KR101382753B1

KR101382753B1 - 저류 물질의 저류 장치 및 저류 방법

Info

Publication number: KR101382753B1
Application number: KR1020137027050A
Authority: KR
Inventors: 지키우 쉬에; 스스무 니시오; 히로미치 카메야마; 코지 요시자키
Original assignee: 도쿄 가스 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-04-08
Also published as: WO2012133265A1; JP2012206103A; US20140072369A1; CN103442798A; CA2831026C; EP2695671A4; CA2831026A1; EP2695671B1; AU2012233997B2; US8998532B2; CN103442798B; KR20130127539A; JP5399436B2; EP2695671A1; AU2012233997A1

Abstract

이산화탄소 탱크(3)는 압송 장치(5)와 접속된다. 압송 장치(5)에는 관체(管體)인 주입정(9)이 접합되어 있다. 주입정(9)은 지면(7) 아래를 향해 연신되어, 염수성 대수층(鹽水性帶水層)(11)까지 도달하도록 설치된다. 주입정(9)의 일부에는 대략 수평 방향으로 수평정(10)이 형성된다. 즉, 수평정(10)은 염수성 대수층(11)의 내부에 있어서, 주입정(9)의 일부가 대략 수평 방향으로 형성된 부위이다. 수평정(10)에는 다공질 부재인 필터(13)가 설치된다. 필터(13)로서는, 예컨대 세라믹스제의 입자와 상기 세라믹스제의 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 부재를 사용할 수 있다. 그리고, 필터(13)의 구멍 직경은 미세하면 더욱 미세한 직경의 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다.

Description

저류 물질의 저류 장치 및 저류 방법{RETENTION DEVICE FOR RETAINED SUBSTANCE AND RETENTION METHOD}

본 발명은 지하의 염수성 대수층(鹽水性帶水層)에 이산화탄소 등의 저류(貯留) 물질을 저류하기 위한 저류 물질의 저류 장치 및 저류 물질의 저류 방법에 관한 것이다.

현재, 온실 효과 가스로서의 이산화탄소에 대하여, 대기 중으로의 배출량을 저감하는 것이 시급한 문제로 되고 있다. 이산화탄소의 배출량을 저감시키기 위해서는, 이산화탄소 자체의 발생량을 억제하는 방법 외에, 이산화탄소를 지중에 저류하는 방법이 검토되고 있다.

연간 100만톤 규모의 대량의 이산화탄소를 지중에 저류하는 방법으로서는, 지층 내로 이산화탄소를 주입하는 방법이 있다. 도 9는 종래의 이산화탄소 저류 장치(80)를 나타낸 도면이다. 관체(管體)인 주입정(注入井)(87)이 이산화탄소를 저류하는 저류층(91)까지 연장된다. 이산화탄소 탱크(81)에 저장되어 있는 이산화탄소는 압송 장치(83)에 의해 주입정(87)을 통하여 저류층(91)에 주입된다.

이 경우, 저류층(91) 내로 이산화탄소를 주입한 후, 이산화탄소가 지상으로 침출되어 나오지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 저류층(91)의 위쪽에 배사(背斜) 구조(위쪽으로의 볼록형상)를 가지는 실링층(89)의 존재가 필요하다. 실링층(89)은 예컨대 점토질 등의 이산화탄소가 통과하기 어려운 지층이다.

지하에 주입된 이산화탄소는 실링층(89)에 의해 지상으로 침출되지 않는다. 그러나, 이와 같은 상부로의 볼록형상의 실링층(89)을 가지는 지층은 한정된 장소에 밖에 존재하지 않아 적용 가능한 장소가 한정된다.

그래서, 실링층(89)이 배사 구조가 아니고 단사(單斜) 구조인 것과 같은 장소에서도 적용 가능한 방법으로서, 지하의 염수성 대수층에 존재하는 지층수에 이산화탄소를 용해시켜 지하수 중에 이산화탄소를 효율적으로 저류하는 방법이 검토되고 있다.

예컨대 심부(深部) 대수층의 지하수를 양수정(揚水井)으로부터 지상으로 퍼 올려 주입수(注入水)를 만들어, 주입정의 상부에서 압입(壓入)된 주입수에 이산화탄소를 미세 기포화하여 혼합 또는 용해시킴으로써 기액(氣液) 혼합 유체를 만들고, 주입수를 심부 대수층에 도달하도록 설치된 주입정에 맥동압(脈動壓)을 가하여 압입하는 이산화탄소의 지중 저류 방법이 있다(특허문헌 1).

또한, 탄산 가스를 액체 또는 초임계 상태까지 압축하는 탄산 가스 압축 장치를 사용하고, 해수 등의 용매를 압송 펌프로 압축하고, 용매에 탄산 가스를 용해시켜 탄산 가스 용해수로 하고, 생성된 탄산 가스 용해수를 지표면으로부터 대수층까지 관통한 주입정에 의해 지중의 대수층에 압입하는 탄산 가스의 지중 저류 시스템이 있다(특허문헌 2).

또한, 탄산 가스를 액체 또는 초임계 상태까지 압축하는 탄산 가스 압축 장치를 사용하고, 해수 등의 용매를 압송 펌프로 압축하고, 용매에 탄산 가스를 용해시켜 탄산 가스 용해수로 하고, 생성된 탄산 가스 용해수를 소정의 고유속으로 흐르게 하면서 탄산 가스를 세포화하면서 혼입시켜, 지표면으로부터 대수층까지 관통한 주입정에서 지중의 대수층에 압입하는 탄산 가스의 지중 저류 시스템이 있다(특허문헌 3).

특허문헌 1 : 특개2008－307483호 공보 특허문헌 2 : 특개2008－238054호 공보 특허문헌 3 : 특개2010－201330호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 대수층에 있는 지층수를 일단 퍼 올려 기액 혼합 상태로 하여 다시 대수층에 주입한다. 그러므로, 주입정 외에 지층수를 퍼 올리기 위한 양수정이나 양수하기 위한 펌프를 필요로 한다. 그러므로, 시스템 전체가 커지게 된다. 또한, 이산화탄소의 저류를 위한 큰 동력을 필요로 한다. 또한, 대수층으로의 주입 압력은 양수정에서의 흡출(吸出) 압력과 균형잡히도록 할 필요가 있다. 또한, 주입된 이산화탄소는 양수에 의한 수류에 지배되어, 이산화탄소가 대수층의 일부에 선택적으로 흐르므로 저류 공간을 유효하게 이용할 수 없게 될 우려가 있다.

또한, 특허문헌 2의 장치에서는 이산화탄소의 용해수가 주입선(注入先)의 물과 비교하여 비중이 커지게 된다. 그러므로, 안정적으로 이산화탄소를 저류 가능하다. 그러나, 이산화탄소를 주입 전에 용해조에서 용매로 용해시키기 위해 용매의 압송 펌프나 용해조 등의 설비를 필요로 한다. 그러므로, 시스템 전체가 커지게 된다.

또한, 특허문헌 3의 장치도, 특허문헌 2와 마찬가지로, 이산화탄소를 주입 전에 용매에 용해시키기 때문에 용매의 압송 펌프 등의 설비를 필요로 한다. 그러므로, 시스템 전체가 커지게 된다.

여기서, 사전에 이산화탄소를 용매로 용해시키는 것이 아니라, 대수층에 이산화탄소를 주입하는 경우에 있어서, 보다 양호한 효율로 이산화탄소를 물에 용해시키기 위해서는 이산화탄소를 대수층 내부에서 긴 시간 체류시킬 필요가 있다.

통상, 기포로서 주입된 이산화탄소는 대수층 내부에서 상승하면서 주위의 물에 용해되는 것으로 생각된다. 따라서, 이산화탄소를 대수층의 심부로부터 주입함으로써, 이산화탄소의 체류 시간을 길게 할 수 있다. 그러나, 이와 같이 대수층의 심부까지 주입정을 설치하는 것은 주입정의 설치 공정수 등의 문제가 있다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 행해진 것이며, 이산화탄소 등의 저류 물질을 직접 지하의 염수성 대수층에 주입하고, 염수성 대수층에 효율적으로 저류 물질을 저류시키는 것이 가능한 저류 물질의 저류 장치, 및 저류 물질의 저류 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은, 지하에 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저류 물질을 저류하는 저류 장치로서, 염수성 대수층에 도달하는 주입정과, 상기 주입정에 상기 저류 물질을 압송하는 압송 장치와, 상기 주입정에 설치된 세라믹스제의 다공질 부재를 포함하고, 상기 염수성 대수층의 내부에 있어서, 상기 주입정 중 적어도 일부에는 대략 수평 방향을 향해 수평정이 형성되고, 상기 수평정 내로 압송되는 상기 저류 물질을 상기 다공질 부재를 통하여 상기 염수성 대수층에 주입하는 것이 가능하며, 상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고 구멍 직경 분포의 최빈치(最頻値)가 4.5 ㎛ 이하이고, 상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 상기 저류 물질이 주입될 때, 상기 저류 물질의 마이크로 버블을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치이다.

또한, 가스전, 유전 또는 오일 샌드 중 어느 하나에 도달하는 생산정을 더 구비하고, 상기 생산정으로부터는 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능하게 해도 된다.

제1 발명에 의하면, 저류 물질을 주입하는 수평정에 4.5 ㎛ 이하의 구멍 직경을 가지는 다공질 부재가 설치되므로, 다공질 부재를 통하여 주입되는 저류 물질의 마이크로 버블의 구멍 직경을 작게 할 수 있다. 그러므로, 자세한 것은 후술하지만, 액체 중의 기포의 침강 현상을 이용할 수 있다. 따라서, 대수층 내에 마이크로 버블을 체류·침강시킴으로써, 저류 물질을 효율적으로 염수성 대수층에 용해시킬 수 있다.

그리고, 구멍 직경 분포의 최빈치가 4.5 ㎛ 이하의 다공질 부재는 예컨대 입자의 50%, 누적 입경이 4.5 ㎛ 이하인 세라믹스제의 입자와 결합재를 혼합 소성함으로써 얻을 수 있다. 이와 같은 다공질 부재를 이용하면, 더욱 확실하게 원하는 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다.

또한, 주입정의 일부에 수평정이 설치됨으로써, 보다 광범위하게 걸쳐 저류 물질을 염수성 대수층에 주입할 수 있다.

또한, 저류 물질을 수평정으로부터 수평 방향보다 아래쪽을 향해 주입함으로써, 수평정으로부터 분출된 마이크로 버블이 염수성 대수층 내부에 있어서 아래쪽을 향해 주입되고, 그 후, 마이크로 버블의 전부 또는 일부가 전술한 침강 현상에 의해, 저류 물질을 염수성 대수층 내부에서 침강시킬 수 있다. 그러므로, 보다 장시간 안정적으로 저류 물질을 염수성 대수층 내부에 체류시킬 수 있다. 그리고, 저류 물질을 수평 방향보다 위쪽을 향해 주입해도 되고, 수평정의 전체 주위(모든 방향)로 대하여 주입해도 된다. 어느 것으로 해도 마이크로 버블의 전부 또는 일부를 침강 현상에 의해, 안정적으로 저류 물질을 염수성 대수층 내에 체류시키는 것이 가능하다.

또한, 가스전 등으로부터의 생산정을 사용하고, 석유 등을 채취하는 동시에 석유 등과 동시에 채취된 물을 저류 물질과 혼합하여 염수성 대수층에 주입하면, 저류 물질을 지중에 저류하면서 석유 등의 증진 회수를 행할 수 있다. 이 경우, 가스전, 유전 또는 오일 샌드 중 어느 하나에 저류 물질을 주입하고, 저류 물질의 마이크로 버블과, 가스, 석유 또는 중유를 용해 또는 현탁 상태로 할 수 있다.

제2 발명은, 지하에 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저류 물질을 저류하는 저류 방법으로서, 염수성 대수층에 도달하는 주입정과, 상기 주입정에 상기 저류 물질을 압송하는 압송 장치와, 상기 주입정에 설치된 세라믹스제의 다공질 부재를 구비하는 상기 저류 물질의 저류 장치를 사용하고, 상기 염수성 대수층의 내부에 있어서, 상기 주입정 중 적어도 일부에는 대략 수평 방향을 향해 수평정을 형성하고, 상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고, 구멍 직경 분포의 최빈치가 4.5 ㎛ 이하이고, 상기 다공질 부재를 통하여 상기 염수성 대수층에 상기 저류 물질을 주입할 때, 상기 저류 물질의 마이크로 버블을 발생시키고, 상기 마이크로 버블을 상기 염수성 대수층 내부에서 침강시키는 것을 특징으로 하는 염수성 대수층으로의 상기 저류 물질의 저류 방법이다.

상기 저류 장치는 가스전, 유전 또는 오일 샌드 중 어느 하나에 도달하는 생산정을 더 구비하고, 상기 주입정에 의해 상기 저류 물질을 지하에 주입함으로써, 가스, 석유, 중유와 상기 저류 물질을 현탁 상태로서, 상기 생산정에 의해 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능해도 된다.

제2 발명에 의하면, 다공질 부재를 통하여 주입되는 저류 물질의 구멍 직경을 작게 할 수 있으므로, 액체 중의 기포의 침강 현상을 이용할 수 있다. 따라서, 대수층 내에 마이크로 버블을 체류·침강시킴으로써, 저류 물질을 효율적으로 염수성 대수층에 용해시킬 수 있다. 특히, 저류 물질을 수평 방향보다 아래쪽을 향해 주입함으로써, 침강 현상의 효과와 함께 장시간 저류 물질을 염수성 대수층 내부에 체류시킬 수 있다. 또한, 저류 물질을 지중에 저류하면서 석유 등의 증진 회수를 행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 저류 물질을 직접 지하의 염수성 대수층에 주입하고, 염수성 대수층에 효율적으로 저류 물질을 저류시키는 것이 가능한 저류 물질의 저류 장치, 및 저류 물질의 저류 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 이산화탄소 저류 장치(1)를 나타낸 도면이다.
도 2는 필터(13) 근방의 확대도이다.
도 3은 이산화탄소 저류 장치(20)를 나타낸 도면이다.
도 4는 이산화탄소 저류 장치(30)를 나타낸 도면이다.
도 5는 이산화탄소 저류 시험 장치(40)를 나타낸 도면이다.
도 6a는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타낸 도면이다.
도 6b는 마이크로 버블(75)의 발생 상태를 나타낸 모식도이다.
도 7a는 마이크로 버블(75)의 침강 현상을 나타낸 도면이다.
도 7b는 마이크로 버블(75)의 침강 현상을 나타낸 모식도이다.
도 8은 이산화탄소 저류 장치(1a)를 나타낸 도면이다.
도 9는 이산화탄소 저류 장치(80)를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 관한 이산화탄소 저류 장치(1)를 나타낸 도면이다. 이산화탄소 저류 장치(1)는 주로 이산화탄소 탱크(3), 압송 장치(5), 주입정(9), 필터(13) 등으로 구성된다. 그리고, 이하의 실시형태에서는, 저류 물질로서 이산화탄소의 예를 나타내지만, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 아세틸렌, 암모니아, 이산화 유황, 염화수소, 염소, 황화수소나 메탄 등의 플레어 가스라도 마찬가지이다.

공장 등에서 배출된 이산화탄소는 회수되어 이산화탄소 탱크(3)에 저류된다. 그리고, 이산화탄소 발생원이 인접하는 경우에는, 이산화탄소 탱크(3)에 직접 배관 등을 접속하여 저류를 행해도 된다.

이산화탄소 탱크(3)는 압송 장치(5)와 접속된다. 압송 장치(5)는 도시하지 않은 펌프, 압력 조정 밸브, 밸브, 온도 조정기 등으로 구성된다. 압송 장치(5)에는 관체인 주입정(9)이 접합되어 있다. 주입정(9)은 지면(7) 아래를 향해 연신되어, 염수성 대수층(11)까지 도달하도록 설치된다. 염수성 대수층(11)은 모래나 자갈 등과 함께 지하에 존재하는 지층이다. 그리고, 염수성 대수층(11)의 상부에는 도시하지 않은 실링층(이른바 캡 록)이 존재한다.

주입정(9)의 일부(염수성 대수층(11)의 내부에 위치하는 부위)에는, 대략 수평 방향으로 수평정(10)이 형성된다. 즉, 수평정(10)은 염수성 대수층(11)의 내부에 있어서, 주입정(9)의 일부가 대략 수평 방향으로 형성된 부위이다.

수평정(10)에는 축 방향의 일부에 복수의 다공질 부재인 필터(13)가 설치된다. 필터(13)로서는, 예컨대 세라믹스제의 입자와, 해당 입자들을 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 부재를 사용할 수 있다. 그리고, 필터(13)의 구멍 직경은 미세하면 보다 미세한 직경의 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다.

여기서, 본 발명자들은 통상이면 액체 중을 부상하는 기포라도 기포 직경을 작게 함으로써 같은 액체 중에서 기포가 침강하는 것을 발견하였다. 즉, 수중에 소정의 직경보다 작은 이산화탄소의 마이크로 버블을 발생시킴으로써, 상기 마이크로 버블이 수중을 침강하는 현상을 발견하였다.

이와 같은 소정 직경 이하의 마이크로 버블을 발생시키기 위해, 특히 바람직한 필터(13)로서는 다공질 부재의 구멍 직경 분포의 최빈치가 4.5 ㎛ 이하이다.

이산화탄소 탱크(3) 내에 저류되는 이산화탄소는 압송 장치(5)에 의해 압송된다. 압송 장치(5)는 이산화탄소 탱크(3) 내의 이산화탄소를 펌프로 주입정(9)(수평정(10))에 송입한다. 이때, 압송 장치(5)는 압력 조정 밸브, 온도 조정기 등에 의해, 소정 압력, 소정 온도의 상태로 이산화탄소를 압송할 수 있다.

그리고, 압송 장치(5)는 예컨대 이산화탄소를 초임계 상태로 압송할 수도 있지만, 본 장치에 있어서는, 이산화탄소가 기체, 액체 또는 이들의 혼합 상태라도 효과를 얻을 수 있다. 예컨대, 이산화탄소의 압송 조건으로서는, 이산화탄소 온도 20~40℃, 압력을 2~10MPa로 하면 된다. 이것은 예컨대 200~1000m 심도에 이산화탄소를 저류할 때 적합한 조건이다. 이와 같은 조건의 이산화탄소는 주입정(9)을 화살표 A 방향으로 보내고, 수평정(10)에 설치된 필터(13)를 통과하여 염수성 대수층(11)에 주입된다.

도 2(a)는 수평정(10)의 필터(13)에서의 단면도이다. 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 수평정(10)의 일부에 노즐(17)이 설치되고, 노즐(17)에 필터(13)가 설치된다. 노즐(17)은 수평정(10)의 아래쪽을 향해 배치된다. 내부를 흐르는 이산화탄소는 필터(13)를 통하여 염수성 대수층(11)에 분사된다. 이산화탄소는 염수성 대수층(11)에 분사될 때, 필터(13)에 의해 마이크로 버블화한다.

염수성 대수층(11) 내로 마이크로 버블(15)로서 주입된 이산화탄소는 노즐(17)의 방향으로 분사되고(도면 중 화살표 B), 그 후, 전부 또는 일부의 마이크로 버블은 침강 현상에 의해 침강한다(도면 중 화살표 C). 마이크로 버블(15)은 부상 또는 침강에 의한 체류 중에 염수성 대수층(11) 내로 용해된다. 이와 같이, 이산화탄소를 소정 직경 이하의 마이크로 버블(15)로 함으로써 이산화탄소의 염수성 대수층(11) 내로의 체류 시간을 길게 할 수 있다. 또한, 단위량당의 염수성 대수층(11)과의 접촉 면적을 크게 할 수 있으므로, 이산화탄소의 염수성 대수층(11)으로의 용해를 극히 효율적으로 진행시킬 수 있다.

또한, 마이크로 버블(15)은 염수성 대수층(11)의 아래쪽으로 침강하므로, 염수성 대수층(11)의 상부에서 이산화탄소를 주입해도 염수성 대수층(11)의 저류 공간을 유효하게 이용할 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 대수층뿐만 아니라 지하나 해저 하에 탄산 화합물로서 고정시킬 수 있다.

그리고, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 필터(13)는 노즐을 이용하지 않고, 직접 수평정(10)에 장착해도 된다. 이 경우, 수평정(10)의 소정 위치에 구멍(19)을 형성하고, 구멍(19)에 필터(13)를 고정하면 된다. 그리고, 필터(13)는 수평정(10)의 단면에 있어서 복수 방향으로 형성해도 된다(도면에서는 2방향). 이 경우에도, 필터(13)는 하방(수평 방향보다 하방측)을 향해 설치되는 것이 바람직하다. 마이크로 버블(15)의 침강 현상에 의해, 마이크로 버블(15)의 체류 시간을 길게 할 수 있기 때문이다.

또한, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 필터(13)를 링 부재(21)에 형성해도 된다. 수평정(10)의 일부에 링 부재(21)를 고정하고, 링 부재(21)의 내면이 수평정(10)의 내부 공간과 접하면 된다. 이 경우, 링 부재(21)의 하방(수평 방향보다 하방측)만을 필터(13)로 하고, 다른 부위(수평보다 상측)를 금속 등으로 구성함으로써, 마이크로 버블(15)을 아래쪽을 향해 분사할 수 있다. 따라서, 마이크로 버블(15)의 침강 현상에 의해, 마이크로 버블(15)의 체류 시간을 길게 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는, 필터(13)의 설치 형태는 어떤 것이어도 된다. 예컨대, 수평정(10)의 주위 방향의 일부(하방)에 필터(13)를 배치하고, 수평정(10)의 일부에서 수평 방향보다 아래쪽을 향해 마이크로 버블을 분사하는 것이 바람직하지만, 수평정(10)의 주위 방향의 위쪽에 필터(13)를 배치하여 위쪽을 향해 분사해도 된다.

다음에, 본 발명에 관한 이산화탄소의 저류 방법의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 도 3은 이산화탄소 저류 장치(20)를 나타낸 도면이다. 그리고, 이하의 실시형태에 있어서, 도 1에 나타낸 이산화탄소 저류 장치(1)와 동일한 기능을 완수하는 구성 요소에는, 도 1과 동일 번호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.

이산화탄소 저류 장치(20)는 이산화탄소 저류 장치(1)에 대하여, 주입정(9a, 9b)이 복수 설치되는 점에서 상이하다. 지하에, 침투성이 낮은 니암층(泥岩層)과 침투성이 높은 사암층(砂岩層)이 교호적으로 존재하도록 한 사니호층(砂泥互層)이 형성되는 경우에는, 염수성 대수층(11a, 11b)이 존재하는 각각의 복수의 사암층에 도달하도록 주입정(9a, 9b)이 각각 설치된다.

주입정(9a, 9b)에는 각각 수평정(10a, 10b)이 설치된다. 이산화탄소 저류 장치(20)는 각각의 수평정(10a, 10b)에 의해 염수성 대수층(11a, 11b)에 이산화탄소를 동시에 또는 개별적으로 주입할 수 있다. 따라서, 효율적으로 이산화탄소를 염수성 대수층(11a, 11b)에 주입할 수 있다.

도 4는 이산화탄소 저류 장치(30)를 나타낸 도면이다. 이산화탄소 저류 장치(30)는 이산화탄소 저류 장치(1)에 대하여, 해저(33) 아래에 저류하는 점에서 상이하다. 해저(33) 아래쪽에 존재하는 염수성 대수층(11)에 효율적으로 이산화탄소를 저류하기 위해 이산화탄소 저류 장치(30)는 지상에 설치된다. 이때, 주입정(9)은 경사지게 설치되고, 선단이 수평정(10)이 된다. 이산화탄소 저류 장치(30)는 해저(33) 아래의 염수성 대수층(11)에 효율적으로 이산화탄소를 저류할 수 있다. 그리고, 압송 장치를 해저에 설치해도 된다.

[실시예]

본 발명에 관한 이산화탄소의 저류 방법에 대하여, 마이크로 버블의 발생 상황의 확인을 행하였다. 도 5는 이산화탄소 저류 시험 장치(40)를 나타낸 도면이다.

이산화탄소 저류 시험 장치(40)는 이산화탄소 탱크(41), 압력 조정 밸브(45), 시린지 펌프(43), 압력 용기(63) 등으로 구성된다.

이산화탄소 탱크(41)에는 이산화탄소가 저류된다. 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)에 압송한다. 그리고, 이산화탄소는 압력 조정 밸브(45)에 의해 임의의 압력으로 조정이 가능하며, 또한 도시하지 않은 온도 조정기에 의해, 압력 용기(63)에 압송되는 이산화탄소를 임의의 온도로 조정할 수 있다.

밸브(47)를 조정함으로써 이산화탄소 단체(單體) 또는 이산화탄소를 압력 용기(63)에 압송할 수 있다(도면 중 화살표 D 방향).

압력 용기(63)와 배관(49)과의 접합부에는 필터(61)가 설치된다. 필터(61)는 직경 50㎜이며, 5㎜ 두께의 원판형의 형상이다. 필터(61)는 교환이 가능하며, 예컨대 구멍 직경을 변경하여 시험을 행할 수 있다.

압력 용기(63)에는 서로 대향하는 측면에 조명창(67) 및 촬영창(71)이 설치된다. 조명창(67) 및 촬영창(71)은 투명한 창이며, 내부의 모양을 확인할 수 있다. 조명창(67)으로부터는, 외부에 설치된 조명(69)에 의해 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 모양을 촬영할 수 있다. 그리고, 카메라(73)는 하이 스피드 카메라이며, 필터(61)를 통과하여 압력 용기(63) 내로 주입된 이산화탄소 상태를 알 수 있다.

압력 용기(63) 내에는 소정 압력의 물이 충전되어 있다. 또한, 압력 용기(63)에는 배출 밸브(65)가 설치된다. 배출 밸브(65)는 압력 용기(63) 내로 이산화탄소가 주입되어도, 압력 용기(63) 내가 일정한 압력으로 유지되도록 기능한다. 즉, 주입된 이산화탄소에 의해 압력이 상승하면, 상승한 압력이 정상 상태로 되도록 내부의 물 등을 배출한다. 그리고, 압력 용기(63) 내의 물이 모의적(模擬的)인 염수성 대수층에 해당한다.

이산화탄소 저류 시험 장치(40)를 사용하여, 압력 용기(63) 내로 각종 상태에서 주입한 이산화탄소 상태를 관찰했다. 필터(61)로서는, 구멍 직경(규격) 11㎛ 및 4.5 ㎛의 비트리파이드 지석을 사용하였다.

시험 조건으로서는, 물의 온도로서 20℃와 40℃의 2수준, 이산화탄소의 주입 압력으로서 6MPa, 8MPa, 10MPa의 3수준, 주입 레이트로서, 0.1cc/min, 1.0cc/min, 5.0cc/min의 3수준, 압력용기 내의 해수 농도로서, 0%(순수), 50%, 100%의 3수준으로 각각 흔들어 마이크로 버블 상태를 확인하였다.

그리고, 압력이 6MPa의 조건은 저류 심도가 600m인 것을 상정하고 있고, 압력이 8MPa의 조건은 저류 심도가 800m인 것을 상정한 것이다.

어느 조건에 있어서도, 마이크로 버블의 발생이 확인되었다. 도 6(a), 도 6(b)는, 40℃, 10 MPa, 5.0 cc/min, 해수 농도 0%(순수)의 조건 하에서, 필터(61)의 구멍 직경(규격)이 4.5 ㎛의 비트리파이드 지석 시험을 사용했을 때의 마이크로 버블의 예를 나타낸 것이다. 그리고, 도 6(a)는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 모식도이다.

도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 압력 용기(63)의 아래쪽으로부터 이산화탄소를 주입하면, 이산화탄소는 압력 용기(63) 내의 수중을 화살표 E 방향으로 분사된다. 이때, 다소의 기포가 생기지만, 매우 미세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 마이크로 버블(75)은 압력 용기(63)의 위쪽으로 갈수록 소멸하는 것도 볼 수 있었다. 이것은 마이크로 버블로 된 이산화탄소가 물(77) 중에 용해되기 때문이다.

도 7(a), 도 7(b)는 도 6(b)의 I부의 확대도이다. 그리고, 도 7(a)는 카메라(73)에 의해 촬영된 영상이며, 도 7(b)는 도 7(a)의 모식도이다. 각각의 4개의 도면은 좌측으로부터 우측을 향해 시간 경과를 나타내고, 0.34초(sec) 간격으로 촬영된 것이다.

도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 필터 구멍 직경을 4.5 ㎛으로 한 것에서는, 매우 미세한 마이크로 버블(75)이 확인되었다. 또한, 이 마이크로 버블(평균 직경 4.5㎛)이, 시간의 경과와 함께, 아래쪽으로 침강하는 현상이 확인되었다(도면 중 화살표 J 방향). 즉, 다른 비교적 큰 기포(마이크로 버블을 포함함)는 위쪽으로 부상하지만, 소정 이하의 소경의 마이크로 버블(나노 버블을 포함함)은 부상하지 않고 수중을 침강했다.

이와 같은 침강 현상은, 급격한 이산화탄소의 용해에 의한 것이다. 물에 이산화탄소가 용해됨으로써 물의 밀도가 증가한다. 그러므로, 물의 밀도 분포가 생기고, 이산화탄소가 용해된 물의 아래쪽으로의 대류가 생긴다. 이때, 버블 직경이 작아지므로, 이 대류에 의한 영향이 커져, 버블이 물의 대류에 의해 아래쪽으로 옮겨지고 있는 것으로 생각된다. 즉, 적어도 소정 이하의 직경의 마이크로 버블(예컨대 4.5㎛ 이하)로 함으로써, 염수성 대수층 내부에서 마이크로 버블을 침강시킬 수 있고, 이로써 높은 효율로 이산화탄소를 염수성 대수층에 저류시킬 수 있다.

이상 본 발명의 실시형태에 따르면, 다공질 부재인 지석 필터를 통하여, 이산화탄소를 염수성 대수층에 주입함으로써, 염수성 대수층 내에서 이산화탄소가 효율적으로 마이크로 버블화시킬 수 있다. 이때, 구멍 직경이 4.5㎛ 이하의 필터를 사용하여 마이크로 버블을 발생시킴으로써, 마이크로 버블의 침강 현상을 이용할 수 있다.

그러므로, 이산화탄소의 마이크로 버블을 더욱 긴 시간에 걸쳐, 염수성 대수층 내에 체류시킬 수 있다. 특히, 마이크로 버블을 아래쪽을 향해 발생시킴으로써, 마이크로 버블의 체류 시간을 충분히 확보할 수 있어, 효율적으로 이산화탄소를 염수성 대수층에 용해시킬 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는, 전술한 실시형태에 좌우되지 않는다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에 있어서 각종 변경예 또는 수정예에 이를 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.

예컨대, 도 8에 나타낸 바와 같은 이산화탄소 저류 장치(1a)라도 된다. 이산화탄소 저류 장치(1a)는 수평정(10)의 대략 전체 길이에 걸쳐 필터(13)가 설치된다. 이와 같이 함으로써, 필터(13)의 면적을 크게 할 수 있다. 그러므로, 보다 많은 이산화탄소를 더욱 압력 손실이 적은 상태에서 염수성 대수층(11)에 주입할 수 있다. 또한, 전술한 예에서는 필터(13)를 수평성의 주위 방향의 일부에 형성하였으나, 전체 주위에 걸쳐 형성해도 된다. 즉, 필터(13)의 태양(態樣)은 염수성 대수층(11)에 효율적으로 이산화탄소를 주입 가능하도록 적절히 설정된다. 그리고, 이와 같은 태양은 다른 이산화탄소 저류 장치(20, 30)에도 당연하게 적용할 수 있다.

또한, 가스전, 유전, 오일 샌드 등에 도달하는 생산정을 설치하고, 주입정에 의해 이산화탄소를 상기 지하에 주입함으로써, 생산정에 의해 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수를 행할 수 있다. 현재의 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수법에 있어서는, 오일 등과 이산화탄소가 용해 또는 현탁 상태로 되도록 한 고압의 이산화탄소를 압입하여, 이산화탄소와 채굴하는 오일 등을 혼합시켜 증진 회수를 도모하고 있다. 단, 이산화탄소와 오일 등이 원래 용해 또는 현탁 상태로 되기 어렵고, 실제로는 용해 또는 현탁 상태로 되는 압력을 유지할 수 있는 상당히 깊은 장소에 존재하는 가스전, 유전, 오일 샌드 등에 이산화탄소를 압입하지 않으면 증진 회수가 도모되어 있지 않다. 본 발명을 이러한 증진 회수에 적용함으로써, 압입한 이산화탄소가 미세 기포로 되고, 종래보다 낮은 압력으로 이산화탄소와 오일 등이, 보다 한층 용해 또는 현탁 상태로 되기 쉬워진다. 본 발명을 이러한 증진 회수에 적용함으로써, 지금까지 이산화탄소와 오일 등이 용해 또는 현탁 상태로 되기 어려워 증진 회수가 도모되지 않았던 비교적 얕은 범위의 가스전, 유전, 오일 샌드 등에 있어서도, 가스, 석유, 중유 등의 증진 회수를 행할 수 있다.

또한, 이때, 생산정에 의해 채취된 오일 등과 물의 혼합물로부터 오일 등을 회수한 후, 나머지의 물을 이산화탄소에 혼합하여 지하에 주입함으로써, 과잉으로 채취한 물을 지하로 되돌릴 수가 있고, 그러므로, 지반 침하 등을 억제하는 동시에, 염수성 대수층에 효율적으로 이산화탄소를 주입할 수 있다.

또한, 이산화탄소에, 이산화탄소보다 무거운 분자를 혼입시킴으로써, 보다 양호한 효율로 이산화탄소의 침강 현상을 발생시킬 수도 있다.

1, 1a, 20, 30: 이산화탄소 저류 장치
3: 이산화탄소 탱크
5: 압송 장치
7: 지면
9: 주입정
10: 수평정
11: 염수성 대수층
13: 필터
15: 마이크로 버블
17: 노즐
19: 구멍
21: 링 부재
31: 해면
33: 해저
40: 이산화탄소 저류 시험 장치
41: 이산화탄소 탱크
43: 시린지 펌프
45: 압력 조정 밸브
47: 밸브
49: 배관
61: 필터
63: 압력 용기
65: 배출 밸브
67: 조명창
69: 조명
71: 촬영창
73: 카메라
75: 마이크로 버블
77: 물
80: 이산화탄소 저류 장치
81: 이산화탄소 탱크
83: 압송 장치
85: 지면
87: 주입정
89: 실링층
91: 저류층

Claims

지하에 이산화탄소, 상기 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저류(貯留) 물질을 저류하는 저류 장치로서,
염수성 대수층(鹽水性帶水層)에 도달하는 주입정과,
상기 주입정에 상기 저류 물질을 압송하는 압송 장치와,
상기 주입정에 설치된 세라믹스제의 다공질 부재
를 포함하고,
상기 염수성 대수층의 내부에 있어서, 상기 주입정 중 적어도 일부에는 수평정이 형성되고,
상기 수평정의 하방측에 상기 다공질 부재가 설치되고,
상기 수평정 내로 압송되는 상기 저류 물질을 상기 수평정의 하방측에 설치된 상기 다공질 부재를 통하여 상기 염수성 대수층에 주입하는 것이 가능하고,
상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 세라믹스제의 입자를 결합시키는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고, 구멍 직경 분포의 최빈치(最頻値)가 4.5 ㎛ 이하이고,
상기 다공질 부재로부터 상기 염수성 대수층에 상기 저류 물질이 주입될 때, 상기 저류 물질의 마이크로 버블을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치.
제1항에 있어서,
상기 다공질 부재는, 상기 수평정의 하방측의 복수 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치.
제1항에 있어서,
상기 수평정에는 링부재가 고정되어, 상기 링부재의 내면이 상기 수평정의 내부 공간과 접하고,
상기 링부재의 하방에는 상기 다공질 부재가 설치되고, 상기 링부재의 수평보다도 상측은, 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
가스전, 유전 또는 오일 샌드 중 어느 하나에 도달하는 생산정을 더 포함하고,
상기 생산정으로부터는 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능한 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치.
제 1항에 있어서,
상기 수평정은 수평 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 장치.
지하에 이산화탄소, 이산화탄소보다 물에 대한 용해도가 큰 물질 및 메탄 중 적어도 1종을 포함하는 저류 물질을 저류하는 저류 방법으로서,
염수성 대수층에 도달하는 주입정과, 상기 주입정에 상기 저류 물질을 압송하는 압송 장치와, 상기 주입정에 설치된 세라믹스제의 다공질 부재를 구비하는 상기 저류 물질의 저류 장치를 사용하고,
상기 염수성 대수층의 내부에 있어서, 상기 주입정 중 적어도 일부에는 수평정을 형성하고,
상기 수평정의 하방측에 상기 다공질 부재를 설치하고,
상기 다공질 부재는 세라믹스제의 입자와 상기 세라믹스제의 입자를 결합하는 결합제를 혼합하여 소성한 것이고, 구멍 직경 분포의 최빈치가 4.5 ㎛ 이하이고,
상기 수평정의 하방측에 설치된 상기 다공질 부재를 통하여 상기 염수성 대수층에 상기 저류 물질을 주입할 때, 상기 저류 물질의 마이크로 버블을 발생시키고,
상기 마이크로 버블을 상기 염수성 대수층 내부에서 침강시키는 것을 특징으로 하는 염수성 대수층으로의 저류 물질의 저류 방법.
제6항에 있어서,
상기 다공질 부재를, 상기 수평정의 하방측의 복수 방향으로 형성하는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 방법.
제6항에 있어서,
상기 수평정에는 링부재를 고정하고, 상기 링부재의 내면은 상기 수평정의 내부 공간과 접하고,
상기 링부재의 하방에 상기 다공질 부재를 설치하고, 상기 링부재의 수평보다도 상측을 금속으로 구성하는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저류 장치는 가스전, 유전 또는 오일 샌드 중 어느 하나에 도달하는 생산정을 더 포함하고,
상기 주입정에 의해 상기 저류 물질을 지하에 주입함으로써, 가스, 석유, 중유와 상기 저류 물질을 현탁 상태로서, 상기 생산정에 의해 가스, 석유 또는 중유를 채취 가능한 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 방법.
제 6항에 있어서,
상기 수평정은 수평 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저류 물질의 저류 방법.