KR101756060B1 - 고온, 고압형 회전식 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법 - Google Patents

고온, 고압형 회전식 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

고온, 고압형 회전식 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 산-암석 반응특성 측정장치는, 암석 디스크와 산을 반응시키는 주 반응기, 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 주 반응기로 유입시키는 전처리 반응기 및 주 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 일정한 양으로 추출하는 샘플 추출기를 포함한다. 이에 의해, 산에 용해되는 암석의 반응 특성을 고려하여 고온 고압 조건에서 암석 디스크를 회전시킨 후 시간에 따라 암석과 반응한 산을 일정한 양으로 채취하며, 저류층 조건의 폐산을 제작 후 암석 디스크와 반응을 시킴으로써 실제 저류층 내에서 산의 유동을 구현할 수 있게 된다.

Description

고온, 고압형 회전식 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법{Rotating apparatus and method for measuring acid-rock reaction characteristics in high temperature and pressure}
본 발명은 반응특성 측정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온, 고압 조건에서 산과 암석 간의 회전 반응을 통해 반응 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
탄산염암 저류층은 전 세계 석유의 60% 이상, 천연가스의 40% 이상을 포함하고 있으며, 특히 중동지역 오일 저류층의 70% 이상은 탄산염암 저류층으로 이루어져 있다. 하지만, 탄산염암 저류층의 불균질성과 구조지질적인 복잡성으로 인해 그 특성화가 매우 어려운 것으로 알려져 있으며, 현장 운영에서도 이를 충분히 고려하지 못할 경우 유정자극법의 신뢰성 및 효과가 떨어지게 된다.
일반적으로 탄산염암 저류층의 오일 회수율을 향상시키기 위해 다양한 유정자극법 중 암체 산처리공법(matrix acidizing)이 가장 널리 사용된다. 암체 산처리공법은 산 용해액을 저류층에 주입하여 고투과성의 웜홀(wormhole)을 형성시켜 생산성을 증진시키는 방법으로 주로 탄산염암 저류층에 적용된다. 암체 산처리공법의 성공 여부는 웜홀의 길이, 직경, 분포 등과 같은 형태에 의해 결정되며, 웜홀의 형태는 산과 암석의 반응 역학(reaction kinetics)에 의해 좌우된다. 이때, 용해도와 확산계수는 산의 농도, 종류 등이 반응 속도에 미치는 영향을 측정하는 중요한 척도로 사용된다.
향후 탄산염암 저류층에서 산처리공법 설계 시 특정 대상 저류층에 적합한 산의 주입조건을 설정하기 위해 산과 암석간의 반응특성을 측정하여 보다 효율적으로 산처리공법을 수행해야 한다.
하지만, 기존의 장치들은 저류층 내에서 산의 유동을 실질적으로 구현하기 위한 고온, 고압의 실험 조건을 고려하지 못했으며, 저류층에서 산의 유동 특성상 초입 부분에서 먼저 반응이 일어난 산이 계속해서 반응을 일으키며 진행하기 때문에 폐산의 영향을 고려한 산과 암석간의 반응특성 측정 장치 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 탄산염암 저류층에서 산처리공법 설계시 보다 효율적이고 특정 대상 저류층에 특화된 산의 주입조건을 설정하기 위한 방안으로, 고온, 고압의 저류층 조건에서 산과 암석간의 반응 실험을 통한 용해도 및 확산계수 측정이 가능하고 폐산의 영향을 고려한 산처리 공법 시스템을 구현하기 위한 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 산-암석 반응특성 측정장치는, 암석 디스크와 산을 반응시키는 제1 반응기; 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 제1 반응기로 유입시키는 제2 반응기; 제1 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 일정한 양으로 추출하는 샘플 추출기;를 포함한다.
그리고, 제1 반응기는, 고온 및 고압의 저류층 조건에서 암석 디스크와 산을 반응시킬 수 있다.
또한, 제2 반응기는, 고온 및 고압의 저류층 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조할 수 있다.
그리고, 제1 반응기는, 암석 디스크와 산이 반응하는 제1 반응 용기; 제1 반응 용기의 온도를 저류층 조건으로 유지시키는 제1 히팅 자켓; 암석 디스크와 산의 반응 시 암석 디스크를 회전시키는 제1 드라이브; 제1 반응 용기의 내부 온도와 압력을 측정하는 제1 센서;를 포함할 수 있다.
또한, 제2 반응기는, 저류층 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 저장하는 제2 반응 용기; 제2 반응 용기의 온도를 저류층 조건으로 유지시키는 제2 히팅 자켓; 암석과 산 수용액의 반응 시 암석을 포함하는 투과성 용기를 회전시키는 제2 드라이브; 제2 반응 용기의 내부 온도와 압력을 측정하는 제2 센서; 및 제2 반응 용기에 저장된 폐산을 제2 반응 용기 밖으로 밀어내어 제1 반응기로 유입시키는 실린더;를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 산-암석 반응특성 측정장치는, 제1 센서 및 제2 센서로부터 제1 반응기와 제2 반응기의 온도 및 압력 데이터를 취득하여, 제1 히팅 자켓과 제2 히팅 자켓을 제어하여 제1 반응 용기와 제2 반응 용기의 온도를 조절하는 데이터 취득 기기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 데이터 취득 기기는, 제1 드라이브와 제2 드라이브의 회전 속도를 조절할 수 있다.
그리고, 샘플 추출기는, 일정한 양의 산이 적재될 수 있는 샘플링 라인; 산을 저장하는 샘플링 탱크; 제1 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 샘플링 라인으로 이동시키는 제1 샘플링 밸브; 샘플링 라인에 적재되어 있는 산을 샘플링 탱크로 이동시켜주는 제2 샘플링 밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 샘플링 탱크는, 고압에서 이루어지는 실험에서 샘플을 취득하기 전에 산을 저장하여 압력을 감소시켜 샘플 취득을 용이할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 산-암석 반응특성 측정장치는, 제1 반응기와 제2 반응기의 반응 종료 후 내부 기체를 외부로 배출시키는 통기구;를 더 포함할 수 있다.
또한, 통기구는, 산을 중화시키기 위한 중화제가 적재된 중화 탱크; 반응이 끝난 후 제1 반응기의 내부 기체를 중화 탱크로 유동시키는 제1 밴트 밸브; 반응이 끝난 후 제2 반응기의 내부 기체를 중화 탱크로 유동시키는 제2 밴트 밸브;를 포함할 수 있다.
그리고, 샘플 추출기에 의해 추출한 산은, 제1 반응기와 제2 반응기를 통해 암석과 반응하는 산의 용해도 및 확산계수 산출에 활용될 수 있다.
또한, 암석 디스크와 반응하는 산은, 염산, 유기산, 혼화산으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 산이며, 암석은 탄산염암을 포함한 산과 반응성이 있는 암석을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 산-암석 반응특성 측정방법은, 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 제1 반응기로 유입시키는 단계; 제1 반응기에서 암석 디스크와 산을 반응시키는 단계; 제1 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 일정한 양으로 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 산에 용해되는 암석의 반응 특성을 고려하여 고온 고압 조건에서 암석 디스크를 회전시킨 후 시간에 따라 암석과 반응한 산을 일정한 양으로 채취하여 보다 정확하게 용해도 및 확산계수를 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 단일의 장치에서 저류층 조건의 폐산을 제작 후 암석 디스크와 반응을 시킴으로써 실제 저류층 내에서 산의 유동을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치의 구성도,
도 2는, 도 1에 도시된 회전식 산-암석 반응특성 측정장치의 상세 구성도, 그리고,
도 3은, 도 2에 도시된 회전식 산-암석 반응특성 측정장치를 실제작하여 촬영한 사진이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치는, 고온, 고압 조건에서 산과 암석 간의 회전 반응을 통해, 산에 용해되는 성질을 가지고 있는 암석의 용해도, 확산계수 및 반응차수를 측정한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치는, 산의 용해능력 측정 및 폐산(이미 반응을 일으킨 산) 제조 후 암석과의 반응 특성을 분석하기 위한 장치이다.
본 발명의 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주 반응기(100), 전처리 반응기(200), 샘플 추출기(300), 통기구(400) 및 데이터 취득 기기(500)를 포함한다.
주 반응기(100)는 반응 대상이 되는 암석 디스크를 자석 드라이브에 고정시켜 고온, 고압 조건에서 산과 반응시킨다. 주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)는 파이프라인을 통해 연결된다.
전처리 반응기(200)는 고온, 고압의 저류층 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하고 저장한다.
샘플 추출기(300)는 주 반응기(100)에서 암석과 반응한 산을 일정한 양으로 추출한다.
데이터 취득 기기(500)는 주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)의 압력과 온도를 기초로, 반응기들(100,200)의 반응 용기 온도와 자석 드라이브의 회전 속도를 제어한다.
주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)는 통기구(400)와 연결된다. 통기구(400)는 실험 종료 후 장치 내부의 기체를 외부로 배출시킨다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 회전식 산-암석 반응특성 측정장치에 대해, 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는, 도 1에 도시된 회전식 산-암석 반응특성 측정장치의 상세 구성도이다.
암석 디스크와 산을 반응시키는 주 반응기(100)는, 주반응 용기(110), 제1 히팅 자켓(120), 제1 자석 드라이브(130), 제1 온도 센서(140), 제1 압력 센서(150)를 포함한다.
주반응 용기(110)는 암석과 산이 반응하는 용기이고, 제1 히팅 자켓(120)은 주반응 용기(110)를 둘러싸도록 설치되어 주반응 용기(110)의 온도를 저류층 조건으로 설정 및 유지시킨다.
제1 자석 드라이브(130)는 연결된 파이프라인의 끝단에 반응 대상이 되는 암석 디스크가 고정되어, 고정된 암석 디스크와 산이 반응하는 부분으로, 암석 디스크를 일정한 속도로 회전시킴으로써 암석과 산의 반응 면적을 일정하게 유지시킨다.
반응 대상이 되는 암석 디스크는 탄산염암일 수 있는데, 산과 반응성이 있는 그 밖의 다른 암석인 것을 배제하지 않는다. 또한, 암석 디스크와 반응하는 산은, 염산, 유기산, 혼화산으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 산일 수 있는데, 그 밖의 다른 종류인 것을 배제하지 않는다.
제1 온도 센서(140)와 제1 압력 센서(150)는 주반응 용기(110) 내부의 온도와 압력을 측정함으로써, 주반응 용기(110)의 온도 및 압력이 저류층 조건으로 유지되는지 확인할 수 있다.
암석과 산을 반응시켜 폐산을 제조하는 전처리 반응기(200)는, 전처리 반응 용기(210), 제2 히팅 자켓(220), 제2 자석 드라이브(230), 제2 온도 센서(240), 제2 압력 센서(250), 실린더(260), 투과성 용기(270)를 포함한다.
전처리 반응 용기(210)는 저류층 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 제조된 폐산이 저장되는 용기이고, 제2 히팅 자켓(220)은 전처리 반응 용기(210)를 둘러싸도록 설치되어 전처리 반응 용기(210)의 온도를 저류층 조건으로 유지시킨다.
제2 자석 드라이브(230)는 연결된 파이프라인 끝단의 투과성 용기(270)에 폐산 제조를 위한 암석을 위치시킬 수 있으며, 산과 암석 반응 시 투과성 용기(270)를 일정한 속도로 회전시킨다.
폐산 제조 대상이 되는 암석은 탄산염암일 수 있는데, 반응성이 있는 그 밖의 다른 암석인 것을 배제하지 않는다.
제2 온도 센서(240)와 제2 압력 센서(250)는 전처리 반응 용기(210) 내부의 온도와 압력을 측정함으로써 전처리 반응 용기(210)의 온도 및 압력이 저류층 조건으로 유지되는지 확인할 수 있다.
또한, 실린더(260)는 전처리 반응 용기(210)에 저장된 폐산을 용기 밖으로 밀어냄으로써 주 반응기(100)로 유입시키는 역할을 한다.
주 반응기(100)에서 암석과 반응한 산을 일정한 양으로 추출하는 샘플 추출기(300)는, 제1 샘플링 밸브(310), 제2 샘플링 밸브(320), 샘플링 라인(330), 샘플링 탱크(340)를 포함한다.
제1 샘플링 밸브(310)는 주 반응기(100)에서 암석 디스크와 반응한 산을 샘플링 라인(330)으로 이동시키는 역할을 한다. 샘플링 라인(330)은 10ml의 유체가 가두어 질 수 있게 제작되어 있다.
제2 샘플링 밸브(320)는 샘플링 라인(330)에 적재된 산을 샘플링 탱크(340)로 이동시켜 일정한 양의 샘플 취득을 가능하게 한다. 샘플링 탱크(340)는 고압에서 이루어지는 실험에서 샘플을 취득하기 전에 산의 압력을 감소시키기 위한 탱크이다.
암석과 산의 반응이 끝난 후 장치 내부의 기체를 외부로 배출시키는 통기구(400)는, 제1 밴트 밸브(410), 제2 밴트 밸브(420), 중화 탱크(430)를 포함한다.
제1 밴트 밸브(410)는 주 반응기(100)에 유입된 기체와 산과 암석의 반응을 통해 생성된 기체를 통기구(400)의 중화 탱크(430)로 유동시킨다.
제2 밴트 밸브(420)는 전처리 반응기(200)에 유입된 기체와 폐산 제조를 통해 생성된 기체를 통기구(400)의 중화 탱크(430)로 유동시킨다.
중화 탱크(430)는 산을 중화시키기 위한 중화제로 수산화나트륨 수용액이 적재되어 있으며, 주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)로부터 유입된 기체를 중화시킨 후 장치 외부로 배출한다.
데이터 취득 기기(500)는 주 반응기(100)의 제1 온도 센서(140)와 제1 압력 센서(150) 및 전처리 반응기(200)의 제2 온도 센서(240)와 제2 압력 센서(250)에 의해 측정된 주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)의 온도 및 압력 데이터를 취득하고, 이를 기초로 제1 히팅 자켓(120)과 제2 히팅 자켓(220)을 제어하여 주 반응기(100)와 전처리 반응기(200)의 온도를 조절한다.
또한, 데이터 취득 기기(500)는, 주 반응기(100)에서 반응 대상이 되는 암석 디스크가 고정되는 파이프라인을 회전시키는 제1 자석 드라이브(130)와 전처리 반응기(200)에서 폐산 제조를 위한 투과성 용기(270)가 연결된 파이프라인을 회전시키는 제2 자석 드라이브(230)의 회전 속도를 조절한다.
도 3은, 도 2에 도시된 회전식 산-암석 반응특성 측정장치를 실제작하여 촬영한 사진이다.
지금까지, 고온, 고압형 회전식 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 산-암석 반응특성 측정장치 및 방법은, 단일의 장치에서 저류층 조건의 폐산을 제작 후 암석 디스크와 반응을 시킴으로써 좀 더 실질적인 저류층 내에서 산의 유동을 구현한다.
특히, 산에 용해되는 암석의 반응 특성을 고려하여 고온 고압 조건에서 암석 디스크를 회전시킨 후 시간에 따라 암석과 반응한 산을 일정한 양으로 채취하여 보다 정확하게 용해도 및 확산계수를 측정하고, 단일의 장치에서 저류층 조건의 폐산을 제작 후 암석 디스크와 반응을 시킴으로써 실제 저류층 내에서 산의 유동을 구현할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 주 반응기 110 : 주반응 용기
120 : 제1 히팅 자켓 130 : 제1 자석 드라이브
140 : 제1 온도 센서 150 : 제1 압력 센서
200 : 전처리 반응기 210 : 전처리 반응 용기
220 : 제2 히팅 자켓 230 : 제2 자석 드라이브
240 : 제2 온도 센서 250 : 제2 압력 센서
260 : 실린더 270 : 투과성 용기
300 : 샘플 추출기 310 : 제1 샘플링 밸브
320 : 제2 샘플링 밸브 330 : 샘플링 라인
340 : 샘플링 탱크
400 : 통기구 410 : 제1 밴트 밸브
420 : 제2 밴트 밸브 430 : 중화 탱크
500 : 데이터 취득 기기
VV1 : 제1 밸브 VV2 : 제2 밸브
VV3 : 제3 밸브 VV4 : 제4 밸브
VV5 : 제5 밸브 VV6 : 제6 밸브
VV7 : 제7 밸브

Claims (14)

  1. 탄산염암 저류층의 온도와 압력 조건에서 암석 디스크와 산을 반응시키는 제1 반응기;
    탄산염암 저류층의 온도와 압력 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 제1 반응기로 유입시키는 제2 반응기;
    제1 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 일정한 양으로 추출하는 샘플 추출기;를 포함하고,
    제1 반응기는,
    암석 디스크와 산이 반응하는 제1 반응 용기;
    제1 반응 용기의 온도를 탄산염암 저류층의 온도 조건으로 유지시키는 제1 히팅 자켓;
    암석 디스크와 산의 반응 시 암석 디스크를 회전시키는 제1 드라이브;
    제1 반응 용기의 내부 온도와 압력을 측정하는 제1 센서;를 포함하며,
    제2 반응기는,
    탄산염암 저류층의 온도와 압력 조건에서 암석과 산 수용액의 반응을 통해 폐산을 제조하여 저장하는 제2 반응 용기;
    제2 반응 용기의 온도를 탄산염암 저류층의 온도 조건으로 유지시키는 제2 히팅 자켓;
    암석과 산 수용액의 반응 시 암석을 포함하는 투과성 용기를 회전시키는 제2 드라이브;
    제2 반응 용기의 내부 온도와 압력을 측정하는 제2 센서; 및
    제2 반응 용기에 저장된 폐산을 제2 반응 용기 밖으로 밀어내어 제1 반응기로 유입시키는 실린더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 센서 및 제2 센서로부터 제1 반응기와 제2 반응기의 온도 및 압력 데이터를 취득하여, 제1 히팅 자켓과 제2 히팅 자켓을 제어하여 제1 반응 용기와 제2 반응 용기의 온도를 조절하는 데이터 취득 기기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    데이터 취득 기기는,
    제1 드라이브와 제2 드라이브의 회전 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    샘플 추출기는,
    일정한 양의 산이 적재될 수 있는 샘플링 라인;
    산을 저장하는 샘플링 탱크;
    제1 반응기에서 암석 디스크와 반응한 산을 샘플링 라인으로 이동시키는 제1 샘플링 밸브;
    샘플링 라인에 적재되어 있는 산을 샘플링 탱크로 이동시켜주는 제2 샘플링 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    샘플링 탱크는,
    고압에서 이루어지는 실험에서 샘플을 취득하기 전에 산의 압력을 감소시키기 위한 탱크인 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  10. 청구항 1에 있어서;
    제1 반응기와 제2 반응기의 반응 종료 후 내부 기체를 외부로 배출시키는 통기구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    통기구는,
    산을 중화시키기 위한 중화제가 적재된 중화 탱크;
    반응이 끝난 후 제1 반응기의 내부 기체를 중화 탱크로 유동시키는 제1 밴트 밸브;
    반응이 끝난 후 제2 반응기의 내부 기체를 중화 탱크로 유동시키는 제2 밴트 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  12. 청구항 1에 있어서;
    샘플 추출기에 의해 추출한 산은,
    제1 반응기와 제2 반응기를 통해 암석과 반응하는 산의 용해도 및 확산계수 산출에 활용되는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    암석 디스크와 반응하는 산은,
    염산, 유기산, 혼화산으로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 산이며,
    암석은 탄산염암을 포함한 산과 반응성이 있는 암석을 포함하는 것을 특징으로 하는 산-암석 반응특성 측정장치.
  14. 삭제
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