천연가스 수화물은 주로 영구 동토층과 심해 지역에 분포하기 때문에 어려운 지리적 환경과 복잡한 지질 조건으로 인해 이 자원 개발에 어려움의 그림자가 드리워졌습니다. 천연가스 하이드레이트 탐사개발 기술은 천연가스 지질학, 영구동토층 공학지질학, 심해지질학, 심해시추 기술 등 다학문, 다범주 기술이 융합된 종합 천연가스 하이드레이트 산업 중 하나이다. 최첨단 주제.
1960년대 소련이 메소야하 가스전을 발견한 이후 천연가스 하이드레이트 개발 아이디어는 기본적으로 퇴적층에 포함된 천연가스 하이드레이트를 분해하는 방법을 먼저 고민한 뒤 이를 채굴하는 것이었다. 땅. 일반적으로 천연가스 하이드레이트의 안정적인 존재를 위한 온도 및 압력 조건을 인위적으로 파괴하고 이를 분해시키는 것이 현재 천연가스 하이드레이트 내 메탄자원을 개발하는 주요 방법이다. 이 단계에서 제안된 방법은 가열 방식, 감압 방식, 화학약품 첨가 방식(그림 8.17), 가스 부양 방식, CO2 대체 채굴 방식 등으로 분류할 수 있다.
그림 8.17 세 가지 천연가스 수화물 추출 방법의 도식
(1) 가열 방법
증기, 뜨거운 물, 뜨거운 염수 또는 기타 열 유체를 변환합니다. 지반을 수화물층으로 펌핑하거나 중유를 추출할 때 사용하는 화재 범람법을 간단히 말하면 온도 상승을 촉진하고 수화물의 분해를 달성할 수 있는 모든 방법을 열여기법이라고 할 수 있습니다. 열 채굴 기술의 주요 단점은 열 손실이 크고 비효율적이라는 점입니다. 특히 영구동토층 지역에서는 단열파이프를 사용하더라도 영구동토층은 저장소로 전달되는 유효 열을 감소시킵니다. 열자극 모델에서는 수화물 생성을 위한 두 가지 열전달 제어 기술이 있습니다. ① 온수 또는 증기 순환 주입을 사용합니다. 잘 예열 중입니다. 수치 시뮬레이션 실험에 따르면 수화물 저장소는 최소 15의 다공성과 7.5cm의 두께를 가져야 합니다. 주입 용액의 온도가 340~395K이면 경제성 요구를 충족할 수 있습니다. ② 전자기 또는 마이크로파 직접 가열을 사용하십시오. 열에너지를 보다 효율적으로 활용하기 위해 난방 장치를 지하에 설치할 수도 있으며, 마이크로파 가열을 도파관을 통해 우물 바닥에 도입하여 수화물이나 물을 직접 가열할 수도 있습니다.
최근에는 중유 채굴에 가열 방식을 사용할 때 가열 효율을 높이기 위해 다운홀 전자 가열 방식도 그 중 하나로 입증됐다. 기존 채굴 기술보다 더 나은 방법이 더 효과적입니다. 천연가스 하이드레이트 구역에 인접한 상부층과 하부층(또는 가스하이드레이트층 내부)에 서로 다른 전극을 웰의 연장 방향을 따라 수직(또는 수평) 웰에 배치한 후 교류를 직접 통과시키는 방식이다. 저장소에 열을 가하십시오. 전자기 열은 또한 유체의 점도를 효과적으로 감소시키고 가스의 흐름을 촉진합니다. 시뮬레이션 계산 결과는 이 방법을 사용하여 수화물을 분해하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.
(2) 압력 감소 방법
압력을 감소시킴으로써 천연가스 수화물의 안정 상평형 곡선을 이동시켜 수화물의 분해를 촉진시키는 목적을 달성한다. 일반적으로 천연가스 압력이 "낮춰지거나" 수화물층 아래 자유가스 축적층에 천연가스 공동이 형성되어(열 여기 또는 화학적 시약에 의해 인위적으로 형성될 수 있음) 수화물이 천연가스와 접촉하게 됩니다. 천연가스와 물에 대해서는 불안정해지고 분해됩니다. 수화물 층 아래의 유리 가스를 이용하는 것은 저장소 압력을 낮추는 효과적인 방법입니다. 또한, 천연가스의 추출 속도를 조절하여 저장소 압력을 제어할 수 있으며 이를 통해 수화물의 분해를 제어할 수 있습니다. 감압법의 가장 큰 특징은 값비싼 연속 여기가 필요하지 않기 때문에 향후 천연가스 하이드레이트의 대규모 생산에 효과적인 방법 중 하나가 될 수 있을 것이다. 그러나 감압법만을 이용한 천연가스의 추출은 매우 느리고 취약한 수동적 착취이다.
(3) 화학 물질 추가
염수, 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜, 글리세롤 등과 같은 특정 화학 물질은 수화물 형성을 위한 상 평형 조건을 변경하여 수화물 형성을 낮출 수 있습니다. 수화물이 안정되는 온도. 위에서 언급한 화학물질이 유정에서 펌핑되면 천연가스 수화물이 분해됩니다. 약품 첨가 방식은 가열 방식에 비해 속도가 느리지만 초기 에너지 투입량을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 비용이 너무 많이 든다는 것이 가장 큰 단점이다. 표 8.6에서는 다양한 가스 하이드레이트 생산 방법을 검토합니다.
표 8.6 천연가스 수화물 생산 방법에 대한 해설
(4) 가스 부양 방법
그림 8.18 해저 수화물 채굴을 위한 가스 부양 시스템의 개략도
(4) 가스 부양 방법
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해저의 수화물 함유층에 파이프를 삽입하는 원리로, 파이프 중앙에서 가스가 불어오면서 파이프 내부에 상승기류가 발생하게 됩니다. 공기 흐름이 해수면에 접근하면 온도 상승과 압력 감소로 인해 파이프 내 수화물이 분해됩니다(그림 8.18). 상승관의 2상 유체 관계, 수화물 분해율, 양중관 입구 매개변수에 대한 실험과 시뮬레이션을 통해 해저 수화물을 채굴하기 위해 가스 양양법을 사용하는 것이 경제적으로 타당할 것으로 판단됩니다. 기체-액체-고체 3상 유체에 대해 수학적 분석을 수행한 결과, 실험 결과와 일치하여 실제 시스템인 HCFC141에서 3상 유체 관계를 예측하는 것이 가능함을 나타냅니다. 분해 속도를 얻기 위해 수화물을 사용하고 유체의 수화 결정을 얻었습니다. 수화물 분해 속도의 레이놀즈 수와 누셀 수 사이의 관계, 리프팅 파이프라인의 수화물 분해에 대한 수학적 시뮬레이션 분석, 결과는 다음과 같습니다. 가스 리프팅 시스템에서 가스 자체 리프팅 효과가 활용됩니다. 수화물은 상대적으로 경제적인 채굴 방법입니다. 파이프라인 입구에서의 유체 이동에 대한 수학적 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 일치합니다. 수화물 블록의 움직임을 시뮬레이션하기 위해 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 사용하여 이상적인 입구 형상인 우산 모양을 얻었습니다.
(5) CO2 대체 채굴 방법
가스 하이드레이트 구역에 CO2를 주입하고 수화물 내 CH4를 CO2로 대체합니다(그림 8.19). 이는 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다. ① CO2는 열역학적으로 유리한 수화물에서 CH4를 대체합니다. ② CO2 수화물을 형성하는 데 필요한 열은 메탄 수화물을 분해하는 데 필요한 열보다 20배 더 높으므로 CO2 수화물의 형성은 CH4 수화물을 상쇄합니다. ③ CO2 수화물로 채워진 기공 공간은 가스 생산의 기계적 안정성을 유지하여 가스 채굴의 안전성을 보장할 것으로 예상됩니다. , 청정 연소 천연가스를 생산하는 동시에.
초기 실험 연구에서는 수화물을 채굴하기 위한 CO2 대체 방법에 대해 논의해 왔습니다. 이러한 연구에서는 화력이 대체 반응을 촉진한다는 점을 강조했지만 여전히 일정한 한계가 있습니다. 초기 실험의 대부분은 액체 또는 기체 CO2 환경에 메탄 수화물을 배치하여 변위에 대한 유효 접촉 면적을 제한했습니다. 일부 실험에서는 온도와 압력 조건이 수화물 평형 조건에 가까워지거나 CO2 함량이 포화 상태에 도달하면 퇴적층의 CH4 가스 생성 속도가 느려지는 것으로 나타났습니다.
그림 8.19 CO2 치환 채굴 방법의 개략도
NMR 영상은 자유수와 메탄 가스를 검출할 수 있기 때문에 다공성 매질에서 수화물의 형성과 분해를 연구하는 효과적인 방법입니다. 그러나 고체 수소는 감지할 수 없습니다. 신호 강도의 약화 및 강화는 수화물의 형성 및 분해 과정을 잘 반영할 수 있습니다. Stevens & Howard 및 Huseba et al.의 실험적 연구 결과는 핵의 수화물에 있는 CH4가 방출될 때 간격에 있는 CH4의 응집이 대체 반응이 평형에 도달할 때 핵자기공명영상 신호를 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. , CO2의 양은 계속 증가하여 수화물에서 CH4 가스의 방출을 촉진합니다. CH4의 CO2 치환 과정에서도 수화물의 구조가 유지될 수 있는데, 이는 수화물 채굴 과정에서 액체 상태의 물이 거의 배출되지 않음을 의미한다. 즉, 채굴 과정에서 수화물을 함유한 퇴적층이 그대로 유지될 수 있음을 의미한다. CO2 대체 채굴 방식이 가능합니다. 핵자기공명영상 기술을 이용하여 CO2 치환 채굴법의 반응 과정을 모니터링한 결과, 채광 과정에서 액체 상태의 물이 거의 배출되지 않고 수화물의 구조가 유지될 수 있어 수화물을 함유한 퇴적층이 그대로 유지되므로 매우 가치 있는 접근 방식입니다. 초기 시범 연구는 고무적이지만, 전체 경제적 잠재력을 평가하기 위해서는 프로세스, 특히 매장량 규모를 확인하기 위한 추가 작업이 필요합니다.
알래스카의 북쪽 경사면은 가스 수화물 매장지가 발견되었고 근처에 잠재적인 CO2 가스 공급원이 있으며 가스를 시장에 출시할 인프라가 있기 때문에 이 실험에 이상적인 지역입니다.
(6) 불소 가스 마이크로파 채굴 기술
불소 가스 마이크로파 채굴 기술은 유정에 배치된 마이크로파 안테나를 사용하는 새로운 수화물 채굴 방법입니다. 최대 2450MHz의 주파수로 마이크로파를 방출하여 수화물을 녹여 물과 메탄 기반 물질(얼음과 유사한 물질)로 전환할 수 있으며, 이는 수화물의 열역학적 평형 상태를 깨뜨릴 수 있습니다. 가스를 주입하여 메탄계 물질을 주입된 불소 가스와 반응시킵니다(할로겐화 반응). 이는 방출된 열이 할로겐화 반응에 의해 생성된 생성물인 메틸 플루오라이드를 더욱 촉진시키는 강력한 발열 반응입니다. 물의 양이 매우 많아 166cm3/100mL 물에 도달하여 불화메틸 함량이 높은 농축 용액을 형성합니다. 농축 용액은 생산정을 통해 땅으로 펌핑된 후 Wirtz 반응, 전기 분해, 분해 등을 거칩니다. 의 단계에서 메탄 가스가 생성됩니다. 이 기술을 사용하는 가장 큰 장점은 마이크로파 작용이 선택적이어서 일부 재료에는 더 강하고 다른 재료에는 약하다는 것입니다. 에너지 흡수는 주로 마이크로파 주파수, 시료 구성 및 온도와 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 더욱이 불소가스는 자연계에 풍부하게 존재하며(0.00054), 불화메틸은 상대적으로 환경친화적이다. 이 기술에서는 유체와 수화물의 압력이 감소하고 수화물이 상평형점 아래에 있어 분해 목적을 달성할 수 있습니다.
천연가스 하이드레이트를 채굴하는 데 한 가지 방법만 사용하는 것은 사용 방법의 관점에서 비경제적입니다. 다양한 방법의 장점을 결합해야만 효과적인 가스 하이드레이트 채굴이 가능합니다. 예를 들어, 감압 방법과 열회수 기술을 결합하면, 즉 먼저 열 여기 방법을 사용하여 천연가스 수화물을 분해한 다음 감압 방법을 사용하여 유리 가스를 추출하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 최근에는 압력 감소, 열 여기 및 이들 방법의 조합이 수화물로부터 천연가스를 생산하는 가능한 방법으로 평가되었습니다. 캐나다 북서부 Mackenzie Delta의 Mallik SL에서 압력 감소 및 열 여기가 사용되었습니다. 소량의 가스를 생산하는 데 사용됩니다. 그러나 상업용 석유 및 가스 추출을 위한 이러한 방법의 경제적 가치는 여전히 불확실합니다. 여러 원칙과 방법을 사용한 공동 채굴은 미래 개발 추세이며 확실히 매력적인 전망을 보여줄 것입니다.