KR20110137786A - 지질학적 형성물 내에 유체를 격리하기 위한 프로세스 - Google Patents
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Abstract
수용성 유체의 지질학적 격리를 위한 프로세스는 저투과성의 상부 형성물에 의해 경계 형성된 목표 함수 지질학적 형성물(target water-laden geological formation)의 선택과, 형성물 내로 주입 우물을 제공하는 것과, 형성물에 유체가 진입하게 하고 형성물 내에서 상승되게 하도록 선택된 온도, 압력 및 밀도 대조의 조건 하에서 주입 우물 내로 유체를 주입하는 것을 포함한다. 이는 형성수와 수용성 유체의 향상된 혼합을 촉진하는 형성수의 밀도 구동 대류 흐름을 생성한다.
Description
본 발명은 유체의 지표하 격리(subsurface sequestration)에 관한 것으로서, 특히 함수 지질학적 형성물(water-laden geological formation) 내의 CO2 및 다른 온실 가스와 같은 수용성 가스의 격리에 관한 것이다.
본 발명은 2009년 3월 11일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/159,335호 및 2009년 4월 28일자로 출원된 미국 특허 제61/173,301호의 우선권을 주장하고, 양 출원의 내용은 그대로 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.
인간 활동은 대기 내의 온실 가스의 레벨에 영향을 미치고, 이는 이어서 세계의 기후에 영향을 미치는 것으로 고려되고 있다. 온실 가스의 대기 농도의 변화는 기후 시스템의 에너지 균형을 변경하는 효과를 갖고, 인위개변(anthropogenic) 온실 가스 농도의 증가는 20세기 중반 이래로 지구의 평균 온도의 대부분의 증가를 발생시키는 가능성이 있다. 지구의 대부분의 풍부한 온실 가스는 이산화탄소, 메탄, 산화질소, 오존 및 클로로플루오로카본을 포함한다. 이들 중 인간 산업 활동에 의해 가장 풍부하게 생성되는 것은 CO2이다.
다양한 전략이 CO2의 영구적인 저장을 위해 고려되어 왔다. 이들 형태는 다양한 심부 지질학적 형성물[염 대수층(saline aquifer) 및 배기 가스전을 포함함] 내의 가스의 격리, 해양 내의 액체의 저장, 및 안정한 카보네이트를 생성하기 위한 금속 산화물과 CO2의 반응에 의한 고체 저장을 포함한다.
지질학적 격리로서 공지되어 있는 프로세스에서, 일반적으로 초임계(SC) 형태의 CO2는 지하의 지질학적 형성물 내로 직접 주입된다. 유전, 가스전, 염 대수층, 난채굴성 석탄층 및 염충전 현무암 형성물이 저장 위치로서 제안되어 왔다. 다양한 물리적[예를 들어, 고도로 불투과성인 덮개암(cap-rock)], 용해도 및 지구화학적 포획 메커니즘은 일반적으로 CO2가 표면으로부터 탈출하는 것을 방지하는 것으로 예측된다. 지질학적 격리는 또한 다른 적합한 가스에 대해 실시될 수 있다.
염 대수층은 고도로 광물화된 염수를 함유하고, 지금까지는 인간에게 거의 이득이 없는 것으로 고려되어 왔다. 염 대수층은 몇몇 경우에 화학적 폐기물의 저장을 위해 사용되어 왔고, CO2를 격리하기 위해 이러한 대수층을 사용하기 위한 시도가 이루어져 왔다. 염 대수층의 주요 장점은 이들의 큰 잠재적인 저장 체적 및 이들의 보편적인 발생이다. 이 목적으로 염 대수층을 실제로 임의로 사용하는 것의 한 가지 단점은, 이들에 대해 비교적 거의 알려져 있지 않다는 것이다. 대기로의 CO2의 재누설은 염 대수층 저장에 있어서 문제점일 수 있다. 그러나, 현재의 연구는 여러 포획 메커니즘이 CO2를 지하에 고정시켜, 누설의 위험을 감소시키는 것을 나타내고 있다.
염 대수층과 같은 다공성 형성물 내에 배치될 수 있는 CO2의 가장 조밀한 농도는 CO2가 초임계 상태-본 명세서에서는 SC-CO2라 칭함-에 있을 때이다. 대부분의 격리 체계는, 재료가 임의의 형성 액체보다 훨씬 낮은 극단적으로 낮은 점도를 갖는 비교적 조밀한 압축성 액체로서 거동할 때 이 초임계 상태에서의 SC-CO2의 주입에 기초한다. 이것의 목적은 염 대수층 내의 대부분 또는 모든 물을 변위시켜, SC-CO2의 다공도의 100% 또는 소정 분율을 대체하는 것이다.
이러한 지질학적 격리 전략의 주요한 예에서, 노르웨이 오일 및 가스 회사인 스탯오일하이드로(StatoilHydro)에 의해 운영되는 슬라이프너(Sleipner) 프로젝트는 근처의 가스 우물(gas well)로부터 회수된 천연 가스로부터 CO2(4 내지 9.5% 함량)를 분리한다. 분리된 CO2는 초임계(SC-CO2) 형태로 변환되고, 해저 아래 1000 m에 위치하는 우트시라 형성물(Utsira Formation)이라 칭하는 염수 함유 모래층 내에 주입된다. CO2의 저장이 안전하게 유지되고 있는지를 조사하기 위해 여러 번의 지진 측량이 행해져 왔다.
최대 용해도 한계에서 물을 갖는 용액 내의 지표하 형성물 내로의 기체 CO2(즉, 초임계 형태에 있지 않음)의 주입은 과거에 다양한 성과와 함께 제안되고 있는 이 가스의 격리에 대한 바람직한 접근법이다. 본 발명에 앞서, 지질학적 형성물 내의 수용액 내에서의 용해에 의한 CO2의 격리의 문제점은 SC-CO2의 주입시에 발생하는 점유보다 훨씬 덜 효율적으로 점유된다. 일단 활성 주입 단계가 완료되면, 다공성 매체 내에서 활성 혼합이 더 이상 존재하지 않는다. 그 후에, 형성수 내에서의 CO2의 용해는 농도차, 접촉 면적 및 확산 경로 길이에 의해 제어된다. 다공성 매체 내에서의 이러한 농도 구배 구동 확산 프로세스와 관련된 질량 전달 속도는 느리고, 지질학적 형성물 내의 수성 상태의 CO2의 완전한 용해에 도달하는데 수천년이 요구될 수 있는 것으로 예측된다.
"감소된 혼합, 장기간 농도 구배 확산"이라는 문제점이 SC-CO2의 주입에서도 여전히 존속한다. SC-CO2 격리를 위해 제안된 높은 주입 속도에서, SC-CO2는 변위 전방부에서 단지 소량의 대류 및 분산 발생 혼합을 갖고 먼저 물을 변위시키고 기공 공간을 직접 점유한다. SC-CO2는 시간 경과에 따라 주입되기 때문에, 증가하는 접촉 영역이 2개의 유체 사이에 발생되고 용해 구역이 발생된다. SC-CO2는 이어서, 대부분 압력 구동 유동(압력 하에서의 SC-CO2의 주입으로 인한 압력 구동 유동)에 의해 발생되는 강제된 이류(advection)와 관련된 확산 및 분산의 결과로서, 이 접촉 영역을 따라 염수 내로 용해되게 된다.
염수와 SC-CO2 사이의 밀도차에 기인하여, 염 대수층 내의 액체를 격리하는 경향이 있을 수 있는 중력이 또한 존재하는데, SC-CO2는 밀도가 더 높은 물 위로 상승하여, 더 열악한 투과성을 갖는 더 미세한 입자인 구역 아래에 "팬케이크(pancake)"를 형성한다(혈암 줄무늬, 실트암 등). 이는 더 균일한 변위를 발생할 수 있는 혼합 성분의 부분을 억제할 뿐만 아니라, 형성물 내의 기공 체적으로의 접근시에 상당한 비효율성을 초래하는데, 주입 지점으로부터 이격된 형성물의 부분은 대부분 임의의 저장 메커니즘(용액으로의 CO2의 용해 또는 변위)에 의해 접근 불가능하다.
일단 주입이 정지되면, 단지 작은 분율의 SC-CO2만이 변위 전방부에서 혼합 및 확산 효과에 기인하여 그리고 이류성 구동력(주입 압력)이 중단되기 때문에 용액 내로 진행된다. CO2는 더 이상 물과 이류식으로 혼합되지 않을 수 있고, 이는 물 내의 CO2의 농도 구배에 의해서만 구동되는 확산 효과만을 남겨둔다.
염 대수층 형성에서, 주입 후에, SC-CO2는 보다 작은 그 밀도에 기인하여 주입 위치 위의 구역 내에서 높게 잔류한다. 이 밀도 등급별 시스템(density graded system)은 임의의 확산 프로세스의 속도를 더 감소시키는 안정화력을 제공한다. 초기에, 확산 전방부는 비교적 좁고 CO2와 물 사이에 큰 표면적을 가지면서 뚜렷하고, 용해 프로세스는 비교적 효율적으로 발생한다. 그러나, 시간 경과에 따라 이 전방부는 수직으로 성장하고 확장된다. 그 결과, 전방부는 덜 뚜렷해진다. 이는, 낮은 CO2 농도를 갖고 물과 CO2 사이의 적은 표면적을 갖는 더 두꺼운 확산 또는 전이 구역을 생성한다(즉, SC-CO2와 형성수 사이의 전이 용해 접촉 영역은 CO2로 농후화됨). CO2-불포화된 물이 SC-CO2로부터 더 멀리 이격됨에 따라 SC-CO2와 형성물의 이격 영역으로부터의 물 사이의 수직 거리가 증가한다. 따라서, 확산/용해 프로세스는 상당히 느리다. 그 결과, 형성물의 이격 영역에서 물의 본래의 이동은(물에 의한 CO2 용해 프로세스를 촉진하기 위함) 매우 느리기 때문에, CO2가 용액 내에 진입하기 위해 수천년이 소요될 수 있다. 이 단계에서, 밀도 등급별 시스템에 기인하여 SC-CO2와 형성수 사이에 어떠한 대류 혼합도 존재하지 않는다.
다공성 매체 내의 밀도 등급별 시스템은 장시간에 걸쳐 극도로 안정하다. 일단 활성 혼합이 정지되면, 통상의 격리 조건 하에서 물 상태에서 SC-CO2가 용해되는 데 수천 년이 소요될 것이다. 단순히 "새로운 물"을 SC-CO2와 접촉되게 하는 어떠한 메커니즘도 존재하지 않고, 프로세스는 전적으로 느린 확산에 의해 지배된다.
CO2의 안전하고 영구적인 폐기는 중요한 과제이지만, 앞서 상세히 언급된 바와 같이, 다른 수용성 가스 및 유체의 장기간 폐기도 또한 온실 효과뿐만 아니라 다른 요구를 처리하기 위해 유사한 과제를 제시한다. 따라서, 본 발명은 격리 조건을 향상시키기 위해 염 대수층과 같은 함수 지질 형성물 내에 이러한 유체를 혼합 및 분산하기 위한 프로세스 및 시스템을 제공함으로써, 광범위한 수용성 유체의 (본질적으로) 영구적인 폐기에 관한 것이다.
본 발명의 목적은,
a) 본래의 대류 흐름 또는 대류 셀의 생성을 통해, 유체의 용해를 향상시키기 위해 형성수와 유체의 혼합을 향상시키는 방식으로 함수 형성물(water-laden formation) 내로 유체를 주입함으로써, 수용성 유체, 특히 이에 한정되는 것은 아니지만 가스의 지질학적 격리를 위한 방법을 제공하고,
b) 지질 형성물 내에서의 용해 프로세스의 체적 범위를 증가시켜, 이에 의해 형성물 내의 수용성 유체(CO2와 같음)를 위한 저장 용량을 향상시키는 방법을 제공하고,
c) 수용성 및 수불용성 가스의 혼합물로부터 수용성 가스의 격리 및 지질 형성물 내의 수용성 가스의 격리 모두를 향상시키고 용해된 수용성 가스를 수용하기 위해 이용 가능한 지질 형성물의 체적을 보존하기 위해 지질 형성물로부터 수불용성 가스를 회수하기 위한 프로세스를 제공하고,
d) 형성물의 컴퓨터 모델 및 유체 주입의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 지질 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 조건을 결정하기 위한 방법을 제공하고,
e) 가스의 사전 주입 분리 및 초임계 형태로의 주입된 가스의 변환을 필요로 하지 않는, 지질 형성물 내의 수용성 가스의 향상된 격리를 위한 대안적인 방법을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 양태에서, 형성물 내에 대류 흐름 또는 대류 셀을 생성하기 위해 충분한 체적, 압력 및 형성수와의 밀도 대조(density contrast)를 갖는 형성물 내에 유체가 진입하여 분산할 수 있게 하도록 선택된 온도 및/또는 압력의 조건 하에서 주입 우물로부터 함수 지질학적 형성물 내로 유체를 주입함으로써 수용성 유체의 격리를 위한 프로세스가 제공된다. 안정한 상태로 물 담지 형성물(water bearing formation)을 포함하기 위해 낮은 투과성의 층에 의해 위에서 및 선택적으로 또한 아래에서 경계 형성되는 대수층을 포함하는 목표 지질학적 형성물이 선택된다. 상기 낮은 투과성 층은 하나 이상의 층에 의해 대수층으로부터 분리되거나 대수층의 바로 위 또는 아래에 위치될 수 있다. 주입 우물은 목표 형성물 내로 연장된다. 유체는 압축되고/압축되거나 가열되고, 하나 이상의 대류 셀을 생성하고 이에 의해 형성물 내의 큰 영역 내에서의 유체 또는 이들의 수용성 부분의 분산, 용해 및 격리를 향상시키기 위해 주입 우물로부터 형성물 내로 도입된다.
이 양태에 따르면, 형성물 내의 유체의 초기 이동은 유체가 형성물을 통해 삼투함에 따라 형성물 내에서 외향으로 이동하는 저밀도 변위 전방부로서 발생하는 것으로 예측된다. 가스의 경우에, 가스는 용해되지 않은 가스의 기포 또는 포켓으로서 초기에 분산될 수 있다. 이 변위 전방부는 형성물의 기공 공간 내에서 물을 변위시킬 수 있고, 이는 이어서 외향으로 그리고 삼투 영역으로부터 이격하여 유동하도록 구동된다. 이 관련 물 유동은 본래 대류 셀 또는 대류 흐름의 생성에 기여한다. 주입된 유체는 이후에, 측방향으로 확산할 뿐만 아니라 형성물을 통해 수직 상향으로 이동하는 저밀도 기둥(plume) 내로 전개될 수 있다. 이 기둥은 주입된 유체가 존재하지 않는 형성물의 인접한 부분 내의 물보다 낮은 밀도의 영역이다. 따라서, 평균 유체 밀도의 측방향 대조가 발생된다. 이 프로세스는 밀도 대조 구동 대류 유동 셀을 유도한다. 따라서, 밀도 구동 유동 셀이 생성되고, 여기서 저밀도 유체(가열되고/가열되거나 용해되지 않은 가스를 포함하는 물과 같음)의 영역은 인접한 형성수보다 낮은 밀도이기 때문에 수직으로 상승한다. 밀도가 더 높은 이 물은, 이어서 수직으로 유동하여 큰 스케일 대류 셀을 유지하는 저밀도 유체를 대체하도록 측방향으로 유동한다.
본 명세서에 설명된 밀도 대조 구동 대류 프로세스는, 대류 흐름이 형성물 내에 발생하여 주입된 유체와 형성수 사이의 혼합을 향상시킴에 따라 형성수와 수용성 유체의 혼합을 향상시킨다. 용해되지 않은 가용성 유체는 용액 내로 진입하고, 형성물의 이격된 영역으로부터 신선한 유체 불포화된 물은 추가의 용해되지 않은 가용성 유체와 접촉하게 된다.
일 실시예에서, CO2(일반적으로 다른 가스와 조합됨)는 CO2로 불포화된 물을 함유하는 형성물 내로 전술된 바와 같은 적합한 조건 하에서 주입된다. 형성물 내의 이격 영역으로부터의 불포화된 물은 이어서 큰 대류 셀의 작용의 결과로서 주입 우물의 영역 내로 이동하고, 국부적인(주입 우물의 부근에서) CO2-농후 물을 CO2가 없는 물로 대체하는데, 이는 주입된 가스로부터 CO2를 더 효율적으로 제거할 수 있다. 더욱이, 큰 스케일 대류 셀은 용액 내로의 CO2의 확산 질량 전달을 증가시킬 뿐만 아니라, 주입 우물 보어 영역 내로 이격된 CO2가 없는 물을 유도하도록 작용하여, 이에 의해 이러한 플러싱(flushing) 작용의 결과로서 하나의 주입 우물을 통해 접근될 수 있는 형성물에서 유효 체적을 증가시킨다. 따라서, 밀도 구동 대류 프로세스는 용액 내로의 CO2의 신속한 질량 전달 및 지질학적 격리를 위한 향상된 저장 용량을 제공한다.
이 밀도 구동 대류 프로세스를 구현하는 결과는, 형성물의 단기간 저장 용량이 증가하고 장기간 용량이 또한 최대화된 혼합으로 측방향 물 플럭스로의 접근을 통해 증가한다는 것이다.
프로세스는 수용성 및 수불용성 가스의 혼합물로 이루어지는 주입 유체를 포함할 수 있다. 이 양태에서, 회수 우물이 제공되고, 이 회수 우물은 불용성 비격리된 가스의 회수를 위해 형성물 내의 불용성 가스 포켓과 연통하거나 또는 대수층과 유체 연통한다. 수불용성 가스는 회수 우물로 형성물로부터 회수되어, 이에 의해 수용성 액체 또는 가스의 추가 격리를 위해 형성물 내에 추가 체적을 제공한다.
프로세스는 형성물 내로 하나 이상의 물 주입 우물을 제공하고 형성물 내에 물을 주입하여, 이에 의해 주입 우물로부터 이격된 영역으로부터 기원하는 형성물 내에 물의 횡단 흐름을 생성하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 물 주입은 형성물 내에 대류 흐름/셀 프로세스 및 물 플럭스를 더 향상시킨다.
다른 양태에 따르면, 복수의 유체 주입 우물이 형성물 내에 복수의 대류 흐름을 생성하도록 제공되어, 이에 의해 형성물에서의 수용성 액체 또는 가스의 향상된 혼합을 제공할 수 있다. 우물의 구성은 형성물 내의 지속된 대류 흐름의 발생을 촉진하도록 설계될 수 있다. 주입 우물은 수평 주입 우물, 수직 주입 우물 또는 편향된 우물일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 주입 우물은 수직으로, 수평으로 또는 수직으로부터 편향된 각도에서 실질적으로 교차하는 경로를 형성한다.
몇몇 실시예에서, 프로세스는, 유체의 배출을 위해 주입 우물 내의 하나 이상의 개구의 적절한 배치를 결정하여, 개구가 형성수와 수용성 유체의 향상된 혼합을 촉진하기 위해 대류 흐름을 생성하도록 형성물의 상부면 아래에 충분히 이격되게 하는 것을 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 주입된 유체는 연도 가스이다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "연도 가스"는 벽난로, 오븐, 노, 보일러 또는 증기 발생기, 또는 회수 프로세스(우물로부터 천연 가스의 회수와 같음)와 같은 산업적인 연소에 의해 생성된 가스를 칭한다. 이러한 가스는 통상적으로 연도를 경유하여 대기로 나온다. 용어 "연도 가스"는 화석 연료 또는 바이오매스-연소 연소 발전소에서 생성된 연소 배기 가스를 포함한다. 연도 가스의 조성은 연소되는 것에 좌우되지만, 일반적으로 연소 공기로부터 유도되는 질소, CO2 및 수증기뿐만 아니라 과잉의 O2(연소 공기로부터 또한 유도됨)로 대부분 이루어질 수 있다. 연도 가스는 메탄(CH4), 일산화탄소, 황화수소, 질산화물 및 황산화물뿐만 아니라 미립자를 더 함유할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 수용성 유체의 격리를 위한 조건을 결정하기 위한 프로세스가 제공된다. 프로세스는 공지의 함수 형성물의 구조 및 조건의 컴퓨터 모델링을 이용한다. 형성물을 시뮬레이션하기 위한 컴퓨터 모델링 프로그램은 당 기술 분야에 공지되어 있다. 당 기술 분야의 숙련자는 함수 형성물을 시뮬레이션하기 위한 통상의 방법론뿐만 아니라 본 명세서에 설명된 프로세스를 수행하는 데 있어서 이용된 구성요소 및 조성을 사용하여 현존하는 프로그램을 수정하거나 새로운 프로그램을 개발하기 위한 지식을 가질 수 있다. 본 발명의 이 양태에 따르면, 공지의 형성물 및 유체 주입 우물의 표현을 포함하는, 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 컴퓨터 프로그램은 이하의 파라미터, 즉 형성물 내의 유체 주입 우물(들)의 배치, 형성물 내의 가스의 부분 압력, 형성물 내로의 유체의 주입 속도, 형성물 내에 배치된 주입 우물의 수, 형성물 내의 물의 pH, 형성물 내의 물의 염도 및 형성물 내의 물의 밀도 중 하나 이상을 변경하기 위한 수단을 구비한다. 컴퓨터 프로그램은 파라미터 중 하나 이상에 의해 영향을 받는 형성물 내의 유체의 분산에 기초하여 형성물 내에 생성된 대류 셀의 특성을 계산하도록 구성된다. 추천된 우물 패턴 및 주입 조건, 선택적으로 형성물 내의 격리 조건을 제공하는 보고서가 이어서 생성된다. 격리 조건은 추천된 조건이 그에 부합될 때 생성되는 대류 셀의 특성을 결정하는 데 사용된 파라미터를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 컴퓨터 프로그램은 형성물 내의 복수의 유체 주입 우물, 가스 회수 우물 및/또는 물 주입 우물의 배치의 변경을 시뮬레이션하는 수단을 더 구비한다.
전술한 수용성 유체의 격리를 위한 조건을 결정하기 위한 프로세스는, 컴퓨터 시뮬레이션에서 대류 셀을 생성하는 데 사용된 파라미터에 따라 형성물 내의 적절한 배치를 위한 하나 이상의 주입 우물, 선택적으로 하나 이상의 회수 우물 및/또는 물 주입 우물을 구성함으로써 실용화될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때 용어 "가스"는 다른 의미가 명시되거나 암시되지 않으면, 가스 또는 가스의 조합을 의미한다. 유사하게, "액체"는 다른 의미가 명시되거나 암시되지 않으면 액체 또는 액체의 조합을 의미한다.
본 명세서에 사용될 때 용어 "유체"는 다른 의미가 명시되거나 암시되지 않으면, a) 수용성 액체, b) 수용성 가스, c) 수용성 액체들의 조합, d) 수용성 액체와 수불용성 액체의 조합, d) 수용성 가스들의 조합, 또는 e) 수용성 가스와 수불용성 가스의 조합을 의미한다. 상기 액체 또는 가스는 다수의 유형의 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 유체는 대류 흐름 또는 대류 셀의 생성을 촉진하기 위해 형성물 내에 존재하는 물보다 낮은 밀도를 갖는다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "불용성"은 절대적인 용어로서 의도된 것이 아니라, 당 기술 분야의 숙련자에 의해 "가용성"으로서 인식되는 물질보다 실질적으로 덜 가용성이거나 "열악하게 가용성"인 것을 의미하는 상대적인 용어로서 의도된 것이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "형성물" 또는 "함수 형성물"은 그 내부에 대류 흐름의 생성을 허용하기 위해 그 기공 내에 충분한 물을 함유하는 자갈, 모래, 침니(silt) 또는 점토와 같은 굳어지지 않은 재료 또는 물 담지 투과성 암석의 지표하 층을 칭한다. 염 대수층은 본 명세서에 개시된 프로세스에 적합한 지질학적 형성물의 비한정적인 예이다. 관련된 용어 "목표 형성물"은 격리를 위한 액체 또는 가스의 주입을 위해 선택된 형성물을 칭한다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "형성수" 또는 "물"은 형성물 내에 존재하는 물을 칭한다. 형성수는 벌크 물 상태로서 형성물 내에 존재할 수 있거나 또는 자갈 모래, 침니 또는 점토의 지질학적 매트릭스 내의 포켓 또는 액적 내에 격리될 수 있다. 물은 염수일 수 있거나 또는 다른 용해된 물질을 담지할 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "저투과성"은 약 100 밀리다르시(mD) 미만을 의미하고, 용어 "고투과성"은 약 300 mD 초과를 의미한다.
본 명세서에 사용될 때, CO2 및 다른 액체 또는 가스의 참조는 정화된, 초임계(가스의 경우) 또는 불순물 형태의 이러한 유체를 칭한다.
본 발명의 이들 및 다른 장점은 이하의 상세한 설명의 숙독시에 그리고 도면의 참조시에 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면,
a) 본래의 대류 흐름 또는 대류 셀의 생성을 통해, 유체의 용해를 향상시키기 위해 형성수와 유체의 혼합을 향상시키는 방식으로 함수 형성물 내로 유체를 주입함으로써, 수용성 유체, 특히 이에 한정되는 것은 아니지만 가스의 지질학적 격리를 위한 방법,
b) 지질 형성물 내에서의 용해 프로세스의 체적 범위를 증가시켜, 이에 의해 형성물 내의 수용성 유체(CO2와 같음)를 위한 저장 용량을 향상시키는 방법,
c) 수용성 및 수불용성 가스의 혼합물로부터 수용성 가스의 격리 및 지질 형성물 내의 수용성 가스의 격리 모두를 향상시키고 용해된 수용성 가스를 수용하기 위해 이용 가능한 지질 형성물의 체적을 보존하기 위해 지질 형성물로부터 수불용성 가스를 회수하기 위한 프로세스,
d) 형성물의 컴퓨터 모델 및 유체 주입의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 지질 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 조건을 결정하기 위한 방법,
e) 가스의 사전 주입 분리 및 초임계 형태로의 주입된 가스의 변환을 필요로 하지 않는, 지질 형성물 내의 수용성 가스의 향상된 격리를 위한 대안적인 방법
을 얻을 수 있다.
도 1은 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름의 방향을 도시하고 있고, 주입에 앞서 가스를 처리하기 위한 구성요소 및 연도 가스의 소스를 또한 도시하고 있으며, 횡단 흐름이 또한 도시되어 있는 단일의 수평 주입 우물 및 2개의 수평 회수 우물을 갖는 지질학적 형성물의 개략 단면도.
도 2는 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름의 방향을 도시하고 있고, 횡단 흐름이 또한 도시되어 있는, 3개의 수평 주입 우물 및 4개의 수직 회수 우물을 갖는 지질학적 형성물의 개략 단면도.
도 3은 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름의 방향을 도시하고 있고, 횡단 흐름이 또한 도시되어 있는 단일의 수평 주입 우물 및 단일의 회수 우물을 갖는 경사진 형성물의 개략 단면도.
도 4는 단일의 주입 우물, 2개의 회수 우물 및 2개의 물 주입 우물을 도시하고 있고, 형성물 내의 가스 포켓이 또한 도시되어 있는 가스 격리 어레이의 개략도.
도 2는 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름의 방향을 도시하고 있고, 횡단 흐름이 또한 도시되어 있는, 3개의 수평 주입 우물 및 4개의 수직 회수 우물을 갖는 지질학적 형성물의 개략 단면도.
도 3은 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름의 방향을 도시하고 있고, 횡단 흐름이 또한 도시되어 있는 단일의 수평 주입 우물 및 단일의 회수 우물을 갖는 경사진 형성물의 개략 단면도.
도 4는 단일의 주입 우물, 2개의 회수 우물 및 2개의 물 주입 우물을 도시하고 있고, 형성물 내의 가스 포켓이 또한 도시되어 있는 가스 격리 어레이의 개략도.
이하의 실시예의 설명에서, 유사한 특징부는 동일한 도면 부호로 나타낸다.
도 1은 그 온실 가스 성분을 격리하기 위해 연도 가스를 주입하기 위한 프로세스의 일 실시예를 도시하고 있다. 유사한 프로세스가 다른 유체를 격리하는 데 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 도 1은 지표면(5) 아래에 깊이 위치된 지표하 형성물(10)의 개략 단면도를 도시하고 있다. 형성물(10)은 깊이 매립되어 있는 고투과성 염 대수층으로 이루어진다. 형성물은 그 상부 가장자리 및 바람직하게는 하부 가장자리에서 낮은 투과성을 갖는 상부층(60) 및 하부층(80)에 의해 경계 형성된다. 형성물(10)은 평탄화된 일반적으로 수평 배향 또는 경사 또는 다른 구성(예를 들어, 도 3 참조)과 같은 다양한 배향 및 구성으로 배치될 수 있다. 형성물(10)은 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 형성수 내의 대류 흐름의 발생을 허용하기 위해 충분한 상부 대 저부 간격을 갖는 영역을 가져야 한다. 형성물(10)은 약 25 내지 30 미터의 최소 수직 간격을 갖는 영역을 가져야 하는 것으로 고려된다. 용어 "간격"은 도 1에 도시되어 있는 거리("y"), 즉 형성물의 상부 가장자리와 하부 가장자리 사이의 수직 거리를 칭한다. 적어도 y의 수직 간격을 갖는 이 영역은 또한 적어도 약 1000 미터의 거리로 수평으로 연장되어야 한다. 주입 우물(12)은 이 영역 내에 적어도 하나의 배출 개구(13)를 갖는다. 수직 간격(y)의 범위는 주입 우물(12)의 배출 개구(13)로부터 나오는 가스의 압력 및 온도와 같은 다른 인자에 좌우될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 이론에 의해 구속되기를 원하는 것은 아니고, 적합한 조건 하에서, 더 적은 수직 간격을 갖는 또는 이 최소 수직 간격을 갖는 영역이 상기의 것보다 적은 범위로 수평으로 연장하는 대수층이 본 발명을 위해 사용될 수 있는 것을 고려한다.
가스의 소스(25)가 제공되고, 여기서 가스는 일반적으로 가스의 혼합물로 이루어진다. 연도 가스[생 가스(raw gas) 또는 CO2 농후화된 가스]의 경우에, 가스는 일반적으로 수용성 및 수불용성 가스(질소와 같은 가스)의 혼합물로 이루어진다. 설명된 예에서, 소스(25)는 화석 연료 연소 발전소 또는 다른 설비와 같은 연도 가스의 소스를 포함한다. 본질적으로 임의의 정지형 가스 소스가 소스로서 기능할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 가스 혼합물은 수용성 가스(16) 및 수불용성 가스(18)를 포함한다. 바람직하게는, 수용성 가스는 온실 가스 또는 다른 오염물이다. 더 바람직하게는, 수용성 가스는 CO2, NOx 또는 황화수소 중 하나 이상이다. 가장 바람직하게는, 온실 가스는 CO2이다. 바람직하게는, 수불용성 가스는 질소 또는 메탄이다. 소스(25)는 형성물(10)에 근접하거나 형성물(10)의 위에 또는 그로부터 약간 제거되어 위치될 수 있어, 가스가 주입 위치(40)를 향해 파이프로 안내되게 된다. 생 가스는 다수의 소스, 예를 들어 여러 연료 연소 설비로부터 유도될 수 있고, 여기서 생 가스는 공통 폐기 설비를 향해 파이프로 안내된다.
다른 양태에 따르면, 수용성 가스 성분은 격리 프로세스의 효율을 향상시키기 위해, 공지의 수단에 의해 농후화될 수 있다. 이러한 농후화는 가스의 소스(25)에서 또는 격리 직전에 수행될 수 있다.
하나 이상의 가스 주입 우물(12)이 형성물(10) 내로 연장된다. 도 1에는, 단지 단일의 이러한 우물만이 도시되어 있다. 우물(12)은 형성물(10) 내에 적어도 하나의 그리고 바람직하게는 다수의 가스 배출 개구(13)를 갖는 일반적으로 통상의 고압 가스 주입 우물이다. 우물(12)은 임의의 적합한 배향을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 다수의 개구(13)가 수평부를 따라 소정 간격을 두고 있는 상태로 형성물(10) 내에서 수평이다.
연도 가스의 충분한 압력, 가열 및 다른 조건을 제공하기 위해, 가스는 주입 우물(12) 내로 공급되기에 앞서 소스(25)로부터 가스 처리 유닛(40)을 향해 파이프로 안내된다. 가스 처리 유닛은 생 가스를 압축하고 가열하고, 선택적으로 가스의 특정 성분을 농후하게 할 수 있다. 압력 및 온도의 조건은 부분적으로는 그 투과성, 형성 압력, 대수층 내의 물의 염도뿐만 아니라 주입되는 가스의 조성을 포함하는 대수층 내의 조건에 좌우된다.
압축된 및 선택적으로 가열된 가스는 주입 우물(12) 내로 공급되고 개구(13)를 경유하여 대수층 내로 도입된다. 가스는 형성수 내에 하나 이상의 대류 흐름 셀(convection current cell)을 생성하기 위해 충분한 체적 및 구동 압력, 선택적으로 추가된 열을 갖고 형성물(10) 내에 주입된다. 대류 셀은 이하의 메커니즘에 따라 생성되는 것으로 고려된다. 가열된 가스의 주입은 초기에는 바로 인접한 형성수 내에 흐름을 생성한다. 이 흐름은 형성수 내에 형성된 미용해 가스의 기포의 상향 이동, 그리고 선택적으로 주입된 가스의 상승된 온도의 결과로서 발생되어, 형성물의 기공 공간으로부터 천연 형성수를 변위시킨다. 가스는 미용해 가스의 버블 또는 포켓으로서 초기에 분산된다. 형성수의 결과적인 이동은 형성수 내의 하나 이상의 대류 흐름 또는 셀(14)을 개시한다. 시간 경과에 따라, 비교적 저밀도의 형성수의 기둥은 수직 유동 중의 수평 분산 및 형성물의 이질성에 기인하여 가스가 형성수 내에 분산됨에 따라 발생된다. 따라서, 가스 기둥은 측방향으로 확산할 뿐만 아니라 수직으로 이동하는 경향이 있다. 형성수 및 가스 기둥의 대응 이동은 형성물 내에 하나 이상의 대류 흐름 또는 셀(14)을 생성한다. 추가의 가스가 형성물 내에 공급됨에 따라, 결과적인 기둥은 주위 형성수와 기둥 사이의 밀도차에 기인하여 주입 우물의 영역에서 형성수 내에 대류 흐름 또는 셀(14)을 계속 생성시킬 수 있다. 이 흐름은 주입된 가스의 기둥의 분산 이동의 결과로서 측방향으로 유동하고 상향으로 상승하는 성분을 포함한다. 이 흐름의 치수는 적어도 부분적으로는 그 수직 간격 및 주입된 가스의 유량 및 온도, 또는 체적, 밀도, 구동 압력을 포함하는 대수층의 치수에 좌우된다. 수용성 가스(16)는 형성수 내로 용해되는데, 이는 상기 대류 셀/흐름에 의해 발생된 향상된 혼합 작용에 의해 촉진된다. 수불용성 가스(18)는 그 수불용성에 기인하여 분리되고, 상승되어 일반적으로 상부 저투과성 형성물(60) 바로 아래에 위치되는 가스 캡 또는 포켓(20) 내에 축적된다.
적어도 하나의 그리고 바람직하게는 복수의 회수 우물(22)이 제공된다. 회수 우물(들)(22)은 형성물(10)로부터 수불용성 가스(18)를 통기하도록 이용되며, 이에 의해 수용성 가스(16)의 추가 격리를 위한 형성물(10) 내의 추가 체적을 제공한다. 회수 우물(22)은 형성물(10) 내로, 적어도 형성물의 상부 부분 내로 연장된다. 이들 우물은, 가스 캡 또는 포켓이 축적될 것으로 예측되는 위치에서 형성물(10) 내에 위치된 입구 개구(23)를 포함한다. 회수 우물(들)(22)은, 예를 들어 수불용성 가스가 질소이면 수불용성 가스가 대기로 통기될 수 있고, 예를 들어 수불용성 가스가 메탄과 같은 유용한 생성물이면 가스 처리 또는 포착 설비 내로 통기될 수 있는 표면 설비(50)로 도관을 제공할 수 있다.
통기 프로세스는 가스를 통기하기 위해 가스 포켓 내의 내부 압력에 의존할 수 있고, 또는 대안적으로 축적된 가스는 형성물(10)로부터 수불용성 가스를 더 신속하고 완전하게 회수하기 위해 펌핑될 수 있다. 바람직하게는, 회수 우물(22)의 일부분은 가스 포켓(20)의 연장된 영역을 통해 연장되는 것을 허용하도록 수평이다.
통기 프로세스는, 이러한 가스가 가스 포켓으로부터 통기된 후에 전기를 생성하기 위해 가스 터빈을 통해 고압의 통기 가스를 통과시킴으로써 압축된 수불용성 가스 내에 존재하는 에너지의 일부를 추출하도록 설계될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 것은, 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름(14)의 방향을 도시하고 있는 다수의 수평 주입 우물 개구 및 다수의 회수 우물(22)을 갖는 지질학적 형성물(10)의 개략 단면도이다. 또한 도시되어 있는 것은 대류 흐름(14)의 전개에 의해 영향을 받는 횡단 흐름(24)이다. 도 1의 실시예에 설명되어 있는 바와 같이, 수용성 가스(16)는 저밀도 유체의 기둥으로서 형성물(10) 내에 분산되게 되고, 수불용성 가스(18)가 가스 포켓(20)을 향해 상승하는 동안 대류 흐름(14)을 생성한다. 횡단 흐름(24)은 수용성 가스(16)와 형성수 사이의 추가의 혼합을 제공한다. 또한, 전술한 바와 같이, 4개의 회수 우물(22)이 형성물(10)로부터 수불용성 가스를 흡인하도록 이용되어, 수용성 가스(16)의 추가 격리를 위해 형성물(10) 내의 추가 체적을 제공한다.
큰 스케일의 대류 셀은 우물 보어 영역 내로 측방향 물을 "플러싱"시킴으로써 하나의 주입 우물을 통해 접근될 수 있는 형성물(10) 내의 유효 체적을 증가시키는 "횡단 흐름"(24)을 거쳐 주입 우물 보어 영역으로 이격수를 유도하도록 작용한다.
도 3에 도시되어 있는 것은, 가스 주입에 의해 생성된 대류 흐름(14)의 방향을 도시하고 있는 수평 주입 우물(12) 및 회수 우물(22)을 지시하고 있는 경사진 형성물(10)의 개략 단면도이다. 전술한 바와 같이, 수용성 가스(16)는 저밀도 유체의 기둥으로서 형성물 내에 분산되게 되고 수불용성 가스(18)가 가스 포켓(20)을 향해 상승하는 동안 대류 흐름(14)을 생성한다. 횡단 흐름(24)이 가스 포켓(20)을 향해 형성물(10)을 통해 이동하는 것으로 도시되어 있다.
도 4에 도시되어 있는 것은, 프로세스의 다른 실시예에서, 가스 혼합물(35)의 주입을 위한 가스 주입 우물(12), 회수 우물(22) 및 물의 주입을 위한 물 주입 우물(26)을 도시하고 있는, 형성물(10) 내에 배치된 가스 격리 어레이의 개략도이다. 가스 주입 우물(12)의 가스 출구 영역은 형성물(10)의 하부 경계 부근에 배치된다. 각각의 회수 우물(22)은 그 내부에 포함된 수불용성 가스(18)의 회수를 위해 형성물(10) 내의 가스 포켓(20) 내로 연장되고, 이는 혼합물(35)의 각각의 성분의 상이한 용해도에 의해 주입된 가스 혼합물(35)로부터 분리되어 있다. 추가의 물(28)이 하나 이상의 물 주입 우물(26)을 거쳐 형성물 내에 주입될 수 있다. 이 추가된 물은 이어서 화살표(32)에 의해 지시되어 있는 바와 같이 형성물(10)의 매트릭스 내로 유동할 수 있어 추가의 물을 형성물(10) 내로 유도하고 형성물(10) 내에서의 가스 혼합물(35)의 혼합을 촉진한다.
예 1: 밀도 구동된 대류에 의한 염 대수층 내의 이산화탄소의 격리
이 예에서, 분사되는 가스 혼합물은 형성물 내의 온도, 압력, pH 및 염도의 조건 하에서 물 내에서 덜 용해성인 다른 가스와 함께 물 내에서 고도로 용해성인 CO2를 포함한다. 가스 혼합물은 형성물의 베이스에 밀접한 위치 내로 높은 유량으로 주입된다. 형성물은 상당한 수직 범위 또는 약 20 m의 수직 범위를 제공하는 침하(dip)를 갖는다. 예를 들어, 허용 가능할 수 있는 다른 가능한 경우를 배제하지 않으면서, 바람직한 염 형성물은 지층 내에 1000 m 깊이 및 큰 측방향 범위에 걸쳐 위치될 수 있다. 이는 수직 방향으로 적어도 1 Darcy의 고유 투과성을 가질 수 있다. 형성물은 염수인 기공 유체를 갖는 15%를 초과하는 다공성을 가질 수 있다. 형성물이 최대 20°의 자연 침하(경사도)를 가지면 더 바람직한 것으로 고려된다. 형성물이 가스 및 물을 포함하여 격리 프로세스에 수반된 이동 상에 대해 낮은 투과성의 암석의 상부 형성물에 의해 경계 형성되면 유리하다.
바람직하게는, 주입 압력은 다른 부차적인 인자와 함께, 모암의 다공성 및 투과성에 의해 결정되는 양만큼 염 대수층 형성물 내의 형성물 압력보다 높다. 예를 들어, 1000 m 길이 수평 섹션을 갖는 주입 우물은 15 MPa의 자연 형성물 압력을 갖는 1500 m 깊이 염 대수층 내로 천공된다. CO2 및 다른 가스를 함유하는 혼합물이 15 MPa보다 큰 압력에서 수평 섹션의 길이를 따라 균일하게 주입된다. 주입 압력은 일반적으로 형성물의 파괴 압력보다 다소 낮다. 그러나, 형성물 내의 수직 유동을 조장하고 촉진시킬 필요가 있는 것으로 간주되는 몇몇 상황에서(예를 들어, 형성물 내의 유체의 분포를 향상시키고 유체 유량을 증가시키도록 요구되는 경우), 주입 압력은 형성물의 자연 파괴 압력보다 약간 높을 수 있어, 가스-물 접촉 구역의 혼합 길이를 증가시키기 위해 제한된 길이의 수직 파괴가 발생되게 된다. 당 기술 분야의 숙련자들은 목표 형성수 내에 밀도 구동된 대류의 형성을 유도하기 위해 적합한 주입 압력 또는 압력의 범위를 용이하게 결정하는 것이 가능할 수 있다. 관련 고려 사항 중 하나는 스윕 효율을 증가시키도록 요구되는 정도 또는 주입된 가스의 측방향으로 또는 수직으로 형성물 내에서 가스가 분포되는 정도이다.
가스는 선택적으로 주입된 가스-및 따라서 주입된 가스로 충전되는 형성수-와 주위 형성수 사이의 밀도 대조를 더 향상시키기 위해, 형성수의 주위 온도를 초과하는 상승된 온도에서 주입될 수 있다.
초기에, 우물 보어 부근의 높은 압력 구배 하에서, 주입은 국부적인 변위 메커니즘을 유도할 수 있고, 기공 내의 액체는 대부분 진입하는 가스에 의해 물리적으로 변위된다. 적합한 형성물에서, 주입된 구역의 크기가 증가함에 따라, 구동 압력이 감소하고(큰 반경, 반경방향 확산에 기인하는 압력 강하에 기인함), 가스 칼럼의 높이가 증가하여, 상 밀도들의 차이로부터 발생하는 중력 격리 효과를 유도한다. 일단 효과가 충분히 크면, 가스는 가장 가능성있게는 작은 미세 입자 모래의 덩어리 또는 혈암 줄무늬와 같은 작은 유동 방해 배리어의 존재에 기인하는 비틀린 경로를 통해, 형성물의 상부를 향해 상승하는 경향이 있을 수 있다.
형성물의 이질성 및 수직 유동의 분산에 기인하여, 가스는, 측방향으로 확산될 뿐만 아니라 수직으로 이동하는 상향 이동 기둥 내에서 확산될 것이다. 이 기둥은 어떠한 자유 가스도 갖지 않는 염 형성물의 인접 부분보다 낮은 기공 유체 밀도의 영역을 나타내고, 따라서 큰 밀도차로 구동되는 대류 유동 셀을 생성하는 평균 유체 밀도의 측방향 대조가 발생된다.
이 밀도 대조는 본래 주입된 가스와 형성수 사이의 강제 혼합을 상당히 증가시킬 것이다. 물은 큰 대류 셀의 생성의 결과로서 형성물 내의 이격 위치로부터 주입 위치로 유도되고, 이는 CO2가 없는 물로 지역수(local water)를 부분적으로 보충하고, 이는 따라서 주입된 가스로부터 CO2를 더 효율적으로 제거할 수 있다. 따라서, 큰 스케일의 대류 셀은 용액 내로의 CO2의 확산 질량 전달을 증가시킬 뿐만 아니라, 또한 주입 우물 보어 영역으로 이격수를 유도하는 작용을 하여, 우물 보어 영역 내로 측방향 물을 "플러싱"시킴으로써 하나의 주입 우물을 통해 접근될 수 있는 형성물 내의 유효 체적을 증가시킨다. 낮은 용해도의 가스는 미용해 가스상으로서 잔류하고 측방향으로 그리고 본질적으로 상향으로 확산되며, 여기서 가스는 수동 드레인 우물과 같은 회수 우물에 의해 제거될 수 있다. 밀도 구동된 대류 프로세스는 용액 내로의 더 급속한 질량 전달을 제공한다.
이 프로세스의 구현은 형성물 내의 수용성 가스의 단기간 저장 용량을 증가시킬 뿐만 아니라 측방향 물 플럭스를 최대 혼합하고 촉진함으로써 장기간 용량을 증가시킨다. 전체 격리 프로세스는, 주입된 가스가 25% 내지 80% CO2이고 나머지는 실질적으로 N2가 되도록, 멤브레인 또는 다른 유형의 정화 또는 가스 농후화 시스템을 통한 연도 가스 혼합물(예를 들어, 약 13% CO2 및 87% N2를 포함함)의 예비 통과를 포함할 수 있으며, 이러한 가스/CO2 농후화 프로세스는 또한 본래 향상된 저장 용량 및 특히 수용성 가스(이 실현예에서는 CO2)가 주입되어 형성수와 접촉하게 될 수 있는 속도로 보조될 것이다. 주입된 가스의 특정 함량은, 프로세스가 주입된 가스의 특정 조성을 갖는 것에 의존하지 않기 때문에 구동 경제적 및 환경적 인자에 응답하여 변경될 수 있다.
프로세스는 접합제를 갖지 않는 슬롯 형성된 라이너로 완료된 주입을 위한 하나 이상의 기다란 수평 방향으로 천공된 우물 보어를 포함할 수 있다. 이러한 우물은 평행한 오프셋 구성으로 배치될 수 있고, 우물 사이의 거리는 유효 대류 셀 크기에 대해 소정의 통찰을 제공하는 컴퓨터 모델링과 같은 분석에 의존한다. 우물의 길이는 질량 전달 및 대류 혼합을 최대화하기 위해 적절한 속도로 가스가 형성물에 진입할 수 있는 속도에 기초하여 설계될 수 있다.
각각의 우물은 당 기술 분야에 자체로 공지된 방식으로, 동일한 체적의 가스가 시간 경과에 따라 다양한 위치에서 우물 보어에 진입할 수 있도록 우물의 길이를 따라 균등하게 가스 주입을 분배할 수 있는 내부 배관 시스템을 구비할 수 있다.
우물은 표면에서 주입되는 가스 스트림의 체적, 유량 및 압력을 제어함으로서 염 형성수와 CO2의 접촉을 최대화하도록 작동될 수 있다. 주입 우물이 형성물의 저부 부근에 배치되면, 주입 우물이 수평 우물 또는 수직 우물로 이루어지는지 유리한 것으로 고려된다.
다른 실시예에서, 함수 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 조건이 컴퓨터로 구현된 시뮬레이션에 의해 결정된다. 프로세스는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 프로그램된 컴퓨터를 제공하는 것으로 이루어진다. 프로그램은 당 기술 분야에 공지된 방식으로 공지의 지질학적 형성물의 표현을 포함한다. 컴퓨터는 상기 형성물 내로 수용성 및 수불용성 유체의 혼합물을 주입하기 위한 적어도 하나의 주입 우물을 표현하도록 프로그램되고, 하나 이상의 파라미터를 변경하기 위해 당 기술 분야에 공지된 수단을 포함한다. 이들 파라미터는,
a) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 조성,
b) 상기 형성물 내의 상기 유체 주입 우물의 배치,
c) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 온도,
d) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 속도,
e) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 압력,
f) 상기 형성물 내에 배치된 상기 주입 우물의 수,
g) 상기 형성물 내의 상기 주입 우물의 위치 및 프로파일,
h) 상기 형성물 내의 상기 물의 pH,
i) 상기 형성물 내의 상기 물의 염도,
j) 상기 형성물 내의 상기 물의 밀도,
k) 상기 주입된 유체의 체적,
l) 상기 형성수 내의 상기 주입된 유체의 부분 압력,
m) 상기 유체의 밀도
로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
컴퓨터 프로그램은 상기 파라미터 중 하나 이상에 의해 영향을 받는 상기 형성물 내의 형성수 및 상기 유체의 밀도 구동 이동으로부터 발생하는 상기 형성물 내에 발생된 대류 셀의 특성을 계산하도록 구성된다. 컴퓨터는 하나 이상의 파라미터를 포함하는 바람직한 주입 조건 및 격리 조건을 제공하는 보고서를 생성한다.
컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 하나 이상의 유체 회수 또는 물 주입 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비한다.
바람직하게는, 유체는 전술된 바와 같이 온실 가스를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은 함수 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 프로세스에 관한 것이다. 이 실시예에 따르면, 전술된 바와 같은 컴퓨터 모델링 단계가 수행된다. 상기 모델에서 결정된 파라미터는 이어서 상기 주입 우물 시스템을 사용하여 상기 수용성 유체의 격리를 성취하기 위해 상기 형성물 내에 적어도 하나의 밀도 구동 대류 흐름을 생성하기 위해, 상기 공지의 형성물의 위치에 주입 우물 시스템의 구성요소를 갖는 실제 조건 하에서 위치에서 복제된다.
본 발명은 본 발명의 다양한 양태의 바람직한 실시예에 의해 설명되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 당 기술 분야의 숙련자는 청구범위를 포함하여 전체로서 본 특허 명세서에 규정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 여전히 남아 있으면서 본 명세서에 상세히 설명된 실시예로부터 벗어나거나 변경할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
10: 형성물 12: 주입 우물
13: 배출 개구 16: 수용성 가스
18: 수불용성 가스 25: 소스
40: 가스 처리 유닛 50: 표면 설비
13: 배출 개구 16: 수용성 가스
18: 수불용성 가스 25: 소스
40: 가스 처리 유닛 50: 표면 설비
Claims (27)
- 지표하 함수 형성물(subsurface water-laden formation) 내의 수용성 유체의 격리를 위한 프로세스로서,
목표 함수 지질학적 형성물을 선택하는 것과,
상기 형성물 내에 유체 주입 우물의 우물 보어를 제공하는 것으로서, 상기 우물 보어는 상기 형성물 내로 유체를 배출하기 위한 적어도 하나의 개구를 포함하는 것인 우물 보어를 제공하는 것과,
상기 주입 우물과 연통하는, 상기 유체의 소스를 제공하는 것과,
상기 유체가 상기 형성물에 진입하여 상기 유체 및 상기 형성물 내의 물의 대류 흐름을 유도하기에 충분한 체적, 유량 및 상기 유체와 상기 형성물 내의 물 사이의 밀도 대조를 갖는 상기 형성물 내에서 상승할 수 있게 하도록 선택된 온도 또는 압력 또는 온도 및 압력의 모두의 조건 하에서 상기 주입 우물로부터 상기 형성물 내로 상기 유체를 주입하는 것으로서, 상기 대류 흐름은 대류 흐름을 유도하지 않는 조건 하에서 주입된 유체에 대해 상기 유체 및 상기 물의 대류 혼합을 향상시키기에 충분한 것인 유체를 주입하는 것
을 포함하는 프로세스. - 제1항에 있어서, 상기 주입하는 것은, 상기 물 내로의 상기 유체의 확산 질량 전달 또는 용해의 속도를 증가시키고 상기 우물 보어의 영역 내로 실질적으로 측방향으로 추가의 물을 플러싱(flushing)하며, 이에 의해 상기 형성물 내의 상기 유체의 저장 용량 및 저장율을 증가시키는 것인 프로세스.
- 제1항에 있어서, 상기 유체는 적어도 하나의 수용성 가스 및 적어도 하나의 수불용성 가스를 포함하고, 상기 프로세스는
상기 형성물 내에 회수 우물을 제공하는 것과,
상기 형성물로부터 상기 회수 우물을 통해 상기 수불용성 가스를 회수하여, 이에 의해 상기 수용성 가스의 추가 격리를 위해 상기 형성물 내에 추가 체적을 제공하는 것
을 더 포함하는 프로세스. - 제3항에 있어서, 상기 수불용성 가스는 전기를 발생시키기 위해 상기 형성물로부터의 그 회수 후에 가스 터빈을 통해 상기 수불용성 가스를 통과시키는 추가 단계를 포함하는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 형성물 내에 물 주입 우물을 제공하는 것과,
상기 형성물 내에 물을 주입하여 상기 주입 우물로부터 이격한 영역으로부터 상기 형성물 내에 물의 횡단 흐름을 생성하고 상기 형성수와 상기 유체의 상기 대류 혼합을 더 촉진하는 것
을 더 포함하는 프로세스. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성물 내에 복수의 대류 흐름을 발생시키기 위해 상기 형성물 내에 위치된 복수의 주입 우물을 제공하는 것을 더 포함하는 프로세스.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 상기 형성물의 파괴 압력 미만의 압력에서 주입되는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 상기 형성물의 파괴 압력을 초과하는 압력에서 주입되는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 우물의 영역에서 상기 형성물 내로 유체 불포화된 물의 플럭스를 유도하기 위해 상기 형성물 내에 추가의 물을 주입하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 우물은 실질적으로 수직 주입 우물, 수평 주입 우물 또는 편향된 우물인 것인 프로세스.
- 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 주입 우물은 상기 형성물 내의 상기 대류 혼합을 촉진하기 위한 경로를 형성하는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대류 흐름을 향상시키기 위해 상기 형성물의 구성에 대한 상기 주입 우물 내의 적어도 하나의 개구의 최적의 배치를 결정하여, 이에 의해 상기 형성수와 상기 수용성 유체의 향상된 혼합을 더 촉진하는 것
을 더 포함하는 프로세스. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성물은 수직 방향에서 적어도 300 mD의 고유 투과성을 갖는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성물은 15% 초과의 다공성을 갖고 형성수는 염수인 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 이하의 파라미터, 즉
a) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 조성,
b) 상기 형성물 내의 상기 유체 주입 우물의 배치,
c) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 온도,
d) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 속도,
e) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 압력,
f) 상기 형성물 내에 배치된 상기 주입 우물의 수,
g) 상기 형성물 내의 상기 주입 우물의 위치 및 프로파일,
h) 상기 형성물 내의 상기 물의 pH,
i) 상기 형성물 내의 상기 물의 염도,
j) 상기 형성물 내의 상기 물의 밀도,
k) 상기 주입된 유체의 체적,
l) 상기 형성수 내의 상기 주입된 유체의 부분 압력, 및
m) 상기 유체의 밀도
중 하나 이상이 개별적으로 또는 집합적으로 접근되고/접근되거나 조작되어 상기 유체의 상기 대류 혼합을 향상시키는 것인 프로세스. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 연도 가스를 포함하는 것인 프로세스.
- 제16항에 있어서, 상기 형성물 내로의 주입에 앞서 상기 연도 가스 내의 이산화탄소의 농도를 농후화하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 이하의 그룹, 즉 이산화탄소, 질소, 메탄, NOx 및 황화수소로부터 선택된 하나 이상의 가스를 포함하는 것인 프로세스.
- 함수 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 조건을 결정하기 위한 프로세스로서,
컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 프로그램된 컴퓨터를 제공하는 것으로서, 상기 프로그램은 공지의 지질학적 형성물의 표현 및 상기 형성물 내로 수용성 유체 및 수불용성 유체의 혼합물을 주입하기 위한 적어도 하나의 주입 우물을 포함하고, 상기 컴퓨터 프로그램은
a) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 조성,
b) 상기 형성물 내의 상기 유체 주입 우물의 배치,
c) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 온도,
d) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 속도,
e) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 압력,
f) 상기 형성물 내에 배치된 상기 주입 우물의 수,
g) 상기 형성물 내의 상기 주입 우물의 위치 및 프로파일,
h) 상기 형성물 내의 상기 물의 pH,
i) 상기 형성물 내의 상기 물의 염도,
j) 상기 형성물 내의 상기 물의 밀도,
k) 상기 주입된 유체의 체적,
l) 상기 형성수 내의 상기 주입된 유체의 부분 압력,
m) 상기 유체의 밀도
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 변경하기 위한 수단을 구비하는 것인 컴퓨터를 제공하는 것과,
상기 파라미터 a 내지 m의 일부 또는 전체를 상기 컴퓨터에 입력하고 상기 하나 이상의 파라미터를 포함하는 바람직한 주입 조건 및 격리 조건을 제공하는 보고를 생성하는 것
을 포함하는 프로세스에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 파라미터 중 하나 이상에 의해 영향을 받는 상기 형성물 내의 형성수 및 상기 유체의 밀도 구동 이동으로부터 발생하는 상기 형성물 내에 발생된 대류 셀의 특성을 계산하도록 구성되는 것인 프로세스. - 제19항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 하나 이상의 유체 회수 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비하는 것인 프로세스.
- 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 하나 이상의 물 주입 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비하는 것인 프로세스.
- 함수 형성물 내의 수용성 유체의 격리를 위한 프로세스로서,
컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 프로그램된 컴퓨터를 제공하는 것으로서, 상기 프로그램은 공지의 지질학적 형성물의 표현 및 적어도 하나의 주입 우물을 포함하고, 상기 컴퓨터 프로그램은
a) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 조성,
b) 상기 형성물 내의 상기 유체 주입 우물의 배치,
c) 상기 형성물 내로 주입될 상기 유체의 온도,
d) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 속도,
e) 상기 형성물 내로의 상기 유체의 주입 압력,
f) 상기 형성물 내에 배치된 상기 주입 우물의 수,
g) 상기 형성물 내의 상기 주입 우물의 위치 및 프로파일,
h) 상기 형성물 내의 상기 물의 pH,
i) 상기 형성물 내의 상기 물의 염도,
j) 상기 형성물 내의 상기 물의 밀도,
k) 상기 주입된 유체의 체적,
l) 상기 형성수 내의 상기 주입된 유체의 부분 압력, 및
m) 상기 유체의 밀도
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 변경하기 위한 수단을 구비하는 것인 컴퓨터를 제공하는 것과,
상기 파라미터 a 내지 m의 일부 또는 전체를 상기 컴퓨터에 입력하는 것과,
상기 하나 이상의 파라미터를 조작하여 유효 대류 셀을 생성하는 것과,
상기 형성물의 위치에서 주입 우물 시스템의 구성요소로 상기 하나 이상의 파라미터를 복제하여 이에 의해 상기 형성물 내에 적어도 하나의 밀도 구동 대류 흐름을 생성하는 것과,
상기 주입 우물 시스템을 사용하여 상기 수용성 유체를 격리하는 것을 포함하고,
상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 유체의 분산에 기초하여 상기 형성물 내에 발생된 대류 셀의 특성을 계산하도록 구성되고, 상기 유체의 분산은 상기 하나 이상의 파라미터에 의해 영향을 받는 것인 프로세스. - 제22항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 복수의 유체 주입 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비하는 것인 프로세스.
- 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 하나 이상의 유체 회수 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비하는 것인 프로세스.
- 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 형성물 내의 하나 이상의 물 주입 우물의 배치를 변경하기 위한 수단을 더 구비하는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용성 유체는 초임계 형태에 있지 않은 가스를 포함하는 것인 프로세스.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용성 유체는 초임계 형태에 있는 가스를 포함하는 것인 프로세스.
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