계(160)와, 시료(110)가 삽입되어 있는 셀(100)의 하류측에서 시료(110)에 가해지는 이산화탄소의 압력을 측정하는 제 2 압력 측정계(170)를 포함하고 있다.
또한, 도 1에서 설명한 바와 같이, 시료(110)가 삽입되어 있는 셀(100)의 상류측에는, 각각, 셀(100)에 공급하기 위한 이산화탄소를 담고 있는 이산화탄소 공급 탱크(40)가 추가로 연결되어 있다.
셀(100)의 하류측에는, 셀(100)의 하류측에서 셀(100) 내에서의 압력에 의해서 유출되는 이산화탄소의 압력을 조절하는 밸브(180)가 연결되어 있다.
여기에서, 상기 셀(100)에 삽입되어 있는 시료(110)는 그 외측이 부식 방지와 내고압성을 위해서 스테인레스 재질의 슬리브(106, 106'; 이하 106)로 둘러싸여 있을 수 있다.
상기 슬리브(106)는 시료(110)를 밀봉할 수 있을 정도로 시료(110)와 밀착되어 있는 것이 바람직하며, 그 재질은, 상기 슬리브(106)가 시료(110)를 밀봉하면서도 상류측으로부터의 압력을 견딜 수 있는 재질이면 충분하다.
슬리브(106)의 직경은 셀(100) 내에 삽입되는 시료(110)의 직경과 사실상 동일한 직경인 것이 바람직하며, 시료(110) 외측과 슬리브(106)는 최대한 밀착되어, 밀봉압이 가해질 때, 시료(110)를 완전히 압착하여 이산화탄소 등이 시료(110)와 슬리브(106) 사이를 통해서 빠져 나가지 못하도록 하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 시료(110)의 상류측과 하류측에는, 각각, 시료(110)의 밀려남을 막고 상기 이산화탄소 공급 배관 등과 같은 각종 배관의 설치를 용이하게 할 수 있도록 고정 디스크(108; 109)가 삽입되어 있을 수 있다.
상기 고정 디스크(108; 109)의 직경은, 시료(110)의 직경과 동일한 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 고정 디스크(108; 109)는, 다공성 디스크의 형태가 가장 바람직하나, 필요에 따라서, 철 재질, 더욱 바람직하게는 내부식성을 고려하여 스테인레스 스틸 재질로 형성된 고정 디스크(108; 109)를 사용하는 것이 바람직하다.
스테인레스 스틸 재질의 고정 디스크(108; 109)를 사용하는 경우, 이산화탄소의 전달 및 각종 배관의 통과를 위해 다수의 구멍(hole)이 뚫려있는 것이 특히 바람직하다.
상기 고정 디스크(108; 109)의 상류측과 하류측 외측, 즉 시료(110)의 좌우측 방향으로 연장하는 시료(110)의 외측에는 셀(100)의 좌우를 밀봉하기 위한 밀봉체(미도시)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 밀봉체에는, 각각, 제 1 압력 측정계(160)와 제 2 압력 측정계(170), 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 탱크(20)와 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 공급 탱크(40) 및 밸브(BPR)(180)가 관(미도시)을 통해서 셀(100)에 연결되어 있을 수 있다.
상기 관에는, 상술한, 임피던스 측정 장치(10)에 연결된 임피던스 측정 센서(미도시)용 배선이 추가로 통과할 수도 있다.
상기 밀봉체는 상류측과 하류측 모두 분리 결합 가능하도록 구성될 수도 있으나, 그 상류측은 자유롭게 분리 가능하도록 나사 결합되고, 하류측은 고정되어 있는 것이 바람직하다.
다르게는, 상류측 밀봉체를 고정시켜 두고, 하류측 밀봉체를 나사 결합시켜 자유롭게 분리 가능하도록 구성할 수도 있으나, 임피던스 측정 센서(미도시)를 추가로 포함시키는 경우, 시료(110)의 장착/분리 또는 정확한 임피던스 측정 위치를 설정하는 것이 어려울 수도 있다.
시료(110)의 외측을 둘러싸고 있는 슬리브(106)의 외측에는, 셀(100) 내측과의 사이에 형성된 공간(A)이 있으며, 이 공간(A)에는, 상술한 도 1의 핸드 오일 펌프(hand oil pump)(130)에 의해서 공급되는 오일이 충전되어 있다.
상기 오일은 핸드 오일 펌프(130)에 의해서 공급되어, 셀(100)에 밀봉압을 제공하게 된다.
이때, 상기 슬리브(106)의 상류측과 하류측은 셀(100)에 가해지는 밀봉압을 유지 보존할 수 있도록 양단이 공간(A) 내에서 ⊂와 ⊃ 형상으로 형성되어 있는 것이 매우 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 밀봉압은 가압 펌프(140)에 의해서 조정되며, 그 조정은 제 3 압력 측정계(145)에 의해서 제어된다.
여기서, 가압 펌프(140)는, 장기간에 걸쳐서 이산화탄소가 시료(110)를 투과할 때의 투과율 측정에 필요한 압력을 장기간에 걸쳐서 부여할 수 있도록 하는 구성이다.
셀(100)에는 밀봉압을 형성하는 공간(A)의 외측에서 슬리브(106) 내의 시료(110)를 추가적으로 지지 유지하는 역할을 하는 가압 볼트(102, 104)가 형성되어 있다.
상기 가압 볼트(102, 104)는, 시료(110)를 지지하는 역할을 하며, 상류측에서 공급되는 압력에 의해서 시료(110)가 하류측으로 밀려나지 않도록 하는 역할을 수행한다.
이상으로, 본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치의 설명을 마치고, 이하에서는 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법은, 크게 보아, 셀에 시료를 장착하는 단계(S310), 셀을 오븐에 투입하는 단계(S320), 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계(S330), 및 투과율을 측정하는 단계(S340)를 포함하고 있다.
먼저, 셀에 시료를 장착하는 단계(S310)는, 슬리브(106)의 직경 및 셀(100)의 길이에 적합하도록 형성된 시료(110)를 미리 준비하고, 밀봉체(미도시)의 일측 및/또는 양측을 개방하고, 슬리브(106)의 내측에 시료(110)를 끼워 넣는 단계이다.
상술한 바와 같이, 밀봉체(미도시)는 상/하류의 양측을 개봉하는 것보다는 어느 한쪽만을 개봉하는 것이 바람직하다.
셀(100)에 시료(110)를 장착한 다음, 밀봉체(미도시)를 이용하여 셀(100)의 상류측과 하류측을 완전히 밀봉한다.
이때, 선택적으로, 상기 제 1 압력 측정계(160), 제 2 압력 측정계(170), 불활성 가스 탱크(20)/이산화탄소 공급 탱크(40), 밸브(BPR)(180), 임피던스 측정 센서(미도시) 등을 연결할 수 있다.
다음으로, 셀을 오븐에 투입하는 단계(S320)는, 시료(110)가 삽입된 셀(100)을 오븐(120)에 투입하는 단계이다.
이어서, 상술한 바와 같이, 핸드 오일 펌프(130)를 이용하여, 시료(110) 외측의 슬리브(106)를 둘러싸고 있는 공간(A)에 오일을 충전함으로써, 초기 밀봉압을 제공한다.
또한, 본 셀을 오븐에 투입하는 단계(S320)에서는, 셀(100)을 오븐(120)에 투입한 다음, 이산화탄소를 지중 저장하고 있는 곳의 온도와 유사한 온도로 오븐(120)의 온도를 설정함으로써 이산화탄소 지중 저장 환경을 시뮬레이션할 수 있다.
다음으로, 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계(S330)는, 상술한 이산화탄소 공급 탱크(40)에 연결되어 있고 이산화탄소의 공급을 제어하는 제 2 제어 밸브(24)를 개방하여 셀(100)을 이산화탄소로 가압 충전한다.
이때, 이산화탄소는, 이산화탄소 공급 탱크(40)에 접속되어 있는 이산화탄소 온도 제어부(30)에 의해 이산화탄소 지중 저장 환경과 유사한 온도로 이산화탄소를 초임계 상태로 형성하며, 이후 초임계 상태의 이산화탄소는 이산화탄소 시린지 펌프(32)를 통해서 셀(100) 내로 공급되는 것이 바람직하다.
이때, 이산화탄소의 공급은 셀(100) 내의 시료(110)에 가해진 상류측 압력을 알려주는 제 1 압력 측정계(160)와 하류측 압력을 알려주는 제 2 압력 측정계(170)의 압력값에 따라서 일정한 압력으로 공급되도록 조절되는 것이 특히 바람직하다.
여기에서, 가압 펌프(140)와 제 3 압력 측정계(145)는 시료(110)를 통과하여 셀(100)의 하류측으로 빠져 나가는 이산화탄소로 인한 압력 저하를 지속적으로 보정하도록 구성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 투과율을 측정하는 단계(S340)는, 셀(100)의 상류측에서 가압되어 유입된 이산화탄소가 시료(110)를 통과한 다음, 셀(100)의 하류측으로 빠져 나온 이산화탄소(및 기타 유체)를 유체 수집부(195)에서 수집하고, 이때, 수집된 이산화탄소 및 기타 유체의 정확한 중량은 전자 저울(190)에서 측정되며, 상기 유체 수집부(195)에서 빠져 나간 이산화탄소의 양은 유량계(200)로 측정하는 단계로 이루어져 있다.
여기에서, 상기 기타 유체는 시료(110)에 포함된 유체일 수 있다.
유체 수집부(195)에서 수집된 이산화탄소와 이 유체 수집부(195)에서 빠져 나온 이산화탄소의 양을 유량계(200)에서 측정하면, 시료(110)를 통과한 이산화탄소의 투과율을 측정할 수 있다.
이때, 이산화탄소의 투과율은 다음의 수학식에 의해서 측정될 수 있다.
[수학식]
Figure 112012088872190-pat00002
여기에서,
K = 투과율(단위: mD, millidarcies)
μ = 점성도(단위: cP, centipoise)
L = 시료의 길이(단위: cm)
A = 시료의 단면적(단위: cm2)
t = 시간(단위: 초)
V = t 초간 유동한 유체의 체적(단위: cm3)
P1 = 입구측 압력(절대압)
P2 = 출구측 압력(절대압)
Patm = 대기압(절대압).
상술한 바와 같이, 상기 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정은 장기간에 걸쳐서 수행될 수 있기 때문에, 본 발명은 이산화탄소의 절대 투과율 시험 및 상대 투과율 시험 모두 적용할 수 있다.
이때, 이산화탄소의 절대 투과율 시험은 매 시험마다의 투과율 시험값으로 정의될 수 있고, 이산화탄소의 상대 투과율 시험은 직전 투과율 시험값과 현재의 투과율 시험값의 비율로 정의될 수 있다. 다르게는, 상대 투과율 시험은, 최초 투과율 시험값을 기초로 하고, 매 실험마다의 이산화탄소의 투과율 시험값과의 비율로 정의될 수도 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치 및 방법에 대해서 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
10 : 임피던스 측정 장치 20 : 불활성 가스 탱크
22 : 제 1 제어 밸브 24 : 제 2 제어 밸브
32 : 이산화탄소 시린지 펌프 40 : 이산화탄소 공급 탱크
100 : 셀 102, 104 : 가압 볼트
106 : 슬리브 108, 109 : 고정 디스크
110 : 시료 120 : 오븐
130 : 핸드 오일 펌프 140 : 가압 펌프
160 : 제 1 압력 측정계 170 : 제 2 압력 측정계
180 : 밸브(BPR) 190 : 전자 저울
195 : 유체 수집부 200 : 유량계
S310 : 셀에 시료를 장착하는 단계
S320 : 셀을 오븐에 투입하는 단계
S330 : 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계
S340 : 이산화탄소의 투과율을 측정하는 단계

Claims (12)

  1. 시료;
    상기 시료를 둘러싸는 슬리브;
    상기 슬리브로 둘러싸인 시료가 삽입되며, 상기 슬리브의 외측에 유체가 주입되는 공간을 구비하고 있는 셀;
    상기 셀이 내장되는 오븐;
    상기 셀에 상기 유체를 공급하기 위한 유체 펌프;
    상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 상기 시료에 이산화탄소를 공급하기 위한 펌프;
    상기 셀의 상류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 측정계;
    상기 셀의 하류측에서 상기 셀 내의 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 측정계;
    상기 슬리브에 내장된 시료를 가압하여 고정하기 위한 가압 볼트;
    상기 셀의 하류측에 연결되고, 상기 셀을 관통하여 통과한 이산화탄소의 압력을 측정하여 상기 이산화탄소의 거동을 제어하는 밸브;
    상기 밸브에 연결되고, 상기 밸브로부터의 상기 이산화탄소 또는 유체를 수집하는 유체 수집부;
    상기 유체 수집부에 수집된 상기 이산화탄소 또는 유체의 중량을 측정하기 위한 전자 저울; 및
    상기 유체 수집부에서 유출되는 이산화탄소의 유량을 측정하기 위한 유량계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬리브는,
    재질이 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소는,
    초임계 상태로 변환되어, 셀 내의 시료로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 내의 상기 유체의 압력을 제어하기 위한 가압 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료의 상류측과 하류측에 설치된 고정 디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유체는,
    오일인 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오일은,
    상기 셀 내의 상기 시료를 둘러싸고 있는 슬리브를 가압하고 있는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 오븐은 이산화탄소 지중 저장소의 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 장치.
  9. 셀에 시료를 장착하는 단계;
    상기 셀을 오븐에 투입하는 단계;
    상기 셀을 유체로 가압하는 단계;
    상기 셀을 이산화탄소로 가압 충전하는 단계;
    상기 셀에서 유출된 이산화탄소의 유량을 측정하여 이산화탄소의 투과율을 측정하는 단계를 포함하며,
    상기 이산화탄소의 투과율은,
    하기 수학식에 의해서 측정되는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법.

    [수학식]
    Figure 112012088872190-pat00003

    여기에서,
    K = 투과율(단위: mD, millidarcies)
    μ = 점성도(단위: cP, centipoise)
    L = 시료의 길이(단위: cm)
    A = 시료의 단면적(단위: cm2)
    t = 시간(단위: 초)
    V = t 초간 유동한 유체의 체적(단위: cm3)
    P1 = 입구측 압력(절대압)
    P2 = 출구측 압력(절대압)
    Patm = 대기압(절대압).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체는 오일인 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 오븐은 이산화탄소 지중 저장소의 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이산화탄소는,
    초임계 상태로 변환되어, 셀 내의 시료로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    이산화탄소를 이용한 시료의 투과율 측정 방법.
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