석탄층에서 흡착에 의한 투과도 변화 실험 결과를 활용한 유동 효율성 시뮬레이션 연구

Abstract

석탄층에 CO2를 주입하여 CH4를 생산하는 CO2 회수증진공법 적용 시 CH4와 CO2의 흡착 특성에 의해 투과도가 감소되며 이에 따라 CH4 생산량과 CO2 저장량이 결정된다. 석탄층에서 흡착에 의한 투과도 변화 관련한 연구들은 과거에는 특정 온도 하에서만의 실험 결과에 기반하였다. 그러나 석탄층의 심도에 따른 변화를 관찰하기 위해서는 다양한 온도와 압력 조건에 대한 연구가 수반되어야 한다. 이에 본 연구에서는 가스 흡착 장비와 유동 장비를 제작하였으며, 몽골 Tsidammuur 탄전에서 취득한 갈탄 시료를 활용하여 압력과 온도에 따른 흡착량과 투과도 변화율의 측정 실험을 수행하였다. 이 결과를 시뮬레이션 입력 자료로 활용하여 심도에 따른 CH4와 CO2 간의 유동 양상 분석을 위한 시뮬레이션을 통해 CO2 주입 회수증진공법의 효율성을 분석하고자 하였다. 우선적으로, 몽골에서 채취한 갈탄 시료에 대해 CH4와 CO2의 흡착량을 온도 59℉부터 113℉까지의 범위, 압력 14.7 psia부터 1,200 psia까지의 범위에서 측정하였다. 실험 결과, CH4의 경우 측정 압력 전 범위에서 랭마이어(Langmuir) 흡착식에 의해 묘사되었다. 반면에, CO2는 1,070 psia 이상의 초임계 영역부터는 랭마이어 흡착식으로부터 벗어나는 것으로 나타났다. 이번에는, CH4와 CO2의 흡착량이 투과도 변화율에 미치는 영향을 파악하기 위해 압력에 따른 투과도 측정 실험을 수행하였다. 그 결과를 살펴보면, 압력 100 psi 증가 시 CH4과 CO2의 투과도 감소율이 각각 9.7%, 18.8%로 나타나 투과도 변화율은 흡착성의 크기 차이에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다. 한편, 온도에 따른 결과에서는 온도가 낮을 때 투과도 변화율이 더 크게 나타나는 결과를 얻었다. 상기의 실험 결과로부터, 압력 및 온도에 따른 흡착량과 부피 변형률과의 상관관계를 도출하였다. 앞의 상관관계를 활용하여, 석탄층 심도 2,300 ft에 대해 CH4와 CO2의 유동 효율성 분석을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시뮬레이션 결과를 분석해보면, 석탄층 상부에서는 CO2가 부력에 의해 상승하여 하부층에 비해 CO2 이동량이 많아서 앞서 나가지만, CO2 흡착에 의해 투과도가 감소되어 이동성이 낮아지므로 결과적으로는 상하부간에 균질 단면을 유지하며 유동되는 것으로 나타났다. 이러한 균질 단면 유동 현상은 CO2 BT (Breakthrough)가 발생하는 38개월 시점까지도 지속되어 결국 CH4 회수율은 95% 이상으로 높게 나타났고, 이로 인해 CO2 저장 효과는 총 저장 가능량의 58%로 우수한 것으로 산출되었다. 석탄층의 심도 980∼2,950 ft의 값에 따른 시뮬레이션 결과에서는, 상기의 결과와 마찬가지로 모든 경우에 CO2의 균질 단면 유동 양상이 나타남을 보였다. 한편, 심도가 비교적 깊은 4,260 ft의 경우에 대한 CO2 주입 효율성 분석 결과에서는, 투과도가 1.60 md에서 주입 초반부터 0.23 md로 크게 감소하여 CO2가 거의 주입되지 못함으로 인해 CO2 주입에 의한 회수증진 효과가 거의 없었다. 이와 같이 투과도가 감소하는 원인에 대한 분석 결과, 균열 내 압력과 흡착에 의한 투과도 변화율은 각각 9.2%와 90.8%로서 투과도 감소 현상은 주로 흡착 현상 때문임을 알 수 있었다.