KR20160103428A - 셰일가스 개발을 위한 gtl모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셰일층(10)에서 채굴된 원료 셰일가스로 합성원유를 생산하기 위한 장치에 있어서: 상기 원료 셰일가스에 대한 개질과 F-T합성 공정을 거쳐 합성오일을 생성하는 GTL 생산시스템(20); 및 상기 GTL 생산시스템(20)에 응축수관(42)을 개재하여 연결되고, 공정에서 생성되는 응축수를 셰일층(10)에 고압으로 분사하는 수압파쇄기시스템(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 셰일층의 셰일가스로 합성원유(Syncrude)를 생산함에 있어서 이동이 용이한 GTL모듈을 기반으로 하고 파쇄용 물을 자급하는 방식으로 수평수압파쇄법을 적용하여 경제성을 제고하는 효과가 있다.

Description

셰일가스 개발을 위한 GTL모듈{GTL module for shale gas development}
본 발명은 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 육상이나 해상에서 수압파쇄법을 기반으로 셰일가스를 시추하기 위한 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈에 관한 것이다.
육상이나 해상의 지하 셰일(Shale) 층에는 셰일가스와 셰일오일이 저장되어 있다. 셰일층으로부터 생산되는 셰일가스는 파이프라인(Pipeline)을 통해 소비처나 저장장소로 운송되고, 셰일오일은 탱크로리와 같은 운반차량을 이용하여 소비처나 저장장소로 운송된다. 이와 같은 셰일가스가 차세대 청정 에너지원으로 주목받고 있는 가운데 북미의 경우 대규모 개발로 가스가격이 하향안정화 되면서 수익성이 저하되는 현상을 보이기도 한다.
근래에 셰일층에 고압의 물을 주입하는 수평수압파쇄법이 개발되어 경제성을 제고하는 계기가 되고 있다. 하지만 결국 셰일가스를 운송하기 위한 파이프라인과 장거리 수출을 위한 대규모의 액화공정은 여전히 장애 요인으로 남아있다. 대부분의 셰일층의 생산주기가 약 1~5년으로 짧아 생산규모에 비해 CAPEX가 많이 들어가는 점도 불리하게 작용한다.
셰일가스 개발과 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서, 한국 공개특허공보 제2014-0025757호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1359569호(선행문헌 2) 등의 소수가 알려져 있다.
선행문헌 1에 의하면 담수 플랜트 농축수를 이용한 셰일가스의 생산 방법은, (a) 해수를 담수화하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)의 공정 부산물인 농축수를 이용한 수압파쇄법으로 셰일가스를 채굴하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 물 부족 지역에서 담수를 생산하고, 부산물인 농축수를 이용하여 수압 파쇄법으로 셰일 가스를 채굴하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 가스 중 상기 VOC를 흡착하고, 가열가스에 의하여 흡착된 상기 VOC가 탈착되는 흡탈착 유닛; 및 상기 흡탈착 유닛으로부터 유입되는 VOC에 포함된 수분을 제거한 후 냉매에 의하여 상기 VOC가 액화되는 응축 유닛;을 포함하는 응축 모듈을 제안한다. 각 유닛의 모듈화에 의하여 설치 및 시공이 간편하며, 고장 발생 개소의 즉각적인 파악과 대처가 가능한 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌 1은 농축수를 이용한 수압 파쇄용 물을 충분하게 확보하기 곤란하여 대상 지역에 따른 한계성을 보이고, 선행문헌 2는 휘발성 유기 화합물의 응축과 액화를 요지로 하므로 셰일가스의 개발에 적용하기 근본적인 한계성을 보인다.
1. 한국 공개특허공보 제2014-0025757호 "담수 플랜트 농축수를 이용한 셰일 가스의 생산 방법" (공개일자 : 2014. 3. 5.) 2. 한국 등록특허공보 제1359569호 "VOC 응축 모듈" (공개일자 : 2013. 11. 27.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 셰일층에서 채굴한 셰일가스를 GTL 공정을 이용하여 합성원유(Syncrude)로 생산하는 동시에 이동이 용이한 모듈화 방식을 기반으로 수평수압파쇄법을 적용하여 경제성을 제고하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 셰일층에서 채굴된 원료 셰일가스로 합성원유를 생산하기 위한 장치에 있어서: 상기 원료 셰일가스에 대한 개질과 F-T합성 공정을 거쳐 합성오일을 생성하는 GTL 생산시스템; 및 상기 GTL 생산시스템에 응축수관을 개재하여 연결되고, 공정에서 생성되는 응축수를 셰일층에 고압으로 분사하는 수압파쇄기시스템;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템은 3상분리부, 황제거부, 예비개질부, 개질부, 합성가스조절부, F-T합성부, 미반응가스분리부, 합성원유개선부를 하나의 이동 가능한 프레임 상에 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템은 혼합물 분리부를 통하여 모래나 불순물을 분리하고, 3상분리부를 통하여 분리된 셰일오일을 이송하여 합성원유와 함께 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 수압파쇄기시스템은 GTL 공정에서 발생하는 물을 파쇄용수로 처리하는 수처리부와, 파쇄용수를 분사관을 통하여 송출하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템은 공정에서 생성되는 스팀 또는 미반응가스를 이용하여 전기를 생산하는 발전부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 발전부는 생산된 전기를 GTL 생산시스템과 수압파쇄기시스템을 포함한 주변 시스템에 공급하도록 결선되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 셰일층의 셰일가스로 합성원유(Syncrude)를 생산함에 있어서 이동이 용이한 GTL모듈을 기반으로 하고 파쇄용 물을 자급하는 방식으로 수평수압파쇄법을 적용하여 경제성을 제고하는 효과가 있다.
또한, 기존의 셰일오일 설비 및 저장탱크를 공유할 수 있고, 오일 운반차량을 통해 쉽게 소비처나 저장장소로 운반할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 셰일가스 개발 원리를 나타내는 개념도
도 2는 본 발명에 따른 GTL모듈의 주요부를 개략적으로 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 GTL모듈의 일예를 세부적으로 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 셰일층(10)에서 채굴된 원료 셰일가스로 합성원유를 생산하기 위한 장치에 관하여 제안한다. 셰일층(10)은 육상의 호수, 하천, 늪지는 물론 해저에서 퇴적된 점토질 암반으로서 지하 2,000~4,000m의 깊이에 가스와 오일을 내재한 상태로 위치한다. 최근 가격안정에 따른 수익성 저하에도 불구하고 셰일층(10) 개발이 꾸준히 지속되고 있는 것은 셰일가스 채굴 과정에서 높은 가격의 셰일오일이 생산되기 때문이다. 본 발명은 원료 셰일가스를 채굴 대상으로 하고 부수적으로 셰일오일을 포함하는 것이지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 GTL 생산시스템(20)이 상기 원료 셰일가스에 대한 개질과 F-T합성 공정을 거쳐 합성오일을 생성하는 구조를 특징으로 한다. GTL 생산시스템(20)는 전세계적으로 알려진 다수의 GTL 라이센서의 공정을이용하여 원료 셰일가스에서 상대적으로 고부가가치를 지닌 합성오일을 생산한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템(20)은 3상분리부(31), 황제거부(32), 예비개질부(33), 개질부(34), 합성가스조절부(35), F-T합성부(36), 미반응가스분리부(37), 합성원유개선부(38)를 하나의 이동 가능한 모듈형태의 프레임 상에 구비하는 것을 특징으로 한다. 유정에서 올라온 원료 셰일가스는 수분을 비롯하여 실질적으로 생산에 필요치 않은 물질들을 많이 포함한다.
3상분리부(31)는 셰일가스 층에서 올라오는 혼합물을 가스/오일/물로 분리하고, 황제거부는 가스에 포함된 미량의 황 성분들을 분리하고, 예비개질부(33)은 가스에 포함된 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 등의 가스 성분을 메탄(CH4)으로 전환한다.
개질부(34)는 셰일가스를 개질하여 합성가스(H2, CO)를 생성하고, F-T합성부(36)는 합성가스로부터 합성석유를 생성하고, 합성원유개선부(38)는 합성원유를 업그레이딩(upgrading)하여 원하는 탄소수의 연료로 전환한다. F-T합성부(36)에서 잉여로 발생되는 합성가스와 미반응된 가스는 미반응가스분리부(37)에서 분류되어 일부가 예비개질부(33)로 재순환된다. 합성원유개선부(38)를 거쳐 생산되는 합성원유는 합성원유탱크(27)에 저장된다.
이때, 본 발명의 GTL 생산시스템(20)에서 일련의 공정을 처리하는 도 2의 주요부는 동일한 모듈형태의 프레임 상에 탑재하며, 프레임은 차량에 의하여 이동이 용이하도록 트레일러 형태로 구성한다. 이와 같은 방식에 의하면 도 1처럼 파이프라인이 없는 지역에서도 탱크로리(12) 등에 의한 이송이 가능하다. 도 1에서 합성오일, 셰일오일, 셰일가스 등은 이동식탱크(15)에 독립적/혼합적으로 보관 및 이송된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템(20)은 혼합물 분리부(24)를 통하여 셰일가스층으로부터 생산되는 혼합물에서 모래나 불순물을 분리하고, 3상분리부(31)를 통하여 분리된 셰일오일을 이송하여 합성원유와 함께 저장하는 것을 특징으로 한다. 혼합물 분리부(24)는 시추관(22) 및 GTL 생산시스템(20)의 3상분리부(31) 사이에 설치된다.
합성원유탱크(27)는 전술한 도 1의 이동식탱크(15) 중 하나에 해당한다.
또, 본 발명에 따르면 수압파쇄기시스템(40)이 상기 GTL 생산시스템(20)에 응축수관(42)을 개재하여 연결되고, 공정에서 생성되는 응축수를 셰일층(10)에 고압으로 분사하는 구조를 특징으로 한다. 일반적으로 천연가스나 셰일가스를 이용하여 합성석유(Syncrude)로 전환하는 GTL 공정은 다량의 물이 부산물로 생산된다. 이와 같이 GTL 공정에서 부가적으로 발생한 물을 셰일층(10)의 개발을 위해 필요한 파쇄용수로 사용한다면, 중국과 같은 대표적인 물부족 지역의 셰일가스 개발 용이성을 높일 수 있다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 수압파쇄기시스템(40)은 공정에서 발생하는 물을 파쇄용수로 처리하는 수처리부와, 파쇄용수를 분사관(45)을 통하여 송출하는 펌프(55)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 수처리부는 부호 51의 정수 생산장치와 부호 52의 공정생성물 처리장치로 예시한다. 수처리부는 해수 또는 강물을 GTL 공정에 사용이 가능한 수준의 깨끗한 물을 만들어 정수저장탱크(57)로 공급한다. 정수저장탱크(57)에 저장된 정수(깨끗한 물)는 근무자들의 생활용수로 공급되거나, 수압파쇄용 물이 부족할 때 물저장탱크(58)에 공급된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 GTL 생산시스템(20)는 공정에서 생성되는 스팀 또는 미반응가스를 이용하여 전기를 생산하는 발전부(54)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 발전부(54)는 개질부(34)와 F-T합성부(36)에서 발생되는 스팀을 동력원으로 전기를 생산하도록 스팀터빈을 구비하거나, F-T 합성부(36)에서 발생하는 미반응가스를 가스발전기의 연료로 사용하여 전기를 생산하도록 한다.
이때, 상기 발전부(54)는 생산된 전기를 GTL 생산시스템(20)와 수압파쇄기시스템(40)에 공급하도록 결선되는 것을 특징으로 한다. 발전부(54)에서 생산된 전기는 기본적으로 GTL 생산시스템(20)에 공급되지만 수압파쇄기시스템(40)의 수처리부(51)(52), 펌프(55)에 소요되는 전원의 일부를 감당하도록 공급된다.
대부분의 셰일층(10)은 생산주기가 짧아 상대적으로 생산규모에 비해 CAPEX가 많이 들어가는 편이지만, GTL 공정을 이동 가능한 형태의 모듈로 제작하여 다수의 셰일가스 필드 개발에 활용하면 전체 CAPEX를 줄일 수 있다. 특히, 대규모 셰일가스 개발로 가스가격과 수익성이 저하되는 상황과 물이 부족해서 셰일가스 개발에 제약을 받는 상황 등에서 경제성을 제고할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 셰일층 12: 탱크로리
15: 이동식탱크 20: GTL 생산시스템
22: 시추관 24: 혼합물 분리부
25: 셰일오일 이송관 27: 합성원유탱크
31: 3상분리부 32: 황제거부
33: 예비개질부 34: 개질부
35: 합성가스조절부 36: F-T합성부
37: 미반응가스분리부 38: 합성원유개선부
40: 수압파쇄기시스템 42: 응축수관
43: 급수관 45: 분사관
51, 52: 수처리부 54: 발전부
55: 펌프 57: 물탱크

Claims (6)

  1. 셰일층(10)에서 채굴된 원료 셰일가스로 합성원유를 생산하기 위한 장치에 있어서:
    상기 원료 셰일가스에 대한 개질과 F-T합성 공정을 거쳐 합성오일을 생성하는 GTL 생산시스템(20); 및
    상기 GTL 생산시스템(20)에 응축수관(42)을 개재하여 연결되고, 공정에서 생성되는 응축수를 셰일층(10)에 고압으로 분사하는 수압파쇄기시스템(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 GTL 생산시스템(20)는 3상분리부(31), 황제거부(32), 예비개질부(33), 개질부(34), 합성가스조절부(35), F-T합성부(36), 미반응가스분리부(37), 합성원유개선부(38)를 하나의 이동 가능한 프레임 상에 구비하는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 GTL 생산시스템(20)는 혼합물 분리부(24)를 통하여 모래나 불순물을 분리하고, 3상분리부(31)를 통하여 분리된 셰일오일을 이송하여 합성원유와 함께 저장하는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수압파쇄기시스템(40)은 GTL 공정에서 발생하는 물을 파쇄용수로 처리하는 수처리부와, 파쇄용수를 분사관(45)을 통하여 송출하는 펌프(55)를 구비하는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 GTL 생산시스템(20)은 공정에서 생성되는 스팀 또는 미반응가스를 이용하여 전기를 생산하는 발전부(54)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 발전부(54)는 생산된 전기를 GTL 생산시스템(20)와 수압파쇄기시스템(40)을 포함한 주변 시스템에 공급하도록 결선되는 것을 특징으로 하는 셰일가스 개발을 위한 GTL모듈.
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Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event date: 20160817

Patent event code: PE09021S02D

PG1501 Laying open of application
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20170201

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20160817

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event code: PE06011S02I

Patent event date: 20160315

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

AMND Amendment
PX0901 Re-examination

Patent event code: PX09011S01I

Patent event date: 20170201

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX09012R01I

Patent event date: 20161014

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX09012R01I

Patent event date: 20160512

Comment text: Amendment to Specification, etc.

PX0601 Decision of rejection after re-examination

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX06014S01D

Patent event date: 20170328

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX06012R01I

Patent event date: 20170303

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PX06011S01I

Patent event date: 20170201

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX06012R01I

Patent event date: 20161014

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event code: PX06013S02I

Patent event date: 20160817

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event code: PX06012R01I

Patent event date: 20160512

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PX06013S01I

Patent event date: 20160315