KR101350340B1 - 가스 하이드레이트 생산모사시스템 및 이를 이용한 생산모사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가스 하이드레이트 생산모사시스템은 해저 퇴적층을 모사하기 위한 퇴적모사층이 충진되는 수용공간이 내부에 형성되는 메인바디와, 상기 메인바디의 수용공간을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로가 형성되어 상기 메인바디의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡을 포함하여 이루어지는 압력셀과, 상기 압력셀의 충진공간내로 메탄가스를 공급하여 가스 하이드레이트를 생성하기 위한 메탄가스 실린더와, 상기 압력셀의 온도를 조절하기 위한 온도조절장비와, 상기 압력셀 내부의 압력을 조절하기 위한 후압력조절부와, 상기 압력셀에 설치되는 다수의 센서로부터 데이터를 습득하기 위한 데이터습득부와, 상기 압력셀의 수용공간에서 상기 하부 캡의 유체통로를 통해 배출되는 가스 배출량을 측정하기 위해 습식 가스미터를 구비하는 배출가스측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 하이드레이트 생산모사시스템 및 이를 이용한 생산모사방법{Production simulation system for gas hydrate and the production simulation method using the same}

본 발명은 가스 하이드레이트 생산모사시스템 및 이를 이용한 생산모사방법에 관한 것이다.

일반적으로 육상 또는 해저에서의 석유 또는 가스전의 생산 분석을 위해서는 시추지점에서 채취되는 시추시료가 많이 이용되고 있다. 한편, 해저퇴적물의 물성실험 분야에서는 시추된 코어시료를 이용하여 간단한 물성측정을 할 수 있는 장비가 개발되어 있으나, 단순히 물성측정에 그치고 있고 실제 생산 모사를 연구할 수 있는 장비가 없는 실정이다. 특히, 심해 퇴적층 가스 하이드레이트의 경우에는 시추시료를 구하기 어렵고 저온 고압의 환경이 유지되어야 하므로 실제 현장조건에서의 실험연구가 더욱 어려운 실정이다.
선행기술문헌정보 : 한국에너지공학회(2007.11.) 추계학술발표회 논문집. p306-313 "열염수주입법을 이용한 가스하이드레이트 해리의 실험적 연구"(이호영 외 2명)

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 심해 퇴적층을 모사하고 실제 심해 퇴적층의 환경하에서 가스 하이드레이트를 해리시켜 가스의 생산을 연구할 수 있는 가스 하이드레이트 생산모사시스템 및 생산모사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가스 하이드레이트 생산모사시스템은 해저 퇴적층을 모사하기 위한 퇴적모사층이 충진되는 수용공간이 내부에 형성되는 메인바디와, 상기 메인바디의 수용공간을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로가 형성되어 상기 메인바디의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡을 포함하여 이루어지는 압력셀과, 상기 압력셀의 충진공간내로 질량주입계를 통해 메탄가스를 공급하여 가스 하이드레이트를 생성하기 위한 메탄가스 실린더와, 상기 압력셀의 온도를 조절하기 위한 온도조절장비와, 상기 압력셀 내부의 압력을 조절하기 위한 후압력조절부와, 상기 압력셀에 설치되는 다수의 센서로부터 데이터를 습득하기 위한 데이터습득부와, 상기 압력셀의 수용공간에서 상기 하부 캡의 유체통로를 통해 배출되는 가스 배출량을 측정하기 위해 습식 가스미터를 구비하는 배출가스측정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 메인바디의 외측에는 둘레방향으로 온도조절용 액체가 유동하는 온도조절챔버가 형성되어 정밀한 온도제어가 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도조절장비는 상기 압력셀이 내부에 장착되는 냉각오븐으로 형성된다.

또한, 상기 압력셀의 수용공간의 하부에는 상기 수용공간에 충진되는 퇴적모사층을 형성하는 퇴적입자가 상기 하부 캡의 유체통로로 이동되는 것을 방지하기 위한 필터가 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 상부 캡에는 상기 수용공간 내에 충진되는 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 관찰하기 위한 카메라가 장착되고, 상기 카메라의 관찰을 위한 램프가 압력셀의 상부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 상부 캡에는 상기 수용공간 내에 충진되는 퇴적모사층의 변형을 정량적으로 측정하기 위한 레이저변위계가 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 하부 캡에는 하부 캡의 유체통로로 유입되는 유체의 유동패턴을 관찰하기 위한 카메라가 장착되고, 상기 카메라의 관찰을 위한 램프가 압력셀의 하부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 메인바디에는 상기 압력셀 내부에 생성되는 가스 하이드레이트의 포화도를 간접적으로 측정하기 위한 비저항탐침이 상기 메인바디의 길이방향으로 다수개 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 후압력조절부는 후압력펌프를 구비한 후압력 레귤레이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배출가스측정부는 상기 압력셀의 하부 캡의 유체통로를 통해 배출되는 생산 유체에서 기체와 액체를 분리하는 세퍼레이터를 포함하고, 상기 세퍼레이터로부터 분리된 가스의 양이 상기 습식가스미터에 의해 측정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 가스 하이드레이트의 생산모사방법은 수용공간이 내부에 형성되는 메인바디와, 상기 메인바디의 수용공간을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로가 형성되어 상기 메인바디의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡과 상기 수용공간에 충진되는 퇴적모사층의 하부를 지지하고 퇴적모사층을 형성하는 퇴적입자가 상기 하부 캡의 유체통로로 이동되는 것을 방지하기 위해 상기 수용공간의 하부에 장착되는 필터를 포함하여 이루어지는 압력셀의 수용공간에 퇴적모사층을 형성하는 퇴적시료를 충진하는 단계와, 퇴적시료가 충진된 압력셀을 냉각오븐 내부에 설치하는 단계와, 메탄가스 실린더로부터 상기 압력셀의 상부 캡의 유체통로를 통해 압력셀 내부로 메탄가스를 주입하는 단계와, 상기 냉각오븐의 온도를 하강시켜 압력셀 내로 주입된 메탄가스로부터 가스 하이드레이트를 생성하는 단계와, 각종 생산기법을 적용하여 가스 하이드레이트를 해리시키고 상기 압력셀의 하부 캡의 유체통로를 통해 배출되는 해리가스의 양을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 상부 캡에 장착된 카메라를 이용하여 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저 변위계를 이용하여 퇴적모사층의 길이변화를 정량적으로 측정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압력셀의 하부 캡에 장착되는 카메라를 통해 하부 캡의 유체통로로 유입되는 생산유체의 유동패턴을 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 심해 퇴적층을 모사하고 해저퇴적층의 조건을 구현하여 가스 하이드레이트의 생산을 연구할 수 있는 가스 하이드레이트 생산모사시스템 및 생산모사방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면 가스 하이드레이트 생산시 해저퇴적층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 예측할 수 있고, 생산정 내로 유입되는 생산유체의 유동패턴을 예측할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명에 따른 장치에 사용되는 압력셀의 단면도이고,
도2는 도1의 하부 캡의 평면도이며,
도3은 도1의 상부 캡의 평면도이고,
도4는 본 발명에 따른 장치의 전체 시스템의 모식도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 하이드레이트 생산모사시스템을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 장치에 사용되는 압력셀의 구조이고, 도2는 압력셀의 하부 캡의 평면도이며, 도3은 압력셀의 상부 캡의 평면도이고, 도4는 본 발명에 따른 장치의 전체 시스템의 모식도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치는 해저 퇴적층을 모사하기 위한 퇴적모사층이 충진되는 수용공간(11)이 내부에 형성되는 압력셀(100)과, 압력셀(100)의 수용공간(11)내로 질량주입계를 통해 메탄가스를 공급하여 가스 하이드레이트를 생성하기 위한 메탄가스 실린더(300)와, 상기 압력셀(100)의 온도를 조절하기 위한 온도조절장비와, 압력셀(100)의 수용공간(11) 내부의 압력을 조절하기 위한 후압력조절부와, 압력셀(100)에 설치되는 다수의 센서로부터 데이터를 습득하기 위한 데이터습득부(600)와, 압력셀(100)의 수용공간(11)에서 하부캡(30)의 유체통로(31)를 통해 배출되는 가스 배출량을 측정하기 위해 습식 가스미터(540)를 구비하는 배출가스측정부를 포함하여 이루어진다.

상기 압력 셀(100)은 중앙에 형성되는 메인바디(10)와, 메인바디(10)의 상, 하부에 각각 결합되는 상, 하부 캡(20, 30)을 포함하여 이루어진다. 메인바디(10)는 내부에 해저퇴적층을 모사하기 위한 퇴적모사층이 수용되는 원통형 수용공간(11)이 중앙에 형성되고, 메인바디(10)의 외측에는 둘레방향으로 온도조절챔버(12)가 형성된다. 온도조절챔버(12) 내부로는 후술할 냉각항온순환조(400)로부터 온도조절용 액체가 유동되어 압력셀(100)의 온도가 정밀하게 조절된다. 이를 위해 메인바디(10)의 하우징에는 온도조절용 액체가 온도조절챔버(12)로 유입, 유출되기 위한 유입구(10a)와 유출구(10b)가 형성된다.

상기 메인바디(10)의 수용공간에 충진되는 퇴적모사층은 본 발명에서 가스 하이드레이트의 시추시료 없이도 생산모사를 할 수 있게 하기 위해 사용되는 것으로, 현장시추결과 발견된 사질층의 퇴적입자를 모사하기 위해 입도가 분류되어 있는 연마제가 사용되었다. 연마제는 일반적으로 구형 형태를 띠고, 전기부도체로 비저항 측정에 문제가 없을 것으로 예상되며, 실제 현장사질시료를 모사하기 위해 몇 종류의 입도를 가지는 입자를 혼합하여 퇴적모사층을 형성하는 퇴적시료를 구성하게 된다. 그리고, 수용공간(11)의 하부에는 퇴적모사층을 구성하는 퇴적시료가 하부 캡(30)의 유체 통로(31)로 이동하는 것을 억제하기 위해 두께 2mm의 스테인리스 스틸 필터(36)가 장착된다. 필터(36)의 공극크기는 사용하는 퇴적시료의 최소 입자크기를 고려하고 본 발명에서는 10㎛를 사용하였다.

또한, 메인바디(10)에는 수용공간(11)에 충진되는 퇴적모사층의 비저항을 측정하기 위해 다수의 비저항탐침(14, 15)이 설치된다. 이 비저항탐침(14, 15)은 퇴적모사층의 비저항을 측정하여 가스 하이드레이트의 포화도(saturation)의 변화를 간접적으로 측정하기 위한 것으로, 퇴적시료의 전체 높이를 일정 구간으로 구분하는 9개 지점에서 비저항탐침(14, 15)이 설치되고, 각 지점에서는 퇴적시료 측면으로부터 깊이 3cm 위치의 비저항탐침(14)과, 깊이 5cm 위치의 비저항탐침(15)이 설치된다. 이와 같이 각 지점에서 깊이가 다른 비저항탐침(14, 15)이 설치되는 이유는 시료의 중앙과 측면에서 가스 하이드레이트의 포화도가 달라질 수 있기 때문이다.

또한, 압력셀(100)의 메인바디(10)에는 온도측정을 위한 다수의 온도센서(미도시)와, 내부압력측정을 위한 다수의 압력측정홀(미도시)이 길이방향으로 일정간격 형성된다.

상,하부 캡(20, 30)은 메인바디(10)의 상, 하부에 장착되어 메인바디(10)의 수용공간(11)의 상, 하측을 덮기 위한 것으로, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 각 캡(20, 30)에는 외부와 수용공간(11)으로 유체가 이동되도록 하는 유체통로(21, 31)와 압력측정포트(22, 32)가 형성되고, 메인바디(10)의 상, 하단의 온도를 측정하기 위한 온도센서(27, 37)가 장착된다. 또한, 상부 캡(20)에는 가스 하이드레이트의 해리에 의한 퇴적모사층의 변형 또는 퇴적모사층의 상부면으로부터 상측 공간(25)으로의 해리가스 누출을 관찰하기 위한 카메라(23)가 장착되고, 퇴적모사층의 변형(길이변화)을 정량적으로 측정하기 위한 레이저변위계(26)가 설치된다. 또한, 압력셀(100)의 상부에는 카메라의 관찰을 위한 광원으로서 램프(28, 29)가 장착된다. 본 발명에서 압력셀(100)의 상부는 해저면을 모사하게 되는데, 상기와 같이 상부 캡에 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출을 가시적으로 관찰하기 위한 내부관찰용 카메라(23)가 장착됨으로써 실제 해저에서 가스 하이드레이트 생산시 해저퇴적층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 예측할 수 있게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 상부 캡(20)의 카메라(23)와 레이저변위계(26)가 고압에 견딜 수 있도록 그 하측에 사파이어 글래스(24)가 장착되고, 램프(28, 29)의 전방에도 사파이어 글래스가 장착된다.

그리고, 하부 캡(30)에는 퇴적모사층을 형성하는 퇴적시료의 하단에 설치된 필터(36)를 거쳐 필터(36)와 유체통로(31) 사이의 공간(35)으로 유입되는 유체의 유동패턴을 관찰하기 위한 카메라(33)가 장착되고, 카메라(33)의 관찰을 위한 광원으로서 램프(38, 39)가 압력셀(100)의 하부에 장착된다. 본 발명에서 압력셀(100)의 하부는 생산정을 모사하게 되는데 상기와 같이 필터(36)와 유체통로(31) 사이의 공간(35)으로 유입되는 유체의 유동패턴을 관찰하기 위한 카메라(33)가 장착됨으로써, 생산정 내로 유입되는 생산유체의 유동패턴을 예측할 수 있게 된다. 하부 캡(30)에 설치되는 카메라(33) 및 램프(38, 39) 또한 그 전방에 고압에 견딜 수 있도록 사파이어 글래스(34)가 장착된다.

상기 메탄가스 실린더(300)는 압력셀(100) 내부로 메탄가스를 공급하고 온도조절장비를 이용하여 가스 하이드레이트를 생성하기 위한 것으로, 압력셀(100)과 메탄가스 실린더(300) 사이에 구비되는 질량주입계(mass flow controller, 310)를 통해 메탄가스를 압력셀(100) 내부로 정량적으로 주입할 수 있게 된다.

상기 온도조절장비는 압력셀(100)에 공급되는 메탄가스로부터 가스 하이드레이트의 생성 및 해리를 유도하기 위해 압력셀(100)의 온도를 조절하기 위한 것으로, 압력셀(100)이 내부에 장착되는 냉각오븐(200)이 1차적으로 그 기능을 수행한다. 냉각오븐(200)은 그 내부에 지지대를 포함하여 압력셀(100)이 장착되고, -20℃~50℃의 온도유지가 가능하다. 따라서, 냉각 오븐(200) 내에 압력셀(100)을 장착하여 압력셀(100)의 온도를 조절하게 되된다. 다만, 냉각오븐(200)을 소정 온도로 세팅하더라도 냉각오븐(200) 내의 각 지점에서는 미세한 온도차이가 있을 수 있고 가스 하이드레이트의 경우 미세한 온도변화에도 민감하게 반응하게 되어 정밀한 온도제어가 요구되는데, 본 발명에서는 이를 위해 압력셀(100)의 외측 둘레면에 온도조절챔버(12)를 구비하고 이 챔버(12) 내로 온도조절 액체를 유동시킴으로써 보다 정밀한 온도제어가 가능하게 된다.

또한, 가스 하이드레이트의 경우 고압에서 존재하므로 일정 온도에서 시스템의 압력이 가스 하이드레이트 해리 압력 이상으로 유지되어야 하는데, 이를 위해 후압력조절부가 구비된다. 후압력조절부는 압력셀(100)의 상부캡(20)의 유체통로(21)를 통한 배출부에 후압력 레귤레이터(520)를 장착하여 압력셀(100)의 압력을 조절하고 후압력 조절은 후압력펌프(510)로서 시린지 펌프가 사용되었다.

상기 배출가스측정부는 시추시료에 포함된 가스 하이드레이트의 해리에 의해 압력셀(100)에서 배출되는 가스의 양을 측정하기 위한 것으로, 세퍼레이터(530)와 습식가스미터(540)를 포함하여 이루어진다. 세퍼레이터(530)는 후압력 레귤레이터(520)와 연결되어 하부 캡(30)의 유체통로(31)를 통해 압력셀(100)로부터 배출되는 생산 유체에서 기체와 액체를 분리하고, 습식가스미터(540)는 분리된 기체 즉, 가스의 양을 측정하고, 생산된 물은 전자저울을 사용하여 측정한다.

상기 데이터습득부(600)는 압력셀(100)에 설치되는 다수의 센서 또는 계측기에 의한 데이터를 습득하기 위한 것으로, 퇴적모사층의 상하부 각각에 걸리는 압력을 측정하기 위한 절대압력측정, 압력셀(100)에 장착된 온도측정, 배출부에서의 가스 유량을 측정할 수 있는 가스부피 측정, 위치별 전위 측정, 내부압력 조절을 위한 펌프제어, 주입 가스 및 염수 유량 조절, 배출되는 물의 부피측정, 냉각오븐(200) 및 냉각순환펌프를 사용한 온도제어, 상하부에 장착된 CCD 카메라(23,33)의 동영상취득 등의 제어 및 모니터링, 자료저장 시스템이다. 따라서, 데이터습득부(600)는 모든 계측기 및 제어기의 데이터 모니터링 및 저장 기능을 갖는다.

다음으로 전술한 구성을 가지는 본 발명의 시스템을 이용한 가스 하이드레이트의 생산모사방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 가스 하이드레이트의 생산모사방법은 수용공간(11)이 내부에 형성되는 메인바디(10)와, 상기 메인바디(10)의 수용공간(11)을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간(11)으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로(21,31)가 형성되어 상기 메인바디(10)의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡(20, 30)과 상기 수용공간(11)에 충진되는 퇴적모사층의 하부를 지지하고 퇴적모사층을 형성하는 퇴적입자가 상기 하부 캡(30)의 유체통로(31)로 이동되는 것을 방지하기 위해 상기 수용공간(11)의 하부에 장착되는 필터(36)를 포함하여 이루어지는 압력셀(100)의 수용공간에 퇴적모사층을 형성하는 퇴적시료를 충진하는 단계와, 퇴적시료가 충진된 압력셀(100)을 냉각오븐(200) 내부에 설치하는 단계와, 메탄가스 실린더(300)로부터 상기 압력셀(100)의 상부 캡(20)의 유체통로(21)를 통해 압력셀(100) 내부로 메탄가스를 주입하는 단계와, 상기 냉각오븐(200)의 온도를 하강시켜 압력셀(100) 내로 주입된 메탄가스로부터 가스 하이드레이트를 생성하는 단계와, 각종 생산기법을 적용하여 가스 하이드레이트를 해리시키고 상기 압력셀(100)의 하부 캡(30)의 유체통로(31)를 통해 배출되는 해리가스의 양을 측정하는 단계와, 상기 압력셀(100)의 상부 캡(20)에 장착된 카메라(23)를 이용하여 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계와, 상기 압력셀(100)의 상부 캡(20)에 장착된 레이저 변위계(26)를 이용하여 퇴적모사층의 길이변화를 정량적으로 측정하는 단계와, 상기 압력셀(100)의 하부 캡(30)에 장착되는 카메라(33)를 통해 하부 캡(30)의 유체통로(31)로 유입되는 생산유체의 유동패턴을 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 각 단계별로 보다 상세하게 설명한다.

1) 해저 사질퇴적층 모사 및 충진

먼저, 확보된 현장 퇴적모사층을 형성하기 위한 퇴적입자를 압력셀(100)에 충진하는 작업을 수행한다. 미고결 퇴적시료는 시료 충진 방법에 따라 입자의 최종구조가 크게 변화할 수 있으며 실험 도중에 압력변화에 의해 구조가 변화할 수 있다. 이에 따른 측정 물성의 변화를 최소화하기 위하여 직접 타격식 방법을 사용한다. 이하 퇴적시료의 모사를 위한 준비과정은 다음과 같다. 퇴적시료를 충진할 압력셀(100)의 상부 캡(20)은 분리되어 있는 상태에서, 사용할 퇴적시료를 압력셀(100)에 조금씩 부어 넣고 고무망치로 타격하며 눈으로 관찰하여 충진된 퇴적입자가 물 수위보다 약간 낮을 때까지 계속하고, 다시 물을 1∼2cm 정도 수위가 올라오도록 물을 붓는다. 상부 캡(20) 위치에 오를 때가지 위 과정을 반복한다. 상부까지의 완전 충진을 위하여 압력셀(100)의 하부를 고무망치로 때려 여러 차례 충격을 가한다. 이후 다시 충진을 시키고 퇴적시료의 위치가 내려가면 다시 물을 붓고 고무망치로 충격을 주는 과정을 되풀이 한다. 더 이상의 퇴적입자 위치 변화가 없으면 최종적으로 압력셀(100)의 상부 캡(20)을 장착한다. 이때 퇴적시료의 공극율은 최종적으로 주입된 물의 부피를 압력셀(100) 내부의 총 부피로 나누어 계산한다.

2) 가스 하이드레이트 생성

상기 과정을 통해 충진된 퇴적시료에 압력셀(100)의 상부 캡(20)을 장착한 후 공극률을 계산한다. 이때 사용되는 물은 3% 염수(NaCl)이다. 압력셀(100)을 냉각오븐(200)의 내부에 장착하고 데이터습득부(600), 유체주입장비, 온도조절장비 등을 연결한다. 온도조절장비를 사용하여 냉각항온순환조(400) 및 냉각오븐(200)의 온도를 11℃로 조정하고 12시간 정도 기다린다.

시스템의 온도를 확인하고 안정된 것을 확인하면 시린지 펌프(510)를 사용하여 후압력조절부에 의해 후압력계를 400psig 정도로 유지한다. 압력셀(100) 내부에 남아있을지 모르는 가스를 제거하기 위해 약 20 공극부피(Pore volume, PV) 이상 일정 유량으로 염수를 흘린다. 이후 주입되는 물의 유량을 변화시켜가며 퇴적시료 상하부의 압력차를 측정한다. 측정된 유량과 압력차를 사용하여 퇴적시료의 절대유체투과율을 구한다.

그 다음 가스하이드레이트 생성을 위해 압력셀(100)의 상부 캡(20)의 유체통로(21)를 통해 압력셀(100) 내부로 메탄가스를 주입하여 퇴적시료 내의 물포화도를 초기상태로 만든다. 이는 일정유량으로 가스를 주입하여 더 이상의 물이 생산되지 않을 때의 물포화도를 초기 함수율로 생각하는 방법이다. 최종 생산된 물의 부피를 공극부피에서 빼줌으로 퇴적시료 내부에 남아있는 물의 부피 및 물포화도를 계산한다.

압력셀(100)의 메탄가스 실린더(300)를 포함한 가스주입부와 상하부 절대압력계만을 연결한 상태에서 메탄가스를 서서히 주입하여 퇴적시료 내부의 압력이 원하는 압력에 도달하게 하고 내부압력이 안정화될 때까지 기다린다. 이후 가스 하이드레이트를 생성시키기 위하여 냉각오븐(200) 및 냉각항온순환조(400)의 온도를 1℃로 하강시킨다. 가스 하이드레이트의 생성은 급격한 압력강하로부터 알 수 있다. 압력강하 발생 후 최종적으로 시스템의 온도와 압력이 안정될 때까지 기다린다.

3) 생산기법 적용시험

가스 하이드레이트의 생성 이후 시스템의 온도와 압력이 안정된 다음에는 감압기법, 열자극기법, 또는 열염수 주입기법을 적용하여 가스 하이드레이트의 해리를 유도하고 이에 의해 배출되는 가스의 양을 측정한다.

먼저, 감압기법에서는 압력셀(100)의 하부 캡(30)에 연결된 후압력조절부의 후압력 레귤레이터(520)를 이용하여 압력셀(100) 내부의 압력을 감압시켜 하이드레이트의 해리를 유도한다. 열자극기법에서는 하부 캡(30)의 열선(미도시)에 의해 퇴적모사층을 가열하여 가스 하이드레이트의 해리를 유도한다.

그리고, 열염수 주입기법에서는 염수 펌프에 의해 공급되는 염수를 가열 용기로 가열하고, 이에 의해 고온의 염수를 압력셀(100)의 수용공간(11)으로 주입함으로써 하이드레이트의 해리를 유도하게 된다.

이와 같이 감압기법, 열자극기법 또는 열염수 주입기법을 선택적으로 수행하여 가스 하이드레이트의 해리를 유도하고, 이에 의해 압력셀(100)로부터 배출되는 생산 유체는 세퍼레이터(530)를 이용하여 액체로부터 가스를 분리시킨 다음 습식가스미터(540)에 의해 생산되는 가스의 양을 측정하고 전자저울(미도시)을 이용하여 물의 양을 측정한다. 또한, 이러한 감압기법을 포함한 생산기법 적용과정에서 발생할 수 있는 퇴적모사층의 변형(길이변화) 또는 해리가스의 누출을 압력셀(100)의 상부 캡(20)에 장착된 카메라(23)를 통해 가시적으로 관찰하고 그 영상을 데이터습득부(600)에 저장 및 분석하며, 레이저변위계(26)를 통해 가스 하이드레이트의 해리에 따른 퇴적모사층의 길이변화를 정량적으로 측정하게 된다. 아울러 압력셀(100)의 하부 캡(30)에 장착된 카메라(33)를 통해 생산유체의 유동패턴을 관찰하고, 그 영상을 데이터습득부(600)에 저장 및 분석하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가짐으로써, 실제 가스 하이드레이트의 시추시료가 없이도 퇴적층을 모사하고 심해 퇴적층의 조건을 구현하여 감압, 열자극, 열염수주입 등의 방법에 의해 하이드레이트의 생산가스의 양을 측정함으로써 보다 정확한 가스 하이드레이트의 가스 생산을 예측할 수 있게 되었고, 해저 퇴적층에 매장되어 있는 가스 하이드레이트의 경우 효율적인 생산방법 뿐만 아니라 가스 하이드레이트의 생산으로 인해 야기될 수 있는 환경적 문제 또한 매우 중요한 이슈가 될 수 있는데, 본 발명에서는 압력셀(100)의 상부 캡(20)에 장착된 카메라(23)를 통해 퇴적모사층의 변형(길이변화) 또는 해리가스의 누출을 가시적으로 관찰하고, 그 영상을 저장 및 분석함으로써 실제 생산이 야기할 수 있는 해저퇴적층의 변형 및 해리가스의 해수면 누출을 예측할 수 있게 되었다. 그리고, 압력셀(100)의 상부 캡(20)에 장착된 레이저변위계(26)를 통해 하이드레이트의 해리에 따른 퇴적층의 변화를 시간에 따라 정밀하게 측정할 수 있게 되었다.

또한, 생산정을 모사하는 압력셀(100)의 하부에 장착된 카메라(33)를 이용하여 필터(36)로부터 공간(35)을 통해 유체통로(31)로 유출되는 가스와 물을 포함하는 유체의 유동패턴을 관찰할 수 있고 이를 통해 실제 생산정에서 생산유체의 유동패턴을 예측할 수 있는 장점이 있다. 실제 가스 하이드레이트의 생산정에서 가스와 액체를 포함한 유체의 유동패턴은 해리 가스의 생산에 많은 영향을 미친다는 점에서 이는 중요한 의의를 가진다 할 것이다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 당해 기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 수 있을 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 메인 바디 11 : 수용공간
12 : 온도조절챔버 14, 15 : 비저항탐침
20 : 상부 캡 21, 31 : 유체 통로
22, 32 : 압력측정 포트 23, 33 : 카메라
24, 34 : 사파이어 글래스 25, 35 : 공간
26 : 레이저변위계 27, 37 : 온도센서
28, 29 : 램프 30 : 하부 캡
36 : 필터 38, 39 : 램프
100 : 압력셀
200 : 냉각오븐 300 : 메탄가스 실린더
400 : 냉각항온순환조 510 : 후압력펌프
520 : 후압력 레귤레이터 530 : 세퍼레이터
540 : 습식가스미터

Claims (11)

1. 해저 퇴적층을 모사하기 위한 퇴적모사층이 충진되는 수용공간이 내부에 형성되는 메인바디와, 상기 메인바디의 수용공간을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로가 형성되어 상기 메인바디의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡과, 상기 수용공간에 충진되는 퇴적모사층의 하부를 지지하고 퇴적모사층을 형성하는 퇴적입자가 상기 하부 캡의 유체통로로 이동되는 것을 방지하기 위해 상기 수용공간의 하부에 장착되는 필터를 포함하여 이루어지는 압력셀과,
   상기 압력셀의 충진공간내로 메탄가스를 공급하여 가스 하이드레이트를 생성하기 위한 메탄가스 실린더와,
   상기 압력셀의 온도를 조절하기 위한 온도조절장비와,
   상기 압력셀 내부의 압력을 조절하기 위한 후압력 레귤레이터를 포함하는 후압력조절부와,
   상기 압력셀에 설치되는 다수의 센서로부터 데이터를 습득하기 위한 데이터습득부와,
   상기 압력셀의 수용공간에서 상기 하부캡의 유체통로를 통해 배출되는 가스 배출량을 측정하기 위해 습식 가스미터를 구비하는 배출가스측정부를 포함하여 이루어지고,
   상기 압력셀의 상부 캡에는 상기 수용공간 내에 충진되는 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 관찰하기 위한 카메라가 장착되고, 상기 카메라의 관찰을 위한 램프가 압력셀의 상부에 설치되며,
   상기 압력셀의 상부 캡에는 상기 수용공간 내에 충진되는 퇴적모사층의 변형을 정량적으로 측정하기 위한 레이저변위계가 장착되는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 생산모사시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인바디의 외측에는 둘레방향으로 온도조절용 액체가 유동하는 온도조절챔버가 형성되어 정밀한 온도제어가 가능한 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 생산모사시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 온도조절장비는 상기 압력셀이 내부에 장착되는 냉각오븐인 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 생산모사시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 압력셀의 하부 캡에는 하부 캡의 유체통로로 유입되는 유체의 유동패턴을 관찰하기 위한 카메라가 장착되고, 상기 카메라의 관찰을 위한 램프가 압력셀의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 생산모사시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 압력셀의 메인바디에는 상기 압력셀 내부에 생성되는 가스 하이드레이트의 포화도를 간접적으로 측정하기 위한 비저항탐침이 상기 메인바디의 길이방향으로 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 생산모사시스템.
8. 수용공간이 내부에 형성되는 메인바디와, 상기 메인바디의 수용공간을 상, 하부에서 각각 피복하고 상기 수용공간으로 유체가 이동될 수 있도록 유체통로가 형성되어 상기 메인바디의 상, 하단에 각각 장착되는 상,하부 캡과 상기 수용공간의 하부에 장착되는 필터를 포함하여 이루어지는 압력셀의 수용공간에 퇴적모사층을 형성하는 퇴적시료를 충진하는 단계와,
   퇴적시료가 충진된 압력셀을 냉각오븐 내부에 설치하는 단계와,
   메탄가스 실린더로부터 상기 압력셀의 상부 캡의 유체통로를 통해 압력셀 내부로 메탄가스를 주입하는 단계와,
   상기 냉각오븐의 온도를 하강시켜 압력셀 내로 주입된 메탄가스로부터 가스 하이드레이트를 생성하는 단계와,
   각종 생산기법을 적용하여 가스 하이드레이트를 해리시키고 상기 압력셀의 하부 캡의 유체통로를 통해 배출되는 해리가스의 양을 측정하는 단계와,
   상기 압력셀의 상부 캡에 장착된 카메라를 이용하여 퇴적모사층의 변형 또는 해리가스의 누출여부를 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계와,
   상기 압력셀의 상부 캡에 장착된 레이저 변위계를 이용하여 퇴적모사층의 길이변화를 정량적으로 측정하는 단계와,
   상기 압력셀의 하부 캡에 장착되는 카메라를 통해 하부 캡의 유체통로로 유입되는 생산유체의 유동패턴을 관찰하고 그 영상을 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 가스 하이드레이트의 생산모사방법.
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10. 삭제
11. 삭제

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