감압법을 이용한 가스하이드레이트 회수생산시 해저지반 거동예측에 관한 수치해석적 연구

Abstract

가스하이드레이트 추정 매장량은 전세계 에너지 수요를 약 5000년간 충족할 수 있는 막대한 양이며 우리나라의 경우 울릉분지에 연간 천연가스 사용량의 30배에 해당하는 가스하이드레이트가 매장되어 있는 것으로 추정하고 있다. 그러나, 해저면으로부터 약 150 m 아래에 형성되어 있는 가스하이드레이트 회수생산시, 생산정으로 물과 가스가 유입됨에 따라 미고결층으로 이루어진 가스하이드레이드 상부 해저층이 침하되어 해저 생산구조물을 손상시키고 가스가 대기로 누출되어 생산성을 저하시키는 문제점이 예상되므로 지반거동예측 연구가 필수적이라 할 수 있다. 지금까지 가스하이드레이트에 관한 연구는 물성시험 및 생산성관련 실험에 집중되어 있고 수치해석연구의 경우에도 일본 및 멕시코만 등 해외 지역의 지반거동예측에 대한 연구가 대부분이다. 이 중 감압법 만을 활용한 해석사례는 전무하며 100 m이상의 광역현장규모로 수치해석을 실시한 경우도 거의 없는 실정이다. 이 연구에서는 동해 울릉분지에 2015년 실시예정인 감압법을 이용한 가스하이드레이트 시험생산에 앞서, 울릉분지 현장시추코어시료에 대한 감압법 적용 침하실험 결과를 FLAC2D 해석 및 이론해의 산출결과와 비교하여 적용타당성을 확인하고 FLAC2D를 이용하여 시험생산 후보 대상지인 UBGH-X 현장생산 조건인 200 m(너비)×180 m(높이)로 수치해석모사를 실시하였다. 시험생산 후보지 현장조건의 수치해석 결과로부터 시추공주변 지반침하량을 분석한 바, 31일간 감압법 적용 시, 시추공 주변 해저면은 0.324 m 침하하였고 가스하이드레이트 층 직상부 지반은 0.484 m 침하하여 가스하이드레이트 직상부에서 최대침하가 발생함을 관찰하였고 아울러, 수평방향 해리 범위는 9.3 m에 달하는 것으로 나타났다. 시험생산 후보지 현장조건을 기초로 하여 감압법에 의한 가스하이드레이트 생산시 고려해야할 중요한 파라미터인 감압속도, 공저압, 공극률, 투수율, 가스하이드레이트 포화도 등 5가지로 지반침하에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 감압속도에서는 저속감압이 지반안정유지에 유리하였고, 공저압은 감압정도(⧍P)가 클수록 침하량 및 수평방향 해리범위가 증가하는 뚜렷한 경향성을 확인할 수 있었으며 나머지 파라미터 공극률, 투수율, 가스하이드레이트 포화도의 증가에 따라 침하량 및 수평방향 해리범위가 증가함을 확인할 수 있었다. 이중에서도 시간에 따라 변하는 투수율의 차이가 해리 전파거리 및 침하량에 가장 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 여기에서의 분석결과는 향후 시험생산을 위한 시추공정 계획 시 뿐아니라 울릉분지 상업생산시에도 참고자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.