KR20210103910A - 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조 - Google Patents

천연가스 하이드레이트 채굴정 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 생산분야에 관한 것으로, 천연가스 생산정(12), 열운반 유체를 주입할 수 있는 주입정(4), 주입정(4)에 연결되는 고곡률 연통정(7), 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)에 설치될 수 있고 상승구간(8）을 통해 상기 고곡률 연통정(7)과 하이드레이트 채굴 수평정(10)을 연결하며 천연가스 생산정(12)에 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정(10)을 포함하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조를 개시한다. 본 실시예들에 따르면, 수평정과 수직정 사이를 연결하는 고곡률 연통정을 하이드레이트 축적층 이하의 지층에 위치시켜, 천연가스 하이드레이트 채굴정의 안정성과 채굴 효율을 제고할 수 있다.

Description

천연가스 하이드레이트 채굴정 구조{Well Structure for Natural Gas Hydrate Production}
본 발명은 천연가스 생산분야에 관한 것으로, 구체적으로 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조에 관한 것이다.
천연가스 하이드레이트(natural gas hydrate)는 매장량이 풍부한 청정에너지원으로서, 자연계에서 대륙 영구동토대(permafrost), 극지(polar region)의 대륙붕(continental shelf), 그리고 해양과 일부 내륙호의 깊은 물 환경에 널리 분포되어 있다. 전 세계 하이드레이트의 유기탄소 함량은 기타 화석에너지원 총함량의 두 배로서 전통적인 화석연료를 대체할 가능성이 있는 새로운 에너지원이다.
수평정으로 해양 하이드레이트 자원을 채굴하면, 하이드레이트의 채굴 효율을 제고할 수 있지만, 해저 천부층의 지질구조가 엉성하여, 수평정의 경사 구간이 안정하지 않고, 이에 해저 하이드레이트층이 쉽게 무너질 위험이 있다.
본 발명의 목적은 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조를 제공하여, 해저 하이드레이트층 수평정이 불안정한 문제를 해결하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조를 제공하되, 상기 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조는,
천연가스 생산정,
열운반 유체를 주입할 수 있는 주입정,
입구단이 상기 주입정의 출구단에 연결되는 고곡률 연통정,
천부층 하이드레이트 부존 지역에 설치될 수 있고, 상승구간을 통해 상기 고곡률 연통정과 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정으로서, 상기 천연가스 생산정에 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정을 포함한다.
선택적으로, 상기 천연가스 생산정의 상부에는 라이저 이너 파이프가 설치되고, 상기 천연가스 생산정과 상기 라이저 이너 파이프의 사이에는 라이저 환상 공간이 형성된다.
선택적으로, 상기 라이저 이너 파이프의 하단에는 다운홀 분리기가 설치되고, 상기 다운홀 분리기는 상기 라이저 이너 파이프 및 상기 라이저 환상 공간에 연결된다.
선택적으로, 상기 천연가스 생산정에는 상기 다운홀 분리기에 연결되는 구동 펌프가 설치된다.
선택적으로, 상기 구동 펌프는 상기 하이드레이트 채굴 수평정의 출구단에 인접된다.
선택적으로, 상기 하이드레이트 채굴 수평정에 기억 스크린 파이프가 설치되여 있다.
선택적으로, 상기 고곡률 연통정은 하이드레이트 축적층 이하의 지층 중의 열량을 흡수할 수 있다.
선택적으로, 상기 하이드레이트 채굴 수평정의 출구단에는 체크 밸브가 설치된다.
선택적으로, 상기 천연가스 생산정의 하부는 천부층 자유 가스층 지역 및 심층 가스층 지역에 연결될 수 있다.
선택적으로, 상기 주입정의 입구단은 동력 바지선에 설치되고, 상기 동력 바지선에는 상기 주입정에 연결되는 주입 순환 펌프가 설치된다.
선택적으로, 상기 천연가스 생산정의 출구단은 해양구조물에 장착되고, 상기 해양구조물에는 정밀 기액 분리 장치, 생산 순환 펌프, 천연가스 회수실 및 액체 회수 탱크가 설치된다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 하이드레이트 채굴 수평정의 경사구간을 더 깊은 지층에 설치할 수 있어, 하이드레이트 채굴 수평정의 경사가 까다롭고 불안정한 위험을 효과적으로 저감할 수 있으며, 주입정과 채굴정을 분리함으로써 하이드레이트의 채굴 효율을 제고 할 수 있으며, 또한 지열층의 열량을 이용하여 천부층 하이드레이트 부존 지역의 천연가스 하이드레이트를 해리(dissociation)함으로써, 해리된 천연가스가 하이드레이트 채굴 수평정에 진입하고 천연가스 생산정에 진입하게 하여, 천연가스 하이드레이트의 빠르고 안정적인 채굴을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시양태에서 설명한 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조의 설명도이다.
이하 첨부 도면을 결합하여 본 발명의 구체적인 실시양태에 대해 상세히 설명하기로 한다. 여기서 설명하는 구체적인 실시양태는 단지 본 발명을 설명하고 해석하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야 할 것이다.
본 발명에서, 반대되는 설명이 없는 경우, 사용되는 “상, 하”와 같은 용어는 통상적으로 천연가스 채굴정 구조가 장착되고 사용되는 상태에서의 위치 관계를 가리키며, 또한, 본 방안에서 언급되는 “정(井)”은, 지층 구조 자체가 형성한 우물 구조(well structure), 즉 지층 구조에 형성된 구멍일 수 있고, 인공으로 만들어진 관상 구조물일 수도 있다.
본 발명은 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조를 제공하되, 그 중, 상기 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조는,
천연가스 생산정(12),
열운반 유체를 주입할 수 있는 주입정(4),
입구단이 상기 주입정(4)의 출구단에 연결되는 고곡률 연통정(7),
천부층 하이드레이트 부존 지역(9)에 설치될 수 있고, 상승구간(8)을 통해 상기 고곡률 연통정(7)과 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정(10) 으로서, 상기 천연가스 생산정(12)에 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정(10)을 포함한다.
상기 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조에서, 천연가스 생산정(12)은 주체 구조로서, 이는 해수면(3)에서 지층까지 확장되어, 특정적인 지층의 천연가스 매장 지역에 연결될 수 있다.
주입정(4), 고곡률 연통정(7), 상승구간(8) 및 하이드레이트 채굴 수평정(10)은 차례대로(직접 또는 간접적으로) 연결되되, 주입정(4)의 상부 입구단은 대체로 해수면(3) 쪽(예를 들어 후술되는 동력 바지선(1))에 위치하고, 주입정(4)을 통해 열운반 유체를 주입할 수 있으며, 주입정(4)의 하단에는 증압 장치(5)가 설치될 수 있고, 증압 장치(5)는 성암 퇴적층(23) 내에 설치되어, 주입정 내 유체 압력이 부족한 경우, 이는 주입정 내 유체에 동력을 제공할 수 있다.
고곡률 연통정(7)의 양단은 상방향으로 굽히여, 고곡률 연통정(7)의 정체를 굽힌상태로 형성시키며; 고곡률 연통정(7)은 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 심도보다 더 깊다. 예를 들어, 고곡률 연통정(7)은 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)이하의 성암 퇴적층(23)에, 즉 도 1에 도시된 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6)에 설치한다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6)과 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)의 심도는 서로 다른 것으로, 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6)은 성암 퇴적층(23)에 위치하여 심도가 상대적으로 비교적 깊고, 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)은 성암 퇴적층(23) 위, 머드 라인(22) 아래에 위치한다. 따라서, 상기 고곡률 연통정(7)과 상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)은 (수직 혹은 경사진) 상승 구간(8)에 의해 연결되어야 한다. 그 중, 도 1을 참조하면, 주입정(4)에서 고곡률 연통정(7)에 이르는 경사 구간은 성암 퇴적층(23) 내에 위치하고, 고곡률 연통정(7)에서 하이드레이트 채굴 수평정(10)에 이르는 경사 구간은 성암 퇴적층(23)의 상부에 위치함으로써, 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 경사 구간이 머드 라인(22) 부근에 나타나는 것을 방지하여, 채굴 수평정의 정통에 대한 안정성을 증강하는 목적을 달성하였다.
하이드레이트 채굴 수평정(10)은 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)에 위치하며, 하이드레이트 채굴 수평정(10)에서의 유체압력이 축적층 압력보다 다소 작으므로, 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)의 상평형(phase equilibrium) 조건을 파괴함으로써, 천연가스 하이드레이트가 해리되도록 하며; 천연가스 하이드레이트의 해리에 따라, 해리된 천연가스는 지층 압력 작용 하에 하이드레이트 채굴 수평정(10)에 진입하게 되고, 열운반 유체와 함께 천연가스 생산정(12)에 진입하여, 천부층 하이드레이트 부존 지역(9)에서의 천연가스 하이드레이트의 채굴을 실현한다.
주입정(4)과 상기 천연가스 생산정(12)은 모두 수직정으로 형성되며, 상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)은 수평정으로 형성된다. 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 중심 축선과 천부층 하이드레이트 부존 지역(9) 상단의 거리는 대체로 천부층 하이드레이트 부존 지역(9) 전체 심도의 1/2에서 1/4로서, 이러한 설계는 밀도가 비교적 큰 열유체가 하향 유동하고, 밀도가 비교적 작은 기체가 상향 수집되는 데 유리하다.
본 방안에서는, 더 깊은 지층에 위치하는 고곡률(high curvature) 연통정(7)을 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 상류에 설치하며, 고곡률 연통정(7)은 상승구간(8)을 통해 하이드레이트 채굴 수평정(10)에 연결되며, 이러한 구조의 채굴정은 보다 높은 안정성을 가지며, 채굴 효율을 향상시킨다.
그 중, 상기 천연가스 생산정(12)의 상부에는 라이저 이너 파이프(24)가 설치되고, 상기 천연가스 생산정(12)과 라이저 이너 파이프(24) 사이에는 라이저 환상 공간(25)이 형성된다. 천연가스 생산정(12)과 라이저 이너 파이프(24) 사이에는 라이저 환상 공간(25)이 형성되고, 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단은 천연가스 생산정(12)의 측면부(천연가스 생산정(12)의 측벽에 개구부가 형성되어, 하이드레이트 채굴 수평정(10)과 연결됨)에 측면 연결되어, 라이저 환상 공간(25)에 연결됨으로써, 해리된 천연가스와 열운반 유체를 라이저 이너 파이프(24) 및 라이저 환상 공간(25)에 수송할 수 있고, 천연가스와 열운반 유체를 한층 더 수송하는 데 편리하다.
또한, 라이저 이너 파이프(24)의 하단에는 다운홀 분리기(14)가 설치되고, 다운홀 분리기(14)는 라이저 이너 파이프(24) 및 라이저 환상 공간(25)에 연결된다. 다운홀 분리기(14)는 기액 분리를 실현할 수 있어, 기체는 라이저 이너 파이프(24)에 진입하고, 열운반 유체는 라이저 환상 공간(25)에 진입하도록 한다.
천연가스 생산정(12)에는 다운홀 분리기(14)에 연결되는 구동 펌프(13)가 설치된다. 구동 펌프(13)는 전기 수중 펌프일 수 있으며, 이는 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 정통(wellbore) 압력을 낮추는 데 사용될 수 있고, 채굴된 가스를 들어올림과 동시에 산출된 유체가 다운홀 분리기(14)의 입구에 진입하는 속도를 높일 수 있다.
구동 펌프(13)는 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단에 인접한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 구동 펌프(13)는 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단 근처에 위치한다. 예를 들어, 구동 펌프(13)는 하이드레이트 채굴 수평정(10) 출구단의 상측에 위치하여, 하이드레이트 채굴 수평정(10)으로부터의 유체를 라이저 이너 파이프(24)로 수송한다.
선택적으로, 상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)에는 기억 스크린 파이프가 설치된다. 기억 스크린 파이프는 필요한 형상을 형성하여, 불규칙한 외부 장착 환경에 적응함으로써, 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 지지구조물로 될 수 있다. 스크린 파이프의 관벽에는 복수의 관통홀이 분포되어 있으며, 파이프 안팎의 유체는 이러한 관통홀을 통해 출입할 수 있다. 스크린 파이프를 사용함으로써, 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 정통(well bore)의 안정성을 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 일정한 유속에서, 스크린 파이프 내에 국부적인 저압이 생성되어, 하이드레이트 부존 지역(9) 내 원시적인 유체가 스크린 파이프에 유입되는 데 유리하다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 하이드레이트 채굴 수평정(10)은 이러한 기능을 구현할 수 있는 임의의 관상물을 사용할 수도 있다.
고곡률 연통정(7)은 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6)중의 열량을 흡수할 수 있다. 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6)의 지온 구배(ground temperature gradient)가 충분히 크면, 고곡률 연통정(7)은 지열의 열량을 이용하여 열운반 유체를 가열할 수도 있으므로 에너지가 절감된다.
그 중, 상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단에는 체크 밸브(11)가 설치된다. 체크 밸브(11)는 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 유체가 단일 방향으로 천연가스 생산정(12)에 진입하도록 하여, 기타 지층(심층 가스층 지역(16))에서 산출되는 천연가스가 하이드레이트 채굴 수평정(10)에 진입하여 막힘을 일으키는 것을 방지한다.
구체적으로, 천연가스 생산정(12)의 하부는 천부층 자유 가스층 지역(15) 및 심층 가스층 지역(16)에 연결될 수 있다. 다운홀 분리기(14)는 천부층 자유 가스층 지역(15), 심층 가스층 지역(16), 및 천연가스 하이드레이트 채굴 수평정(10)에서 채굴되는 천연가스를 일차적으로 기액 분리하여, 가스는 라이저 이너 파이프(24)에 진입하도록 하고, 액체는 라이저 환상 공간(25)에 진입하도록 한다.
주입정(4)의 입구단은 동력 바지선(1)에 설치되고, 동력 바지선(1)에는 주입정(4)에 연결되는 주입 순환 펌프(2)가 설치된다. 동력 바지선(1)은 주입정(4)의 고정 및 조작 플랫폼이 될 수 있고, 주입 순환 펌프(2)를 통해 주입정(4)에 열운반 유체를 주입하며, 열운반 유체는 해수일 수 있으며, 치환에 사용되는 기타 기체(예를 들어 이산화탄소)일 수도 있다.
천연가스 생산정(12)의 출구단은 해양구조물(17)에 장착되고, 해양구조물에는 정밀 기액 분리 장치(19), 생산 순환 펌프(20), 천연가스 회수실(18) 및 액체 회수 탱크(21)가 설치된다. 생산 순환 펌프(20)는 천연가스 생산정(12)에 생산 동력을 제공하여, 라이저 이너 파이프(24) 및 라이저 환상 공간(25)의 유체를 채굴할 수 있고, 정밀 기액 분리 장치(19)는 라이저 이너 파이프(24)의 액체 및 라이저 환상 공간(25)의 가스를 해리하는 것을 포함하여 산출된 유체에 대하여 추가적인 기액 분리를 할 수 있으며, 천연가스 회수실(18) 및 액체 회수 탱크(21)는 각각 가스 및 액체의 저장에 사용되어, 천연가스를 사용자에게 수송한다.
해양 천부 지층의 천연가스 하이드레이트의 매장 심도, 약접착성 또는 미접착성, 불안정성, 치밀한 덮개암석(cover rock)이 없는 것 등의 특징으로 인해, 재래식 수평정 작업을 진행하는 것은 위험성이 비교적 높다. 따라서, 본 발명은 상술한 새로운 채굴정 구조를 채택함으로써, 천부층 수평정 경사 구간 정통의 안정성이 낮은 단점을 극복할 수 있으며, 이와 동시에 해양 천연가스 하이드레이트 자원과 일반 가스층의 공동 채굴을 실현하여 채굴 효율을 향상시킨다.
이상 첨부 도면을 결합하여 본 발명의 바람직한 실시양태를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 구상 범위에서, 각각의 구체적인 기술특징을 어떠한 적합한 방식으로 조합하는 것과 같이, 본 발명의 기술방안에 다양한 간단한 변형을 진행할 수 있으며, 불필요한 중복을 피하기 위해, 본 발명은 다양한 가능한 조합 방식에 대해서 별도 설명을 하지 않도록 한다. 그러나 이러한 간단한 변형과 조합은 마찬가지로 본 발명이 개시하는 내용으로 간주되며, 본 발명의 보호 범위에 속해야 할 것이다.
1: 동력 바지선 2: 주입 순환 펌프 3: 해수면
4: 주입정 5: 증압 장치 6: 하이드레이트 축적층 이하의 지층
7: 고곡률 연통정 8: 상승 구간 9: 천부층 하이드레이트 부존 지역
10: 하이드레이트 채굴 수평정 11: 체크 밸브 12: 천연가스 생산정
13: 구동 펌프 14: 다운홀 분리기 15: 천부층 자유 가스층 지역
16: 심층 가스층 지역 17: 해양구조물 18: 천연가스 회수실
19: 정밀 기액 분리 장치 20: 생산 순환 펌프 21: 액체 회수 탱크
22: 머드 라인(Mud line) 23: 성암 퇴적층(Diagenetic sedimentary layer)
24: 라이저 이너 파이프 25: 라이저 환상 공간

Claims (11)

  1. 천연가스 생산정(12);
    열운반 유체를 주입할 수 있는 주입정(4);
    입구단이 상기 주입정(4)의 출구단에 연결되는고곡률 연통정(7); 및
    천부층 하이드레이트 부존 지역(9)에 설치될 수 있고, 상승구간을 통해 상기 고곡률 연통정(7)과 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정(10)으로서, 상기 천연가스 생산정(12)에 연결되는 하이드레이트 채굴 수평정(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  2. 제1 항에 있어서,상기 천연가스 생산정(12)의 상부에는 라이저 이너 파이프(24)가 설치되고, 상기 천연가스 생산정(12)과 상기 라이저 이너 파이프(24)의 사이에는 라이저 환상 공간(25)이 형성되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  3. 제2 항에 있어서,상기 라이저 이너 파이프(24)의 하단에는 다운홀 분리기(14)가 설치되고, 상기 다운홀 분리기(14)는 상기 라이저 이너 파이프(24) 및 상기 라이저 환상 공간(25)에 연결되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  4. 제3 항에 있어서,상기 천연가스 생산정(12)에는 상기 다운홀 분리기(14)에 연결되는 구동 펌프(13)가 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  5. 제4 항에 있어서,상기 구동 펌프(13)는 상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단에 인접하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  6. 제1 항에 있어서,상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)에는 기억 스크린 파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  7. 제1 항에 있어서,상기 고곡률 연통정(7)은 하이드레이트 축적층 이하의 지층(6) 중의 열량을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  8. 제1 항에 있어서,상기 하이드레이트 채굴 수평정(10)의 출구단에는 체크 밸브(11)가 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  9. 제1 항에 있어서,상기 천연가스 생산정(12)의 하부는 천부층 자유 가스층 지역(15) 및 심층 가스층 지역(16)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  10. 제1 항에 있어서,상기 주입정(4)의 입구단은 동력 바지선(1)에 설치되고, 상기 동력 바지선(1)에는 상기 주입정(4)에 연결되는 주입 순환 펌프(2)가 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
  11. 제1 항에 있어서,상기 천연가스 생산정(12)의 출구단은 해양구조물(17)에 장착되고, 상기 해양구조물(17)에는 정밀 기액 분리 장치(19), 생산 순환 펌프(20), 천연가스 회수실(18) 및 액체 회수 탱크(21)가 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 채굴정 구조.
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