다공질암에서 하이드레이트 형성 및 해리에 관한 실험적 연구 = Experimental study for formation and dissociation of hydrate in porous media

국문 초록 (Abstract)

가스 하이드레이트는 포접화합물의 일종으로, 온도 및 압력이 해리조건에 이르면 쉽게 물과 가스로 해리될 수 있으며 해리된 가스의 부피는 하이드레이트로 존재할 때보다 약 180배까지 팽창하게 된다. 따라서 가스 하이드레이트는 가스의 응집체로서 중요한 에너지원이라 할 수 있다. 1960년대 중반 막대한 양의 메탄 하이드레이트가 심해저 퇴적층 및 영구 동토층에 존재하고 있다는 사실이 확인되면서 천연 메탄 하이드레이트가 21세기의 유망한 비재래형 천연가스 자원으로서 주목되기 시작했다.
1800년대 후반 메탄 및 에탄 하이드레이트의 존재를 밝혀낸 이후 계속적인 실험연구를 통하여 하이드레이트의 평형조건, 열역학적 특성, 구조, kinetics 등에 대한 연구가 지속되어 왔고, 1990년대에 들어와서는 기존의 탱크형 반응기가 아닌 실제 다공질 저류암을 사용하여 하이드레이트의 형성 및 해리현상을 관찰하려는 실험연구가 시도되었다. 이에 본 연구에서는 실제 암석코어를 사용하여 실험을 수행할 수 있는 실험장비를 제작하였다.
제작된 장비를 활용하여, 우선, 등적실험을 수행해 다공질암 공극 내에서의 하이드레이트 평형조건을 구하고 기존의 실험값과 본 연구의 결과를 비교함으로써 연구에 사용된 실험장비 및 실험방법의 타당성을 검증하였다. 그리고 등온 하에서 하이드레이트 형성 및 해리실험을 수행하여 압력 및 전기저항의 변화, 가스 및 물의 유량을 통해 다공질암 공극 내에서의 하이드레이트 형성 및 해리현상을 관찰하였다. Annealing process를 수행하여 코어를 따라 하이드레이트가 비교적 균일하게 분포되어 있음을 확인하였고, 하이드레이트 해리 시 양단의 압력거동을 분석함으로써 형성된 하이드레이트가 공극 내에서 유체의 유동에 영향을 미치는 현상을 관찰하였다. 하이드레이트 해리실험에서는 감압법뿐만 아니라 inhibitor 주입법을 사용함으로써 inhibitor에 의한 하이드레이트 평형조건의 변화를 분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gas hydrates are members of substances known as clathrate which can be broken down easily at the dissociation condition. The breakdown of one unit volume of hydrate at an atmosphere produces about 180 unit volumes of gas, and hence, gas hydrates are conglomerates of gas. Since the middle of 1960's, hydrates have been known to be occurred naturally in vast quantities on ocean floor and in the permafrost regions of the world. Therefore, it is considered methane hydrates in porous rocks have a great potential as a future of unconventional energy resources.
Since the experimental discovery of hydrates in the late of 1800's, many numbers of experimental studies have been conducted for characterizing the fundamental properties of hydrates, such as equilibrium conditions, thermodynamic properties, structures, kinetics, etc. In the 1990's, experiments in not tank reactor but porous medium were attempted. In this study, an experimental apparatus was designed to perform experiments of hydrates in porous core.
With the apparatus developed, firstly, isochoric experiments were conducted to find hydrate equilibrium conditions in porous media, and the results were compared with reference data to verify the experimental apparatus and methods in this study. Secondly, the behaviour of pressure and electrical resistance was observed to analysis formation and dissociation of hydrate.
Annealing processes were conducted to show hydrates were distributed along the core uniformly. In hydrate dissociation, the behaviors of inlet and outlet pressure were observed to analysis effects of hydrates formed on fluid flow in the pore. Not only depressurization method but inhibitor injection method was used to analysis the shift in hydrate equilibrium conditions.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 실험장비 설계 및 제작 4
• 2.1. 실험장비 7
• 2.2. 실험장비의 교정 13
• 3. 실험 과정 및 결과 18
• 3.1. 코어 기본물성 측정 18
• 3.2. 하이드레이트 평형조건 도출 및 실험장비 검증 23
• 3.3. 하이드레이트 형성 및 해리실험 28
• 4. 결 론 54