KR101354821B1 - 저장 물질의 저장 장치 및 저장 물질의 저장 방법 - Google Patents

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Abstract

이산화탄소를 직접 지하의 염수성 대수층에 주입하여, 염수성 대수층에 효율 좋게 이산화탄소를 저장시키는 것이 가능한 이산화탄소의 저장 장치 및 이산화탄소의 저장 방법을 제공한다. 주입정(9)의 선단에는, 예를 들면 숫돌제의 필터(13)가 설치된다. 이산화탄소 탱크(3) 내에 저장되는 이산화탄소는 압송 장치(5)에 의해 압송된다. 압송 장치(5)는 이산화탄소 탱크(3) 내의 이산화탄소를 펌프에 의해 주입정(9)으로 보낸다. 이때, 이산화탄소는 압송 장치 내에서, 압력 조정 밸브, 온도 조정기 등에 의해 소정 압력 범위 및 소정 온도 범위 상태로 유지된다. 이산화탄소는, 주입정(9)에서 화살표 A 방향으로 보내어져서, 주입정(9)의 단부에 설치된 필터(13)를 통과하여 염수성 대수층(11)에 주입된다. 염수성 대수층(11)에 주입된 이산화탄소는 마이크로 버블화된다.

Description

저장 물질의 저장 장치 및 저장 물질의 저장 방법{DEVICE AND METHOD FOR SEQUESTERING A SUBSTANCE}
본 발명은, 지하의 염수성 대수층에 이산화탄소를 주입하는 것에 관한 것으로, 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중, 적어도 1종을 포함하는 저장 물질을 염수성 대수층에 저장하기 위한 저장 물질의 저장 장치 및 저장 물질의 저장 방법에 관한 것이다.
현재, 온실 효과 가스로서의 이산화탄소에 대해 대기중으로의 배출량의 저감이 급선무가 되고 있다. 이산화탄소의 배출량을 저감하기 위해서는 이산화탄소 자체의 발생량을 억제하는 방법 외에 이산화탄소를 지중에 저장하는 방법이 검토되고 있다.
연간 100 만톤 규모의 대량의 이산화탄소를 지중에 저장하는 방법으로는 지층 내에 이산화탄소를 주입하는 방법이 있다. 도 13은 이산화탄소 저장 장치(80)를 도시하는 도면이다. 관체인 주입정(87)은 이산화탄소를 저장하는 저장층(91)까지 연신된다. 이산화탄소 탱크(81)에 저장되어 있는 이산화탄소는 압송 장치(83)에 의해 주입정(87)을 통해 저장층(91)에 주입된다.
이 경우, 저장층(91) 내에 이산화탄소를 주입한 후, 이산화탄소가 지상으로 침출되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 저장층(91)의 상방에 배사 구조(상방으로의 볼록 형상)를 가지는 시일층(89)의 존재가 필요하다. 시일층(89)은 예컨대 점토질 등의 이산화탄소가 통과하기 어려운 지층이다.
지하에 주입된 이산화탄소는 시일층(89)에 의해 지상으로 침출되지 않는다. 그러나, 이렇게 상부에 볼록 형상의 시일층(89)을 가지는 지층은 한정된 장소 밖에 존재하지 않고 적용 가능한 장소가 한정된다.
그래서, 시일층(89)이 배사 구조는 아니고 단사 구조인 것 같은 장소에서도 적용 가능한 방법으로서 지하의 염수성 대수층에 존재하는 지층수에 이산화탄소를 용해시켜 지하수 중에 이산화탄소를 효율 좋게 저장하는 방법이 검토되고 있다.
예컨대, 이산화탄소를 마이크로 버블화하여 물 또는 해수 중에 분산시켜, 마이크로 버블이 분산된 물을 바다에 용해시킴으로써 이산화탄소를 하이드레이트의 마이크로 입자로 하여 해양 지층 저부에 투기하는 방법이 있다(특허 문헌 1).
또한, 대수층의 지층수를 퍼올려서 이산화탄소를 미세 기포화하여 기액혼합 유체로서 대수층에 주입하는 방법이 있다(특허 문헌 2, 특허 문헌 3).
일본 공개특허공보 2004－50167호 일본 공개특허공보 2008－6367호 일본 공개특허공보 2008－19644호
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 마이크로 버블화한 후에 하이드레이트 입자로 하여 해양에 저장하는 방법에 있어서는, 일반적으로 10 ℃을 조금 상회하는 이산화탄소를 하이드레이트화하기 위해서는 10 MPa를 넘는 높은 압력이 필요하므로, 그 이용은 10 ℃ 이하의 환경에 한정되는 것으로 간주되어 보다 고온에서의 환경하에서는 효율 좋게 이산화탄소를 저장하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 종래의 선회류의 발생 장치 등에 의한 방법에서는, 장치가 복잡하고, 지하 환경에서 마이크로 버블을 발생시키기 위해서는 보다 심플한 구조가 요구된다.
또한, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3에 기재된 수법은 대수층에 있는 지층수를 일단 퍼올려서 기액 혼합 상태로 하여 다시 대수층에 주입하고 있어, 주입정 외에 지층수를 퍼올리기 위한 양수정이나 양수를 위한 펌프가 필요하고, 시스템 전체가 대규모로 되고, 또한 저장을 위한 동력도 늘어난다고 하는 문제가 있다. 게다가, 대수층에의 주입 압력은 양수정에서의 흡출 압력과 밸런스시킬 필요가 있고, 양수량과 주입량을 일치시킬 필요가 있으므로 이산화탄소를 유효하게 저장할 수 없다는 문제가 있다.
그런데, 상술한 바와 같이, 이러한 이산화탄소 등의 저장 물질의 지하에의 저장은 저장 가능한 장소가 한정된다. 예컨대, 너무 얕은 장소에의 저장은 저장된 저장 물질이 인간의 사용수에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다.
한편, 더 깊은 장소(예를 들면 800 m이상의 심도)에 저장 물질을 주입하는 경우에는, 인간이 사용하는 물에의 영향은 없고, 그 압력에 의해 저장 효율을 높이는 것이 가능한 초임계 상태로 하는 것도 가능하다. 그러나, 깊은 장소에의 저장 물질의 저장은 저장 장소로서 가능한 장소가 한정되고, 또한 주입정 등의 설치 공정수 등의 문제가 있다.
따라서, 인간이 사용하는 물에 영향을 미치지 않는 범위에서 더 얕은 범위(400~600 m심도)에의 저장 물질의 저장이 가능하면, 저장 장소의 선택 범위를 보다 넓힐 수 있다. 그러나, 이런 얕은 장소에의 저장은 그 압력에 의해 초임계 상태에서의 주입이 곤란하고, 기체나 액체 상태에서의 저장 물질의 주입이 된다. 이 때문에, 기체나 액체 상태의 저장 물질을 보다 효율 좋게 저장 가능한 방법이 바람직하다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 이산화탄소 등의 저장 물질을 직접 지하의 비교적 얕은 염수성 대수층에 주입하여 염수성 대수층에 효율 좋게 저장 물질을 저장시키는 것이 가능한 저장 물질의 저장 장치 및 저장 물질의 저장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 제1의 발명은 지하에 저장 물질을 저장하는 저장 장치로서, 염수성 대수층에 도달하는 주입정과, 상기 주입정으로 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중, 적어도 1종을 포함하는 저장 물질을 압송하는 압송 장치와, 상기 주입정의 선단 근방에 설치된 다공질 부재를 구비하고, 상기 주입정 내로 압송되는 저장 물질을 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 주입하는 것이 가능하고, 상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 저장 물질이 주입될 때에, 저장 물질의 마이크로 버블을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치이다.
상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합해 소성한 것이고, 공경 분포의 최빈치는 40 ㎛ 이하이고 공경 분포의 반치 전폭은 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 다공질 부재는, 숫돌인 것이 바람직하다. 상기 다공질 부재에 의해 상기 염수성 대수층에 주입되는 상기 저장 물질은 액체, 기체 또는 이들의 혼합 상태인 것이 바람직하다.
제1의 발명에 의하면, 이산화탄소 등의 저장 물질을 주입하는 주입정의 선단에 다공질 부재가 설치되어, 저장 물질이 다공질 부재를 통과할 때에 마이크로 버블을 발생시키기 때문에 저장 물질을 효율 좋게 염수성 대수층에 용해시킬 수 있다.
또한, 다공질 부재가 세라믹스제의 입자와 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고, 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이고 공경 분포의 반치 전폭이 10 ㎛ 이하의 것을 이용하면, 저장 물질을 염수성 대수층에 더 효율 좋게 용해시킬 수 있다. 이러한 다공질 부재는 예컨대 입자의 50 % 누적 입경이 40 ㎛ 이하이며, 또한, 입자의 50 % 누적 입경의 오차가 2. 5 ㎛ 이하인 세라믹스제의 입자와 결합재를 혼합 소성하는 것으로 얻을 수 있다. 이러한 다공질 부재를 이용하면, 보다 확실히 마이크로 버블을 발생시킬 수 있고, 이러한 다공질 부재로는 예컨대 정밀 연마용 미분으로 이루어지는 비트리파이드 숫돌을 사용할 수 있다. 또한, 공경 분포의 반치 전폭이란 대상 물질의 공경의 분포로서 미분 세공 용적 분포를 세로축, 공경(공경의 대수)을 가로축으로 한 경우에 특정되는 공경 분포 곡선에 있어서, 미분 세공 용적 분포의 최대치에 대한 반값에서의 공경 분포폭을 말한다.
또한, 다공질 부재에 의해 염수성 대수층에 주입되는 저장 물질 상태로서는, 기체나 액체 또는 이러한 혼합 상태로 할 수 있기 때문에, 초임계 상태 등이 특수한 상태일 필요가 없고, 이 때문에, 비교적 얕은 지하에 저장할 수도 있다. 따라서, 저장하는 장소의 범위의 제약이 적다. 또한, 마이크로 버블이라 함은 1 mm 미만의 기포 또는 액체방울을 지칭한다.
또한, 가스전 등으로부터의 생산정을 이용하여, 석유 등을 채취함과 함께, 석유 등과 동시에 채취된 물을 저장 물질과 혼합하여 염수성 대수층에 주입하면, 저장 물질을 지중에 저장하면서 석유 등의 증진 회수를 할 수 있다. 이 경우, 가스전, 유전 또는 오일샌드 중 어느 하나에 상기 저장 물질을 주입하여, 상기 저장 물질의 마이크로 버블과 가스, 석유 또는 중유를 용해 또는 현탁 상태로 할 수 있다.
제2의 발명은, 염수성 대수층에 도달하는 주입정의 선단 근방에, 세라믹스제의 입자와, 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성하여 형성되는 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이고, 공경 분포의 반치 전폭이 10 ㎛ 이하인 다공질 부재를 마련하고, 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 상기 저장 물질을 주입하여, 상기 저장 물질의 마이크로 버블을 일으키게 하는 것을 특징으로 하는 염수성 대수층에의 저장 물질의 저장 방법이다.
제2의 발명에 의하면, 이산화탄소 등의 저장 물질을 주입하는 주입정의 선단에, 세라믹스제의 입자와, 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성하여 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이고, 공경 분포의 반치 전폭이 10 ㎛ 이하인 다공질 부재가 설치되기 때문에, 다공질 부재를 통과하는 저장 물질이 마이크로 버블화된다. 이 때문에, 저장 물질을 염수성 대수층에 효율 좋게 용해시킬 수 있다. 또한, 이 때, 저장 물질은 기체, 액체, 또는 이러한 혼합 상태인 것이 바람직하고, 초임계 상태 등의 특수한 상태일 필요는 없다. 따라서, 저장 깊이가 비교적 얕은 범위이어도 저장 물질을 저장할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이산화탄소 등의 저장 물질을 직접 지하의 비교적 얕은 염수성 대수층에 주입하여, 염수성 대수층에 효율 좋게 저장 물질을 저장시키는 것이 가능한 저장 물질의 저장 장치, 및 저장 물질의 저장 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 이산화탄소 저장 장치(1)를 도시하는 도면이다.
도 2는 필터(13) 근방의 확대도이다.
도 3은 이산화탄소 저장 장치(20)를 도시하는 도면이다.
도 4는 이산화탄소 저장 장치(30)를 도시하는 도면이다.
도 5는 이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 도시하는 도면이다.
도 6은 공경 분포 곡선을 도시하는 모식도이다.
도 7a는 비트리파이드 숫돌 필터 표면의 주사 전자현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도 7b는 스테인리스 필터 표면의 주사 전자현미경 사진을 도시하는 도면이다.
도 8a는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 도면이다.
도 8b는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 모식도이다.
도 9a는 마이크로 버블화되지 않고 기포(79)가 발생한 상태를 도시하는 도면이다.
도 9b는 마이크로 버블화되지 않고 기포(79)가 발생한 상태를 도시하는 모식도이다.
도 10a는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 도면이다.
도 10b는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 모식도이다.
도 11a는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 도면이다.
도 11b는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 모식도이다.
도 12a는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 도면이다.
도 12b는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 도시하는 모식도이다.
도 13은 이산화탄소 저장 장치(80)를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태에 관한 이산화탄소 저장 장치(1)를 도시하는 도면이다. 이산화탄소 저장 장치(1)는 주로 이산화탄소 탱크(3), 압송 장치(5), 주입정(9), 필터(13) 등으로 구성된다. 또한, 이하의 실시 형태에서는 저장 물질로서 이산화탄소의 예를 나타내지만, 이산화탄소 보다 물에 대한 용해도가 큰 아세틸렌, 암모니아, 이산화황, 염화 수소, 염소, 황화수소나 메탄 등의 플레어 가스인 경우에도 마찬가지이다.
공장 등에서 배출된 이산화탄소는 회수되어 이산화탄소 탱크(3)에 저장된다. 또한, 이산화탄소 발생원이 인접하는 경우에는 이산화탄소 탱크(3)에 직접 배관 등을 접속하여 저장을 실시해도 된다.
이산화탄소 탱크(3)는 압송 장치(5)와 접속된다. 압송 장치(5)는 도시를 생략 한 펌프, 압력 조정 밸브, 밸브, 온도 조정기 등으로 구성된다. 압송 장치(5)에는 관체인 주입정(9)가 접합되어 있다. 주입정(9)은, 지면(7)의 아래로 향해 연신되어, 염수성 대수층(11) 까지 도달하도록 설치된다. 염수성 대수층(11)은 모래나 자갈 등과 함께 지하에 존재하는 지층이다. 또한, 염수성 대수층(11)의 상부에는 도시를 생략한 시일층(이른바, 캡로크)이 존재한다.
주입정(9)의 선단에는, 다공질 부재인 필터(13)가 설치된다. 필터(13)로서는 예컨대 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 부재를 사용할 수 있다. 또한, 필터(13)의 공경은, 세밀하게 하면 마이크로 버블을 발생시키기 쉽지만 유체의 통과 저항이 커지기 때문에, 이산화탄소의 유량을 크게 하기 위해 압송 장치(5)가 대형화된다. 또한, 필터(13)의 공경을 크게 하면 유체의 통과 저항은 작아지지만, 마이크로 버블화의 효율이 뒤떨어진다. 필터(13)의 공경으로는 예컨대 20~40 ㎛ 정도의 것을 사용할 수 있다.
여기에서, 특히 바람직한 필터(13)로는 다공질 부재의 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이며, 그 편차(반치 전폭)는 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이러한 다공질 부재로는 다공질 부재를 구성하는 세라믹스제의 입자의 50 % 누적 입경이 40 ㎛ 이하이며, 또한, 입자의 50 % 누적 입경의 오차가 2.5 ㎛ 이하인 부재이며, 예컨대, 상기한 입자와 결합제를 혼합·소성하여 형성된 비트리파이드 연삭 숫돌(이하의 JIS에서 규정된＃320 이상의 숫돌)이다.
또한, 입자의 누적 입도 및 입경의 오차는 일본공업규격 JIS R6001：1998의 「4. 입경 분포」및 JIS R6002：1998의 「8. 전기 저항 시험 방법」(ISO 8486－1：1996, ISO 8486－2：1996)에 의한 것이다. 또한, 필터(13)의 공경의 측정은, JIS R1655：2003에서 규정되는 수은 포로시메이타에 의한 것이다.
이산화탄소 탱크(3) 내에 저장되는 이산화탄소는 압송 장치(5)에 의해 압송된다. 압송 장치(5)는 이산화탄소 탱크(3) 내의 이산화탄소를 펌프에 의해 주입정(9)으로 보낸다. 이때, 압송 장치(5)는 압력 조정 밸브, 온도 조정기 등에 의해, 소정 압력, 소정 온도 상태로 이산화탄소를 압송할 수 있다.
또한, 압송 장치(5)는 예컨대 이산화탄소를 초임계 상태로 압송할 수도 있지만, 본 장치에 있어서는, 이산화탄소가 기체, 액체 또는 이러한 혼합 상태이어도 효과를 얻을 수 있다. 예컨대, 이산화탄소의 압송 조건으로는 이산화탄소 온도 20~40 ℃, 압력을 2~8 MPa로 하는 것이 바람직하다. 이는 예컨대 200~800 m 심도에 이산화탄소를 저장할 때에 적절한 조건이다. 이러한 조건의 이산화탄소는 주입정(9)에서 화살표 A 방향으로 보내어져서 주입정(9)의 단부에 설치된 필터(13)를 통과하여 염수성 대수층(11)에 주입된다.
도 2는, 주입정(9)의 선단 근방을 나타내는 단면도이다. 주입정(9)의 하단 근방의 측면에는 링 형상의 필터(13)가 설치된다. 또한, 주입정(9)의 하단(저면)은 폐쇄되어 있고, 그 내부를 흐르는 이산화탄소는 필터(13)로부터 염수성 대수층(11)으로 분사된다. 주입정(9)을 통과한 이산화탄소는 필터(13)를 통과하여 주위의 염수성 대수층(11)에 분사될 때, 필터(13)에 의해 마이크로 버블화된다.
염수성 대수층(11) 내에 마이크로 버블로서 주입된 이산화탄소는 분사시(도면에서 화살표 B) 또는 그 후의 부상시(도면에서 화살표 C)에 염수성 대수층(11) 내에 용해된다. 이산화탄소가 마이크로 버블화됨으로써 이산화탄소의 염수성 대수층(11) 내에의 체류 시간이 길어져(마이크로 버블(15)의 염수성 대수층(11) 내에서의 부상 속도가 극히 지연되기 때문에), 또한 단위량 당의 염수성 대수층(11)과의 접촉 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 염수성 대수층(11)에 대한 용해를 지극히 효율 좋게 진행시킬 수 있다.
또한, 염수성 대수층(11) 내를 천천히 이동하면서 염수성 대수층(11)에 용해되는 이산화탄소는 염수성 대수층(11)의 주위에 존재하는 암석 광물 등과의 화학 반응에 의해 탄산염 등의 화합물을 형성한다. 따라서, 이산화탄소는 염수성 대수층 뿐만 아니라 지하나 해저 아래에 탄산 화합물로서 고정할 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 이산화탄소의 저장 방법의 다른 실시 형태에 대해 설명한다. 도 3은, 이산화탄소 저장 장치(20)를 도시하는 도면이다. 또한, 이하의 실시의 형태에 있어서, 도 1에 도시한 이산화탄소 저장 장치(1)와 동일한 기능을 나타내는 구성요소에는 도 1과 동일 번호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
이산화탄소 저장 장치(20)는 이산화탄소 저장 장치(1)에 비해 주입정(9a, 9b)이 복수 설치되는 점에서 다르다. 지하에 침투성이 낮은 니암층과 침투성이 높은 사암층이 교호로 존재하는 것과 같은 사니호층(砂泥互層)이 형성되는 경우에는, 염수성 대수층(11a, 11b가 존재하는 각각의 복수의 사암층에 도달하도록 주입정(9a, 9b)이 각각 설치된다. 이산화탄소 저장 장치(20)는 각각의 주입정(9a, 9b)에 의해 염수성 대수층(11a, 11b)에 이산화탄소를 동시에 또는 개별적으로 주입할 수 있다. 따라서, 효율 좋게 이산화탄소를 염수성 대수층(11a, 11b)에 주입할 수 있다.
도 4는, 이산화탄소 저장 장치(30)를 도시하는 도면이다. 이산화탄소 저장 장치(30)는 이산화탄소 저장 장치(1)에 비해 해면(31) 상에 설치되는 점에서 다르다. 해저(33) 하방에 존재하는 염수성 대수층(11)에 효율 좋게 이산화탄소를 저장하기 위해 이산화탄소 저장 장치(30)는 해면(31)에 설치된다. 이산화탄소 저장 장치(30)는 해저(33) 아래의 염수성 대수층(11)에 효율 좋게 이산화탄소를 저장할 수 있다. 또한, 이산화탄소를 이산화탄소 탱크(3)에 운반하는 수단으로서 선박을 이용해 선박으로부터 직접 이산화탄소를 이산화탄소 탱크(3)에 보충할 수 있다.
<실시예>
본 발명에 따른 저장 물질의 저장 방법에 있어서, 마이크로 버블의 발생 상황의 확인을 실시했다. 도 5는 이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 도시하는 도면이다.
이산화탄소 저장 시험 장치(40)는 이산화탄소 탱크(41), 압력 조정 밸브(45, 55), 물 탱크(51), 시린지 펌프(43, 53), 압력 용기(63) 등으로 구성된다.
이산화탄소 탱크(41)에는 이산화탄소가 저장된다. 이산화탄소 탱크(41)에는 시린지 펌프(43), 압력 조정 밸브(45), 밸브(47)가 배관(49)에 의해 접속된다. 시린지 펌프(43)는 이산화탄소를 압력 용기(63)로 압송한다. 또한, 이산화탄소는 압력 조정 밸브(45)에 의해 임의의 압력으로 조정이 가능하고, 또한 도시를 생략한 온도 조정기에 의해, 압력 용기(63)로 압송되는 이산화탄소를 임의의 온도로 조정할 수 있다.
물 탱크(51) 내에는 물이 충전된다. 물 탱크(51)에는 시린지 펌프(53), 압력 조정 밸브(55), 밸브(57)이 배관(59)에 의해 접속된다. 시린지 펌프(53)는 물을 압력 용기(63)로 압송한다. 또한, 이산화탄소와 마찬가지로, 물은 압력 조정 밸브(55)에 의해 임의의 압력으로 조정이 가능하고, 또한 도시를 생략한 온도 조정기에 의해, 압력 용기(63)로 압송되는 물을 임의의 온도로 조정할 수 있다.
배관(59)은 배관(49)과 접합된다. 따라서, 밸브(47, 57)를 조정함으로써, 이산화탄소 단일체 또는 이산화탄소와 물의 혼합물을 압력 용기(63)로 압송할 수 있다(도면에서 화살표 D 방향).
압력 용기(63)과 배관(49)의 접합부에는 필터(61)가 설치된다. 필터(61)는 직경 50 mm이고 5 mm 두께의 원판상의 형상이다. 필터(61)는 교환이 가능한데, 예를 들어 공경을 변경하여 시험을 실시할 수 있다.
압력 용기(63)에는 서로 대향하는 측면에 조명창(67) 및 촬영창(71)이 설치된다. 조명창(67)및 촬영창(71)은 투명한 창이며, 그 내부의 상황을 확인할 수 있다. 조명창(67)으로부터는, 외부에 설치된 조명(69)에 의해 그 내부가 조사된다. 대향하는 위치에 설치된 촬영창(71)의 외부에는 카메라(73)가 설치된다. 카메라(73)는, 조명(69)에 의해 비추어진 압력 용기(63) 내의 상황을 촬영할 수 있다. 또한, 카메라(73)는 하이스피드 카메라이며, 필터(61)를 통과하여 압력 용기(63)내에 주입된 이산화탄소의 상태를 알 수 있다.
압력 용기(63)에는 소정 압력의 물이 충전되어 있다. 또한, 압력 용기(63)에는 배출 밸브(65)가 설치된다. 배출 밸브(65)는 압력 용기(63) 내에 이산화탄소 등이 주입되어도 압력 용기(63)의 내부가 일정한 압력으로 유지되도록 기능한다. 즉, 주입된 이산화탄소 등에 의해 압력이 상승하면, 상승한 압력이 정상인 상태가 되도록 내부의 물 등을 배출한다. 또한, 압력 용기(63) 내의 물은 모의적인 염수성 대수층에 해당한다.
이산화탄소 저장 시험 장치(40)를 사용하여, 압력 용기(63) 내에 여러가지의 상태로 주입한 이산화탄소 상태를 관찰했다. 압력 용기(63)에 주입하는 이산화탄소로서는, 액체 상태, 기체 상태 및 이들의 혼합 상태로 했다. 필터(61)로는 공경(규격) 20 ㎛ 및 40 ㎛ 의 스테인리스 소결 필터와, 공경(규격) 28 ㎛ 및 40 ㎛ 의 비트리파이드 숫돌을 사용했다. 또한, 공경 40 ㎛ (규격)의 스테인리스 소결 필터와, 공경 28 ㎛ 및 40 ㎛ (규격)의 비트리파이드 숫돌을 전자동 세공경 분포 측정 장치(퀀타 크롬(QUANTA Crome) 사 제조 프로마스터(PoreMaster) 60－GT)으로 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(㎛)
미디엄 모드 반치 전폭
40 ㎛ SUS 소결 필터 37.9 38.4 18
28 ㎛ 비트리파이드 숫돌 17.3 17.8 6
40 ㎛ 비트리파이드 숫돌 30.0 28.5 9
표 1에 나타낸 바와 같이, 비트리파이드 숫돌은, 호칭직경에 비해서 약간 공경이 작고, 특히, 반치 전폭이 스테인리스 소결 필터에 비해 극히 작다. 즉, 비트리파이드 숫돌은 공경의 편차가 작고, 공경의 사이즈가 스테인리스 소결 필터에 비해서 균일함을 알 수 있다. 여기에서, 공경 분포의 반치 전폭이란, 대상 물질의 공경의 분포로서, 미분 세공 용적 분포를 세로축, 공경(공경의 대수)을 가로축으로 했을 경우에 특정되는 공경 분포 곡선에 있어서, 미분 세공 용적 분포의 최대치에 대한 반값에서의 공경 분포 폭을 말한다. 도 6은 공경 분포를 도시하는 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공경 분포는 세로축을 미분 세공 용적 분포(－dV/d(logD))로 하고, 가로축을 공경으로 하는 것으로 얻을 수 있다. 미분 세공 용적 분포는 측정 포인트의 격차 및 공경의 대수 플롯을 고려하여, 공경 마다의 세공 용적인 차분 세공 용적 dV를 공경의 대수 취급으로의 차분치 d(logD)로 나눈 값이다. 반치 전폭이란, 도 6에 도시하는 예에서는, 분포 곡선의 최대 미분 세공 용적 분포 F의 반의 값 G에 있어서의 곡선의 분포 폭 H이다. 비트리파이드 숫돌을 이용하면, 공경 분포의 격차(반치 전폭)는 대체로 10 ㎛ 이하로 할 수 있다. 이러한 공경 격차가 되도록, 세라믹스제(알루미나 및 티탄 산화물)의 입자로서 50 % 누적 입경이 40 ㎛ 이하이며, 또한 입자의 50 % 누적 입경의 오차가 2.5 ㎛ 이하의 것을 이용했다. 또한, 이용한 비트리파이드 숫돌은 마츠나가 숫돌 주식회사(松永砥株式會社)제의 알루미나 연삭 숫돌이다.
도 7a는 본 발명에 따른 공경 40 ㎛의 비트리파이드 숫돌의 사진이고, 도 7b는 공경 40 ㎛의 스테인리스 소결 필터의 필터 표면의 사진이다. 상술한 바와 같이, 비트리파이드 숫돌은 스테인리스 소결 필터와 비해 동일 공경(규격)이어도 공경 격차가 작다. 이는 비트리파이드 숫돌의 입도 격차(2.5 ㎛ 이하)가 작기 때문이다.
또한, 시험에 있어서는 전술한 비트리파이드 숫돌 외에도, 공경 12 ㎛의 비트리파이드 숫돌도 사용했다. 이 비트리파이드 숫돌은 공경 분포의 미디엄이 4.87 ㎛, 모드가 4.63 ㎛로 되어 있다. 즉, 공경 분포의 최빈치는 공경 28 ㎛ 및 40 ㎛인 것 보다 더 공경이 작다. 또한, 이 비트리파이드 숫돌의 공경 분포의 반치 전폭은 2.0 ㎛로 되어 있다. 이 비트리파이드 숫돌은, 전술한 비트리파이드 숫돌과 마찬가지로, 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이며, 공경 분포의 반치 전폭이 10 ㎛ 이하인 조건을 만족시킨다.
또한, 이산화탄소 단일체의 경우 외에, 이산화탄소와 물과의 혼합물을 압력 용기(63)에 주입했을 때의 상태도 확인했다.
표 2는 각 시험의 조건 및 결과를 나타낸다. 표 2에 있어서, 「유량」, 「온도」, 「압력」은, 각각 압력 용기에 주입하는 이산화탄소의 유량, 온도, 압력을 나타낸다. 시험 No.1 내지 No.12, No.19 내지 No.24의 이산화탄소는 기체 상태이다. 시험 No.13 내지 No.18은 이산화탄소가 액체(또는 기체와의 혼합) 상태이다. 또한, 「필터 종류」에 있어서 「SUS 소결」은 스테인리스 소결 필터이며, 「숫돌」은 비트리파이드 숫돌이며, 또한, 「필터」는 필터의 공경(규격)을 나타낸다.
또한, 표 2의 시험 No.29 내지 No.31은, 이산화탄소가 기체 상태이며, 압력 용기 내에 해수를 채운 상태에서 시험을 행한 결과를 나타낸다. 「해수 농도」는, 압력 용기에 채워지고 있는 물의 해수 농도를 나타낸다.
또한, 압력이 4 MPa인 조건은, 저장 심도가 400 m인 것을 상정한 것이고, 압력이 6 MPa의 조건은, 저장 심도가 600 m인 것을 상정한 것이다.
시험
No.		 유량
(ml/min)		 온도
(℃)		 압력
(MPa)		 해수 농도
(%)		 필터
종류		 필터
㎛		 마이크로 버블
발생 상황
1 본 발명 1.0 20 4 - 숫돌 28 ◎
2 본 발명 5.0 20 4 - 숫돌 28 ◎
3 본 발명 10.0 20 4 - 숫돌 28 ◎
4 본 발명 1.0 20 4 - 숫돌 40 ◎
5 본 발명 5.0 20 4 - 숫돌 40 ◎
6 본 발명 10.0 20 4 - 숫돌 40 ◎
7 본 발명 1.0 40 4 - 숫돌 28 ◎
8 본 발명 5.0 40 4 - 숫돌 28 ◎
9 본 발명 10.0 40 4 - 숫돌 28 ◎
10 본 발명 1.0 40 4 - 숫돌 40 ◎
11 본 발명 5.0 40 4 - 숫돌 40 ◎
12 본 발명 10.0 40 4 - 숫돌 40 ◎
13 본 발명 1.0 20 6 - 숫돌 28 ◎
14 본 발명 5.0 20 6 - 숫돌 28 ◎
15 본 발명 10.0 20 6 - 숫돌 28 ◎
16 본 발명 1.0 20 6 - 숫돌 40 ◎
17 본 발명 5.0 20 6 - 숫돌 40 ◎
18 본 발명 10.0 20 6 - 숫돌 40 ◎
19 본 발명 1.0 40 6 - 숫돌 28 ◎
20 본 발명 5.0 40 6 - 숫돌 28 ◎
21 본 발명 10.0 40 6 - 숫돌 28 ◎
22 본 발명 1.0 40 6 - 숫돌 40 ◎
23 본 발명 5.0 40 6 - 숫돌 40 ◎
24 본 발명 10.0 40 6 - 숫돌 40 ◎
25 본 발명 2.0 24 5 - SUS소결 40 △
26 본 발명 2.0 24 8 - SUS소결 40 ×
27 본 발명 2.0 24 5 - SUS소결 20 ×
28 본 발명 2.0 24 8 - SUS소결 20 ×
29 본 발명 0.1 40 6 50 숫돌 12 ◎
30 본 발명 1.0 40 6 50 숫돌 12 ◎
31 본 발명 5.0 40 6 50 숫돌 12 ◎
32 본 발명 0.1 40 6 100 숫돌 12 ◎
33 본 발명 1.0 40 6 100 숫돌 12 ◎
34 본 발명 5.0 40 6 100 숫돌 12 ◎
마이크로 버블의 발생 상황으로서는, 1 mm 이상의 기포 또는 액체방울(이하, 기체, 액체 혹은 그 혼합 상태를 불문하고 단지 「기포」라고 한다)이 확인되어도, 1 mm 미만의 마이크로 버블이 다수 발생하면 「◎」로 했다. 또한, 발생한 기포의 대부분이 1 mm 이상이어도, 적지만 마이크로 버블이 확인되었을 경우에는 「△」로 했다. 모두 1 mm 이상의 기포인 경우에는 「×」로 했다.
표 2에 있어서, 시험 No.1 내지 No.28을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 필터 공경, 유량, 압력을 변화시켰을 경우, 필터(61)로서 숫돌 필터를 이용했을 경우에(시험 No.1 내지 No.24), 마이크로 버블이 잘 발생했다. 한편 필터(61)로서 스테인리스 소결 필터를 이용했을 경우(시험 No.25 내지 No.28)에서는 마이크로 버블은 발생하지 않았다(적었다).
도 8a, 도 8b는 시험 No.6에 있어서의 마이크로 버블의 발생 상황을 도시하는 예이다. 도 8a은 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 8b은 도 8a의 모식도이다. 또한, 도면에서 우측이 압력 용기(63)의 하측이고, 도면에서 좌측이 압력 용기(63)의 상측이다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 압력 용기(63)의 하방(도면에서 우측)으로부터 이산화탄소를 주입하면, 이산화탄소는 압력 용기(63) 내의 수중에서 화살표 E 방향에 분사된다. 이때, 다소의 기포(79)가 생기지만, 매우 섬세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 마이크로 버블(75)은 도면에서 좌측(압력 용기(63)의 상방)으로 진행함에 따라 소멸하는 것도 볼 수 있었다. 이는 마이크로 버블로 된 이산화탄소가 물(77) 중에 용해되었기 때문이다.
마찬가지로, 도 9a, 도 9b는 시험 No.28에 있어서의 이산화탄소의 상황을 도시하는 예이다. 도 9a는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 9b는 도 9a의 모식도이다. 도면에서 화살표 E는, 이산화탄소의 주입 방향이다.
스테인리스 소결 필터가 이용된 경우, 주입된 이산화탄소는 마이크로 버블화되는 일 없이 큰 기포(79)로서 물(77)내에 주입되었다. 기포(77)는 필터(61)로부터 이탈하면 즉석에서 상방으로에 부상했다. 따라서 이산화탄소는 거의 물(77)에 용해하지 않았다. 이는 스테인리스 소결 필터가 숫돌 필터에 비교하여, 그 공경 편차가 커서, 이산화탄소가 큰 구멍을 우선적으로 통과하므로, 섬세한 마이크로 버블의 발생이 억제되었기 때문이다.
도 10a, 도 10b는 시험 No.9에 있어서의 마이크로 버블의 발생 상황을 도시하는 예이다. 도 10a은 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 10b은 도 10a의 모식도이다.
도 10b에 도시한 바와 같이, 필터 공경을 28 ㎛로 하여 도면에서 화살표 E 방향으로 이산화탄소를 주입하면, 예컨대 도 8b에 비교하여 매우 섬세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 마이크로 버블(75)은 도면에서 좌측으로 진행함에 따라 소멸했다. 이는 마이크로 버블(75)로 된 이산화탄소가 물(77) 중에 용해되었기 때문이다.
시험 No.29 내지 No.34는, 압력 용기의 내부를 물이 아니라 소정의 해수 농도로 채웠을 경우의 결과를 나타낸다. 12 ㎛ 비리파이드 숫돌에 있어서, 해수 농도가 50% 및 100%의 조건에서도, 마이크로 버블이 다수 발생했다. 또한, 도 11a, 도 11b는 시험 No.31에 있어서의 마이크로 버블의 발생 상황을 도시하는 예이다. (도 11a, b 에 있어서는, 도면 하측이 압력 용기(63)의 하방이다.)
또한, 필터 공경을 작게 하면, 낮은 압력에서도 마이크로 버블을 용이하게 발생시킬 수 있지만, 유량이 작아지기 때문에, 주입량은 감소한다. 이에 비해, 필터 공경을 크게 하면, 보다 높은 압력으로 사용하지 않으면 마이크로 버블이 발생하기 어려워지지만, 주입량을 증대시킬 수 있다. 저장하는 깊이에 따라서 사용하는 필터의 공경을 선택하는 것이 바람직하다.
도 12a, 도 12b는 숫돌 필터 상에 사암층을 설치하고, 40℃, 10MPa, 7 ml/min의 조건에서 이산화탄소의 마이크로 버블화를 실시했을 때의 마이크로 버블의 발생 상황을 도시하는 예이다. 도 12a는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 12b는 도 12a의 모식도이다.
실제로 이산화탄소를 저장층에 저장하기 위해서는 필터로부터 분사된 이산화탄소가 사암층을 통과한 후의 대수층에서의 버블 발생 상황이 문제가 된다. 그래서, 필터(61) 상에 사암층으로서 다호사암(多胡砂岩)을 설치하여, 사암층으로부터 나오는 버블의 발생 상황을 조사했다. 그 결과, 도 12a, 도 12b에 도시한 바와 같이 필터(61) 상에 다호사암을 마련하여, 필터(61) 및 다호사암을 통과해도 마이크로 버블이 발생하는 것이 확인되었다. 또한, 마찬가지로 다호사암을 대신하여 베이리어 사암을 이용해도 마찬가지로 마이크로 버블의 발생이 확인되었다.
이와 같이, 숫돌을 이용한 필터(61)를 통해 이산화탄소를 물(77) 중에 주입하면, 이산화탄소의 마이크로 버블(75)을 용이하게 발생시킬 수 있다. 이산화탄소를 마이크로 버블화함으로써, 이산화탄소가 물(77)에 효율 좋게 용해된다. 또한, 물과 이산화탄소를 혼합했을 경우에도, 필터(61)를 통해 물(77) 중에 주입하면, 마이크로 버블화된다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 이산화탄소의 예를 나타냈지만, 다른 물질이어도, 숫돌 필터를 통해 수중에 분사시키면 마찬가지로 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다. 특히 아세틸렌, 암모니아, 이산화황, 염화 수소, 염소, 황화수소에 있어서는, 같은 온도 압력 조건에 있어서의 용해도가 이산화탄소보다 높고, 상당한 용해 촉진 효과를 기대할 수 있다.
이상 본 발명의 실시의 형태에 의하면, 다공질 부재인 숫돌 필터를 통해 이산화탄소를 염수성 대수층에 주입함으로써, 염수성 대수층 내에서 이산화탄소가 효율 좋게 마이크로 버블화되고, 이 때문에, 이산화탄소는 염수성 대수층에 효율 좋게 용해됨과 함께, 암석 등의 성분인 Ca, Mg, Na등과의 화학 반응에 의해 탄산 화합물로서 지하에 고정될 수 있다.
이산화탄소 상태는 초임계 상태 등에 한정되지 않기 때문에, 적용할 수 있는 조건이 넓고, 적용 장소의 제한이 적다. 게다가 지하의 염수성 대수층에 직접 주입하는 것이 가능하기 때문에, 지하에서 염수성 대수층의 지층수를 퍼올릴 필요가 없고, 이 때문에 장치도 소형화할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시의 형태를 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는, 전술한 실시의 형태에 좌우되지 않는다. 당업자라면, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서 각종의 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 분명하고, 이에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예컨대, 가스전, 유전, 오일샌드 등에 도달하는 생산정을 마련하고, 주입정에 의해, 이산화탄소 등을 당해 지하에 주입함으로써 생산정에 의해 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수를 실시할 수 있다. 현재의 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수법에 있어서는, 오일 등과 이산화탄소가 용해 또는 현탁 상태가 되는 것과 같이 고압의 이산화탄소를 압입하고, 이산화탄소와 채굴하는 오일 등을 혼합시켜 증진 회수를 도모하고 있다. 단, 이산화탄소와 오일 등이 원래 용해 또는 현탁 상태가 되기 어렵고, 실제로는 용해 또는 현탁 상태로 되는 압력을 유지할 수 있는 상당히 깊은 장소에 존재하는 가스전, 유전, 오일샌드 등에 이산화탄소를 압입하지 않으면 증진 회수가 도모되지 않는다. 본 발명을 이러한 증진 회수에 적용함으로써, 압입한 이산화탄소가 미세 기포가 되어, 종래보다 낮은 압력으로 이산화탄소와 오일 등이, 보다 한층 용해 또는 현탁 상태가 되기 쉬워진다. 본 발명을 이러한 증진 회수에 적용함으로써, 지금까지 이산화탄소와 오일 등이 용해 또는 현탁 상태가 되기 어렵고 증진 회수가 도모되지 않았던 비교적 얕은 범위의 가스전, 유전, 오일샌드 등에 있어도, 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수를 실시할 수 있다.
또한, 이때, 생산정에 의해 채취된 오일 등과 물의 혼합물로부터 오일 등을 회수한 후, 나머지의 물을 이산화탄소에 혼합하여 지하에 주입함으로써, 과잉 채취한 물을 지하에 되돌릴 수 있고, 이 때문에 지반침하 등을 억제함과 함께, 염수성 대수층에 효율 좋게 이산화탄소를 주입할 수 있다.
1, 20, 30: 이산화탄소 저장 장치 3: 이산화탄소 탱크
5: 압송 장치 7: 지면
9: 주입정 11: 염수성 대수층
13: 필터 15: 마이크로 버블
31: 해면 33: 해저
40: 이산화탄소 저장 시험 장치 41: 이산화탄소 탱크
43: 시린지 펌프 45: 압력 조정 밸브
47: 밸브 49: 배관
51: 물 탱크 53: 시린지 펌프
55: 압력 조정 밸브 57: 밸브
59: 배관 61: 필터
63: 압력 용기 65: 배출 밸브
67: 조명창 69: 조명
71: 촬영창 73: 카메라
75: 매크로 버블 77: 물

Claims (7)

  1. 지하에 저장 물질을 저장하는 저장 장치로서,
    염수성 대수층에 도달하는 주입정과,
    상기 주입정으로 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중, 적어도 1종을 포함하는 저장 물질을 압송하는 압송 장치와,
    상기 주입정의 선단 근방에 설치된 세라믹제의 다공질 부재를 구비하고,
    상기 주입정 내로 압송되는 저장 물질을, 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 주입하는 것이 가능하고,
    상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 저장 물질이 주입될 때에, 저장 물질의 마이크로 버블을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고, 공경 분포의 최빈치는 40 ㎛ 이하이고 공경 분포의 반치 전폭은 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다공질 부재는 숫돌인 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공질 부재에 의해 상기 염수성 대수층에 주입되는 상기 저장 물질은 액체, 기체 또는 이들의 혼합 상태인 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 가스전, 유전 또는 오일샌드 중 어느 하나에 도달하는 생산정을 더 구비하고,
    상기 생산정으로부터는 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능한 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서, 가스전, 유전 또는 오일샌드 중 어느 하나에 상기 저장 물질을 주입하여 상기 저장 물질의 마이크로 버블과 가스, 석유 또는 중유를 용해 또는 현탁 상태로 하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 저장 물질의 저장 장치.
  7. 염수성 대수층에 도달하는 주입정의 선단 근방에, 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성하여 형성되는, 공경 분포의 최빈치가 40 ㎛ 이하이고 공경 분포의 반치 전폭이 10 ㎛ 이하인 다공질 부재를 마련하고, 상기 다공질 부재를 통해 상기 염수성 대수층에 저장 물질을 주입하여 상기 저장 물질의 마이크로 버블을 일으키게 하는 것을 특징으로 하는 염수성 대수층에의 저장 물질의 저장 방법.
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