Evaluation of operation design variables for geologic injection of carbon dioxide using numerical modeling

김중휘

doi:10.14770/jgsk.2015.51.2.221

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자료유형: 학술저널

저자정보: 김중휘 (중원대학교)

저널정보: 대한지질학회 지질학회지 지질학회지 제51권 제2호

발행연도: 2015.4

수록면: 221 - 233 (13page)

DOI: 10.14770/jgsk.2015.51.2.221

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이산화탄소 지중 주입에 따른 주입정 주변 및 대상 지층에서의 지하수와 이산화탄소 유동 및 지열 이동을 정량적으로 예측 및 분석하기 위하여 일련의 열-수리학적 모델링을 수행하였다. 이러한 수치 모델링 결과를 바탕으로 다양한 환경, 조건 및 물성에 대한 주입 효율의 민감도 분석을 수행하여 이산화탄소 지중 주입 운영 설계에 크게 영향을 끼치는 주요한 변수들을 산정하였다. 대상 지층의 환경 및 주입 기법에 대한 수치 모델링 결과는 대상 지층의 심도 및 초기 지온과 주입 압력의 배수 모두 이산화탄소 주입 성능에 크게 영향을 끼침을 보여준다. 한편 대상 지층의 열적 물성에 대한 수치 모델링 결과들은 이산화탄소 주입 성능에 대한 대상 지층의 고체 밀도, 열용량 및 열전도도의 영향이 거의 없음을 보여준다. 마지막으로 대상 지층의 수리학적 물성에 대한 수치 모델링 결과들은 이산화탄소 주입 효율이 일차적으로는 고유(절대)투수계수에 큰 영향을 받으며, 다른 여러 요인들에 의해서 상대투수계수가 변화함에 따라서 이차적인 영향을 받음을 보여준다. 이에 따라서 이산화탄소 주입률과 주입도는 대상 지층의 고유투수계수와 van Genuchten의 불포화 수리 계수인 exponent항이 증가할수록 크게 증가하고 공극률과 잔류 가스 포화도가 증가할수록 소폭 감소하며, 잔류 지하수 포화도와 van Genuchten의 불포화 수리 계수인 gas-entry pressure항에 대해서는 민감하게 변화하지 않는다. 이러한 연구 결과들은 이산화탄소 지중 저장 대상 지층 시스템의 주입 능력 또는 효율 평가 그리고 주입 시설 설계 및 주입 기법 결정에 합리적이고 실용적인 지침으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

A series of thermo-hydrological numerical modeling is performed to predict and analyze quantitatively groundwater flow, carbon dioxide flow, and heat transport in an adjacent area of injection well and a target formation due to carbon dioxide injection. Based on these results of numerical simulations, a sensitivity analysis for the injection efficiency is performed under various environments, conditions, and properties, and the major variables, which impact significantly on the operation design for geologic injection of carbon dioxide, are evaluated. The results for environments of the target formation and injection scheme indicate that the depth and initial temperature of the target formation and ratio of injection pressure to initial pressure have significant effects on the injection efficiency of carbon dioxide. The results for thermal properties of the target formation show that the injection efficiency of carbon dioxide is not sensitive to the solid density, specific heat, and heat conductivity of the target formation. The results for hydrological properties of the target formation reveal that the injection efficiency of carbon dioxide primarily depend on the intrinsic (absolute) permeability, and it varies according to the relative permeability, which is influenced by other hydrological properties. The injection rate and injectivity of carbon dioxide increase significantly as the intrinsic permeability and van Genuchten’s exponent of the target formation increase, whereas they decrease slightly as the porosity and the residual gas saturation of the target formation increase. However, they are most insensitive to variations in the residual water saturation and van Genuchten’s gas-entry pressure of the target formation. These results of the numerical simulations and sensitivity analyses can be utilized as a reasonable and practical guideline for evaluating the injection efficiency or performance of carbon dioxide of the target formation, designing the injection facilities, and determining the injection scheme.

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참고문헌 (19)

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1. [학술지(정기간행물)] - Burton, M / 2009 / CO2 injectivity into brine aquifer: why relative permeability matters as much as absolute permeability / Energy Procedia 1 : 3091 ~ 3098

2. [학술지(정기간행물)] - Carsel, R.F / 1988 / Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics / Water Resources Research 24 : 755 ~ 769

3. [학술지(정기간행물)] - Durucan, S / 2009 / Improving the CO2 well injectivity and enhanced coalbed methane production performance in coal seams / International Journal of Coal Geology 77 : 214 ~ 221

4. [학술지(정기간행물)] - Giorgis, T / 2007 / 2D modeling of salt precipitation during the injection of dry CO2 in a depleted gas reservoir / Energy Conversion and Management 48 : 1816 ~ 1826

5. [학술지(정기간행물)] - Holloway, S / 1997 / An overview of the underground disposal of carbon dioxide / Energy Conversion and Management 38 : 193 ~ 198

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김중휘

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