KR102406063B1

KR102406063B1 - 스트랜디드 가스를 지하 환경으로부터 추출하여, 이를 클라트레이트로 전환시키고, 소비를 위해 이를 안전하게 운송시키기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102406063B1
Application number: KR1020187013024A
Authority: KR
Inventors: 스튜어트 엘. 피닉스; 마이클 티. 케지리안
Original assignee: 스튜어트 엘. 피닉스; 마이클 티. 케지리안
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2022-06-10
Also published as: CN108698951A; KR20180100108A; US20180290124A1; SG11201802850VA; US10688466B2; MY196745A; ZA201802259B; AU2016335696B2; MX2018004350A; BR112018006972B1; IL258542A; EP3359511B1; IL258542B; EP3359511A4; CN108698951B; AU2016335696A1; WO2017062721A1; BR112018006972A2; RU2018116611A; JP2018529870A

Abstract

본 발명 해저 아래와 같은 지하 환경으로부터 스트랜디드 가스(예를 들면 천연 가스 또는 수소) 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하고 이를 클라트레이트와 같은 고체 수화물로 전환시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하며, 이는, a) 스트랜디드 가스(예를 들면 천연 가스 또는 수소) 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하는 단계; b) 제1 탱크 또는 용기 내의 오일과 천연 가스의 혼합물로부터 천연 가스를 임의로 분리하는 단계; c) 스트랜디드 가스를 제2 탱크 또는 용기로 운송하는 단계; d) 해수를 제2 탱크 또는 용기로 도입하는 단계; e) 스트랜디드 가스와 물을 혼합하여 클라트레이트 수화물/물 슬러리를 형성하는 단계; f) 클라트레이트 수화물 슬러리로부터 과량의 물을 제거하여 클라트레이트 수화물을 포함하는 고체를 형성하는 단계; 및 g) 클라트레이트 수화물을 포함하는 고체를 운송 가능한 형태로 처리하는 단계; 및 h) 가스를 운송 가능한 용기로 임의로 수집하는 단계를 특징으로 한다.

Description

스트랜디드 가스를 지하 환경으로부터 추출하여, 이를 클라트레이트로 전환시키고, 소비를 위해 이를 안전하게 운송시키기 위한 방법 및 시스템

본 발명은 천연 가스 또는 수소와 같은 스트랜디드 가스(stranded gas)를 심해와 같은 지하 환경으로부터 추출하는 것에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 오일 및 스트랜디드 가스를 분리하고 스트랜디드 가스를 곧바로 운송 가능한 형태로 전환시키는 것에 관한 것이다.

가스 클라트레이트 수화물(gas clathrate hydrate)은 비교적 고압 및 저온의 특정 조건하에 물과 가스의 반응으로부터 형성된 비화학양론적 결정질 고체이다(참조: Sloan et al., Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd ed.; CRC Press, Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL, 2008). 천연 가스 수화물(natural gas hydrate)(NGH)을 재가스화(regasification) 및 최종 소비를 위한 장소로 효과적으로 운송하기 위한 천연 가스 수화물 연안 및 육지 공급망의 개발에 여러 노력이 이루어져 왔다(참조: Gudmundsson et al., Transport of Natural Gas as Frozen Hydrate. International Society of Offshore and Polar Engineers, 1995; Nogami et al., Development Of Natural Gas Supply Chain By Means Of Natural Gas Hydrate ( NGH ). International Petroleum Technology Conference: 2008; Rehder et al., Energies 2012; 5(7):2499-2523; Tamsilian et al., J. Dispersion Sci . Technol. 2013; 34(2):259-267). 천연 가스 또는 수소와 같은 스트랜디드 가스를 수중 환경으로부터 얻고 소비를 위해 이를 안전하게 운송하는 안전하고 효율적이며 환경친화적인 방법을 찾는 것이 바람직할 것이다. 연구 문헌은, 메탄이 천연 가스의 주요 성분이기 때문에 메탄 클라트레이트 수화물(methane clathrate hydrate)(MCH)의 형성에 종종 초점을 맞추고 있다. 그러나, 출처에 따라, 가능한 가스 조성의 범위는, 거의 순수한 메탄으로부터 무거운 휘발성 탄화수소가 풍부한 복합 혼합물까지 다양할 수 있다. 본원에 기재된 처리(processing)는 보다 일반적으로 출발 천연 가스가 약 85질량%의 메탄, 10질량%의 에탄 및 5질량%의 프로판일 수 있는 천연 가스 클라트레이트 수화물(natural gas clathrate hydrate)(NGCH)의 형성을 지칭한다. 이 공정은 다른 조성에도 용이하게 적용될 수 있다. 한 가지 핵심적인 측면은, 천연 가스 혼합물로부터 NGCH를 형성하는 것이 일반적으로 순수한 메탄으로부터 MCH를 형성하는 것보다 동일한 온도에서 보다 적은 정수압을 필요로 한다는 점이다(도 1). 또한, 더 적은 메탄과 더 많은 에탄, 프로판, 부탄 및 이소-펜탄 등을 포함하는 덜 통상적이거나 인위적으로 혼합된 탄화수소 가스 혼합물은 또한 고체 클라트레이트 수화물을 형성하며, 이들 고분자량 가스 성분들의 비율이 높을수록 필요 압력은 낮아진다. 그러나, 순수한 부탄으로부터의 형성이, 이들 순수한 탄화수소 가스로부터 클라트레이트 수화물을 형성하는데 필요한 온도 및 압력의 범위에 대해 4℃ 미만의 수온을 필요로 하는 경우(도 2), 클라트레이트 형성을 위한 온도 범위는 훨씬 더 좁아진다.

MCH 및 NGCH 처리는 기본적으로 수심 800m 미만의 해저(ocean floor)에서 6℃ 이하의 수온을 이용하며, 이에 상응하는 압력은 8.24MPa(~1200psi)이다(도 1). 이와 같은 압력과 깊이에서, 해수로 버블링될 때의 메탄 가스는 천연 가스와 마찬가지로 작은 MCH 구체(sphere)와 박편(flake)을 매우 빠르게 형성한다(참조: Roemer et al., Journal of Geophysical Research: Oceans 2012; 117; Warzinski et al., Geophysical Research Letters 2014; 41(19):2014GL061665). 해양의 온도 프로파일은 전세계 여러 위치에서 상이하다. 멕시코만은 북해보다 몇 도 더 따뜻하기 때문에 비슷한 온도 범위에서 MCH를 신속하게 형성하는 데 필요한 깊이는 전자의 경우보다 더 커야 한다. 여기에 추가할 몇 가지 추가 사항은, 천연 가스가 심해 석유 매장량 탐사시 다루기에 바람직하지 않은 성분으로 간주된다는 것이다. 스트랜디드 가스는 때로는 타오르고(flaring), 또는 가스가 타오르는 것을 방지하기 위해 땅으로 다시 펌핑된다. 가스 함량은 어느 매장지(reserve)를 생산할지 선택하기 위한 하나의 기준이며, 가스 접촉이 너무 높으면 개발을 배제할 수 있다.

천연 가스는 심해 석유 매장량 탐사시 다루기에 바람직하지 않은 성분으로 간주된다. 스트랜디드 가스는 때로는 타오르거나 또는 땅으로 다시 펌핑된다. 가스 함량은 어느 매장지를 생산할지 선택하기 위한 하나의 기준이며, 가스 접촉이 너무 높으면 개발을 배제할 수 있다. 육상 및 해수면 상의 플랜트에서 천연 가스를 수화물로 전환시키기 위한 노력이 이전에도 그리고 현재에도 있어 왔다(참조: Nakai, "Development of Natural Gas Hydrate (NGH) Supply Chain", World Gas Conference 2012, Kuala Lampur; Rehder et al., Energies 2012; 5(7):2499-2523). 전환 공정의 발열 특성 및 고압 고온에 대한 요구사항은 이 공정을 위험하고 복잡하며 비싸게 만든다. 인시츄(in situ) 조건(즉, 정수압이 높고 물이 차가운 조건)이 클라트레이트의 형성에 도움이 되는, 심해에서의 처리를 수행함으로써, 천연 가스(대부분 메탄)를 고체 클라트레이트 수화물(불타는 얼음(fire ice))로 전환시키는 안전하고 효과적인 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 그렇게 하면, 궁극적으로, 수중 환경으로부터 천연 가스를 얻어 소비를 위해 이를 안전하게 운송하는 효율적이고 환경친화적인 방법을 제공하게 된다. 또한, 전환 공정의 발열 특성으로 인해, 공정으로부터 방출되는 열은 천연 가스 클라트레이트의 심해 매장량을 탐사하기 위한 추가의 유용한 자원(resource)을 제공한다.

제1 측면에서, 본 발명은 지하 환경에서 깊은 해저와 같은 저장조(reservoir)로부터 스트랜디드 가스를 추출하는 방법을 제공한다. 스트랜디드 가스는 천연 가스 또는 수소일 수 있고, 가스는 저장조에 존재할 수 있거나 저장조에 저장될 수 있다. 저장조는 가스 또는 오일과 가스의 혼합물일 수 있거나, 또는 저장조는 천연 가스 클라트레이트 수화물로서 저장된 천연 가스일 수 있다. 이 방법은 웰(well)을 해저에 뚫어 스트랜디드 가스로 도달하는 임의의 제1 단계를 특징으로 한다. 몇몇 경우에, 저장조에 따라, 웰은 천연 가스, 수소 또는 기타 스트랜디드 가스와 같은 스트랜디드 가스만을 얻을 수 있다. 다른 경우에, 웰은 천연 가스 및 오일과 같은 스트랜디드 가스의 혼합물을 얻을 수 있다. 기체-오일 혼합물의 경우, 이 방법은 오일 및 가스 상(phase)을 분리하는 제2 단계를 특징으로 한다. 이러한 분리 단계는 예를 들면 분리기에서 수행될 수 있다. 또 다른 예에서, 스트랜디드 가스는 클라트레이트 수화물의 형태로 존재할 수 있다. 이러한 경우에, 제2 단계는 예를 들면 열의 적용 및/또는 압력의 저하를 통해 본래의 클라트레이트 수화물을 가스 및 물로 파괴하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 공지된 방법에 따라 처리할 수 있는 오일 성분을 해수면으로 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 제3 단계를 특징으로 할 수 있다. 유사하게, 제3 단계는 표면으로 운반하기 위한 별도의 선적 컨테이너(shipping container)로 오일 성분을 수집하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 방법은 천연 가스와 같은 스트랜디드 가스에서 파편(debris)을 세정하는 제4 단계를 특징으로 할 수 있다. 이 방법은 천연 가스와 같은 스트랜디드 가스를 해저 상에 인접해 있는 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비로 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 제5 단계를 특징으로 할 수 있다. 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비는 천연 가스와 같은 스트랜디드 가스를 변형시켜 클라트레이트와 같은 고체 수화물(solid hydrate)을 형성하도록 설계될 수 있다. 제6 단계로서, 클라트레이트와 같은 이러한 고체 수화물을 수집하여, 이를, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 해수면으로 운송하기에 적합한 선적 컨테이너 내에 배치할 수 있다. 몇몇 경우에, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 우선 수집하여 선적 컨테이너 내에 배치한 다음, 이를 재가스화시키거나 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송하기 위해, 해수면에서 선적 컨테이너를 더 큰 운송 캐리어(carrier)로 비운다. 다른 경우에, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 수집하여 선적 컨테이너 내에 배치하고, 이러한 선적 컨테이너 자체를 사용하여, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을, 이를 재가스화시키거나 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송한다.

제2 측면에서, 본 발명은 깊은 해저와 같은 지하 환경에서 천연 가스 수화물의 매장지로부터 천연 가스를 추출하는 방법을 제공한다. 이 방법은 해저에 웰을 뚫어 탄화수소를 추출하는 임의의 제1 단계를 특징으로 한다. 몇몇 경우에, 저장조의 탄화수소 구성에 따라, 웰은 천연 가스만을 얻을 수 있다. 이 방법은 천연 가스에서 파편을 세정하는 제2 단계를 특징으로 할 수 있다. 이 방법은, 예를 들면 해저 상에 인접해 있는 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비로 천연 가스를 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 제3 단계를 특징으로 할 수 있다. 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비는 천연 가스를 변형시켜 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 형성하도록 설계될 수 있다. 천연 가스를 변형시켜 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 형성하는 이러한 발열 공정으로부터 발생한 열은 천연 가스의 공급원(source)으로 임의로 유도되거나 재전환될 수 있으며, 후속적으로 추가의 천연 가스의 방출을 촉진하는데 사용될 수 있다. 제4 단계로서, 클라트레이트와 같은 이러한 고체 수화물을 수집하여, 이를, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 해수면으로 운송하기에 적합한 선적 컨테이너로 배치할 수 있다. 몇몇 경우에, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 우선 수집하여 선적 컨테이너에 배치한 다음, 이를 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송하기 위해, 해수면에서 선적 컨테이너를 더 큰 운송 캐리어로 비운다. 다른 경우에, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 수집하여 선적 컨테이너 내에 배치하고, 이러한 선적 컨테이너 자체를 사용하여, 클라트레이트와 같은 고체 수화물을 이를 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송한다.

제3 측면에서, 본 발명은 해저 아래와 같은 지하 환경으로부터 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하고 이를 클라트레이트와 같은 고체 수화물로 전환시키는 방법으로서,

a) 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하는 단계;

b) 제1 탱크 또는 용기에서 오일과 천연 가스의 혼합물로부터 천연 가스를 임의로 제거하는 단계;

c) 천연 가스를 제2 탱크 또는 용기로 운송하는 단계;

d) 해수를 제2 탱크 또는 용기로 도입하는 단계;

e) 천연 가스와 물을 혼합하여 NGCH/물 슬러리를 형성하는 단계;

f) NGCH 슬러리로부터 과량의 물을 제거하여, 클라트레이트를 포함하는 고체를 형성하는 단계; 및

g) 클라트레이트를 포함하는 고체를 운송 가능한 형태로 처리하는 단계

를 포함하는 방법을 제공한다.

이 방법은 h) 클라트레이트를 포함하는 고체를 교반하거나 고체에 압력파(pressure wave)를 가하여 클라트레이트 입자의 추가 성장을 촉진시키는 단계를 추가로 특징으로 할 수 있다. 이 방법은 NGCH의 더 작은 입자들을 응집하고 이들을 자연스럽게 합쳐서 큰 블럭을 형성하는 것을 또한 특징으로 할 수 있다.

이 방법은 i) 클라트레이트를 포함하는 고체를 실질적으로 관형인 형태로 성형하는 단계를 추가로 특징으로 할 수 있고, 이 방법은 또한 j) 실질적으로 관형인 형태일 수 있는 클라트레이트를 포함하는 고체를, 해수면으로 운송하기에 적합한 백과 같은 용기 내에 배치하는 단계를 추가로 특징으로 할 수 있다.

천연 가스와 물을 혼합하여 NGCH/물 슬러리를 형성하는 단계는 (i) 탱크 또는 용기 바닥으로부터 펌핑된 물을 사용하는 것을 포함할 수 있는, 탱크 또는 용기의 상단부에서 가스 포켓(gas pocket)에 물 안개를 분무하는 단계로서, 주위의 해수에 함침되어 있는 외부 열 교환기를 통해 이를 펌핑함으로써 그리고 특정 체적의 가스가 소비되고 압력이 떨어짐에 따라 끌어당겨지는 신선한 해수를 사용함으로써 임의로 냉각할 수 있는, 단계; (ii) 상단부에서 가스 포켓으로부터 천연 가스를 끌어내고 이를 탱크 또는 용기 바닥으로 펌핑하여 천연 가스를 미세 버블로 분사하고 이는 탱크 또는 용기의 물을 통해 상승하는 단계를 포함하는 하나 이상의 방법들을 특징으로 할 수 있다. 이 방식을 따라, 클라트레이트 수화물은, 가스 포켓 아래에 NGHC/가스/물 슬러리의 층을 형성하는 탱크 또는 용기 상단부로 재부유함에 따라 가스 버블 주위에 외부 쉘로서 형성될 수 있다. 혼합은 (iii) 가스 포켓 아래에 축적된 슬러리를 교반하고 전단하여, 가스 버블 주위에 형성되는 클라트레이트 수화물 쉘을 파괴(break up)하는 단계를 또한 특징으로 할 수 있다. 혼합은 (iv) 탱크 또는 용기 내부로부터 취한 가스와 해수의 혼합물을, 주름진 표면(corrugated surfaces)을 갖는 두 개의 밀접 배치된 솔리드형(soild) 엇회전식 플레이트(counter-rotating plates)의 중심부로 펌핑하여, 타원형 가스 버블 주위에 형성되는 임의의 클라트레이트 슬러리 쉘을 또한 파괴하는 고전단 필드 및 국부적인 맥동압을 제공하는 단계를 또한 특징으로 할 수 있다. 혼합은, 실질적으로 모든 천연 가스를 전환시켜, 탱크 또는 용기 상단부에서는 NGHC와 물로 이루어진 특정 체적의 슬러리를 형성하고 탱크 또는 용기 바닥부에서는 가온된 물을 형성하는 단계를 특징으로 할 수 있다.

물의 양은, 과량의 물(즉, 클라트레이트의 형성에 소비되지 않은 물)의 열 용량 및 냉각 속도가 클라트레이트 형성의 엔탈피로부터 발생하는 온도 증가를 합리적인 기간으로 한정시키기에 충분하도록 선택될 수 있다. 물의 주위온도는 대략 2℃, 3℃, 4℃, 5℃, 6℃ 또는 7℃일 수 있으며, 온도 상승은, 전체 시스템 온도를 800m 깊이(8.2MPa)에서 NGCH의 안정성 온도 미만으로 유지할 수 있을 정도로 작게 유지될 수 있고, 이는 17℃일 수 있다. 일반적으로, 선택되는 물의 양이 많을수록 물의 온도 상승은 적지만 배출된 물에 흡수된 가스를 통해 손실되는 가스는 많아진다.

NGCH 슬러리로부터 과량의 물을 제거하여 클라트레이트를 포함하는 고체를 형성하는 단계는, 덜 조밀한 클라트레이트가 상단부로 부유할 것이라는 특성을 이용할 수 있다. NGCH 슬러리로부터 과량의 물을 제거하여, 클라트레이트를 포함하는 고체를 형성하는 단계는, 클라트레이트 슬러리를 과량의 물을 제거하기 위한 장치 또는 기기로 펌핑 또는 운송하는 단계를 특징으로 할 수 있다. 천연 가스는 길고 평평한 타원형 버블의 클라트레이트 수화물로 실질적으로 전환될 수 있다. 클라트레이트를 포함하는 고체를 운송 가능한 형태로 처리하는 단계는 고체 NGCH 디스크를 형성하는 단계를 특징으로 할 수 있다. 백(bag)과 같은 용기는 연장될 수 있는 접이식 가요성 백(foldable flexible bag)일 수 있다.

제4 측면에서, 본 발명은 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 해저 아래와 같은 지하 환경으로부터 추출하여 이를 클라트레이트와 같은 고체 수화물로 전환시키기 위한 시스템으로서,

a) 가스/오일 분리기로서 기능하도록 설계된 제1 탱크 또는 용기;

b) NGCH 프로세서로서 기능하도록 설계된 제2 탱크 또는 용기; 및

c) NGCH 수집/선적 컨테이너로서 기능하도록 조정된 제3 탱크 또는 용기

를 포함하는 시스템을 제공한다.

이 시스템은 d) 웰-헤드 입구(well-head entry)를 임의로 포함할 수 있고, 이 시스템은 e) 유량 제한기에 결합될 수 있는 터빈/유량 제한기(turbine/flow restrictor)를 임의로 포함할 수 있다. 가스/오일 분리기로서 기능하도록 설계된 제1 탱크 또는 용기. 터빈은, 전기 모터 및 기계적 처리 장치를 작동시키는 기계적 및 전기적 동력을 생성하기 위해 웰-헤드의 출구에 부착될 수 있다.

제1 탱크 또는 용기는 해수의 주위 압력보다 약 1 내지 2bar 높은 내부 압력을 갖는 가스/오일 분리기로서 기능하도록 설계된다. 분리기는 더 가벼운(주로 가스) 입자로부터 물리적으로 분리된 더 무거운(주로 오일) 입자를 갖는 원심분리기로서 작동할 수 있다. 더 무거운 입자는 외부 층에서 응집되며 이에 따라 위치한 출구 지점을 통해 제거될 수 있다. 중심 근처의 출구는 더 가벼운 가스 입자가 제거되는 곳일 수 있다.

NGCH 프로세서로서 기능하도록 설계된 제2 탱크 또는 용기는 저압 버전(약 0.2MPa 또는 2bar) 또는 고압 버전(적어도 약 3.5MPa 또는 약 35bar)일 수 있다. 또한 제2 탱크 또는 용기는 회분식 공정으로 작동하도록 설계될 수 있다. 몇몇 경우에, 시간 차이를 두고 반연속 공정으로서 작용하는 다수의(예를 들면 3개의) 더 작은 회분식 처리 탱크 또는 용기, 탱크 2a, 탱크 2b, 탱크 2c 등이 있을 수 있다. 제2 탱크 또는 용기는 수직 축을 갖고 약 5:2의 길이 대 직경 비를 갖는 원통형 탱크일 수 있다. 제2 탱크 또는 용기는 반-가요성(semi-flexible)일 수 있으며, 밸브가 달린 상부 유입구 및/또는 하부 배출구 및 하나 이상의 온도 및/또는 압력 센서 및 교반에 적합한 하나 이상의 장비를 특징으로 할 수 있다.

NGCH 수집/선적 컨테이너로서 기능하도록 조정된 제3 탱크 또는 용기는 연장될 수 있는 접이식 백(collapsible bag) 또는 접이식 가요성 백일 수 있다. 이는 물과 거의 동일한 밀도를 갖고 거의 중립적으로 부유 가능할 수 있다.

도 1은 해양 깊이(압력에 비례함) 및 수온의 관점에서 메탄 및 천연 가스로부터의 클라트레이트 수화물의 형성을 위한 상 평형 곡선(phase equilibrium curve)(경계)을 제공한다. 또한 멕시코만과 북해에 대한 등온선(temperature isocline)이 도시되어 있다.
도 2는 순수 메탄, 순수 에탄, 순수 프로판 및 순수 부탄으로부터의 클라트레이트 수화물의 형성을 위한 상 평형 곡선(경계)을 제공한다.
도 3은 현재 건설중인 쉘 프렐류드(Shell Prelude) 부유식 액화 천연 가스(Floating Liquid Natural Gas) 처리 설비를 도시한다.
도 4는 본 발명의 기본 개략도를 제공한다.
도 5는 가스 버블 주위에 형성되는 클라트레이트 쉘을 파괴하기 위한 엇회전식 전단 플레이트(shear plate)를 예시한다.
도 6은 둥근 실린더의 육방형 충전(hexagonal packing)을 도시한다: 좌측에는 충전 밀도(packing density)가 0.9069인 한 가지 크기가 존재하며; 우측에는 충전 밀도가 0.9503이고 직경 비가 0.1547인 두 가지 크기가 존재한다(Kennedy in Discrete and Computational Geometry 35 (2006), 255-267).

본 발명의 방법 및 시스템은 하기 구성요소들 및 단계들을 특징으로 한다.

3탱크 시스템을 기반으로 한 공정 설계 단계:

웰-헤드 입구.

천연 가스 또는 오일/가스 혼합물은 해저 수백 또는 수천 피트 아래의 지하 저장조로부터 드릴 파이프(drill pipe)로 상승하여 웰-헤드로 도달한다. 가스/오일 혼합물은 본래의 저장조 깊이에서 대부분 액체일 수 있으며 압력은 70MPa 이하이고 대략 115℃의 온도가 될 수 있다(이는 마콘도 웰(Macondo well)을 공급하는 오일 저장조의 조건이다). 그러나, 웰-헤드의 진입 지점에서, 임의의 후속 유량 제한기 및 실제 유량에 따라, 압력은 아마 20 내지 30MPa으로 낮을 수 있지만 온도는 90℃에 가까울 것이며, 해저 파이프를 주행하는 동안 압력이 낮아짐에 따라 오일로부터 가스가 비등하여 단열 팽창하기 때문에 상기 온도는 저장조의 온도보다는 낮다.

터빈/유량 제한기 .

유량 제한기에 결합된 터빈은 웰-헤드의 출구에 부착되어, 전기 모터 및 기계적 처리 장치를 작동시키기 위한 기계적 및 전기적 동력을 생성할 수 있다. 기재된 조건하에 특정 유량에서 수백 마력(1/3 메가와트 이상)을 생성할 수 있다. 터빈/유량 제한기를 빠져 나올 때, 가스/오일 유량의 압력은 약 8.2MPa의 해저 압력이 될 것이며, 더 많은 용존 가스 성분이 더 낮은 압력의 따뜻한 오일로부터 현재 비등함에 따라 여전히 대략 80℃의 온도가 될 것이다.

탱크 1 가스/오일 분리기.

터빈/유량 제한기를 빠져 나온 가스/오일 혼합물은, 4/1의 길이 대 직경 비를 갖는 필수적으로 길다란 수직형 탱크일 수 있고 해수의 주위 압력보다 약 1 내지 2bar 높은 내부 압력을 갖는 가스-오일 분리기인 탱크 1로 도입된다. 이와 같은 가스/오일 분리기는 산업계에 알려져 있으며 표준화되어 있다. 상업용 오일/가스 분리기는 2개 상을 분리하는데 사용될 수 있다. 혼합물은 원심분리기로서 작동할 수 있어, 더 무거운 오일 입자가 외부로 이동하고 더 가벼운 가스 입자가 중심부를 향해 이동할 것이다. 오일/가스 혼합물의 진입 지점은 분리기 유닛의 중간 부분이다. 분리기의 중심부에는, 천연 가스 성분을 펌핑 제거하고 이를 클라트레이트 수화물 처리 탱크로 우회시키는 배출 파이프(exit pipe)가 있다. 탱크 가장자리 근처에는 오일을 펌핑 제거하는 배출 파이프가 있다. 오일은 파이프 라인으로 펌핑되며 당해 파이프 라인은 오일을 해표면 상의 수급 선박(receiving ship)으로 가져간다. 대안적으로, 오일을 후속 운송을 위해 DSM Dyneema 또는 Spectra 압력 용기로 펌핑할 수 있다. 이러한 탱크는 폴리우레탄 매트릭스의 UHMWPE 섬유로부터 권취된 복합물로 제조될 수 있다. 이러한 목적을 위해 DSM Dyneema UD 테이프를 사용할 수 있다. 따라서 탱크 자체는 중립적으로 부유 가능할 것이며, 원격 작동 차량(remotely operated vehicle)(ROV) 또는 빈 탱크를 해수면으로부터 비우고 전체를 다시 해수면으로 채우기 위한 적합한 컨베이어 벨트 시스템을 사용하여 해양 내에서 용이하게 이동 가능할 것이다. 탱크의 필요한 크기는, 가스가 비등하여 버블이 생기고 오일로부터 완전히 분리되는 데 필요한 체류 시간에 따라 다르다. 공칭 기본 구성의 경우, 가스 단독의 유량은 약 546㎥/hr일 것이고 가스와 오일의 유량은 아마 800㎥/hr일 것이다. 분리기 내에서의 효과적인 15분 체류를 가정하면, 필요한 체적은 약

일 것이다. 주어진 직경

에서 4/1의 종횡비 탱크의 체적은

이며, 이는

를 얻는다. 이 탱크의 부력은 천연 가스 체적

으로부터 주로 결정되어,

= 1.27MN 또는 약 286,000 lbf이다.

탱크 1 상세:

ㆍ 최소한의 굽힘 모멘트(bending moment)로 웰-헤드 및 파이프와 정렬된 순 축력(net axial force)을 생성시키기 위해, 높은 부력은 웰-헤드 상으로의 탱크 배치에 따라 및 실제 구조의 부착(이는, 부력을 발생시키는 다른 시스템 성분들의 배치에 따라 다름)을 필요로 한다;

ㆍ 상단부에 권취되어 있으며 바닥부에서는 웰-헤드에 연결된 구조물에 부착되어 있는 동봉된 스트랩 시스템을 가질 필요가 있을 것이다;

ㆍ 내부 압력은 수직 가스 분포에 따른 탱크의 수직 위치에 따라 다소 달라지며, 벽의 축방향 및 후프 장력(axial and hoop tension)(이축 하중(biaxial load))은 상단부에 가장 많이 접근하는 경향이 있어서, 탱크 벽 두께는 특히 돔(dome) 구역에 접근할 때 더 두꺼울 필요가 있을 수 있다;

ㆍ 탱크 바닥부는 중앙 고점에 진입하는 가스/오일 혼합물 및 수집할 수 있고 펌핑 제거할 수 있는 'W' 낮은 지점에서 링에 축적되는 임의의 침전 또는 물이 진입하는 'W' 단면을 가져야 한다.

탱크 2, NGCH 프로세서.

오일로부터 분리되면, 천연 가스는 낮은 상대 압력(예를 들면, 1 내지 2bar)하에 가스 라인을 통해 탱크 2로 펌핑되며, 탱크 2는 정확한 양을 계량하기 위해 유량계와 제어 밸브가 장착되어 있다. 탱크 2는 두 가지 잠재적인 버전인 저압 버전(0.2MPa 또는 2bar 이하) 및 고압 버전(적어도 3.5MPa 또는 35bar)을 갖는다. 또한 탱크 2는 회분식 공정으로 작동하도록 설계될 수 있다. 사실상, 시간 차이를 두고 반연속 공정으로서 작용하는 다수의(예를 들면 3개의) 더 작은 회분식 처리 탱크, 탱크 2a, 탱크 2b, 탱크 2c 등을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 탱크 충전물 사이에서 가스를 저장하기 위한 체류 탱크로서 작용할 수 있는 가스 분리기 탱크의 부력을 감소시킬 것이다.

제1 저압 버전을 고려하면, 탱크 2는 수직 배향 축 및 높이 대 직경 비가 2 내지 4 정도인 원통형 탱크가 될 것이다. 탱크는 반-가요성을 가지며 Dyneema 섬유/우레탄 UD 테이프로부터 권취될 수 있다. 탱크는 초기에 차가운 해수로 채워지며, 천연 가스가 밸브가 달린 상부 유입구를 통해 유입될 때, 이는 탱크의 상단부를 채우고, 물은 가스 대 물의 목적하는 체적 비(대략 3부의 물 대 1부의 가스)가 달성될 때까지 바닥부 밖으로 배출되지만, 이는 조정 가능하다. 물과 가스의 목적하는 체적 비가 달성되면, 이어서 탱크는 일방향 밸브를 사용하여 외부 환경으로부터 반-밀폐(semi-closed)되어, 이에 따라 탱크 압력이 주변 해수 압력 아래로 떨어지면 더 차가운 해수가 들어갈 수 있고 내파(implosion)의 위험에 처하게 된다.

이어서 물과 가스를 혼합하여 NGCH/물 슬러리를 개발할 수 있으며, 이는, (i) 탱크 바닥으로부터 펌핑된 물을 사용하여, 탱크의 상단부에서 가스 포켓에 물 안개를 분무하는 단계로서, 주위의 해수에 함침되어 있는 외부 열 교환기를 통해 이를 펌핑함으로써 그리고 특정 체적의 가스가 소비되고 압력이 떨어짐에 따라 끌어당겨지는 신선한 해수를 사용함으로써 임의로 냉각할 수 있는, 단계; (ii) 상단부에서 가스 포켓으로부터 천연 가스를 끌어내고 이를 탱크 바닥으로 펌핑하여 천연 가스를 미세 버블로서 분사하고 이는 탱크의 물을 통해 상승하는 단계로서, 이 방식을 따라, 클라트레이트 수화물은 가스 포켓 아래에 NGHC/가스/물 슬러리의 층을 형성하는 탱크 상단부로 재부유함에 따라 가스 버블 주위에 외부 쉘로서 형성될 수 있는, 단계; (iii) 가스 포켓 아래에 축적된 슬러리를 공격적으로 교반하고 전단하여, 가스 버블 주위에 형성되는 클라트레이트 수화물 쉘을 파괴하는 단계; (iv) 탱크 내부로부터 취한 가스와 해수의 혼합물을, 주름진 표면을 갖는 두 개의 밀접 배치된 솔리드형 엇회전식 플레이트의 중심부로 펌핑하여, 타원형 가스 버블 주위에 형성되는 임의의 클라트레이트 슬러리 쉘을 파괴하는 고전단 필드 및 국부적인 맥동압을 제공하는 단계와 같은 다양한 방법들을 사용한다(도 5). 궁극적으로 모든 가스는 탱크 상단부에서는 NGHC와 물로 이루어진 특정 체적의 슬러리를 형성하도록 변환되며, 또한 용액에 용해된 천연 가스도 소량 함유하는 탱크 바닥부에서는 다소 더 많고 가온된 물의 체적을 형성한다.

한 가지 중요한 측면은, 가압 및 교반 전에 탱크에서의 최초 가스 대 물 비를 결정하는 것이다. 물의 양은, 과량의 물(즉, 클라트레이트의 형성에 소비되지 않은 물)의 열 용량 및 냉각 속도가 클라트레이트 형성의 엔탈피로부터 발생하는 온도 증가를 합리적인 기간으로 한정시키기에 충분하도록 선택될 수 있다. 과량의 물은 클라트레이트 수화물 결정(crystal)의 형성 과정에서 배출되는 염수(salt brine)의 싱크(sink)로도 사용된다. 통상적으로 물의 주위온도는 대략 5℃일 것이며, 온도 상승은, 전체 시스템 온도를 800m 깊이(8.2MPa)에서 NGCH의 안정성 온도 미만으로 유지할 수 있을 정도로 작게 유지될 수 있으며, 이는 17℃일 수 있다.

최종 처리 단계는 NGCH 슬러리로부터의 잔류하는 과량의 염수(salty water)를 짜내어 고체를 형성하는 것이며, 이는, 염이 풍부한 염수가 탱크 바닥부에 모이는 경향이 있는 한편 덜 조밀한 클라트레이트가 상단부로 부유할 것이라는 사실에 의해 부분적으로 달성된다. 그럼에도 불구하고, 풍부한 클라트레이트 슬러리는 큰 고체 NGCH 디스크를 형성하기 위해 과도한 물을 짜내기 위한 장치 또는 메커니즘으로 펌핑되어야 한다. 이러한 디스크는 둥글고, 직경 대 두께 비가 크며 균일한 두께를 갖고, 하기 설명된 바와 같이, 방출되어 탱크 4로 지칭되는 큰 원통형 선적 백에 적층될 수 있다. 또한, 천연 가스 회수를 위해 NGCH를 나중에 처리하는 것을 용이하게 하기 위해, Dyneema 또는 폴리에틸렌 스페이서를 적층된 NGCH 디스크들 사이에 배치하여 서로 융합하지 않도록 할 수 있다. 이어서 이들은 파괴될 표면적 대 체적 비가 증가하고 이에 따라 NGCH '해리'율이 크게 증가한다(참조: Takeya et al., Chem. Eng. Sci. 2005; 60(5):1383-1387; Falenty et al., Energy Fuels 2014; 28(10):6275-6283). 이는 직경 1미터 및 길이 4미터의 NGCH 고체 실린더의 형성을 추구하는 것보다는 덜 바람직한 것으로 보이며, 선적 컨테이너에서 이들을 효율적으로 충전하는 것으로 보인다. 이는, 실린더에서 NGCH를 처리하기 위해, 특수한 압축형 스퀴즈(squeeze) 또는 오거(auger) 구동되는 두꺼운-벽(thick-wall) Dyneema 기반의 실린더를 필요로 할 것이다.

다음으로, (8.2MPa의 주위 해수에 비해 3.5MPa가 넘는) 고압 버전을 고려한다. 탱크 2는, 수직 배향 축을 갖고 직경 대 높이 비가 약 5/2인 저압 버전의 UD 테이프 권취된 원통형 탱크보다 훨씬 두꺼울 수도 있다. 탱크는 초기에 차가운 해수로 채워질 수 있으며, 천연 가스가 밸브가 달린 상부 유입구를 통해 유입될 때, 이는 탱크의 윗 부분을 채우고, 물은 가스 대 물의 목적하는 체적 비(대략 약 2부의 물 대 1부의 가스)가 달성되어 저압 시스템에 대한 것보다 낮아질 때까지 바닥부 밖으로 배출된다. 물과 가스의 목적하는 체적 비가 달성되면, 이어서 탱크는 일방향 밸브를 사용하여 외부 환경으로부터 반-폐쇄되고, 가스를 압축하기 위해 가압하에 더 차가운 해수를 펌핑하여 목적하는 고압으로 가압된다. 절대 내부 압력은 이제 12MPa에 가까우며, 이는 1200미터의 해양 깊이에 해당한다.

탱크 2 상세:

ㆍ 최적의 반응을 위한 온도와 압력을 적절한 시간 내에 관리해야 한다;

ㆍ 물은, 클라트레이트 수화물을 형성하기 위해 천연 가스와 반응하는 비화학양론적 양으로 사용될 뿐만 아니라 작동 탱크 압력에서 클라트레이트의 임계 안정화 온도 미만의 온도로 유지하기 위한 인시츄 히트 싱크(heat sink)로 사용된다;

ㆍ 가압 및 후속 혼합 전에, 가압 및 후속 혼합 과정에서, 그리고 열 교환기를 통해 처리하는 동안 물을 냉각시키는 능력에 따라, 올바른 물 대 가스 비를 정확하게 도입해야 한다;

ㆍ 처리 용기의 체적은 시차 회전(staggered rotation)에서 몇 개의 컨테이너가 사용되는지에 따라 다르며, 이는 다시 천연 가스가 NGCH로 얼마나 빨리 변환될 수 있는지에 따라 다르다;

ㆍ NGCH 형성 과정이 특정량의 주입된 천연 가스에 대해 완료되고 대부분의 가스가 소비되면, 2회(심지어 3회 및 4회 사이클)의 분사를 실행하면 이에 따라 더 많은 가스가 상단부에서 유입되고 바닥부로부터 어느 정도의 가온된 물이 제거되어 룸(room)을 만들 수 있다;

ㆍ 반응을 모니터링하기 위해 정밀한 온도 및 압력 센서가 요구된다;

ㆍ 높은 부력은 탱크 1 분리기와 마찬가지로 탱크 2 반응기와 관련되어 있으므로, 탱크를 고정하기 위해 유사한 타이 다운 스트랩 시스템(tie down strap system)이 필요할 것이다. (타이 다운 스트랩 시스템의 힘 센서(force sensor)는 모든 반응 지점에서 컨테이너에 남아 있는 천연 가스의 양을 알려줄 수 있음을 유의한다)

탱크 3, NGCH 수집/선적 컨테이너.

제조되는 고체 NGCH의 양은 예를 들면 약 300㎥/hr 또는 7,200㎥/day일 수 있다. 길이 대 직경 비 L/D = 4를 가정하여 연장될 수 있는 접이식 가요성 백을 가정하면, 직경 측면에서의 체적은 V = π D ³ 로 제공되어

이다. 따라서 1개 백이 4시간마다 충전되면, NGCH의 체적은 V = 1,200㎥이고 직경은

이고 길이는 L

29.2m이다. 1개 백이 6시간마다 충전되면, 체적은 V = 1,800㎥이고, 크기는 D

8.3m 및 L

33.2m이다. 따라서, 서로의 상단부에 적층된 NGCH 디스크로 이와 같은 백이 충전되는 경우, 이의 직경은 적어도 7미터여야 한다. 반면, 더 작은 NGCH 솔리드 실린더 또는 사각 단면 프리즘으로 이루어진 규칙적인 충전은 다음과 같은 접근이 가능할 것이다.

솔리드 실린더에서의 클라트레이트 처리

NGCH 슬러리는 길이 대 직경 비가 예를 들면 약 4인 솔리드 실린더로 압축될 수 있다. 이러한 경우 실린더의 체적은 V = π D ³ 이다. 고체 NGCH의 유량 300㎥/hr를 고려하면, 솔리드 실린더가 1시간당 처리되는 양과 크기를 고려하는 것이 유용하다. 예를 들면 솔리드 실린더의 직경이 1m인 경우, 이의 길이는 4m이고 이의 체적은 3.14㎥일 것이다. 따라서, 이와 같은 100개의 실린더는 1시간마다 또는 36초마다 처리될 수 있다. 이는 두꺼운 벽으로 된 Dyneema 실린더를 사용하여 (매우 큰 축 방향 및 후프 응력(axial and hoop stress)을 유지하고, 스크류 구동 프레스 또는 오거를 사용하여) 수행 할 수 있다. 여러 개가 병렬로 실행될 수 있으며, 사실상, 상이한 직경의 실린더를 만들어 효율적인 충전을 가능하게 할 수 있다.

대략 7미터 직경의 백을 채우고 직경 1미터의 실린더를 육각 단면으로 충전하고(도 6) 백 말단으로부터 말단으로(end-to-end) 축 방향 정렬하는 것을 고려한다. 백의 외부가 육각형인 경우, 대각선을 가로 질러 7개의 실린더가 있으며 37개의 실린더는 횡단면을 차지할 것이다. 솔리드 실린더 길이는 4미터이고 백 길이는 약 27미터이다. 말단에서부터 말단까지 7개의 실린더가 있다. 또한 이 경우 충전 밀도는

인 것으로 밝혀져, 이들 치수에서 NGCH의 총 체적은 259㎥이 될 것이므로 300㎥보다 다소 떨어질 것이다. 도 4의 이중 충전의 경우 작은 NGCH 실린더가 직경 비가 0.1547인 큰 실린더들 사이에 충전되어 있으므로 (작은 실린더의 직경이 15.5cm이므로) 충전 밀도는 0.9503으로 증가한다. 그럼에도 불구하고, 부분적으로 압축된 NGCH/물 슬러리로 빈 공간을 채울 수 있다.

선적 백 부력.

4시간 분량의 백에서 부력은 전체가

로 주어지며 6시간 분량의 백에서는

이다. 이들 부력은 가스/오일 분리기 탱크 1(286,000 lbf) 및 처리 탱크 2(613,000 lbf)의 경우와 동일한 크기이다. 따라서, 백을 채우는 동안, 탱크 1 및 탱크 2의 것과 유사한 타이-다운 스트랩 시스템이 필요할 수 있다.

백 투과성 및 절연성.

NGCH 컨테이너 또는 백의 벽은 약간의 투과성을 가질 수 있으며, 컨테이너가 해수면으로 운반될 때 수온이 상승하고 정수압이 떨어짐에 따라 클라트레이트 수화물의 재가스화(용융(melting))를 방지하기 위해 열전도율이 낮을 것이다. 절연 블랭킷/삭(insulating blanket/sock)은 해저에 배치될 때 백에 내장될 수 있거나 내장되지 않을 수 있다. NGCH 실린더가 해수면에 도달할 때 추가되는 절연 블랭킷이, 해수면에 채워지는 동안 관리가 어려운 벌크 및 부력 문제를 피하는 것이 바람직할 수 있다. NGCH는 보호용 얼음 코팅을 개발할 수 있으며(참조: Takeya et al., Journal of Physical Chemistry C 2012; 116(26):13842-13848), 따라서, 추가의 분해를 효과적으로 지연시키는 자가 보존 상태가 된다(참조: Stern et al., Journal of Physical Chemistry B 2001; 105(9):1756-1762). 또한, 이러한 보호 필름을 개발한 후, NGCH의 큰 해리 엔탈피(얼음의 용융보다 1kg당 40% 더 높음)는 열의 지속적인 대량 공급이 없으면 쉽게 해리될 수 없으며 이에 따라 분해가 더욱 느려진다는 것을 의미한다. 또한, 해리는 자유 기체의 방출을 야기하는데, 이 자유 기체는 클라트레이트 표면 상에서 절연체로서 그리고 특정 조건하에서는 포획된 경우 구조물의 안정화로서 희생적으로 작용할 수 있다.

시스템 부력.

3개 탱크 전부 및 관련 장비에 대한 최대 총 부력은 130만 lbf 또는 650톤 또는 590톤 정도로 클 것이다. 이 값은 더 작은 백을 더 빈번하게 채워줌으로써 다소 감소될 수 있지만, 부력의 주요 원인은 탱크 2이다. 이러한 하중을 원근감 있게 배치하기 위해, 130만 lbf의 하중은 2개의 3인치 직경의 강 로프(steel rope)의 파괴 강도의 합이 된다. 대안적으로, 강도가 100,000psi인 고강도 강 로프의 경우, 13in²의 재료가 필요하므로 지름

가 될 것이다. 분명히, 이러한 하중은, 시스템이 부착되는 경우 웰-헤드 및 파이프에 대한 주요한 축 방향 하중 요구를 증가시키며, 굽힘 하중을 최소화하기 위한 부품을 조심스럽게 배치하는 것이 필요할 것이다. 백을 채우는 동안, 부력이 생기고, 탱크 1과 2에서와 같이 대규모 타이 다운이 필요하다. 대칭이 필요하며, 가능하게는, 축 대칭 기하학에 가까운 다수의 더 작은 백과 반응기가 배열/균형을 이루고 있다. 반면, 폐쇄형 방출계의 파이프 압력 6,000psi와 파이프 직경 D의 경우, 130만 lbf의 분출력(blowout force)을 저지하기 위해 파이프 직경은

일 필요가 있다.

일반적인 설명

본 발명은, 정수압이 높고 물이 차가운(이들 조건은 둘 다 클라트레이트 수화물의 형성에 요구된다) 심해에서 처리를 수행함으로써, 스트랜디드 가스, 통상적으로 천연 가스(대부분 메탄) 및 가능하게는 또한 수소를 고체 클라트레이트 수화물(불타는 얼음)로 전환시킨다.

본원에 기재된 방법은, 임의로 해저에 웰을 뚫어, 해저의 깊은 탄화수소 저장조(오일 및 가스)로부터 천연 가스를 추출하는 제1 단계를 특징으로 한다. 저장조로부터 비롯되는 탄화수소 성분에 따라, 웰은 가스만을, 또는 가스와 오일의 혼합물을 수득할 수 있다. 가스-오일 혼합물의 경우, 특별히 설계된 분리기를 통해 해저에서 오일이 가스로부터 분리된다. 이어서 오일 성분은 해수면으로 파이핑되어 일반적인 방식으로 처리된다. 가스 천연 가스 성분에서 파편이 세정되고, 이는, 해저 상에서, 고체 수화물을 형성하고 해수면으로의 운송을 위한 대형 선적 컨테이너로 이를 배치하기 위해 설계된 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비로 파이핑된다.

해수면 바로 아래의 배출 파이프 내의 오일 또는 가스의 압력은 통상적으로 해저의 수압보다 훨씬 높다. 몇 가지 종류의 유량 제한기를 포함할 수 있거나 포함할 수 없는, 해저로부터의 출구 지점에서 발생하는 가스 팽창은 터빈을 통한 발전(전기 또는 기계)을 위한 수단을 제공한다.

해수면 바로 아래의 배출 파이프 내의 오일 또는 가스의 압력은 통상적으로 해저의 수압보다 훨씬 높다. 몇 가지 종류의 유량 제한기를 포함할 수 있거나 포함할 수 없는, 해저로부터의 출구 지점에서 발생하는 가스 팽창은 터빈을 통한 발전(전기 또는 기계)을 위한 수단을 제공한다(잠재적으로 이 특허의 일부이다).

본원에 기재된 방법은 웰-헤드에서의 천연 가스/오일 분리 공정, 생성된 천연 가스의 고체 NGCH로의 처리 시스템, 및 해수면으로 운송하기 위한 고체 NGCH를 갖는 선적 컨테이너의 충전을 제공한다. 이 시스템은, 전체 처리 시스템 설계 및 사용된 재료, 뿐만 아니라 운송 컨테이너 설계 및 사용된 재료를 포함한다.

NGCH 의 효율적이고 신속한 형성에 관한 기술적 문제:

심해는 MCH와 NGCH를 형성하고 처리하는 이상적인 환경인 것처럼 보이지만, 다량의 탄화수소 가스를 고체 클라트레이트의 대형 컨테이너에서 효율적으로 연속으로 전환시키는 데에 있어서 극복해야 하는 여러 기술적인 문제가 있다. 이러한 컨테이너를 해저로부터 해수면으로 성공적으로 운송하는 데에도 문제가 있어, 이는 NGCH의 안정성을 얼마 동안 유지할 수 있어야 한다. 즉, NGCH가, 대기 중으로 빠져 나갈 수 있는 액상의 물과 천연 가스로 현저하게 조기에 분해되지 않아야 하며, 이는 컨테이너에 부착된 복잡한 냉각 또는 가압 시스템 없이 이루어져야 한다.

MCH 및 NGCH의 컨테이너를, 클라트레이트를 가스와 염이 거의 없는 물로 분해하도록 설계되어야 하는 클라트레이트 처리 중심부로 실제로 장거리 운반하는 데에도 문제가 있다. 가스 파이프라인으로 펌핑될 수 있는 회수된 천연 가스 이외에는, 이 처리는, 직접 접촉하거나 열 교환기를 통해 접촉하여 임의의 주변의 물로부터 다량의 열을 흡수한다. 사실상, 이러한 처리 설비는 대도시 근처에 있으며, 클라트레이트가 용융하여 열을 흡수함에 따라 건물을 냉각시킬 기회가 있다. 또한, 회수된 물은 염이 거의 없어, 잠재적으로는, 담수가 덜 풍부하고 심지어 거의 없는 지역에서의 담수 공급원이다.

천연 가스와 물을 혼합하면, NGCH 형성 공정은 주변 물로의 열 흡수 속도에 의해 제한된다. 예를 들면, 메탄과 물로부터의 MCH의 생성 엔탈피는 물의 얼음으로의 결빙 엔탈피보다 1킬로그램당 40% 더 높다(MCH 형성 엔탈피 441kJ/kg 대 물의 얼음으로의 결빙 엔탈피 334kJ/kg). 이 사실의 중요성을 인식하기 위해, 1kg의 MCH를 형성하는 동안 방출되는 열의 양은, 0℃ 빙점 바로 위에서부터 100℃ 비등점까지 액체 물을 가온시키는 데 필요한 열에 해당하며, 이는, 발생된 열을 흡수하고 전도시키기 위해서는 다량의 냉수가 MCH 형성 공정에 관여되어야 힘을 의미한다. 폐쇄된 NGCH 처리 컨테이너와 관련하여 근처의 해양수에 함침되는 열 교환기가 개발되면, 해양수로 열을 효율적으로 전달하기 위해, 물의 유량이 크고 표면적이 넓은 열 교환이 개발되어야 한다.

메탄 또는 천연 가스가 물과 조합되어 MCH 또는 NGCH를 형성하는 속도는, 형성 조건과 열역학적 안정성 경계 사이의 수압 및 수온의 차이에 간접적으로 관련되어 있는 반응의 추진력에 의존한다. 도 1은 해양의 상 평형 프로파일(온도 대 압력 곡선)을 보여준다. 이들 곡선의 좌측 영역은 수화물 클라트레이트 형성을 허용하는 조건을 반영하고 우측 영역은 그렇지 않은 경우의 조건을 반영한다. 이들 곡선은 전이 온도를 나타낸다. 예를 들면, 해양 800m 깊이에서, 메탄은 9℃(48℉) 미만의 온도에서 물과 조합되어 MCH를 형성하지만, 천연 가스의 경우, NGCH 형성을 위한 전이 온도는 약 18℃(64℉)에서 유리하게 높다. 동시에, MCH와 NGCH를 형성하기 위한 9℃(48℉)의 주어진 전이 온도에 대해, NGCH의 형성은 MCH의 경우인 800m가 아닌 300m의 더 낮은 해양 깊이만을 요구한다. 고체 클라트레이트 수화물 입자 형성 장소 주변의 지역수(local water)의 가온을 위한 더 많은 '헤드룸(headroom)'이 있기 때문에, 클라트레이트 형성의 열(엔탈피)을 흡수하는 것이 가능하다.

연구에 따르면, 고체 MCH를 통한 열 전달 속도 및 기체 이동 속도는 느려서(참조: Kuhs et al., Journal of Physical Chemistry B 2006; 110(26):13283-13295; Shi et al., Chem. Eng. J. 2011; 171(3):1308-1316; Falenty et al., Journal of Physical Chemistry C 2013; 117(16):8443-8457), MCH는 미세 구체 또는 박편(~1mm 크기)으로 우선 형성되어야 한다. 사실상, MCH는 작은 가스 버블의 표면 상에 솔리드 쉘로 형성되어 궁극적으로 껍질 내부의 일부 가스를 포획하는 경향이 있고(참조: Warzinski, et al., Geophysical Research Letters 2014; 41(19):2014GL061665), 정체 또는 정지된 유동에서의 확산 공정은, 가스가 쉘을 통과하여 외벽(outside)에서 물과 결합하는 데에 요구된다. 이는 본질적으로 느린 공정이다. MCH 형성 공정을 가속화하기 위해, 이들 클라트레이트 수화물 쉘이 형성됨에 따라 연속으로 산산이 부서지고 파괴된다. 또한, 길고 편평한 타원형 버블이 구형 버블보다 바람직하다. 따라서 예를 들면 격렬한 교반을 통해 가스 물 혼합물을 함유하는 유동의 높은 전단 속도는 이러한 길다란 형상을 촉진시킨다. 나트륨 도데실 설페이트(SDS)와 같은 소량의 계면활성제는 가스 버블의 크기를 감소시키는 유익한 효과를 가지며, 이는 버블의 표면적 대 체적 비를 크게 증가시키고, 이에 따라 MCH 형성 속도를 크게 증가시킨다.

중간 단계는, 특정 비의 천연 가스와 냉수의 일부 양을 특정 내부 압력하에 밀폐 또는 반-밀폐 컨테이너로 도입하는 것을 특징으로 할 수 있다. 시간이 지나면 잔류 가스와 함께 NGCH와 물의 슬러리가 형성되고, 이 공정에서 생성된 열은, 이용 가능한 물의 온도를 시스템 온도가 도 1에서 상 평형에 도달하는 지점까지 상승시킨다. 해당 온도에 접근함에 따라 NGCH를 형성하는 천연 가스와 물의 추가 반응이 지연된다. 이러한 지점에서, 온도를 낮추기 위해 더 차가운 물이 교반하에 첨가될 수 있고, 잔류 천연 가스를 교반하고 슬러리 내로 재주입함으로써 클라트레이트 형성 공정이 계속된다. 충분한 물이 첨가되어 궁극적으로 모든 가스가 클라트레이트로 전환될 수 있고(큰 분획) 또는 물에 용해될 수 있다(작은 분획). 슬러리를 거르고 압축하여 물을 짜내어 해양으로 방출함으로써, 클라트레이트/물 슬러리로부터 물을 짜낼 수 있다. 이 추출된 물은 처리 과정에서 열을 제거하는 수단이 된다. 일정량의 메탄 또는 천연 가스가 물에 용해되거나 나노버블의 형태로 분산될 수 있으며, 이에 따라 해양으로 손실되어, 공정이 다소 덜 효율적이게 될 수 있다. 도 1의 전이 (상 평형) 라인 좌측에서 사용할 수 있는 압력 및 온도 범위에 따라, 포함된 물의 체적은 생성된 고체 NGCH 체적의 10배 정도일 수 있으며, 천연 가스의 15%가 물에 분산 또는 용해되어 해양으로 배출되어 효율이 저하될 수 있다. 환경적 관심 또한 증가할 수 있지만, 이러한 깊이에서 분량의 손실된 가스는 해양에서 미생물에 의해 추가로 희석되고 소비될 수 있어 해수면과 대기에 도달하지는 않는다(참조: Rehder et al., Marine Chemistry 2009; 114(1-2): 19-30). 따라서, 초기에 적은 양의 물을 갖고, 온도가 상승하면 슬러리로부터 물을 제거하고, 해양수에 함침된 밀폐된 열 교환기를 통해 물을 펌핑하여 이 물을 냉각시키고, 이어서 밀폐된 반응 용기에서 이 냉각수를 클라트레이트 수화물 형성 공정으로 재주입하는 것이 바람직하다. 궁극적으로 모든 천연 가스가 NGCH를 형성할 때, 남아 있는 액체 물을 짜내어 해양으로 주입할 수 있다. 이러한 방식으로, 해양수로 분산된 용존 가스의 손실은 최소로 유지된다. 어떤 방식으로든, 주어진 양의 천연 가스를 고체 NGCH로 전환하는 것은, 생성된 모든 열의 제거 및 해양으로의 소멸을 요구하고, NGCH 슬러리로부터의 미사용된 물을 짜내어 고체를 형성하여 이후 선적 컨테이너 내에 배치하는 것을 요구한다.

전술된 문제점을 설명할 뿐만 아니라 통상의 웰로부터 실질적으로 중요한 가스 유량을 수용하는 반응 용기가, NGCH 처리 수행을 위해 개발될 것이다. 그렇게 할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같다:

(i) 열교환기와 컨테이너 밖으로 유체를 펌핑하고, 변환 과정을 가속화하기 위해 가스 버블 주위의 클라트레이트 수화물 쉘을 파괴하는 메커니즘을 작동시키고, 물을 NLCH 물 슬러리 밖으로 짜내어 고체를 형성킬 수 있는 동력을 가질 필요가 있다;

(ii) 천연 가스를 고체 NGCH 등으로 처리하고 해수면으로 운반하기 위해 이를 효율적으로 저장하는 하나 이상의 컨테이너 공정을 가질 필요가 있다. 컨테이너는 커야 하며, 정상 상태에서 NGCH로 처리된 오일로부터 메탄 또는 천연 가스가 분리될 수 있는 속도에 따라 큰 부력을 발생시킬 것이다. 간단히 말해서, 1리터의 천연 가스를 대략 1리터의 NGCH로 전환하는 데 평균적으로 더 오래 걸릴수록, 부분적으로 전환된 가스 리터의 부력은 더 오래 억제되어야 한다.

항목 (i)은 웰-헤드로부터의 가스 배출 지점에서 가스 터빈의 설치에 의해 수용될 수 있으며, 파이프 위 및 해수면 바로 아래로 주행하는 가스의 압력이 해저에서의 고압 환경보다 높아서, 이용될 수 있는 가스를 큰 압력 차로 현저하게 팽창시켜 동력을 생산할 것이기 때문이다. 항목 (ii)는, 거의 중성으로 부유 가능하고 극도로 강하고 유연한 섬유질 재료를 사용함으로써, 특히 NGCH 수송 컨테이너에 대해 경우 실제로 수행할 수 있다. 이러한 재료는 심지어 원격으로 작동되는 수중 차량에 의해 대략 용이하게 이동할 수 있는 접이식 컨테이너의 개발을 가능하게 할 수 있다. 처리의 특정 측면을 수행하는 더 작은 반영구적으로 설치된 컨테이너를 제외하고는, 이들 요건은 본질적으로 금속 컨테이너의 사용을 배제한다.

가스 유량 및 공정 요건:

딥워터 호라이즌 사고(Deepwater Horizon Disaster)에서 마콘도 웰의 분출(blowout)은 멕시코 만에서 거의 1500미터의 깊이에서 발생했으며 가스 성분(대부분, 해당 깊이에서 약 15MPa로 압축된 메탄)의 체적 유량은 9.372㎥/min 또는 562.32㎥/hr이었다. 15MPa와 4℃ 조건하에, 0.877리터의 메탄 가스가 1리터의 MCH를 형성하게 된다. 따라서, 대부분 분출물보다 15 내지 100m 높은 곳에 형성되는 고체 MCH 또는 NGCH의 효과적인 형성은 10.69㎥/min 또는 641.21㎥/hr이었다. 이후, 이러한 클라트레이트 수화물은 해류에서 흘러 나와, 해수면으로 상승하면서 결국 용융되었고, 이에 따라 사실상 모든 천연 가스가 해수에 용해되어 미생물에 의해 소비되었다. 웰을 빠져 나가는 전체 탄화수소(가스+오일) 중, 질량 기준으로 가스 성분은 전체의 약 25%이고 체적 기준으로 가스 성분은 60%이다.

마콘도 웰로부터의 천연 가스 유동 성분은 작지만, 이는, 건설되고 있는 488m 길이의 쉘 프렐류드 부유식 액화 천연 가스(FLNG) 처리 선박의 제안된 처리 능력과 비교할 만하다. 여러 가스 웰(gas well) 위로 선박을 띄워, 가스의 온도를 -163℃로 낮추기 위해 거대한 냉각 장치를 사용하여 천연 가스를 액화 천연 가스로 처리하는 것이 제안되었다. 추출된 열은, NGCH를 형성하는 1kg당 엔탈피와 유사하며, 주변 해양으로 배출된다(도 3). 크기와 비용에도 불구하고, 프렐류드가 처리하게 될 천연 가스의 제안된 양(kg)은 실제 마콘도 웰 분출물을 빠져 나가는 천연 가스 양의 5배에 불과하다. '기준선 계산'을 위해 마콘도 웰로부터 절반 정도의 가스 유동을 가정하면, 거대한 쉘 프렐류드 FLNG에서 처리된 것의 10%가 된다.

고체 MCH는 약 1500미터 깊이에서의 밀도

를 가지며, 압축된 1리터의 메탄 가스는 대략 1킬로그램의 MCH를 생성한다. 동시에, 이 15MPa 압력과 4℃에 가까운 온도에서 메탄 가스의 밀도는

여서, MCH와 같이 밀도가 약 15%로 높다. 더 낮은 깊이와 압력에서 가스 밀도는 더 적으며 1리터의 MCH를 형성하는 데 필요한 가스 체적은 비교적 더 크다. 한 가지 중요한 문제는, 밀도가 훨씬 더 낮기 때문에(해당 깊이에서 가스 밀도는 해수의 밀도의 1/7 정도이기 때문에), 일정량의 천연 가스를 처리하는 동안 생성되는 부력은, 마콘도 웰 유동과 유사하게, 잠재적으로 매우 크다.

설계 계산을 위한 기준선 압력 및 가스 유량

처리 성분, 반응 속도, 컨테이너 크기 및 부력의 측면에서 전체 공정을 결정하기 위해, 마콘도 웰 분출물에서 통제되지 않은 것보다 다소 낮은 유효 가스 유량 및 그에 따른 MCH 형성 속도를 가정하여 계산을 수행하였다. 유량은, 막히고 부분적으로 밀폐된 분출 방지기(blowout preventer)를 통해 필수적으로 발생하는 유동 제한에 의해 제어될 수 있다. (몇몇 견적에 따르면, 절단된 파이프(severed pipe) 아래의 완전 개방형 분출 방지기는 유량을 약 33%로 적당히 증가시킬 것이다) 따라서 5.0㎥/min 또는 300㎥/hr과 동등한 것으로 가정하면, 마콘도 웰로부터의 가스 유동 성분의 절반을 약간 넘는 것이 15MPa하에 존재한다. NGCH에도 적용되는 MCH 밀도

에서, 이는 해수면으로 운송하기 위해 컨테이너에 배치되어야 하는 고체 NGCH 4500kg/min 또는 270,000kg/hr을 수득한다. 기준선 계산에서 고려된 천연 가스의 양은 여전히 수십억 달러인 쉘 프렐류드 FLNG선의 처리 능력의 약 1/10으로, 여전히 상당한 양이다.

마콘도 웰의 15MPa보다는 800m 또는 8.24MPa의 더 완만 한 깊이를 가정한다. 이 압력에서 천연 가스는 15MPa보다 체적이 약 1.82만큼 크므로, 이의 밀도는 이 압력에서 메탄의 밀도와 비슷하여, 즉

일 것이다. 사실상, 천연 가스는 에탄과 프로판을 더 많이 함유하고 밀도가 약간 더 높아질 수 있다. 따라서 NGCH 1리터 또는 0.90kg을 생산하기 위해서는 (0.877)(1.82) = 1.6리터의 가스가 필요할 것이다. 이러한 조건을 고려하여 설계하면 시스템이 잠재적으로 작동할 수 있는 광범위한 해양 깊이가 허용된다. 공정 및 봉쇄 제약에 관한 계산이 수행되었다.

공정 컨테이너 계산

반응 챔버가 300㎥/hr의 NGCH를 처리하기 위해 제조된 것으로 가정하면, 8.24MPa에서 546㎥/hr의 가스가 필요하고 온도는 4℃이다. (다중 반응 챔버는 비교적 크기가 작을 것이다) 처리 설비의 해양 깊이와는 무관하게, NGCH를 형성할 때 시간당 발생하는 열은 약 (441kJ/kg)×(270,000kg/hr) = 1.19×10⁸kJ/hr, 또는 1.99×10⁶kJ/min, 또는 3.31×10⁷J/sec이다. (이는 33.1메가와트 또는 44,400hp과 동일하며, 도시 옆의 처리 장소에서 NGCH를 천연 가스로 재전환시키는데 관련된 엔탈피로부터 가능한 도시 건물 냉각 잠재력에 대한 몇 가지 아이디어를 제공한다) 열 추출 온도차가 10℃이고(도 1 참조) 천연 가스의 통상의 메탄, 에탄 및 부탄의 혼합 및 깊이 800m를 가정하면, 이 열량의 추출은 시간당 2,700,000kg의 해수를 대략 10℃ 가열하는 것에 해당한다. 다른 방법으로 볼 때, 수냉을 위한 열교환기가 사용되지 않는다면, 실제 형성된 클라트레이트의 질량으로 인해 클라트레이트 형성으로부터의 열 흡수에 10배 이상의 해수가 관여되어야 한다.

연속 유동하는 모든 천연 가스가 컨테이너에서 다음의 조건하에 NGCH로 재전환되는 것으로 가정한다: (i) 반-밀폐 컨테이너에서, 유효한 1/2시간 가스 체류가 발생하고(이는, 컨테이너가, 시스템에 유입되는 가스 유동의 1시간의 절반과 동일한 가스 체적을 항상 가질 것이라는 것을 의미함), (ii) 열교환을 유지하기 위해 충분한 양의 물이 공급되어 출입하고, (iii) 시간당 유입되는 가스의 절반이 전환되는 것에 상응하는, 평균 NGCH가 컨테이너 내에 있고; (iv) NGCH와 같은 10배의 물이 주어진 시간에 컨테이너에 있어야 하며 열을 제거하기 위해 이에 걸쳐 유동한다. 이들 조건하에, 컨테이너는 대략 2000㎥의 체적을 가져야 하며, 이 중 대부분은 생성된 것을 회수하기 위해 해수를 흡수함으로써 점유된다. 이를 전체적으로 보기 위해, 직경 10미터 및 길이 25미터 정도의 원통형 컨테이너가 필요하다. 컨테이너의 크기를 줄이려면, 가온된 물을 연속으로 추출하고, 물을 펌핑하고, 외부 열교환기를 사용하여 800m 깊이의 해수 온도까지 물을 냉각시킨 다음, 물을 교환기로 다시 펌핑하여 이를 가스와 함께 재 혼합하여 NGCH/물 슬러리를 형성시킬 필요가 있다. 이것이 물의 양의 1/5만이 시간당 체류에 필요하도록 이루어지는 경우, 컨테이너 체적은 유동하는 천연 가스를 NGCH로 처리하기 위해 아마 700㎥로 감소될 수 있다. 이는 직경 7m 및 길이 18m 정도인 상당히 작은 원통형 컨테이너를 요구한다. 또한, 유리하게는, 재순환된 물은 공정을 돕는 포화 상태의 용액 중에 메탄을 함유하고, 신선한 차가운 해수를 펌핑함으로써 발생하는 손실을 줄이고, 상당량의 용존 천연 메탄 가스를 갖는 가온된 물을 빠져 나갈 수 있다.

큰 부력을 고려해야 한다. 이들 부력은 주로 시스템 내의 가스에 의해, 임의의 주어진 시간에 그리고 시스템 내의 보다 적은 MCH로 구동된다. 메탄 가스의 체적

및 800미터 깊이에서의 물과 메탄 가스의 상응하는 밀도를 가정하면, 가스만의 부력은

이다.

공정 챔버 체류시 임의 시간에서의 MCH의 용적

에 있어서, 챔버 내에서의 MCH의 부력은

이다.

이들 두 개의 합은 약 613,000 lbf의 힘이고, 이는 저지될 필요가 있는 처리 컨테이너의 부력에 관한 몇 가지 아이디어를 제공한다.

상당한 추가 공정 압력을 유지하는 컨테이너

800m 깊이에서 더 효율적으로 작동하는 것이 보조 압력 지원에 의해 가능하며, 심지어, 0℃에 가까운 냉수가 제공되는 더 낮은 깊이에서 작동하는 것이 가능하다. 클라트레이트 처리용 반응기로서 작동하는, 복합재료로 덮인 압력 용기(composite overwrapped pressure vessel)가 개발될 수 있으며 이는 예를 들면 추가의 340미터 깊이에 상응하는 3.5MPa(~500psi)의 델터 압력에서 작동한다. NASA NORS T-1000 카본/에폭시 압력 용기(20인치 직경, 1인치 두께의 오버랩 벽(overwrap wall))로부터의 크기 조정은 필요한 것의 표시를 제공한다. 당해 탱크는 27,000psi(186MPa)의 파열 강도(burst strength)를 가졌으며, 압력 13,500psi의 절반의 작동 압력을 가정한다(SF = 2). 500psi에서, NORS 용기 직경은 20"×0.0254×13,500/500 = 13.7미터로 조정된다. 5/2의 길이 대 직경 비에 있어서, 이는 잠재적으로 4000㎥ 탱크가 될 것이다. 벽 두께는 아마 0.6인치로 줄어들 수 있을 것이다. 이는 가압 시스템의 잠재성에 대한 아이디어를 제공한다.

기본 설계의 개략도가 도 4에 도시되어 있다.

Claims

지하 환경에서 오일 및 가스의 탄화수소 저장조(reservoir)로부터 천연 가스를 추출하는 방법으로서,
(a) 임의로 해저(ocean floor)에 웰(well)을 뚫어 탄화수소를 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물로서 추출하는 단계;
(b) 탄화수소를 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물로서 추출하는 단계;
(c) 분리기에서 상기 천연 가스로부터 오일을 분리하는 단계;
(d) 상기 오일을 해수면(ocean surface)으로 임의로 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 단계;
(e) 상기 천연 가스에서 파편(debris)을 세정하는 단계;
(f) 상기 천연 가스를 해저 가스/클라트레이트 수화물(clathrate hydrate) 처리 설비로 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 단계;
(g) 상기 천연 가스를 변형시켜 고체 수화물(solid hydrate)을 형성하는 단계; 및
(h) 상기 고체 수화물을 해수면으로 운송하기에 적합한 선적 컨테이너로 상기 고체 수화물을 수집하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, i) 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송하기 위해, 해수면에서 상기 선적 컨테이너를 더 큰 운송 캐리어로 비우는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, i) 상기 고체 수화물을 함유한 상기 선적 컨테이너를, 천연 가스로 재전환시키기 위한 목적지로 운송하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
지하 환경에서 천연 가스 수화물의 매장지(reserve)로부터 천연 가스를 추출하는 방법으로서,
(a) 임의로 해저에 웰을 뚫어 탄화수소를 천연 가스로서 추출하는 단계;
(b) 상기 천연 가스에서 파편을 세정하는 단계;
(c) 상기 천연 가스를 해저 가스/클라트레이트 수화물 처리 설비로 운송, 펌핑 또는 파이핑하는 단계;
(d) 상기 천연 가스를 변형시켜 고체 수화물을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 고체 수화물을 해수면으로 운송하기에 적합한 선적 컨테이너로 상기 고체 수화물을 수집하는 단계
를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서, f) 제4항의 방법으로부터 발생한 열을 다시 천연 가스 수화물의 매장지로 재유도하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
지하 환경으로부터 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하고 이를 고체 수화물로 전환시키는 방법으로서,
a) 천연 가스 또는 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하는 단계;
b) 오일과 천연 가스의 혼합물을 추출하는 경우, 제1 탱크 또는 용기에서 상기 오일과 천연 가스의 혼합물로부터 상기 천연 가스를 분리하는 단계;
c) 상기 천연 가스를 해저 제2 탱크 또는 용기로 운송하는 단계;
d) 물을 상기 해저 제2 탱크 또는 용기로 도입하는 단계;
e) 상기 천연 가스와 물을 혼합하여 천연 가스 클라트레이트 수화물(NGCH)/물 슬러리를 형성하는 단계;
f) 상기 NGCH/물 슬러리로부터 과량의 물을 제거하여, 클라트레이트를 포함하는 고체를 형성하는 단계; 및
g) 클라트레이트를 포함하는 상기 고체를 운송 가능한 형태로 처리하는 단계
를 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, h) 클라트레이트를 포함하는 상기 고체를 교반하거나 상기 고체에 압력파를 가하여 클라트레이트 입자의 추가 성장을 촉진시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, h) 클라트레이트를 포함하는 상기 고체를 실질적으로 관형인 형태로 성형하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, i) 클라트레이트를 포함하는 상기 고체를, 해수면으로 운송하기에 적합한 용기 내에 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 상기 천연 가스와 물을 혼합하여 NGCH/물 슬러리를 형성하는 단계가, (i) 상기 해저 제2 탱크 또는 용기의 상단부에서 가스 포켓(gas pocket)에 물 안개를 분무하는 단계, (ii) 상기 해저 제2 탱크 또는 용기의 상단부에서 가스 포켓으로부터 천연 가스를 끌어내고 이를 상기 해저 제2 탱크 또는 용기 바닥으로 펌핑하는 단계로서, 천연 가스를 버블로 분사하고 이는 상기 해저 제2 탱크 또는 용기의 물을 통해 상승하는, 단계, (iii) 가스 포켓 아래에 축적된 상기 NGCH/물 슬러리를 교반하고 전단하여, 가스 버블 주위에 형성되는 클라트레이트 수화물 쉘을 파괴하는 단계, 및 (iv) 상기 해저 제2 탱크 또는 용기 내부로부터 취한 가스와 물의 혼합물을, 주름진 표면(corrugated surfaces)을 갖는 두 개의 이격된 솔리드형(soild) 엇회전식 플레이트(counter-rotating plates)의 중심부로 펌핑하여, 타원형 가스 버블 주위에 형성되는 임의의 클라트레이트 슬러리 쉘을 파괴하는 전단 필드 및 국부적인 맥동압을 제공하는 단계로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법을 포함하는, 방법.
제6항에 있어서, 주위 물 온도가 2℃, 3℃, 4℃, 5℃, 6℃ 또는 7℃인, 방법.
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