KR20110125630A - 지질학적 형성물들 내에 이산화탄소를 저장하는 동시에 탄화수소 수소화물들로부터의 천연가스 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다음의 단계들을 포함하고, 공급된 이산화탄소가 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 하는, 메탄 수화물들로부터의 메탄 추출방법에 관한 것이다: 이산화탄소를 메탄 수화물 매장물로 공급하는 단계; 이산화탄소가 메탄 수화물에 작용하도록 하여 메탄을 방출하고, 이산화탄소 수화물로서 이산화탄소를 저장하는 단계; 및 방출된 메탄을 제거하는 단계,

Description

지질학적 형성물들 내에 이산화탄소를 저장하는 동시에 탄화수소 수소화물들로부터의 천연가스 제조방법{METHOD FOR PRODUCING NATURAL GAS FROM HYDROCARBON HYDRATES WHILE SIMULTANEOUSLY STORING CARBON DIOXIDE IN GEOLOGICAL FORMATIONS}
본 발명은, 지질학적 심토(subsoil)에 이산화탄소(CO2)를 저장하는 동시에, 가스(gas) 수화물로 저장된 메탄의 생산방법에 관한 것이다.
대량의 천연가스가 해저(sea bed)에 고체의 얼음과 유사한(ice-like) 메탄 수화물로서 저장되어 있다. 이들 천연 저장물들은 아마도, 우리 행성의 기존의 석탄, 석유 및 가스 저장물들 모두에 비해 더 많은 에너지와 탄소(약 3000 Gt의 C)를 포함할 것이다. 따라서, 기체 수화물들은 미래의 천연가스 공급원으로서 중요한 역할을 한다. 메탄 수화물들은 수중 약 400m 아래의 깊이의 거의 모든 대륙붕들에서 확인되었다. 이들은 고압 및 저온에서만 안정하다. 이들은 충분한 유기 탄소가 침전물 내에 저장되어 있고, 압력 및 온도 조건들이 메탄 수화물들 중 메탄의 고정을 가능하게 하는 경우에 발생한다. 많은 연안국들이 많은 천연 매장물(deposits)을 갖는다(예로서, 중국, 인도, 일본, 한국, 브라질, 칠레, US, 캐나다, 노르웨이, 러시아). 이에 더하여, 메탄 수화물들은 땅에서는 영구 동토층(permafrost) 매장물 아래에서 탐지되었다. 이러한 수화물 매장물들은 그중 시베리아, 캐나다 및 알래스카 유래의 매장물들이 잘 알려져 있다.
도 1은 해수 중 메탄의 상(phase) 도표를 나타낸다. 메탄 수화물들은 단지 고압 및 저온에서만 안정하다. 수화물과 가스간의 상 경계면은 제 I 격자유형의 순수한 메탄 수화물 및 35중량%의 염 함량을 갖는 해수의 경우이다.
상기 상 계면은 제 I 형 격자유형을 갖는 순수한 메탄 수화물에 적용된다. 메탄 수화물들은 상이한 격자유형들로 존재한다. 제 I형이 가장 흔하고 가장 널리 존재하는 변형이다.
도 2는 제 I 형 격자유형의 메탄 수화물 클러스터(cluster)를 나타낸다: 이 유형에서, 5.7 물분자에 대해 평균적으로 하나의 메탄 분자가 존재한다. 메탄 분자들은 큰 구체들로 나타낸 한편, 검정색 선으로 연결된 작은 구체들은 물분자들로 형성된 수화물 격자를 나타낸다.
현재, 메탄 수화물 매장물은 천연가스를 생산하기 위해 전 세계에서 개발되고 있다. 천연가스를 추출하기 위하여, 상기 수화물들은 먼저 지질학적 심토내에서 부서져야만 한다. 이 과정에서, 수화물들의 물 케이지(cage)내에 고정화된 메탄은, 기존의 기술을 이용하여 하나 이상의 시추공들(boreholes)을 이용하여 추출될 수 있는 가스로서 방출된다. 현재, 시도되는 상이한 방법들은 본질적으로 하기와 같다:
- 매장물 내 압력의 저하;
- 매장물 내 온도의 증가; 및
- 수화물을 분해하기 위한 화학물질들의 첨가.
US 7,222,673호는 상기 수화물 구조를 파괴하지 않고, 이산화탄소(CO2)를 가스 수화물들로부터의 메탄으로 치환시키는 것을 개시한다. 이 과정에서, 상기 수화물은 액체 CO2와 접촉된다. 상기 반응은, 형성되는 CO2 수화물들이 천연 메탄 수화물들보다 더욱 안정적이기 때문에, 외부에서 공급되는 에너지 없이 일어난다. 이러한 유형의 천연 가스 추출은, 동시에 기후-관련 온실가스로서 지구를 덥게 하는 원인이 되는 CO2가 지하에 안전하게 저장될 수 있고, 따라서 대기로부터 제거될 수 있다는 부가적인 장점을 갖는다. 이 방법의 단점은, 수화물 구조를 유지하는 동안, 치환 반응 속도가 낮아서, 단지 매우 낮은 생산율만이 가능하다는 것이다.
WO 2005/076904호는, 기체 CO2를 메탄 수화물 지역(field) 내로 도입시키므로써 CO2를 해저 아래에 저장하는 방법을 설명한다. CO2 수화물이 형성되고, 방출된 열은 메탄 수화물의 해리(dissociation) 및 메탄의 방출을 일으킨다. 방출된 메탄 가스가 수집 및 이용되도록 설계된다. 높은 함량의 기체 CO2는, 연소에 의해 에너지를 생산하기 위하여 방출된 메탄 가스를 이용하는 경우 단점이 된다. 가능한 생산율은 유사하게 낮은데, 이는 메탄 수화물로부터의 메탄의 방출이 CO2 수화물 형성에 의해 방출된 열의 도움을 받는 경우에만 가능하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 이전에 가능했던 것보다 더 높은 생산률로, 수화물들로부터 탄소 수화물, 특히 메탄을 추출하는 동시에, 지질학적 형성물들 내로 CO2를 저장하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위의 청구항 제 1항의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 하위 청구항들은 본 발명의 유리한 설계를 상술한다.
천연가스의 추출 및 심토에의 CO2 저장을 위해, 초임계 CO2를 수화물 매장물들 내로 주입하는 것이 제안된다. 이 과정에서, 높은 천연가스 생산율이 달성되도록, 메탄 수화물은 고속으로 주입공(injection bore) 주변 넓은 범위에서 열적으로 그리고 화학적으로 분해된다.
도 3은 압력 및 온도의 함수로서 해수 중 CO2의 상 도표를 나타낸다. 수화물과 액체 CO2 사이의 상기 상 경계는 제 I 형 격자 유형을 갖는 순수한 CO2 수화물 및 35중량%의 염 함량을 갖는 해수에 적용된다. 중요한 CO2 지점은 7.4MPa 및 31.48℃이다. 보다 높은 온도 및 압력에서, CO2는 소위 초임계 상 내로 이동된다. 이 상의 특별한 점은 기체 상태와 액체 상태 간에 갑작스러운 전이 및 에너지 장벽(barriers)이 없다는 것이다; 기상과 액상이 더이상 구분되지 않는다. 초임계 CO2는 액체 또는 기체와는 다르다. 이는, 단지 느슨하게 상호연결된 CO2 클러스터들로 이루어진다. 수화물들로부터 천연가스의 생산이 특히 유리하도록 하는 매우 특별한 속성을 나타낸다.
메탄 수화물들은 열 및 화학적으로 모두 분해되기 때문에, 초임계 CO2는 메탄 수화물들과 매우 쉽고 빠르게 반응한다. 31.48℃가 넘는 온도에서, 메탄 수화물들은 불안정하고, 따라서 초임계 CO2에 의해 용융된다. 메탄 수화물의 열적 분해는, 수화물 구조는 유지되는 한편, 기체 분자들의 느린 교환보다 현저히 더 높은 속도로 일어난다. 동시에, 물 케이지는 CO2 클러스터들과의 화학적 반응에 의해 공격받아 분해된다. 동시에 작용하는 열 및 화학적 에너지들로 인하여, 초임계 CO2를 이용한 메탄 수화물로부터 천연가스의 방출은 액체 또는 기체 CO2를 이용하거나 또는 동일한 온도의 온수를 이용하는 경우보다 더 빠르게 일어난다.
주입된 초임계 CO2 유체는 낮은 점도 및 높은 유동성(mobility)을 나타낸다. 따라서, 포어(pore) 공간 내 저점성 초임계 CO2의 빠른 대류에 의해, 열이 심토에서 빠르게 전파되어, 메탄 수화물들이 주입 시추공 주변 넓은 영역에서 용융될 수 있다. 초임계 CO2의 흐름 성질들로 인하여, 본 발명의, 메탄 수화물로부터 천연 가스의 방출은 동일한 온도의 온수가 사용된 경우보다 현저하게 더욱 효과적으로 진행되며, 이는 동일한 온도에서 초임계 CO2는 온수보다 현저히 더 낮은 점성 및 높은 전파 속도를 갖기 때문이다.
제안된 본 발명의 방법의 추가적인 장점은, 국소 온도 증가로 인하여 주입 시추공 부근에서 CO2 생성이 없거나 매우 적은 CO2 수화물이 생성되어, 공급 파이프들 및 포어 공간의 막힘(clogging)을 피할 수 있다는 사실에 있다.
또한, 제안된 본 발명의 방법에서, 상기 포어 공간 및 잔여 형성수(formation water)가 CO2로 포화되어, 역전 반응, 즉 방출된 천연가스로부터 메탄 수화물의 형성이 회피된다.
제안된 본 발명의 방법을 이용하여, 경제적으로 매력적인 천연 가스 생산율이 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 온수 주입, 압력 저하 또는 화학 성분들의 첨가와 같은, 추가의 메탄 수화물들의 분해 방법들이 필요하지 않다.
초임계 CO2는 심토 내에 잔류한다. 이는 시간 경과에 따라 서서히 냉각되어, 최종적으로 CO2 수화물로 전환될 것이다.
본 발명에 따라, 메탄 수화물은 초기에 용융 및 분해되고, CO2 수화물은 천연가스의 생산이 부분적으로 또는 완전히 종료되고, 열이 전도에 의해 저장소에서 나간 후, 이후의 시점에서 형성된다.
본 발명의 방법은 상이하게 변형되어 구현될 수 있다. 예로서, 별도의 주입 시추공을 이용하여, 매장물 내로 초임계 CO2를 도입시키는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위하여, 시추공은 열적으로 단열되어, 드릴링 플랫폼(drilling platform)과 매장물 사이에서의 열 손실을 최소화하여야 한다. 방출된 메탄 가스는 별도의 시추공을 통하여 추출될 수 있다. CO2 주입 및 천연가스 추출을 하나의 동일한 시추공에 의해 실시하는 것도 가능하다. 또한, 평행 드릴링을 실시하거나 또는 수압파괴(hydrofracturing) 방법들을 사용하여 수화물-함유 침전물 층들의 투과성을 증가시킬 수도 있다.
도 1은 해수 중 메탄의 상(phase) 도표를 나타낸다.
도 2는 제 I 형 격자유형의 메탄 수화물 클러스터(cluster)를 나타낸다.
도 3은 압력 및 온도의 함수로서 해수 중 CO2의 상 도표를 나타낸다.

Claims (6)

  1. 하기 단계들을 포함하는 메탄 수화물들로부터의 메탄 추출방법으로서:
    - 이산화탄소를 메탄 수화물 매장물로 공급하는 단계;
    - 이산화탄소가 메탄 수화물에 작용하도록 하여 메탄을 방출하고, 이산화탄소 수화물로서 이산화탄소를 저장하는 단계;
    - 방출된 메탄을 제거하는 단계,
    상기 공급된 이산화탄소가 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 공급된 초임계 이산화탄소가 7.4MPa 이상의 압력 및 31.48℃ 이상의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 초임계 이산화탄소가 천연 메탄 수화물 매장물들로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 천연 메탄 수화물 매장물들은 침수되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초임계 이산화탄소는 단열 파이프로 메탄 수화물 매장물로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초임계 이산화탄소는 메탄 수화물 매장물 내로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
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