KR101237723B1

KR101237723B1 - 심부지열발전을 위한 심정 시스템 및 그 시추방법

Info

Publication number: KR101237723B1
Application number: KR1020120071309A
Authority: KR
Inventors: 천대성; 박찬; 최병희
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-02-26
Also published as: CN103512254A; CN103512254B

Abstract

본 발명과 관련된 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템은, 제1다운홀을 갖도록 형성된 제1심정; 상기 제1심정으로부터 이격되어 시추되며, 상기 제1다운홀이 그 사이에 위치되도록 제2다운홀과 제3다운홀을 갖는 제2심정; 상기 제1다운홀에 수리자극(hydraulic stimulation, hydraulic fracturing)에 의해 형성된 제1인공저류층; 상기 제2다운홀에 수리자극에 의해 형성된 제2인공저류층; 및 상기 제3다운홀에 수리자극에 의해 형성되며, 상기 제1인공저류층 및 상기 제2인공저류층과 상호 연결되도록 형성된 제3인공저류층을 포함한다.

Description

심부지열발전을 위한 심정 시스템 및 그 시추방법{DRILLING AND CONNECTION SYSTEM OF WELLBORE FOR ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEM AND DRILLING METHOD THEREOF}

본 발명은 저비용으로 지열 생산성을 높일 수 있는 심부지열발전(EGS)을 위한 심정(深井) 시스템 및 그 시추방법에 관한 것이다.

부존자원의 측면에서 지열에너지는 연간 전체 에너지소비량의 수백 또는 수천 배에 이를 정도로 막대하며, 이를 위한 심부지열발전(Enhanced Geothermal System; EGS)은 이산화탄소 감축 및 지속적인 공급이 가능한 신재생 에너지원으로서 조명을 받고 있다.

심부지열발전은 고온암체(Hot Dry Rock; HDR)를 대상으로 했던 기술을 진보시킨 것으로, 온도는 충분하지만 유체가 없거나 투수율이 낮아 발전에 필요한 만큼의 유량을 가진 지열 저류층이 존재하지 않을 경우에 인공적으로 투수율을 향상시켜 발전이 가능한 시스템으로 만들어내는 기술이다. 일반적으로 EGS에서는 지하 심부를 굴착한 후, 강한 압력으로 수리자극(Hydraulic stimulation)을 수행시켜 투수층을 생성한 다음, 이 인공적인 투수층을 통과하면서 열교환된 고온의 지열수를 생산정으로 끌어올려 발전에 이용한다.

EGS의 형성을 위하여는 발전에 충분한 열원에 이를 수 있는 부지의 선정으로부터, 고심도의 지열발전용 주입정(injection well)과 생산정(production well)을 시추하고, 수리자극을 통하여 인공저류층(stimulated reservoir)을 생성하는 과정을 거친다. 인공저류층의 전체 용적이나 균열 길이, 또는 주입정이나 생산정의 수가 증가할수록 지열 생산량은 증가하게 되나, 심정의 시추 및 수리자극의 비용도 급증하므로 타산성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

하나의 주입정과 하나의 생산정을 두는 듀플렛(duplet) 타입의 경우(도 1 참조), 주입정(12)의 다운홀(downhole, 12a)과 생산정(13)의 다운홀이 인공저류층(14)에 의하여 상호 연결되며, 지상의 펌프(14) 및 발전 시스템(15)에 의하여 폐회로를 이루게 된다. 발전용량을 늘리기 위해 복수의 심정을 두는 예로서, 트리플렛(triplet)의 경우는 하나의 주입정을 통하여 물을 공급하고 별도로 시추된 두 개의 생산정을 통하여 열교환된 지열수를 회수하는 방식이다. 그러나, 지상으로부터 세 개를 모두 시추하는 것이므로 심정의 시추 및 수리자극을 위한 제반 비용이 급증하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 저비용으로 지열 생산성을 높일 수 있는 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템 및 그 시추 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.

상기한 점을 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템은, 제1다운홀을 갖도록 형성된 제1심정; 상기 제1심정으로부터 이격되어 시추되며, 상기 제1다운홀이 그 사이에 위치되도록 제2다운홀과 제3다운홀을 갖는 제2심정; 상기 제1다운홀에 수리자극(hydraulic stimulation, hydraulic fracturing)에 의해 형성된 제1인공저류층; 상기 제2다운홀에 수리자극에 의해 형성된 제2인공저류층; 및 상기 제3다운홀에 수리자극에 의해 형성되며, 상기 제1인공저류층 및 상기 제2인공저류층과 상호 연결되도록 형성된 제3인공저류층을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1다운홀 내지 상기 제3다운홀은 수평 또는 경사 방향으로 연장하도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템은, 상기 제1다운홀과 상이한 방향 또는 거리로 상기 제1심정으로부터 연장되게 형성되며, 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀 중의 적어도 어느 하나에 수리자극에 의해 연결될 수 있도록 형성된 제4다운홀을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템은, 상기 제4다운홀에 형성되며, 수리자극에 의해 상기 제2인공저류층 또는 상기 제3인공저류층에 연결되는 제4인공저류층을 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀의 사이에 배치되고, 상기 제4다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀의 외측에 배치될 수 있다.

그리고, 본 발명은, 제1다운홀을 갖는 제1심정을 형성하는 단계; 제2다운홀 및 상기 제2다운홀과 상이한 방향을 갖는 제3다운홀을 포함하고, 상기 제2다운홀 및 상기 제3다운홀의 사이에 상기 제1다운홀이 위치되도록 제2심정을 형성하는 단계; 상기 제1다운홀에 수리자극(hydraulic stimulation)을 가하여 제1인공저류층을 형성하는 단계; 및 상기 제2다운홀 및 상기 제3다운홀에 수리자극을 각각 가하여 상기 제1인공저류층과 상호 연결되도록 제2인공저류층 및 제3인공저류층을 각각 형성하는 단계를 포함하는, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 시추방법을 제시한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 시추방법은, 상기 제1다운홀과 상이한 방향 또는 거리로 상기 제1심정으로부터 연장되게 형성되며, 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀 중의 적어도 어느 하나에 수리자극에 의해 연결될 수 있도록 형성된 제4다운홀을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀의 사이에 배치하고, 상기 제4다운홀은 상기 제1다운홀과 상기 제2다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀의 외측에 배치하는 것일 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명과 관련된 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템 및 그 시추방법에 의하면, 기본적으로 하나의 주입정과 하나의 생산정을 시추하는 것이므로 추가 시추에 의한 제반 비용증가를 효과적으로 줄일 수 있으며, 지열 생산성에 있어서도 각각의 인공저류층을 형성하는 것이므로 세 개의 심정을 갖는 트리플렛(triplet) 방식과 동등한 지열에너지 확보가 가능한 효과가 있다.

도 1은 듀플렛 타입의 심정 시추구조를 갖는 심부지열발전 시스템의 개념도
도 2는 본 발명과 관련된 심정 시스템(100)을 갖는 심부 지열 발전(EGS)의 개념도
도 3은 본 발명과 관련된 심정 시스템을 위한 심정의 시추 및 연결방법을 순차적으로 보인 개념도
도 4는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 심정 시스템(300)의 개념도

이하, 본 발명과 관련된 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 형성 및 연결 구조 및 그 시추방법을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명과 관련된 심정 시스템을 갖는 심부 지열 발전(EGS)의 개념도이다.

본 예에서 제시된 심정 시스템(100)은 지상으로부터 지하 심부로 시추된 주입정(110)과 생산정(120)이 지상에 설치되어 있는 펌프시스템(130) 및 발전 플랜트(140)에 의하여 폐루프를 이루고 있다. 주입정(110)과 생산정(120)은 대상지의 지상으로부터 열원인 고온암반이 존재하는 지하 심부에까지 각각 시추되어 있으며, 주입정(110)을 통하여 공급된 물은 지하 심부의 인공저류층에서 열교환되어 가열된 후 펌프시스템(130)으로 끌어 올려진다.

주입정(110)은 하나의 다운홀을 갖추고 있음에 반해, 생산정(120)은 서로 상이한 방향으로 연장된 복수의 다운홀을 갖추고 있다. 도 2에 의하면, 주입정(110)은 지하 심부의 일정 위치에서 연장된 제1다운홀(112)을 포함하고 있으며, 생산정(120)은 지하 심부의 일정 위치에서 연장된 제2다운홀(121)과 지하 심부의 제2위치에서 연장된 제3다운홀(125)을 포함하고 있다. 이들 제2다운홀(121)과 제3다운홀(125)은 상이한 깊이에서 수평 또는 경사방향으로 연장하거나 유사한 깊이에서 수평 또는 경사 방향으로 연장하는 것이 가능하다. 제2다운홀(121) 및 제3다운홀(125)의 연장 방향이나 길이는 암반의 응력상태 또는 지하 환경에 따라 달라질 수 있는 것으로, 도시된 방향이나 깊이에 한정되지 않는다.

생산정(120)으로부터 연장된 제2다운홀(121)에는 수리자극에 의하여 제2인공저류층(122)이 형성되어 있으며, 제3다운홀(125)에도 수리자극에 의하여 제3인공저류층(126)이 형성되어 있다. 이러한 제2인공저류층(122) 및 제3인공저류층(126)의 방향 및 서로 간의 거리는 주입정(110)의 제1다운홀(111)에서 생성되는 제1인공저류층(112)의 위치 및 방향과 관련된다. 주입정(110)의 제1다운홀(111)은 제2다운홀(121)과 제3다운홀(125) 사이로 연장되어 있으며, 제1인공저류층(112)은 제2인공저류층(122) 및 제3인공저류층(126)과 상호 연결될 수 있는 정도로 수리자극에 의해 형성된다. 위치의 면에서, 주입정(110)의 제1다운홀(111)은 생산정(120)의 제2다운홀(121)과 제3다운홀(125)이 상이한 방향으로 형성되는 경우라면 그들 사이의 중간 정도의 방향으로 형성되며, 제2다운홀(121)과 제3다운홀(125)이 비슷한 방향으로 연장되어 있는 경우라면, 주입정(110)의 제1다운홀(111)은 제2다운홀(121)과 제3다운홀(125) 사이의 중간 거리로 연장되도록 형성된다.

제1인공저류층(112)과 연결되어 있는 제2인공저류층(122) 및 제3인공저류층(126)은 주입정(110)과 생산정(120)을 통하여 네트워크를 형성하게 된다. 주입정(110)에 공급된 물은 제1인공저류층(112)에서 나와 제2인공저류층(122) 및 제3인공저류층(126)을 거쳐 생산정(120)으로 회수된다. 물이 제2인공저류층(122) 내지 제1인공저류층(112)을 거치는 동안 주위의 고온암반과 열교환되어 가열되어 발전에 필요한 열에너지를 얻게 된다.

이와 같은 심정시스템은 기본적으로 하나의 주입정(110)과 하나의 생산정(120)을 시추하는 것이므로 추가 시추에 의한 제반 비용증가를 효과적으로 줄일 수 있으며, 지열 생산성에 있어서도 세 개의 심정을 갖는 트리플렛(triplet) 방식과 동등한 지열에너지 확보가 가능하다.

도 3은 본 발명과 관련된 심정 시스템을 위한 심정의 시추 및 연결방법을 순차적으로 보인 개념도이다.

심정 시스템을 형성하기 위하여 선정된 대상지에 우선 고온암반이 존재하는 지하 심부로 제1심정(210)을 시추한다(도 3(a)). 제1심정(210)의 시추작업에는 지상 또는 일정한 지하의 깊이에서 방향성을 갖는 드릴링(directional drilling), 튜빙(tubing) 등이 포함될 수 있다. 다음으로, 열원의 고온암반을 향할 수 있도록 제1심정(210)의 제1다운홀(211)을 시추한다. 제1다운홀(211)은 수평 또는 경사 방향으로 시추될 수 있으며, 연장방향이나 거리는 대상 암반의 응력 특성, 목표 지열 생산용량 등에 따라 결정된다.

제1심정(210)의 시추가 완료되면 제2심정(220)의 시추 작업이 이루어진다. 제2심정(220)은 제1심정(210)이 시추 작업과 동시 또는 제1심정(210)의 시추 후에 이루어진다(도 3(b)). 우선, 제2심정(220)의 일정 위치에서 제1다운홀(211)에 대하여 일정 거리를 갖도록 제2다운홀(221)을 시추한다.

제2다운홀(221)의 시추가 완료되면, 제2다운홀(221)과의 관계에서 제1다운홀(211)이 사이에 위치되도록 제3다운홀(225)을 시추한다(도 3(c)). 제2다운홀(221) 및 제3다운홀(225) 시추작업 역시 제2다운홀(221)과 제3다운홀(225)의 사이에 제1다운홀(211)이 위치되도록 방향성 드릴링(drilling)을 포함할 수 있다.

제1다운홀(211) 내지 제3다운홀(225)의 시추가 완료되면 일정 위치에 수압파쇄(hydraulic fracturing) 또는 수리자극(hydraulic stimulation)을 위한 패커(packer, 217)를 설치한다(도 3(d)). 패커(217)의 장착이 완료되면, 제1다운홀(211)에 고압의 유체를 공급하여 제1다운홀(211)의 벽면으로부터 수리자극(hydraulic stimulation; hydraulic fracturing)을 가하여 제1인공저류층(212)을 형성한다. 발생된 균열 상태를 유지할 수 있도록 유체에는 프로판트(proppant)가 포함될 수 있다.

제1인공저류층(212)의 형성이 완료되면 일정 위치에 패커(227)를 설치하고, 제2다운홀(221)에 고압의 유체를 공급하여 수리자극을 가하여 제2인공저류층(222)을 형성한다(도 3(e)). 이러한 제2인공저류층(222)은 제1인공저류층(212)과 후술하는 제3인공저류층(226)과의 연결성을 높일 수 있으면서도 열교환 면적을 극대화시킬 수 있는 길이 또는 방위가 선택될 수 있다.

제2인공저류층(222)의 형성이 완료되면 일정 위치에 패커(228)를 설치하고, 제3다운홀(225)에 고압의 유체를 공급하여 수리자극을 가하여 제3인공저류층(226)을 형성한다(도 3(f)).

이와 같은 일련의 과정을 통하여 심정 시스템이 완성되며, 지상설비의 구축 및 연결작업이 후속된다.

도 4는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 심정 시스템(300)의 개념도이다.

본 예의 심정시스템은 제1심정(310)에 제1다운홀(311)과 제2다운홀(315)이 형성되어 있으며, 제2심정(320)에는 제3다운홀(321)과 제4다운홀(325)이 형성되어 있다. 이러한 제1심정(310) 및 제2심정(320)은 지상으로부터의 시추는 각각 한 개씩이며, 하부의 각 다운홀을 통하여 분지되어 있다. 제1심정(310)의 제1다운홀(311) 및 제2다운홀(315)은 제2심정(320)의 제3다운홀(321) 및 제4다운홀(325)에 엇갈리게 배치되어 있으며, 수리자극을 통하여 각각의 인공저류층(312,316,322,326)이 형성되어 있다.

이러한 제4다운홀(325)은 다양한 배치가 가능할 수 있다. 만약, 제3다운홀(321)이 제1다운홀(311)과 제2다운홀(315)의 이루는 평면에서 제1다운홀(311)과 제2다운홀(315)의 사이에 배치되는 경우라면, 제4다운홀(325)은 제1다운홀(311)과 제2다운홀(315)의 이루는 평면에서 제1다운홀(311) 또는 제2다운홀(315)의 외측에 배치되는 것도 가능하다.

따라서, 심정의 추가적인 시추 작업을 줄이면서도 다운홀의 배치를 엇갈리게 함으로써 효율 및 생산성 높은 심부지열발전(EGS)을 이룰 수 있게 된다. 또한, 다운홀의 이러한 추가는 단순한 숫자의 증가만을 의미하지는 않는다. 즉, 인공저류층의 생성을 위한 수압파쇄를 실시하는 함에 있어, 지반의 불균질성, 절리망(fracture network)의 구성 등에 따라 인공저류층의 발달상태가 달라지게 되는데, 이를 명확하게 확인할 방법이 없는 단점을 극복하기 위한 대안이 될 수 있다. 구체적으로, 수압파쇄시 인공균열이 발생할 때 동반되는 소리인 미소지진음(microseismic event)를 계측하여 균열발달상황을 유추하나 이는 간접적인 방식으로 명확하다고 볼 수는 없으나 발달상황을 알 수 있는 다른 방법이 없어 활용되고 있다. 따라서, 인공저류층에서의 주입한 물의 유동특성을 정확하게 판단할 수 없고, 유동특성(투수 계수 등)을 정확하게 파악할 수 없기 때문에, 주입에 필요한 적정 펌프의 용량과 압력을 명확히 산정하지 못하고, 실제 주입을 통해 유동특성을 알게 된다. 따라서 가량 10bar의 주입압으로 30리터/sec의 유동특성을 가질 것으로 예상하고 펌프를 설계하였다 하더라도 실제 지하의 유동특성에 따라 실제적인 펌프의 효율을 확인할 수 없다. 여기서, 주입정을 2개로 분지하여 양쪽에서 인공저류층을 생성하는 경우, 한쪽이 다른 한쪽에 비해 상대적으로 유동특성이 양호하게 되고(일반적으로 두 개의 유동특성이 같을 수 없다), 이는 결국 지하의 불확실성으로 인해 상부의 펌프설계시 발생하는 비용상승을 줄일 수 있다. 만약, 다운홀이 각각 1개씩으로 구성되어 총 2개라면, 각 주입정에 들어가는 펌프가 각각 설계되고, 이들은 독립적인 경우가 많은 데 이러한 경우 각각 펌프의 설계가 맞게 되지 않을 수 있는 확률이 높은 반면, 하나의 주입정을 이용하는 경우 상부에는 한 개의 펌프가 설치되고, 주입된 물은 유동특성이 더 좋은 쪽으로 흘러가기 때문 불확실성에 의한 펌프 활용도를 상대적으로 높일 수 있다.

상기와 같이 설명된 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 형성 및 연결 구조 및 그 시추방법은 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100, 300: 심부지열발전을 위한 심정 시스템
110: 생산정 111: 제1다운홀
112: 제1인공저류층 120: 주입정
121: 제2다운홀 122: 제2인공저류층
125: 제3다운홀 126: 제3인공저류층
130: 펌프시스템 140: 발전플랜트
210, 310: 제1심정 220, 320: 제2심정

Claims

제1다운홀을 갖도록 형성된 제1심정;
상기 제1심정으로부터 이격되어 시추되며, 상기 제1다운홀이 그 사이에 위치되도록 제2다운홀과 제3다운홀을 갖는 제2심정;
상기 제1다운홀에 수리자극(hydraulic stimulation, hydraulic fracturing)에 의해 형성된 제1인공저류층;
상기 제2다운홀에 수리자극에 의해 형성된 제2인공저류층;
상기 제3다운홀에 수리자극에 의해 형성되며, 상기 제1인공저류층 및 상기 제2인공저류층과 상호 연결되도록 형성된 제3인공저류층; 및
상기 제1다운홀과 상이한 방향 또는 거리로 상기 제1심정으로부터 연장되게 형성되며, 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀 중의 적어도 어느 하나에 수리자극에 의해 연결될 수 있도록 형성된 제4다운홀을 포함하는, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1다운홀 내지 상기 제3다운홀은 수평 또는 경사 방향으로 연장하도록 형성된, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제4다운홀에 형성되며, 수리자극에 의해 상기 제2인공저류층 또는 상기 제3인공저류층에 연결되는 제4인공저류층을 더 포함하는, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀의 사이에 배치되고,
상기 제4다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀의 외측에 배치된, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정 시스템.
제1다운홀을 갖는 제1심정을 형성하는 단계;
제2다운홀 및 상기 제2다운홀과 상이한 방향을 갖는 제3다운홀을 포함하고, 상기 제2다운홀 및 상기 제3다운홀의 사이에 상기 제1다운홀이 위치되도록 제2심정을 형성하는 단계;
상기 제1다운홀에 수리자극(hydraulic stimulation)을 가하여 제1인공저류층을 형성하는 단계; 및
상기 제2다운홀 및 상기 제3다운홀에 수리자극을 각각 가하여 상기 제1인공저류층과 상호 연결되도록 제2인공저류층 및 제3인공저류층을 각각 형성하는 단계를 포함하는, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 시추방법.
제6항에 있어서,
상기 제1다운홀과 상이한 방향 또는 거리로 상기 제1심정으로부터 연장되게 형성되며, 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀 중의 적어도 어느 하나에 수리자극에 의해 연결될 수 있도록 형성된 제4다운홀을 형성하는 단계를 더 포함하는, 심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 시추방법.
제7항에 있어서,
상기 제1다운홀은 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀과 상기 제3다운홀의 사이에 배치하고,
상기 제4다운홀은 상기 제1다운홀과 상기 제2다운홀이 이루는 평면에서 상기 제2다운홀 또는 상기 제3다운홀의 외측에 배치하는,
심부지열발전(EGS)을 위한 심정의 시추방법.