Article

Ocean and Polar Research. 30 December 2021. 295-306
https://doi.org/10.4217/OPR.2021.43.4.295

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 동해 울릉분지 퇴적층 조건을 반영한 전산수치 모델 구축

  •   연구 대상 지역

  •   전산수치 모델 구축

  • 3. 다중정 감압에 따른 생산성 분석

  •   단일정과 다중정의 해리유동 비교·분석

  •   생산정 간격에 따른 생산특성 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

저온 및 고압 조건에서 물 분자와 천연가스가 물리적으로 결합하여 형성된 고체 상태의 결정인 가스하이드레이트(gas hydrate)는 주로 유기물이 풍부하고 형성에 적절한 온도 및 압력을 가진 영구동토층(permafrost)이나 심해퇴적층(deep ocean sediment)에 부존한다(Merey 2016). 가스하이드레이트는 전 세계적으로 광범위하게 분포되어 있으며, 약 10조 톤 이상의 양이 부존되어 있다(Collett 2002). 이러한 가스하이드레이트는 주 구성성분인 메탄(CH4)이 연소 시 타 화석연료에 비해 이산화탄소를 상대적으로 적게 배출한다는 친환경적인 특성을 가지고 있어 차세대 에너지원으로 각광받고 있으며, 미래 에너지원으로서 가치를 갖기 위해서는 안정성 및 경제성이 확보된 생산기술 개발이 필요하다(Huh and Lee 2017).

감압법은 다양한 가스하이드레이트 생산기법 중 가장 효율적인 방법으로 알려져 있으며, 가스하이드레이트 저류층 형태 중 함유층 아래에 이동성이 있는 유체층이 없는 경우는 감압법을 이용한 생산이 효율적이다(Moridis and Regan 2007). 또한, 열주입법이나 억제제주입법과 달리 지속적인 가스생산이 가능하여 가스하이드레이트 개발 시 많이 적용되고 있다(Boswell and Collett 2011). 이에 감압법 적용에 따른 생산성을 분석하고자 실험실 규모의 다양한 연구가 선행되었으며, 비용 및 시간적인 측면에서 효율적인 전산수치해석을 이용한 연구가 수행되고 있다(Janicki et al. 2014; Yin et al. 2018). 그러나 가스하이드레이트 해리는 물질 전달(mass flow)과 열 전달(heat flow)이 복합적으로 발생하는 현상으로 실험실 규모에서는 열 전달이 가스하이드레이트 해리 과정에 미치는 영향이 크지만 현장 규모에서는 물질 전달이 미치는 영향이 더 크게 나타나므로 실험실 규모의 연구 결과를 바탕으로 확장된 규모에서 생산기법의 현장 적용성을 확인하는 것이 필요하다(Nagao 2012). 중국, 일본 등에서 현장 시험생산 후보지역의 지질조건을 반영한 전산수치 연구들을 수행되었으며(Sun et al. 2014; Yuan et al. 2017), 현장 시험생산 시 다중정을 적용할 경우 가스 생산량이 증진되는 것을 파악한 바 있다(Feng et al. 2019).

국내에서는 동해 울릉분지에서 탄성파 탐사와 시료채취를 수행하여 가스하이드레이트 부존 가능성을 파악하였으며(Huh 2005), 2007년에 가스하이드레이트 부존 유망구조에서 1차 심부시추로 가스하이드레이트 부존을 확인하고 현장 분석을 위한 코어 자료를 수집하였다(Park 2008; Ryo et al. 2011). 이후 2차 심부시추를 통해 약 6.2억 톤의 사질형 가스하이드레이트가 부존 되어 있는 것을 확인하였으며, 심부시추지점에 대한 지질모델, 검층자료, 3차원 탄성파 자료 등을 분석하여 UBGH 2-6을 현장 시험생산 후보지역으로 선정하였다(Fig. 1). 해당 지역의 개발·생산을 위하여 심부시추의 물리검층, 코어분석 자료를 바탕으로 공극률, 포화율 등 가스하이드레이트 함유층의 물성을 추정하는 연구가 진행되었다(Seo et al. 2010; Shin et al. 2012; Lee et al. 2013).

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Fig. 1.

Drilling expedition area of the Ulleung Basin Gas Hydrate (UBGH) (Ryu et al. 2013)

이후 국내 시험생산 계획 수립 시 감압법 적용에 따른 산출능력을 분석하고자 다양한 실험과 전산연구가 수행되었다. 이를 위해 후보지역의 저류층 물성을 활용하여 전산수치 모델을 구축하였으며, 감압생산에 영향을 미치는 주요 인자를 파악하기 위해 생산 조건 별 민감도 분석을 수행하였다(Kim et al. 2014; Shin et al. 2015). 이와 더불어 감압조건이 가스하이드레이트 생산에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험실 규모의 연구들이 수행되었으며, 이와 같은 실험을 모사한 전산수치해석을 통해 공저압 및 감압율과 같은 감압조건이 산출량과 해리유동에 미치는 영향을 파악하였다(Gil 2018; Gil et al. 2019; Moon et al. 2019; Moon 2020). 2015년에 예정되었던 국내 현장 시험생산은 낮은 생산성 문제로 인해 연기되었으며(Huh and Lee 2017), 후보지역의 시험생산에 대한 타당성 분석을 통해 감압법 적용 시 가스생산은 가능하나 감압의 영향 반경이 작게 나타나 생산율이 낮을 것으로 예측된 바 있다(Moridis et al. 2019).

향후 가스하이드레이트 개발·생산 계획을 수립하기 위해서는 현장 규모에서 감압법 적용 시 가스하이드레이트 해리유동에 대한 체계적인 분석과 해석이 필요하며, 이러한 생산기법의 효율 향상 방안이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 국내 시험생산 후보지역에서의 감압법 적용시 생산성 분석을 위해 현장 규모의 전산수치해석을 수행하고자 하였으며, 다중정 감압에 따른 생산성 분석을 통해 생산 효율 증진 방안을 제안하고자 한다. 이를 위해 해당 지역에 지층구조와 물성 등을 반영한 현장 규모의 전산수치 모델을 활용하여 단일정과 다중정의 산출량 및 해리유동에 대하여 정량적으로 비교·분석하고자 하며, 감압법 적용에 따라 생산정 간격이 생산성에 미치는 영향을 파악하고자 한다.

2. 동해 울릉분지 퇴적층 조건을 반영한 전산수치 모델 구축

연구 대상 지역

이 연구에서는 국내 현장 시험생산 후보지역인 UBGH 2-6을 연구 대상으로 선정하였다. 이 지역은 수심 2,157 m이고, 140 mbsf (meter below sea floor) 하부에 13 m 두께의 가스하이드레이트 퇴적층이 있으며, 가스하이드레이트 함유층 아래에는 유체층이 없는 구조이다. 점토층과 가스하이드레이트가 함유되어 있는 사질층이 번갈아 있는 형태로 퇴적층이 형성되어 있다(Moon and Lim 2019). 총 14개의 가스하이드레이트 함유층이 있으며, 3~5번째 층은 가스하이드레이트포화율이 40% 이하, 6, 10번째 층은 55% 이하이다. 이를 제외한 9개의 층은 70% 이상의 높은 포화율을 보인다.

전산수치 모델 구축

이 연구에서는 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)에서 개발한 시뮬레이터인 TOUGH+HYDRATE (T+H)를 활용하여 현장 규모의 전산수치 모델을 구축하였다. T+H는 가스하이드레이트의 해리를 구현할 수 있어 감압모사에 대한 적용사례가 많으며, 영구동토층과 심해퇴적층 조건에서 온도 변화에 따른 가스 해리(non-isothermal gas release), 수화 반응(hydration), 상거동(phase behavior)이나 유체유동(flow of fluids), 열적(thermal) 해석이 가능하며, 가스하이드레이트 함유층에서의 다상 유동(multi-phase flow)을 모사할 수 있다(Moon 2020).

T+H를 활용하여 3D 형태의 직각좌표계(cartesian) 전산수치 모델을 구축하였으며, 전산모사 영역은 해저면으로부터 140 m의 상부퇴적층과 가스하이드레이트 함유층 아래 300 m의 하부퇴적층까지 설정하였다(Fig. 2). 전산수치 모델의 격자는 49(x) × 49(y) × 72(z)로 총 172,872개로 구성하였으며, 격자크기는 생산정의 반지름을 고려하여 0.2 m부터 증가시켜 최대 4.5 m까지 설정하였다. 또한, 가스하이드레이트 함유 퇴적층과 상·하부퇴적층 경계면 사이에서 생산 기간 동안 열적 요소와 유체에서 발생하는 열적 교환을 고려하고자 하였다. 가스하이드레이트 함유층의 포화율과 지질특성은 UBGH 2-6의 조건을 반영하였으며, 생산정은 수직정으로 설정하였다.

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Fig. 2.

Schematic diagram of numerical simulation model

단일정의 위치는 전산수치 모델 정중앙에 설정하였으며, 다중정 모델의 경우 2개의 생산정 간격을 20 m로 설정하여 단일정일 때 최대 가스하이드레이트 해리반경을 고려하고자 하였다. 또한, 정수압(hydrostatic pressure)으로부터 지질학적 구조 깊이에 따라 격자 압력을 입력하였으며, 연구 지역에서 측정된 자료를 바탕으로 추정한 지열구배(geothermal gradient) 0.112°C/m를 이용하여 격자의 온도를 설정하였다(Table 1). 이 외에 공극률, 유체투과도 등의 변수는 심부시추를 통해 취득한 물리검층 및 코어분석 자료를 활용하여 추정되었으며, 실험 및 전산수치 연구를 통해 검증된 값을 활용하였다(Moridis et al. 2014; Kim et al. 2017; Moon 2020). 또한, 교호 퇴적층 내 유체유동과 관련이 있는 모세관압은 van Genuchten 모델(van Genuchten 1980), 가스 및 물의 상대유체투과도는 Modified Stone 모델을 사용하였으며(Stone 1970), 점토층과 사질층에 따라 각각 변수를 설정하였다(Moridis et al. 2014).

Table 1.

TOUGH+HYDRATE input parameters reflecting UBGH 2-6 site

Parameter Value
Initial pressure at top of domain 22.26 MPa
Initial temperature at top of domain 0.482°C
Initial temperature at bottom of domain 51.18°C
Temperature gradient 0.112°C/m
Intrinsic permeability of sand 1.78 × 10-13 m2
Intrinsic permeability of mud 2.04 × 10-16 m2
Grain density 2,650 kg/m3 (sand) / 2,620~2,660 kg/m3 (mud)
Porosity 45% (sand) / 67% (mud)
Anisotropy 1 (all formation)
Dry thermal conductivity 1.0 W/m/K
Wet thermal conductivity 1.45 W/m/K (sand) / 1.0 W/m/K (mud)
NaCl concentration 3.45%
Rock grain specific het 800 J/kg/°C
Capillary pressure model P0 104 Pa (sand) / 105 Pa (mud)
λ 0.45 (sand) / 0.15 (mud)
Relative permeability model n 3.5 (sand) / 5.0 (mud)
nG 2.5 (sand) / 3.0 (mud)
SirA 0.25 (sand) / 0.55 (mud)
SirG 0.01 (sand) / 0.05 (mud)
Bottom hole pressure 9 MPa
Depressurization rate 0.50 MPa/h
Production period 30 days

구축된 모델을 활용하여 현장 시험생산에서 예정되었던 감압조건(감압율 0.5 MPa/h, 공저압 9 MPa) 및 시험생산기간(14일)을 고려하여 30일간의 생산성 분석을 수행하였으며, 목표 압력에 도달한 이후부터는 설정한 공저압이 생산 기간 동안 유지되도록 하였다.

3. 다중정 감압에 따른 생산성 분석

단일정과 다중정의 해리유동 비교·분석

시험생산 시 다중정 감압에 따른 생산 증진 효과를 분석하기 위해 단일정과의 산출량 및 가스하이드레이트 해리유동을 정량적으로 분석하였다. 생산율과 누적생산량을 비교한 결과, 총 가스 및 물생산율은 예상한 것과 같이 단일정보다 다중정의 경우가 크게 나타났다. 다중정에서 감압법 적용 시 개별 생산정에서의 가스생산율은 생산 초기인 0~10일에는 단일정 보다 낮으나 10일 이후 유사하게 나타났으며, 물생산율은 단일정보다 다중정인 경우에 각 생산정에서의 물생산율이 낮았다(Fig. 3). 이는 목표 공저압으로 도달하는 시점까지는 단일정과 생산량이 동일하다 감압 이후 Fig. 6의 1, 3, 5일에서 확인할 수 있듯이 해리가 일어나지 않은 감압 영역의 중첩에 의해 일어난 현상으로 사료된다. 생산 기간 동안 다중정에서의 감압법 적용 시 가스누적생산량은 27,611 m3이고 물누적생산량은 1,444 m3로 단일정보다 약 1.92배, 1.65배 크게 나타났다(Fig. 4). 또한, 30일 동안 단일정을 통해 생산한 누적가스생산량은 다중정일 경우 생산 시작 17일 만에 동일한 양이 생산되었으며, 약 1.73배의 생산 증진 효과를 보였다. 이에 다중정을 이용할 경우 단기간에 이루어지는 시험생산에 있어 목표한 생산량을 단일정 보다 빠른 시일 안에 달성할 수 있을 것으로 사료된다.

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Fig. 3.

Flow rate depending on number of production wells

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Fig. 4.

Cumulative production depending on number of production wells

감압법 적용에 따른 해리유동을 비교한 결과 단일정인 경우보다 다중정일 때 압력 전파가 빠르게 나타났으며, 두 경우 모두 가스하이드레이트 포화율이 55% 이하인 함유층에서 주로 압력 전파가 발생하였다. 이는 감압법 적용 시 가스 및 물 생산이 지연되는 한계 가스하이드레이트포화율(critical gas hydrate saturation)에 의한 영향이며, 연구지역에서는 50~60% 사이에 한계 가스하이드레이트포화율이 존재하는 것으로 추정되고 있다(Gil et al. 2019). 따라서 생산 기간 동안 가스하이드레이트 해리는 55% 이하의 함유층에서 주로 나타났으며(Fig. 5), 한계 가스하이드레이트포화율 이하의 조건에서 효과적인 생산이 이루어지는 것을 확인하였다. 또한, 다중정 적용 시 단일정일 때보다 해리 영역이 약 3배 넓고 가스포화율이 8%에 가까운 붉은색을 띄는 영역이 넓게 나타났다(Fig. 6). 이 때, 다중정 감압 시 해리가 주로 발생하는 가스하이드레이트포화율 40% 이하인 함유층에서는 생산 시작 5일, 55% 이하의 함유층은 10일 이후부터 각 함유층 조건에서 해리가 발생하는 압력에 도달하는 감압 영역이 중첩되기 시작하였다. 해당 시점부터 생산정간의 감압이 중첩됨에 따라 가스하이드레이트 해리율이 증가하였으며, 가스포화율이 단일정보다 높게 나타나 가스생산에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 여기서 해리가 발생하는 압력은 각 함유층의 온도 및 구성성분에 따라 상이하므로 Colorado School of Mines Hydrate (CSMHYD)를 활용하여 정량적으로 파악하였으며, 가스하이드레이트포화율이 40% 이하와 55% 이하인 함유층의 해리 발생 가능 압력은 각각 17 MPa, 18 MPa임을 파악하였다.

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Fig. 5.

Pressure distributions depending on number of production wells

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Fig. 6.

Gas saturation distributions depending on number of production wells

생산정 간격에 따른 생산특성 분석

다중정을 이용한 감압법 적용 시 생산정 간격은 가스생산량과 해리유동에 영향을 미칠 수 있다(Sun et al. 2016). 이에 생산정 간격을 5~50 m까지 5 m 단위로 하여 생산정 간격에 따른 산출량 및 해리유동을 비교·분석하였다. 먼저 생산정 간격 별 생산 기간에 따른 가스생산량을 비교한 결과, 간격이 넓어질수록 누적가스생산량이 증가하는 경향을 보였으나 특정 거리 이상부터는 누적생산량이 감소하였다(Fig. 7). 생산 시작 25일까지는 생산정 간격이 20m 일 때 최대 누적가스생산량이 나타났으며, 30일에서는 25 m인 경우에 누적가스생산량이 가장 높게 나타났다. 이를 통해 최대 누적가스생산량을 보이는 생산정 간격이 생산 기간에 따라 다르게 나타날 수 있음을 파악하였다.

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Fig. 7.

Cumulative gas production according to well distance

생산정 간격이 감압법에 미치는 영향을 추가적으로 파악하기 위하여 Fig. 7에서 최대 누적가스생산량을 보인 20, 25 m에서의 결과를 확인하였으며, 이때 생산 기간을 10일씩 나누어 초반, 중반, 후반에서의 산출량과 해리유동을 비교·분석하였다. 그 결과, 생산 초반에는 생산정 간격이 20 m인 경우가 25 m인 경우보다 가스생산율이 높게 나타났으며, 이에 따라 누적가스생산량이 크게 나타나는 것을 확인하였다(Figs. 8 and 9). 생산 시작 15일부터 생산정 간격이 20 m 보다 25 m인 경우에서 가스생산율이 높아지고 생산율의 변화량이 크게 나타났다. 이후 25일 이후부터는 생산정 간격이 25 m인 경우에 누적가스생산량이 더 크게 발생하였다. 압력 분포를 통해 확인한 결과, 가스하이드레이포화율이 40% 이하인 함유층에서는 해리 발생 압력까지 저하되는 영역이 생산정 간격이 20 m인 경우에는 생산 초반에 중첩되었으나, 25 m에서는 10일부터 중첩되기 시작하였다(Fig. 10). 이로 인해 생산 초반에는 생산정 거리가 20 m인 경우가 25 m보다 가스생산율 및 누적 가스생산량이 높은 것으로 사료된다. 또한, 가스하이드레이트포화율이 55% 이하인 함유층에서는 생산정 간격 20 m에서는 10일, 25 m는 15일부터 해리 발생 가능 압력이 중첩되기 시작하였으며, 해당 시점 이후부터 함유층의 해리율이 증가함에 따라 가스포화율이 더 높게 나타났다(Fig. 11). 이로 인해 가스생산율이 20 m인 경우보다 25 m에서 생산 시작 15일 이후부터 더 높아지기 시작하였다. 이와 같이 생산 기간 및 함유층 조건에 따라 생산정 간격에 따른 감압효과가 상이하게 나타날 수 있음을 확인하였으며, 다중정을 이용한 감압법 적용 시 중첩 영향을 고려하여 생산정 간격에 대한 적절한 선정이 필요할 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

Gas flow rate a depending on well distance

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Fig. 9.

Cumulative gas production depending on well distance

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Fig. 10.

Pressure distributions depending on well distance

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Fig. 11.

Gas saturation distributions depending on well distance

4. 결 론

이 연구에서는 가스하이드레이트 개발 시 다중정에서의 감압법 적용에 따른 생산성 분석을 수행하고자 하였다. 다중정의 현장 시험생산에 대한 영향을 확인하기 위하여 동해 울릉분지 가스하이드레이트 퇴적층 조건을 반영한 현장 규모의 전산수치 모델을 구축하였다. 이를 활용하여 감압에 따른 산출량 및 해리유동을 단일정과 다중정에 따라 정량적으로 비교·분석하였으며, 각각이 생산성에 미치는 영향을 파악하였다. 또한, 생산정 간의 거리가 감압생산에 미치는 영향을 파악하였다. 국내 시험생산 후보지역에서 다중정 적용 시 단일정보다 가스생산율 및 누적 가스생산량이 약 1.92배 크게 나타났으며, 생산 기간 및 가스하이드레이트 함유층의 조건에 따라 생산정 간격에 따른 감압효과가 가스생산율과 누적가스생산량에 미치는 영향을 파악하였다. 이를 통해 다중정 감압 시 다양한 요인을 고려한 생산정 간격을 선정해야 할 것으로 사료되며, 단기간에 이루어지는 국내 현장 시험생산에서 다중정을 이용할 경우 효과적인 감압생산이 가능할 것으로 보인다. 향후 연구 결과를 바탕으로 현장 시험생산에 있어 감압법 적용에 따른 생산성 분석과 동해 울릉분지 가스하이드레이트 개발·계획 수립 시 활용할 수 있을 것이다.

Acknowledgements

이 논문은 2021년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. 20216110100050).

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