KR101723337B1 - 분탄 코어시료 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CBM 분탄 코어시료 제조방법 및 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조방법은 석탄시료를 분쇄하여 미분으로 만든 후, 이 미분으로부터 불순물을 제거하고, 제조틀에 충진하여 일체화시키는 과정을 거친다. 열수축튜브를 사용하여 압밀된 분탄 시료를 매우 용이하게 일체화할 수 있다.

Description

분탄 코어시료 제조장치 및 제조방법 {APPARATUS AND METHOD FOR FORMING POWDERED COAL CORE SAMPLE}
본 발명은 에너지 자원 개발 기술에 관한 것으로서, 특히 메탄(CBM)이 흡착되어 있는 석탄층에서의 유체 투과도를 정확하게 분석하기 위한 기술에 관환 것이다.
석유, 가스 등 지하에 부존된 에너지 자원의 생산성과 경제성을 평가하는데 있어서 저류층의 유체 투과도는 매우 중요한 요소이다.
암석(저류암) 내 유체의 투과도는 절대투과도, 유효투과도 및 상대유체투과도로 구분된다. 절대투과도란 단상(single phase)의 유체가 암석을 통해 유동할 때의 흐름의 용이도에 관한 것이며, 유효투과도란 물과 오일, 물과 기체 등과 같이 복수의 유체가 함께 암석을 통해 유동할 때의 각 성분의 흐름 용이도에 관한 것이며, 또한 상대유체투과도란 절대투과도에 대한 각 성분의 유효투과도의 비로 나타낸다.
저류암 내에 단상의 유체만 존재할 경우 유체의 흐름은 절대투과도만으로 나타낼 수 있다. 그러나 대부부의 저류암에는 2개 이상의 유체가 존재하며 이들은 서로의 흐름에 영향을 미치기 때문에 복수의 유체의 흐름을 나타내기 위해서는 상대유체투과도 개념이 필요하다.
절대투과도와 상대투과도의 측정 시험은 모두 코어 시료를 이용하여 진행된다. 즉, 코어링을 통해 저류층에서 시료를 채취한 후 이 시료의 일측면으로 유체를 주입하고 타측면으로 배출시키면서 투과도를 측정한다.
한편, 최근에는 탄층 메탄(Coal Bed Methane)에 대한 관심이 증대되고 있다. 기존에는 경제성을 이유로 개발에 소극적이었지만, 기술의 비약적 발전과 더불어 경제성이 점차 증진되고 있는 바 탄층 메탄을 개발하고자 하는 시도가 전세계적으로 광범위하고 일어나고 있다.
도 1은 석탄층 메탄 가스의 개발 모식도이며, 도 2는 메탄 가스가 석탄으로부터 분리 및 이동되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 탄층 메탄은 석탄층 내의 미세공극 표면에 흡착되어 있거나 석탄 공극 내에 유리가스(free gas)로 존재한다.
수직 및 수평 굴착을 통해 생산정을 형성하여 저류층의 압력을 개방시키면, 메탄 가스는 석탄으로부터 탈착되어 분산되며, 공극 또는 균열망을 통해 이동하여 생산정으로 배출된다. 석유와 같은 전통자원은 저류층의 공극률이 매우 높지만 탄층 메탄은 공극률이 매우 낮고 천연가스나 석유와는 약간 다른 메커니즘을 통해 생산이 이루어진다. 특히 탄층 메탄 가스의 경제성과 생산성을 평가하는데 있어서, 생산 과정에서의 유체투과도 변화를 예측하는 것이 매우 중요하다.
이에 석유나 천연가스의 저류암의 유체투과도와는 달리 메탄이 흡착되어 있는 석탄층의 유체투과도를 정확하게 분석하고 평가할 수 있는 기술이 요청되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 석탄층 메탄 가스의 저류암에 대한 유체투과도를 보다 정밀하게 분석할 수 있도록, 실험 대상으로서의 분탄 코어를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목표를 달성하기 위한 본 발명에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조방법은, (a)탄층 메탄의 저류암 시료를 분쇄하는 단계; (b)분쇄된 상기 시료를 관 형상의 열수축튜브 내부에 장입하고 다짐 및 압밀하는 단계; 및 (c)상기 튜브를 수축시켜 상기 시료를 일체로 성형하여 분탄 코어시료를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.
또한 본 발명에서는 상기 (c)단계 후 상기 분탄 코어시료에 메탄을 흡착시키는 단계를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 (a)단계 후 분쇄된 시료로부터 석탄 이외의 불순물을 제거함으로써 순수한 석탄만으로 코어시료를 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 분탄 코어시료를 용이하게 제작하기 위해서 본 발명에서는 분탄 코어시료 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 분탄 코어시료 제조장치는, 내부에 분탄 시료가 수용될 수 있도록 상하방향으로 길게 충진부가 형성되어 있는 제작틀; 관형으로 형성되어 상기 제작틀 내부의 충진부에 삽입되며, 상기 분탄 시료를 일체로 성형하는 열수축튜브; 및 상기 열수축튜브 내부에 충진된 상기 분탄 시료를 눌러서 압밀시키도록, 상기 충진부에 삽입가능한 가압봉을 구비하는 것에 특징이 있다.
특히, 위 코어시료 제조장치에서 제작틀은 받침대와, 상하방향으로 길게 형성되어 상기 받침대의 상부에 결합되는 제1부재와, 상기 제1부재에 분리가능하게 결합되며 상기 제1부재와 함께 상기 충진부를 형성하는 제2부재를 구비하여 이루어진다.
그리고, 상기 받침대의 상부에는 상기 튜브가 끼워져 삽입될 수 있도록, 상기 받침대의 상면으로부터 볼록하게 형성되는 거치대를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 석탄층 시료를 분쇄하여 지층의 고유한 퇴적 및 층서구조의 영향이 배제된 분탄 코어시료를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 그리고 본 발명에 따른 분탄 코어시료 제조장치를 이용하면 분쇄된 미분을 매우 용이하게 일체화시켜 재성형할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명에 의하여 제조된 분탄 코어시료를 통해 저류층에서 메탄이 탈착 및 배출되는 것에 따른 유체투과도의 변화를 독립적, 정량적으로 파악할 수 있으므로 CBM의 경제성과 생산성을 정확하게 평가할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 석탄층 메탄 가스의 개발 모식도이다.
도 2는 메탄 가스가 석탄으로부터 분리 및 이동되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조방법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조장치의 개략적 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A'선 개략적 단면도이다.
도 6은 저류층으로부터 코어링된 석탄층 시료의 실제 사진이다.
※※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 CBM 분탄 코어시료를 제작하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
CBM 개발을 위해서는 저류층의 유체투과도를 정확하게 파악할 필요가 있다. 특히 생산을 진행하는 과정에서 저류층의 유체투과도가 변화하게 되는데, 그 변화 양상 및 특성을 세밀하게 파악해야만 경제성과 생산성을 정확하게 평가할 수 있다.
CBM 생산과정에서 저류층의 유체투과도는 크게 2가지 요소에 의하여 변화된다. 생산을 시작하면 메탄 가스가 석탄으로부터 탈착되어 배출됨으로써 저류층 내 저류층 내 내압이 감소하게 된다. 저류층 상부의 지층에 의한 하중은 변화되지 않으므로 저류층에 가해지는 유효압력이 증가하게 된다. 유효압력의 증가는 저류층의 전체 부피를 감소시키는 결과가 되므로 유체투과도는 감소하게 된다.
한편, 석탄으로부터 메탄 가스가 배출되면 그만큼 저류층 내 공극이 증가하게 된다. 저류층 내 공극의 증가는 유체투과도의 향상을 의미한다.
CBM 저류층의 유체투과도 변화는 위 2가지 요소가 복합적으로 영향을 미친 결과이다.
본 발명에서는 위 2가지 요소가 복합적으로 영향을 미친 결과가 아니라, 각각의 요소에 의하여 유체투과도가 어떻게 변화하는지를 파악하기 위한 요구로부터 출발하였다. 즉, 본 발명에서는 저류층의 고유한 퇴적 및 층서구조에 따른 특성을 배제하고, 오로지 메탄가스의 흡착 및 탈착의 영향에 따른 유체투과도의 변화를 파악하고자 하였다.
기존에 유체투과도 시험에서는 주로 저류층으로부터 직접 코어링한 시료를 사용하였던 것과는 달리, 본 발명에서는 저류암으로부터 코어링된 시료를 분쇄하여 재성형함으로써 퇴적 및 층서구조의 영향을 배제한 분탄 코어시료를 제작하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조방법 및 제조장치에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CBM 분탄 코어시료 제조방법의 개략적 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분탄 코어시료 제조장치의 개략적 사시도이고, 도 5는 도 4의 A-A'선 개략적 단면도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분탄 코어시료 제조방법에서는 먼저 CBM 저류암으로부터 채취된 시료를 확보한다. 도 6의 사진에 나타난 바와 같이, 코어링을 통해 지중의 석탄층으로부터 코어 시료를 채취하게 된다.
이렇게 채취된 시료는 지층의 고유한 퇴적 및 층서구조를 반영하고 있는 바, 지질학적 구조에 따른 특성을 배제하기 위하여 본 발명에서는 위 시료를 완전히 분쇄하여 미분으로 만든다. 여기서, 미분이란 대략 50메쉬의 체를 통과할 수 있도록 분쇄된 입자를 말한다. 본 실시예에서는 200메쉬의 체를 통과하는 입자를 사용한다. 50 메쉬의 체를 통과한 입자들에 대하여 다짐 및 압밀을 수행하면 내부에 공극이 없이 코어 시료를 형성할 수 있기 때문이다. 여러 차례의 실험을 거친 결과 50 메쉬 체를 통과하지 못하는 입자들의 경우 압밀을 수행해도 코어 시료의 내부에 공극이 형성되었다.
또한 본 발명에서 코어링 시료를 분쇄함으로써 불순물을 제거할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 본 발명에서는 메탄가스가 석탄에 흡착 및 탈착됨에 따른 저류암의 유체투과도의 영향을 파악하기 위한 것이므로 시료가 석탄만으로 이루어진 것이 바람직하다. 그러나 실제 채취된 시료에는 사암이나, 셰일과 같은 성분들이 포함되어 있다. 이에 코어링된 시료를 미분으로 만든 후 석탄 이외의 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 일반적으로 사암이나 셰일과 같은 불순물은 넓게 퍼져 있는 것이 아니라, 코어링 시료에 층상으로 개재되어 있기 때문에 특별한 장치를 사용하지 않더라도 쉽게 분리해낼 수 있다.
상기한 바와 같이 시료를 분쇄하고 불순물을 제거한 후에는 이 미분들을 분탄 코어 시료로 성형한다. 본 발명에서는 분탄 코어시료를 용이하게 성형하도록 분탄 코어시료 제조장치를 제공한다.
도면을 참고하면, 분탄 코어시료 제조장치(100)는 제조틀(10), 열수축튜브(20), 거치대(30) 및 가압봉(미도시)을 구비한다.
제조틀(10)은 성형틀로서 받침대(11)와 제1부재(12) 및 제2부재(13)를 구비한다. 받침대(11)는 평평한 판상으로 형성된다. 받침대(11) 위에는 원통형으로 볼록하게 거치대(30)가 형성된다.
그리고 제1부재(12)와 제2부재(13)는 상하방향으로 길게 형성되어 받침대(11) 위에 거치대(30)를 감싸며 배치된다.
본 실시예에서는 제2부재(13)는 받침대(11) 위에 결합되고, 제1부재(12)는 제2부재(13)에 다수의 볼트(b)에 의하여 분리가능하게 결합된다.
제1부재(12)와 제2부재(13)가 받침대(11) 위에 결합되면, 제1부재(12)와 제2부재(13) 사이에는 원통형의 충진부(14)가 길게 형성된다. 충진부(14)의 하측에는 거치대(30)가 배치된다.
열수축튜브(20)는 제조틀(10)의 충진부(14)에 삽입된다. 열수축튜브(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 거치대(30)에 끼워져 지지된다. 열수축튜브(20)는 공지의 재료로서 열을 가하면 오므라드는 성질을 가진다. 열수축튜브(20)는 미분의 분탄(s)을 일체화시키는 기능을 한다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.
상기한 구성으로 이루어진 분탄 코어시료 제조장치(100)가 준비되면, 미분의 분탄(s)을 열수축튜브(20)에 충진한다. 그리고 충진하는 과정에서 가압봉(미도시)을 이용하여 분탄(s)을 다짐하여 압밀시킨다. 충진이 완료된 후에도 가압봉으로 분탄을 압밀한다.
분탄 시료의 충진이 끝나면 제조틀(10)에 직접 열을 가하여 열수축튜브(20)가 수축되게 한다. 제조틀(10)은 스테인레스 등의 금속 재질로 이루어지므로 열수축튜브로 열전달이 용이하다. 본 실시예에서 사용하는 열수축튜브(20)는 대략 80~90℃에서 수축이 일어난다. 열수축튜브(20)가 수축하면 압밀된 미분의 분탄(s)이 일체화되어 원통형으로 형성된다.
분탄 코어시료가 성형된 후 제1부재(12)와 제2부재(13)를 상호 분리하여 분탄 코어시료를 배출한다. 이상에서 설명한 과정을 통해 석탄층 시료를 매우 용이하게 분탄 코어시료로 재성형할 수 있다.
상기한 방법으로 제조된 분탄 코어시료를 대상으로 유체투과도 시험을 수행한다. 시료 자체의 투과도를 측정하기 위해서는 위의 상태에서 투과도 시험을 수행하면 된다.
그러나 본 발명의 주요 목적은 CBM 생산과정에서 메탄가스의 탈착에 따른 유체투과도의 변화 양상을 파악하기 위한 것이므로, 본 실시예에서는 분탄 코어시료에 메탄가스를 흡착시킨다. 즉, 밀폐된 챔버에 분탄 코어시료를 수용한 후, 고압으로 메탄가스를 공급하면 메탄가스가 분탄 코어시료 내부로 유입되면서 석탄에 흡착된다. 메탄가스의 흡착량은 공급량과 배출량을 점검함으로써 확인할 수 있다.
메탄가스가 흡착되어 있는 분탄 코어시료를 대상으로 유체투과도 시험을 진행하면 압력의 변화에 따라 메탄가스가 다시 탈착되어 배출되며 이 과정에서 코어시료의 투과도가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 여기서의 유체투과도 변화는 저류층에 가해지는 유효압력의 변화, 지층의 고유한 퇴적 및 층서구조 등의 영향이 모두 배제된 상태에서 오로지 메탄의 탈착 및 배출에 의한 것으로 파악할 수 있을 것이다.
지금까지 본 발명에서는 분탄을 일체화하기 위하여 열수축튜브가 사용된 것으로 설명 및 도시하였지만, 열수축튜브 이외에도 특정한 작용에 의하여 수축이 가능한 다양한 종류의 수축 튜브를 사용할 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
100 ... 분탄 코어시료 제조장치, 10 ... 제조틀
20 ... 열수축튜브, 30 ... 거치대

Claims (11)

  1. (a)탄층 메탄의 저류암 시료를 50 메쉬의 체를 통과할 수 있도록 분쇄하는 단계;
    (b)분쇄된 상기 시료를 관 형상의 튜브 내부에 장입하고 다짐 및 압밀하는 단계; 및
    (c)상기 튜브를 수축시켜 상기 시료를 일체로 성형하여 분탄 코어시료를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 (a)단계 후 분쇄된 시료로부터 석탄 이외의 불순물을 제거하며,
    상기 (c)단계 후 상기 분탄 코어시료에 메탄을 흡착시키는 단계를 더 구비하되,
    상기 (b) 및 (c) 단계는 분탄 코어시료 제조장치를 이용하여 수행되며,
    상기 분탄 코어시료 제조장치는,
    내부에 분탄 시료가 수용될 수 있도록 상하방향으로 길게 충진부가 형성되어 있는 제작틀과, 관형으로 형성되어 상기 제작틀 내부의 충진부에 삽입되며, 상기 분탄 시료를 일체로 성형하는 열수축튜브 및 상기 열수축튜브 내부에 충진된 상기 분탄 시료를 눌러서 압밀시키도록, 상기 충진부에 삽입가능한 가압봉을 구비하고,
    상기 제작틀은, 받침대와, 상하방향으로 길게 형성되어 상기 받침대의 상부에 결합되는 제1부재와,상기 제1부재에 분리가능하게 결합되며 상기 제1부재와 함께 상기 충진부를 형성하는 제2부재 및 상기 받침대의 상부에는 상기 튜브가 끼워져 삽입될 수 있도록, 상기 받침대의 상면으로부터 볼록하게 형성되는 거치대를 구비하는 것을 특징으로 하는 CBM 분탄코어 제조방법.
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