KR20120018239A - 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법 - Google Patents

오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120018239A
KR20120018239A KR1020100080595A KR20100080595A KR20120018239A KR 20120018239 A KR20120018239 A KR 20120018239A KR 1020100080595 A KR1020100080595 A KR 1020100080595A KR 20100080595 A KR20100080595 A KR 20100080595A KR 20120018239 A KR20120018239 A KR 20120018239A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oil
steam
sand
oil sand
nano
Prior art date
Application number
KR1020100080595A
Other languages
English (en)
Inventor
이철위
윤성훈
유난숙
이윤조
김재호
박상엽
Original Assignee
한국화학연구원
한국석유공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원, 한국석유공사 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020100080595A priority Critical patent/KR20120018239A/ko
Publication of KR20120018239A publication Critical patent/KR20120018239A/ko

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/2406—Steam assisted gravity drainage [SAGD]
    • E21B43/2408—SAGD in combination with other methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03B—SEPARATING SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS
    • B03B9/00—General arrangement of separating plant, e.g. flow sheets
    • B03B9/02—General arrangement of separating plant, e.g. flow sheets specially adapted for oil-sand, oil-chalk, oil-shales, ozokerite, bitumen, or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/58—Compositions for enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons, i.e. for improving the mobility of the oil, e.g. displacing fluids
    • C09K8/592—Compositions used in combination with generated heat, e.g. by steam injection
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/34—Arrangements for separating materials produced by the well

Abstract

본 발명은 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스팀 및 나노크기의 무기첨가제를 오일샌드에 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터 비투맨을 회수하는 성능을 크게 향상시킬 수 있는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 지하에 매장된 오일샌드에서 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 적용함에 있어서, 고온, 고압의 스팀 및 나노크기의 금속산화물을 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터 비투맨을 분리할 때 스팀만 주입하는 것에 비하여 오일성분 회수율 및 cSOR를 크게 개선시킬 수 있는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법{An improved method for SAGD performance by introducing additives}
본 발명은 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스팀 및 나노크기의 무기첨가제를 오일샌드에 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터 비투맨을 회수하는 성능을 크게 향상시킬 수 있는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법에 관한 것이다.
오일샌드란, 오일성분에 해당하는 비투맨(bitumen) 이외에 모래(quartz sand), 점토(clay), 물 및 미량의 미네랄로 이루어진 것으로서, 그 매장된 위치에 따라 다소 성분이 다를 수 있으나, 대개 75~85%의 무기물질(모래, 점토, 미네랄 등), 3~5%의 물, 1~18%의 비투맨으로 이루어져 있다.
상기 오일샌드에 함유된 비투멘은 검은색의 무겁고 끈적끈적한 형태의 점성질 원유로서, 자연 상태에서는 시추공이나 송유관내에서 흐르지 않기 때문에 열을 가하거나 희석제와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송이 가능하다는 응용성을 갖고 있다.
이에, 지하에 매장된 오일샌드를 회수하는 방법으로는 노천채굴(Surface Mining) 및 여러 형태의 인-시츄(in-situ) 기술이 있으나, 기술적인 관점에서 "어떻게 효과적으로 비투맨의 점도를 낮출 수 있는 가" 하는 것이 핵심기술 중 하나라 하겠다.
대부분의 인-시츄 기술에서의 중요한 목표는 경제적인 방법으로 비투맨의 점도를 낮추어, 수송 내지 이동을 용이하게 만드는 일이며, 최근 상업적으로 사용되는 인-시츄 기술은 CSS(Cyclic Steam Stimulation), SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 등을 들 수 있고, THAI(Toe to Heal Air Injection), VAPEX(Vapor Extraction Process)등은 파일롯 수준의 연구가 진행되고 있다.
상기 CSS 기술은 고압, 고온(약 350℃)의 스팀을 오일샌드가 매장된 곳에 주입하면, 스팀 압력에 의하여 오일샌드 덩어리가 조각이 나는 동시에 스팀의 고열에 의해 비투맨을 녹일 수 있는 상용화된 기술로서, 매립지에 스며들어간 스팀은 가열된 비투맨이 흐름성을 갖게 될 때 펌핑하여 지상으로 퍼올리게 된다.
이러한 CSS 기술을 이용한 비투맨 회수 과정을 수 차례 반복하여 수개월 내지 2년 동안 지속적으로 진행함으로써, 비로소 CSS가 완성되고, 그 생산 현장에서의 비투맨 회수율은 약 30% 수준이다.
상기 SAGD 기술은 가장 많이 사용되는 상용화 기술로서, 전체 오일샌드 회수 기술 중 약 20%가 표면 채굴에 의하여 이루어지는 반면, 약 80%는 SAGD 기술로 이루어진다.
상기 SAGD 기술은 두 개의 평행하고, 수평적인 우물을 굴착한 후, 상단의 우물에 스팀을 주입하여 더운 열을 발생시키면, 이로 인하여 주변의 점도가 높은 원유의 점도가 낮아지면서 아래로 흘러내리는 동시에 하단의 우물내에 고이게 하는 방법으로서, 최종적으로 점도가 낮아진 더운 원유를 지상으로 펌핑하여 회수하게 되며, 그 생산 현장에서의 회수율은 약 50% 수준이다.
상기 THAI(Toe to Heal Air Injection) 공정은 1960년대 개발된 기술로서, 원유 회수율이 우수하고, 투자비가 적으며, 또한 천연가스와 물 사용량이 적고, 온난화가스 발생량이 적어 SAGD 기술의 단점을 보강할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 그리고 이 공정은 더 깊은 지하에 매장되어 있는 질이 낮은 원료 지대에서도 사용이 가능한 장점도 있다.
VAPEX(Vapor Extraction Process) 기술은 SAGD 기술과 유사하지만, 물대신 유기용매를 사용하여 오일샌드의 점도를 급격히 낮출 수 있는 점에 특징이 있다.
즉, VAPEX 기술은 에탄, 프로판 등과 같은 기화된 용매를 주입하여 지하에 증기 챔버(vapor-chamber)를 형성한 후, 오일이 중력에 의해 아래쪽의 증기 챔버내로 쉽게 흘러내릴 수 있게 한 기술로서, 에너지 사용이 적은 점에 장점이 있으나, 오일샌드에서 비투맨을 뽑아내는 기술은 아직도 개발의 여지가 많이 남아 있다.
한편, 열을 가하지 않는 방식으로 CP(Cold production) 기술이 있는데, 이 CP 기술은 매장된 오일의 점도가 낮은 상태에서 그 주입하는 가스의 압력차이로 표면에 오일이 생산되게 하는 기술로서, 가스 거품과 함께 오일이 생산되고, 열(에너지)를 사용하지 않는 점에서는 유리하지만, 회수율이 저조한 문제점에 있다.
여기서, 오일샌드에서 비투맨을 회수하기 위한 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술에 대한 종래 기술을 살펴보면 아래와 같다.
종래기술의 일례로서, PCT/US98/10092에는 지하에 매장된 오일의 회수율을 증진시키기 위하여 고온, 고압의 스팀을 주입하는 대신 스팀 이외에 고체입자가 함유된 에멀션, 가스 등을 사용하는 "에멀션을 이용한 오일 회수 방법"이 개시되어 있다.
이러한 종래의 에멀션을 이용한 오일 회수 방법에서, 고체 입자로 안정화된 에멀션은 매장된 오일을 밀어내는 유체 역할을 하도록 지층에 포함된 천연의 것이든지 혹은 인위적으로 제조한 것을 사용하게 되고, 이 고체입자의 예로서 클레이(clay), 석영(quartz), 석고, 아스팔텐, 고분자, 장석, 석탄가루 등이 있으며, 이산화탄소 등과 같은 가스를 주입하여 에멀션의 점도를 원하는 수준까지 조절함으로써, 그 결과 오일의 점도를 약 10배 정도 낮출 수 있고, 매장된 오일을 원활하게 이동시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
종래기술의 다른 예로서, PCT/CA2007/002249에는 비투맨 등과 같은 중질유가 매장되어 있는 지하에 전처리제(preconditioning agent)를 함유한 수용액을 주입함으로써, 중질유의 점도를 개선하는 동시에 중질유의 회수율을 증진시킬 수 있는 "유정을 사전조건화시키는 전처리 방법"이 개시되어 있다.
이러한 종래의 유정 전처리 방법은, ⅰ)유정(oilfield reservoir)를 전처리(preconditioning)한 다음, 냉간 생산(cold production)방법 혹은 열적 회복(thermal recovery) 방법을 통하여 중질유를 회수할 수 있는 점, ⅱ)전처리제(preconditioning agent)로서 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 프로필 케톤(methyl propyl ketone), 메틸 테르티아리-부틸 에테르(methyl tertiary-butyl ether) 등과 같은 수용성 유기용매를 사용하는 점, ⅲ)전처리제(preconditioning agent)는 회수공정 조건에서 분해되어 가스를 발생하는 점, ⅳ)분해되는 전처리제(preconditioning agent)로서 시트르산(citric acid), 옥살산(oxalic acid), 카르복실산(carboxylic acid) 등을 사용하는 점, ⅴ)비투맨 회수시에 첫번째로 카로복실산 수용액을 주입하고, 두번째로 탄산염(carbonate) 수용액을 주입하는 점 등에 특징이 있다.
또한, 전처리제(preconditioning agent)로서 메탄(methane), 에탄(ethane), 프로판(propane), 노멀 부탄(normal butane), 이소부탄(isobutane), CO2 등과 같은 하이드레이트 촉진제(hydrate promoting agent)를 사용하는 점에도 특징이 있으며, 이러한 하이드레이트 촉진제를 사용함에 따라 하이드레이트(hydrate)를 형성하는 압력에서 일정시간이 지난 후, 다시 압력을 감소시켜 하이드레이트가 분해되면서 가스가 발생되도록 하는 점에 특징이 있다.
종래기술의 또 다른 예로서, PCT/CA2005/001875에는 오일샌드중 천연의 아스팔텐을 특정의 화합물과 반응시켜(oxidation, sulfoxidation, sulfonation, sulfomethylation 반응 등) 계면활성 성분(surfactant)이 형성되도록 함으로써, 표면장력이 약화되고 비투맨-물(bitumen-water) 에멀션 생성을 증진시키는 동시에 비투맨-물(bitumen-water) 에멀션의 안정도를 개선시킬 수 있고, 결국 비투맨에 이동성(흐름성)을 부여하여 오일샌드로부터 비투맨 회수 효율을 증진시킬 수 있는 오일샌드로부터 비투맨을 회수하는 방법이 개시되어 있다.
종래기술의 또 다른 예로서, 미국특허(US 7,691,788 B2)에는 지하에 매장된 아스팔텐을 함유한 물질에 아스팔텐 용매, 점도 저하제를 일정 비율로 혼합하여 점도를 낮출 뿐만 아니라, 유정(reservoir) 및 생산라인에 아스팔텐의 침적을 방지하는 화합물의 조성 및 그 방법이 개시되어 있는 바, 이러한 조성을 갖는 혼합물을 유정에 주입하면, 반응조건(처리온도는 0-200℃, 압력은 1-10MPa 이며, 아스팔텐 용매: 점도저하제= 10:1 ~ 1:10)에 따라 희석된 중질유가 취급하는데 용이하면서도 운송하는데 편리한 성질로 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
종래기술의 또 다른 예로서, 카나다 오일 협회(Canadian Heavy Oil Association)에서 발간된 SPE/PS/CHOA 117394에는 실험실적 모사장치를 사용하여 오일샌드로부터 비투맨을 회수하는 실험 결과로서, ⅰ)스팀, ⅱ)스팀+CO2, ⅲ)스팀+서팩턴트(surfactant), ⅳ)스팀+CO2+계면활성제(surfactant) 등을 각각 주입하여 비투맨 회수율의 변화에 대하여 조사한 결과가 개시되어 있다.
즉, 스팀 주입방식(주입속도, 주입방법, 첨가제의 양 등)에 따른 비투맨 회수율의 최적화 조건을 조사하였는데, 그 결과 스팀+CO2+계면활성제(surfactant)를 동시에 주입하면 비투맨 회수율이 시뮬레이션 결과와 일치되게 개선되고, 주입한 CO2는 오일에 일부가 용해되어 겉보기 부피가 증대되면서 오일의 점도를 저하시켜서 비투맨 회수율이 개선되는 것으로 보고되었으며, 이때 사용된 계면활성제는 계면장력을 약화시켜 비투맨 회수율 개선에 기여하고, 주입하는 스팀과 CO2의 양을 증가시키면 비투맨 회수율이 증대되지만, 최적의 오일대비 첨가제의 비율이 존재하는 것으로 보고되고 있다.
종래기술의 또 다른 예로서, 카나다 오일 협회(Canadian Heavy Oil Association)에서 발간된 SPE/PS/CHOA 117604에는 수직형 스팀 주입(steam injection) 장치를 사용하여 수소를 제공하는 물질(tetralin, C10H12)과 유기금속 촉매(Fe(CH3COCHCOCH3)3)를 스팀과 동시에 주입시켜, 저급 원유의 현장(in-situ) 업그레이딩 기술을 연구하는 동시에 첨가제가 오일 회수율 및 오일의 질(quality)에 미치는 영향에 대하여 연구한 결과가 개시되어 있다.
그 결과, 5wt% 테트랄린(tetralin)을 스팀과 동시에 주입하면, 스팀을 단독으로 주입하는 것에 비하여 오일 회수율이 약 15% 증진되었고, Fe 촉매가 혼합된 테드랄린(tetralin) 용액을 오일샌드와 혼합하여 스팀을 주입하면, 스팀을 단독으로 주입하는 것에 비하여 오일 회수율이 약 20% 증진되었으며, 또한 테트랄린(tetralin) 및 테트랄린 촉매(tetralin-catalyst)를 함께 사용하면 오일 회수율과 오일의 질(quality)이 개선되고 촉매가 공존하는 조건에서는 오일생산량이 증대되는 것으로 보고되었다.
종래기술의 또 다른 예로서, 공업화학 저널(Ind. Eng. Chem. Res., 2002)에는 무기 미립자가 물-오일(water-oil) 계면에서 아스팔텐과의 상호작용 (흡착)으로 인하여 물-오일(water-oil) 에멀션의 안정성을 증진시킬 수 있도록 여러 종류의 친수성 무기입자를 대상으로 에멀션 안정성에 영향을 주는 요인에 대하여 연구한 결과가 개시되어 있는 바, 무기입자를 충분히 건조시켜 아스팔텐을 함유한 오일과 접촉하면 무기입자가 물-오일(water-oil) 에멀션의 안정성에 도움을 주되, 무기 미립자의 크기가 작을수록, 무기 미립자의 농도가 증가할수록, 그리고 무기 미립자가 자체 함유한 물의 함량이 적을수록 그 안정도가 증진되는 것으로 보고되었다.
즉, 아스팔텐과 무기 미립자의 상호작용이 증가할수록 에멀션의 안정도가 효과적으로 증진되므로, 무기 미립자의 크기, 농도 및 종류가 물-오일(water-oil) 에멀션의 안정도에 미치는 영향에 대하여 조사하였는 바, 오일-습식(oil-wet) 입자의 크기가 작을수록, 친수성이 강할수록 그 안정도가 증대되었고, 또한 무기 미립자로서 충분히 건조된 몬모릴로나이트, 카올린은 물-오일 에멀션의 안정도를 증진시키는 역할을 한다.
이때, 몬모릴로나이트가 카올린보다 그 효과가 우수한데, 이는 입자의 상대적인 크기와 무관하고, 몬모릴로나이트는 층사이가 팽창하여 층간에 노출된 표면이 증대되어 아스팔텐과 상호작용이 증대되기 때문인 것으로 설명할 수 있다.
또한, Fe2O3, Ca(OH)2도 물-오일(water-oil) 에멀션의 안정도를 증진시키며, Ca(OH)2의 경우에는 염기성 물로 제조한 에멀션에 그 영향이 더 큰데, 이는 입자 표면이 양성자로 둘러싸이게 되고, 수소결합을 제공하는 자리와 아스팔텐이 강한 상호작용을 하기 때문인 것으로 설명할 수 있다.
이상에서 살펴본 종래기술들은 공통적으로 지하에 매장되어 있는 원유성분을 회수하기 위하여 고온/고압의 스팀을 사용하고 있고, 또한 오일 회수율을 증진하기 위하여 즉, 물과 오일의 계면장력을 약화시키기 위하여, 다양한 종류의 첨가제를 사용하고 있으나, 오일 회수율을 더욱 증대시키기 위한 방안이 요구되고 있는 실정에 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 오일샌드에서 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 적용함에 있어서, 스팀 및 무기첨가제를 오일샌드에 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터의 비투맨 회수 성능을 크게 향상시킬 수 있도록 한 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 오일샌드로부터 오일성분을 회수하기 위하여 SAGD 기술을 적용할 때, 오일샌드에 스팀 및 나노 크기의 무기첨가제를 동시에 주입하는 단계와; 스팀에 의한 열이 나노크기의 무기첨가제를 매개로 오일샌드에 함유된 오일성분에 신속하게 전달되는 단계와; 나노크기의 무기첨가제에 의하여 물과 오일간의 계면장력이 약화되는 단계; 를 통하여, 오일성분의 점도가 낮아지는 동시에 흐름성을 갖게 되면서 오일샌드로부터 오일성분을 쉽게 회수시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 무기첨가제는 철, 니켈, 코발트, 구리, 망간, 아연을 포함하는 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물, 또는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨을 포함하는 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 단독으로 사용하거나, 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물과 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
오일샌드에서 오일성분에 해당하는 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 적용함에 있어서, 종래에 지하에 매장되어 있는 원유성분을 회수하기 위하여 고온, 고압의 스팀을 공통적으로 사용하고, 또한 회수율을 증진하기 위하여 즉, 물과 기름의 계면장력을 약화시키기 위하여, 다양한 종류의 첨가제를 사용하고 있는 것과 달리, 본 발명에서는 오일샌드에 스팀 및 나노크기의 무기첨가제를 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터의 비투맨 회수율을 월등히 향상시킬 수 있고, 에너지 절감효과도 얻을 수 있다.
본 발명을 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 인-시츄(in-situ) 기술에 적용 시, 오일성분을 최대한 빠른 속도로 회수하여 회수율을 높일 수 있으므로, 환경친화적인 장점이 있다.
도 1은 SAGD 모사장치의 일례를 나타내는 개략도.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 지하에 매장된 오일샌드로부터 원유성분에 해당하는 비투맨을 회수하기 위하여 나노크기의 무기입자를 스팀과 동시에 주입함으로써, 비투맨의 회수율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
즉, 본 발명은 지하에 매장된 오일샌드에 대하여 나노크기의 무기입자 산화물을 고온, 고압의 스팀과 동시에 주입함으로써, 비투맨의 회수율 및 스팀오일비(cSOR)가 약 2배 이상 향상되는 효과를 얻을 수 있도록 한 것으로서, 이를 위한 나노크기의 무기입자는 철 등과 같은 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물 또는 마그네슘 등과 같은 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 단독으로 사용하거나, 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물과 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 혼합시킨 혼합물을 사용한다.
상기 알카리토금속 산화물 중에서 산화마그네슘(MgO)을 선택하여 나노입자로 제조하고자 하는 경우, 먼저 1.5g Mg(NO3)2ㆍ6H2O을 90℃의 200mL 증류수에 녹인 후, 우레아 50g을 혼합하여 24시간 동안 교반한 다음, 교반을 멈추고 동일한 온도에서 4시간 동안 숙성시킨다.
이어서, 위와 같은 숙성 공정을 통해 얻어진 고체 생성물을 에탄올 500mL를 사용하여 세척하고, 이물질을 걸러주는 여과를 실시한 다음, 110℃에서 건조시킴으로써, 산화마그네슘이 제조된다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 산화마그네슘 5g, 등유 25mL, 올레인산 7mL를 혼합하여 200℃에서 1시간 동안 교반하고, 연이어 원심분리기를 이용하여 산화마그네슘만을 분리한 다음, 80℃에서 건조함으로써, 최종적으로 표면이 수식된 나노크기의 산화마그네슘 분말이 얻어지게 된다.
상기 전이금속 산화물 중에서 산화철(FeO)을 선택하여 나노입자로 제조하고자 하는 경우, 먼저 35g 질산철을 90℃의 200mL 증류수에 녹인 후, 우레아 20g을 혼합하여 24시간 동안 교반한 다음, 교반을 멈추고 동일한 온도에서 4시간 동안 숙성시킨다.
이어서, 위와 같은 숙성 공정을 통해 얻어진 고체 생성물을 증류수 10L를 사용하여 세척하고, 이물질을 걸러주는 여과를 실시한 다음, 실온에서 건조시킴으로써, 수산화철이 제조된다.
이렇게 제조된 수산화철 슬러리(산화철 기준 15%) 80g, 등유 18g, 올레인산 12g을 혼합하여 100℃에서 1시간 동안 교반함으로써, 윗층에는 수용액 성분이 형성되고, 아래층에는 철성분을 포함하는 검은색의 유기층이 형성된 상태가 되는 바, 윗층에 형성된 수용액 성분을 단순 분리/제거하고, 아랫층에 형성된 철성분이 포함된 검은색 유기층을 감압 증류하여 검은색 유기층에 포함된 미량의 수분을 제거한다.
최종적으로, 비정질 수산화철이 함유된 유기층을 150℃에서 3~4시간 가열함으로써, 표면이 수식된 산화철 나노입자가 얻어지게 된다.
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
상기와 같이 제조된 나노크기의 산화철 10% 존재하에서 하기와 같은 SAGD 모사장치를 이용하여 스팀을 공급하면서 오일샌드로부터 오일성분을 회수하는 실험을 수행하였다.
실시예 2
상기와 같이 제조된 나노크기의 산화마그네슘 10% 존재하에서 하기와 같은 SAGD 모사장치를 이용하여 스팀을 공급하면서 오일샌드로부터 오일성분을 회수하는 실험을 수행하였다.
비교예
나노크기의 금속 산화물없이 하기와 같은 SAGD 모사장치를 이용하여 스팀을 공급하면서 오일샌드로부터 오일성분을 회수하는 실험을 수행하였다.
위의 실시예1 및 실시예2에 따른 오일성분 회수 실험은 SAGD 모사장치를 사용하여 동일하게 진행되며, 이 SAGD 모사장치에 의한 오일성분 회수 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 SAGD 모사장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 1에서 보듯이, SAGD 모사장치는 물공급유니트(19)와, 공급 및 분배유니트(10)와, 오일샌드 모델유니트(11)와, 정온냉각 유니트(12) 및 정압유지 유니트(15)와, 오일컷 유니트(14) 및 프로덕션 유니트(13)로 구성된다.
상기 물공급유니트(19)는 스팀 생성을 위한 물을 공급 및 분배유니트(10)로 공급하는 수단으로서, 워터탱크(16)내의 물을 펌핑하는 워터펌프와, 워터펌프의 출구측으로 배출되는 물을 정량 제어하여 공급 및 분배유니트(10)로 공급하는 유량제어밸브(23)를 포함한다.
상기 공급 및 분배유니트(10)는 물을 스팀으로 만드는 수단으로서, 한 쌍의 스팀 발생기(17)와, 이 스팀 발생기(17)에서 생성된 스팀을 오일샌드 모델유니트(11)로 공급 또는 차단하는 자동개폐밸브(18a)를 포함한다.
이때, 상기 물공급유니트(19)의 워터펌프의 구동에 따라, 워터탱크(16)내의 물 용량중 3리터의 물을 공급 및 분배유니트(10)의 첫번째 스팀 발생기(17)에 공급한다.
따라서, 컴퓨터 조절 프로그램을 이용하여 상기 공급 및 분배 유니트(10)의 첫번째 스팀 발생기(17)의 온도를 180℃로 설정해주면, 첫번째 스팀 발생기(17)로 공급된 물이 180℃로 끓게 되면서 높은 온도와 압력을 생성하게 되고, 연이어 두번째 스팀 발생기(17)의 온도를 300℃로 올려주는 동시에 첫번째 스팀 발생기(17)에서 두번째 스팀 발생기(17)로 통하는 밸브(미도시됨)를 열어주면, 두번째 스팀 발생기(17)에서 100%의 과열 증기가 만들어지게 된다.
이렇게 만들어진 과열 증기는 오일샌드 모델유니트(11)로 공급된다.
상기 오일샌드 모델유니트(11)는 실제 비투맨과 유사한 초중질유가 채워지는 실린더 타입 모델(20)과, 이 실린더 타입 모델(20)의 출구측 라인에 설치되는 자동개폐밸브(18b)를 포함한다.
특히, 상기 실린더 타입 모델(20)내에는 실제 비투맨과 유사한 초중질유가 채워지는 바, 구체적으로는 전체 부피가 6495ml의 실린터 타입 모델(20)의 70%인 4546.5ml에는 오일샌드 역할을 하는 직경 1.5mm의 글래스 비드가 채워지고, 나머지 30%인 1948.5ml의 81%는 비투맨과 유사한 초중질유로 채워지며, 19%는 물이 채워진다.
이때, 본 발명은 무기 나노입자를 이용한 실험으로서, 위와 같은 실험 조건에 초중질유 대비 산화철 또는 산화마그네슘 나노입자 10%를 함께 채워준다.
즉, 실시예1로서 산화철 나노입자를 초중질유 대비 10%를 함께 채워주고, 실시예2로서 산화마그네슘 나노입자를 초중질유 대비 10%를 함께 채워주며, 반면에 비교예로서 무기 나노입자를 채우지 않고 실험을 하도록 한다.
위의 무기 나노입자의 양이 50%를 초과하면 나노입자의 효과를 더 이상 관측할 수 없으므로 50% 이상 투입하면 비경제적이고, 나노입자의 양이 1.0% 이하이면 나노입자의 효과가 너무 미비한 문제가 있으므로, 1.0~50%범위내에서 채워주는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 산화철 나노입자 또는 산화마그네슘 나노입자의 입경은 300~700나노미터로서, 주입물 전체(스팀+무기첨가제)에 대하여 1.0~50 중량%을 차지하도록 한다.
따라서, 상기 실린더 타입 모델(20)내에 스팀이 공급되면서 초중질유의 점도가 낮아지는 동시에 흐름성을 갖게 되어, 물과 함께 초중질유가 자동개폐밸브(18b)를 통해 배출된다.
이때, 초중질유에 공존하고 있는 산화철 또는 산화마그네슘 나노입자에 의하여 스팀이 가지고 있는 열이(나노입자가 없을 때 보다) 빠른 속도로 초중질유에 전달되어 초중질유의 점도가 쉽게 낮아지면서 흐름성을 갖게 되며, 또한 나노입자들이 물과 오일간의 계면장력을 약화시킴으로써 오일이 물로부터 용이하게 분리될 수 있도록 해준다.
상기 정온 냉각 유니트(12)는 오일샌드 모델유니트(11)로부터 배출되는 물과 초중질유를 일정한 온도로 냉각하는 수냉식의 쿨러(21)와, 이 쿨러(21)의 배출라인에 장착되는 밸브(18c)를 포함한다.
상기 오일컷 유니트(14)는 정온 냉각 유니트(12)의 밸브(18c)로부터 빠져나온 물과 초중질유의 흐름량을 제어하는 유량제어밸브(25) 및 부피유량기(24)를 포함한다.
상기 프로덕션 유니트(13)는 오일샌드 모델유니트(11)로부터 배출되어 정온 냉각 유니트(12) 및 오일컷 유니트(14)를 경유하여 나온 물과 초중질유가 최종적으로 모이는 곳으로서, 물과 초중질유가 섞여서 모이게 되는 프로덕터 실린더(22)를 포함한다.
상기 정압 유지 유니트(15)는 스팀 발생기(17)의 압력과 프로덕션 유니트(13)의 압력 차가 0.1 bar로 일정하게 유지될 수 있게 해주는 장치로서, 에어탱크(26)와, 이 에어탱크(26)에서 배출되는 가스의 압력을 일정하게 조절하는 레귤레이터(27)와, 프로덕션 유니트(13)의 프로덕터 실린더(22)와의 개폐를 위한 밸브(18d)를 포함한다.
따라서, 상기 정압 유지 유니트(15)에서 공급되는 가스(예를 들어, 질소)에 의하여, 프로덕션 유니트(13)와 오일샌드 모델유니트(11)의 스팀 발생기(17)간의 압력 차이를 조절하되, 프로덕션 유니트(13)의 압력이 스팀 발생기(17)에서 생성된 압력에 비하여 0.1 bar 낮게 조절함으로써, 오일샌드 모델유니트(11)로부터 배출되어 정온 냉각 유니트(12) 및 오일컷 유니트(14)를 경유하여 나온 물과 초중질유가 프로덕션 유니트(13)의 프로덕터 실린더(22)내에 용이하게 모이게 된다.
이때 상기와 같이 초중질유에 투입한 무기 나노입자들은 오일성분을 회수하는 공정을 진행하는 도중에 샌드와 혼합되며, 회수되는 오일성분에 혼입되지 않는다.
이에 따라, 프로덕터 실린더(22)의 출구측 밸브(18e)를 열게 되면, 물과 초중질유가 배출되어 최종 회수되고, 이렇게 회수된 물과 초중질유 혼합물을 95℃ 오븐에 넣어 2~3일정도 데워주어 물과 초중질유를 분리한 후, 실시예1 및 실시예2에 따른 cSOR 및 회수율을 측정하였고, 무기 나노입자를 배제시킨 비교예의 cSOR 및 회수율도 측정하였는 바, 그 측정 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
Figure pat00001
위의 표 1에 기재된 바와 같이, 오일샌드에서 오일성분에 해당하는 비투맨을 회수하기 위하여 SAGD(steam assisted gravity drainage) 기술을 적용함에 있어서, 스팀 및 무기첨가제(실시예1 : 산화철 나노입자, 실시예2 : 산화마그네슘 나노입자)를 오일샌드(직경 1.5mm 글래스비드)에 동시에 주입함으로써, 오일샌드로부터 비투맨 회수 성능이 개선되었음을 확인할 수 있었다.
즉, SAGD 기술을 사용하여 오일샌드로부터 비투맨을 분리할 때, 비교예와 같이 스팀만 주입하는 경우에 비하여, 실시예1 및 2와 같이 스팀 및 무기첨가제를 동시에 주입하였을 때, 오일성분 회수율이 38%에서 68%로 증가함을 알 수 있었고, cSOR의 경우 9.32에서 5.44로 개선되었음을 알 수 있었으며, 또한 반응온도에 이르는 시간(두번째 스팀발생기(17)에서 스팀이 발생되고, 이 스팀이 실린더모델로 이동되어 실린더모델의 온도가 180℃까지 가열되는데 까지 소요되는 시간)을 적어도 50% 줄일 수 있어 에너지 절감효과도 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
이상과 같은 본 발명에서, 나노 크기의 무기 첨가제를 SAGD 기술에 적용하는 것으로 설명하였지만, 상기한 CSS, VAPEX, THAI, 등과 같은 오일샌드 회수 기술에도 응용할 수 있음은 물론이다.
10 : 공급 및 분배 유니트 11 : 오일샌드 모델 유니트
12 : 정온 냉각 유니트 13 : 프로덕션 유니트
14 : 오일 컷 유니트 15 : 정압 유지 유니트
16 : 워터탱크 17 : 스팀 발생기
18a,18b,18c,18d,18e : 밸브 19 : 물공급 유니트
20 : 실린더 타입 모델 21 : 쿨러
22 : 프로덕터 실린더 23 : 유량제어밸브
24 : 부피유량기 25 : 유량제어밸브
26 : 에어 탱크 27 : 레귤레이터

Claims (4)

  1. 오일샌드로부터 오일성분을 회수하기 위하여 SAGD 기술을 적용할 때, 오일샌드에 스팀 및 나노 크기의 무기첨가제를 동시에 주입하는 단계와;
    스팀에 의한 열이 나노크기의 무기첨가제를 매개로 오일샌드에 함유된 오일성분에 신속하게 전달되는 단계와;
    나노크기의 무기첨가제에 의하여 물과 오일간의 계면장력이 약화되는 단계;
    를 통하여,
    오일성분의 점도가 낮아지는 동시에 흐름성을 갖게 되면서 오일샌드로부터 오일성분을 쉽게 회수시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기첨가제는 철, 니켈, 코발트, 구리, 망간, 아연을 포함하는 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물, 또는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨을 포함하는 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 단독으로 사용하거나, 전이금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물과 알카리토금속 산화물 중에서 선택된 1종의 금속산화물을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 크기의 무기첨가제는 스팀과 무기첨가제를 합한 총 중량%에 대하여 1.0~50 중량% 임을 특징으로 하는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 크기의 무기첨가제는 입경이 300~700나노미터 임을 특징으로 하는 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법.
KR1020100080595A 2010-08-20 2010-08-20 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법 KR20120018239A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100080595A KR20120018239A (ko) 2010-08-20 2010-08-20 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100080595A KR20120018239A (ko) 2010-08-20 2010-08-20 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120018239A true KR20120018239A (ko) 2012-03-02

Family

ID=46127587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100080595A KR20120018239A (ko) 2010-08-20 2010-08-20 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20120018239A (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104318854A (zh) * 2014-11-26 2015-01-28 东北石油大学 稠油蒸汽驱实验中使用的注蒸汽井实验装置
WO2015116332A1 (en) * 2014-01-31 2015-08-06 Baker Hughes Incorporated Nano-surfactants for enhanced hydrocarbon recovery, and methods of forming and using such nano-surfactants
KR20160023315A (ko) * 2014-08-22 2016-03-03 세트요노 로빈 복수의 증류장치를 이용하여 증류법에 의한 광물 또는 암석의 오일 처리방법 및 효율적인 열과 테일링의 이용방법
US9708896B2 (en) 2014-01-31 2017-07-18 Baker Hughes Incorporated Methods of recovering hydrocarbons using a suspension
KR102082671B1 (ko) * 2018-12-21 2020-03-02 광신기계공업 (주) 레저버의 인젝션 웰을 위한 모듈화 된 고압, 고온 스팀 생산 및 주입 장치
KR20210055134A (ko) * 2019-11-06 2021-05-17 광신기계공업 주식회사 레저버의 인젝션 웰을 위한 최적화된 스팀 인젝터

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015116332A1 (en) * 2014-01-31 2015-08-06 Baker Hughes Incorporated Nano-surfactants for enhanced hydrocarbon recovery, and methods of forming and using such nano-surfactants
US9708525B2 (en) 2014-01-31 2017-07-18 Baker Hughes Incorporated Methods of using nano-surfactants for enhanced hydrocarbon recovery
US9708896B2 (en) 2014-01-31 2017-07-18 Baker Hughes Incorporated Methods of recovering hydrocarbons using a suspension
CN110283582A (zh) * 2014-01-31 2019-09-27 贝克休斯公司 用于增强烃采收的纳米表面活性剂，以及形成和使用所述纳米表面活性剂的方法
KR20160023315A (ko) * 2014-08-22 2016-03-03 세트요노 로빈 복수의 증류장치를 이용하여 증류법에 의한 광물 또는 암석의 오일 처리방법 및 효율적인 열과 테일링의 이용방법
CN104318854A (zh) * 2014-11-26 2015-01-28 东北石油大学 稠油蒸汽驱实验中使用的注蒸汽井实验装置
KR102082671B1 (ko) * 2018-12-21 2020-03-02 광신기계공업 (주) 레저버의 인젝션 웰을 위한 모듈화 된 고압, 고온 스팀 생산 및 주입 장치
KR20210055134A (ko) * 2019-11-06 2021-05-17 광신기계공업 주식회사 레저버의 인젝션 웰을 위한 최적화된 스팀 인젝터

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2942663C (en) Method of extracting bitumen from oil sands with a propylene oxide capped glycol
KR20120018239A (ko) 오일샌드에서 오일성분을 회수하는 방법
US10941347B2 (en) Composition for steam extraction of bitumen
CA3025272C (en) Enhanced steam extraction of bitumen from oil sands
CA2893689C (en) Improved method to extract bitumen from oil sands
KR101325908B1 (ko) 개선된 오일샌드 회수 및 개질기술
CN106753299A (zh) 一种稀油井选择性堵水剂及其制备方法与应用
CN104453816A (zh) 一种溶剂辅助sagd开采稠油油藏的方法
CA2789917C (en) Method of oil extraction
WO2018111342A1 (en) Amine composition for steam extraction of bitumen
WO2010016947A1 (en) Well stimulation
WO2018017221A1 (en) Method to extract bitumen from oil sands using aromatic amines
CN108924974B (zh) 一种用于稠油开采的电加热材料及其制备方法
US20210261852A1 (en) Enhanced steam extraction of bitumen from oil sands
WO2020006422A1 (en) Additives for enhanced extraction of bitumen
CN114961639B (zh) 一种稠油油藏蒸汽驱堵疏结合开发方法
RU2618798C2 (ru) In situ экстракция из нефтеносного песка посредством аммиака
CN116220622B (zh) 利用人工储层开发水合物的开采系统及方法
RU2801030C2 (ru) Способ разработки месторождений трудноизвлекаемых углеводородов
Boksermant et al. Oil extraction
CN115637966A (zh) 一种地热驱动co2催化还原埋存与采油的方法
US20140020913A1 (en) Recovery of oil sands bitumen

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application