Previous studies have confirmed approximately 0.6 billion tons of methane hydrate reserves in the Ulleung Basin, East Sea, Korea. Although gas production from hydrate-bearing sediments is being studied worldwide, the production mechanism is a complex phenomenon in which thermal-hydraulic-mechanical (THM) phenomena occur simultaneously. A depressurization method, inhibitor or hot water injection method, and molecular exchange method are being actively studied for hydrate production. Among these, depressurization is considered a reliable production method in Korea.In the production of methane gas using the depressurization method, the increase in effective stress due to decompression, and the decrease in the strength of sediments due to the dissociation of solid hydrates may cause ground subsidence, while vertical displacement of the sediments affects the stability of the production wellbore. In addition, when the hydrate is dissociated, the temperature change of the sediments due to the endothermic reaction changes the hydrate phase-change characteristics, which affects the gas dissociation rate. Therefore, for the production and utilization of gas hydrates, an in-depth study of gas productivity and stability according to the production period is required.Studies for estimating gas productivity and stability are difficult to analyze on a laboratory scale; hence, research is mainly conducted through numerical analysis. Reasonable input parameters must be used to obtain accurate numerical modeling results. Permeability is a geotechnical property with the greatest impact on productivity. The permeability of hydrate-bearing sediments depends on the geotechnical properties of the sediments and the hydrate saturation. However, in previous studies, there was no permeability and stiffness model reflecting the characteristics of the Ulleung Basin; thus, the analysis had to be performed by applying models reported in the literature. In most studies, the sediments were analyzed as homogeneous ground. Previous studies have also focused on estimating the water and gas productivity for a short-term production period; few have considered the productivity and stability in long-term production.In this dissertation, effective permeability and stiffness models were derived from permeability experiments and high-pressure triaxial tests using the artificial specimen of the Ulleung Basin, which were then applied to THM algorithms. Productivity and stability analyses were performed based on the characteristics of the site. The analysis confirmed that the stiffness model did not significantly affect the productivity and stability. However, in the case of the derived permeability model, the total productivity of gas and water was less than that of the previous model. The initial hydrate saturation was analyzed as the ground characteristic that had the greatest influence on productivity and stability.An interface model was derived using the results of the direct shear test and consolidation test that simulated the interface between the production wellbore and sediments of the Ulleung Basin. A stability evaluation algorithm for the production wellbore was proposed, which considered the slippage of the interface between the production wellbore and sediments. As a result of the stability evaluation of the production wellbore, axial stress was generated in the production wellbore according to the ground behavior. However, when excessive ground subsidence occurred, the development of additional axial stress did not occur because of ground shear failure at the interface.Long-term production behavior according to the initial hydrate saturation was analyzed through long-term production analysis of the Ulleung Basin for three years. The productivity and stability according to the depressurization strategy in short-term production, and production efficiency were evaluated. The productivity analysis according to the production period showed that the lower the initial hydrate saturation, the higher the short-term productivity and production efficiency. The longer the production period, the lower the productivity and production efficiency. These results confirm that the higher the initial hydrate saturation, the higher the total productivity and production efficiency in long-term production.For the depressurization method, the lower the bottom hole pressure, the higher the productivity; however, the stability tended to deteriorate. Although the effect of the depressurization rate on total productivity and stability was quite small, gradually increasing the depressurization rate can ensure initial stability, which prevents the sand production phenomenon. The results of this study are expected to be used as basic data for establishing a production strategy for the planned field production tests in the Ulleung Basin after 2024.
선행 연구를 통해 우리나라 동해 울릉 분지에 약 0.6억 톤의 메탄 하이드레이트 매장량이 확인되었다. 퇴적층에서 가스를 생산하기 위한 시도는 세계적으로 연구되고 있으며, 생산 메커니즘은 열-수리-역학적 현상이 동시에 발생하는 복합적인 현상이다. 하이드레이트 생산 방법으로는 감압법, 열수 및 첨가제 주입법 그리고 가스 교환법 등이 주된 방법으로 제안되어 활발히 연구되고 있다. 우리나라의 경우, 감압법을 유력한 생산 방법으로 고려하고 있다.감압법을 활용한 가스 하이드레이트 생성 시 감압으로 인한 유효응력 증가 및 고체 하이드레이트의 해리로 인한 퇴적층 강도 저하는 지반 침하를 유발하여 생산정 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 하이드레이트의 해리 시 흡열 반응으로 인한 퇴적층의 온도 변화는 하이드레이트 상변화 특성을 변화 시켜 가스 해리율이 지속해서 변한다. 따라서, 가스 하이드레이트의 생산 및 활용을 위해서는 생산 기간에 따른 가스 생산성 및 안정성에 대한 깊이 있는 연구가 필요하다.가스 생산량 및 안정성 추정을 위한 연구는 실험실 규모로 분석하기가 어려워 수치 해석을 통한 연구가 주로 수행되고 있다. 정확한 수치 모델링 결과를 얻으려면 합리적인 입력 매개 변수를 사용해야 한다. 투수 계수는 생산성에 가장 큰 영향을 미치는 지반 공학적 특성이다. 하이드레이트 부존 퇴적층의 투수성은 퇴적층의 지반 공학적 특성 및 하이드레이트 포화도에 따라 변한다. 하지만, 이전 연구에서는 해석 대상 부지 특성을 반영한 투수 및 강성 모델이 존재하지 않아 문헌에 제시된 모델을 적용하여 해석을 수행해야 하는 문제가 있었다. 또한, 대부분의 연구에서는 퇴적층을 균질 지반으로 해석을 수행하였다. 추가로 대부분의 선행 연구는 단기 생산 기간의 가스 및 물의 생산성 추정에 관한 연구에 집중되어 있었으며, 생산성과 안정성을 동시에 고려한 장기 생산에 관한 연구는 많지 않다.본 학위논문에서는 울릉 분지를 모사한 가스 하이드레이트가 생성된 퇴적층의 투수 실험 및 고압삼축압축 실험 데이터를 통해 유효 투수성 및 지반 강성 모델을 도출하고 이를 열-수리-역학 알고리즘에 적용하여 해석 부지 특성에 따른 생산성 및 안정성 평가 해석을 수행하였다. 해석 결과 강성 모델의 경우 생산성과 안정성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 반면, 제안된 투수 모델의 경우 기존 연구에 사용된 모델에 비해 가스 및 물의 총 생산성을 적게 도출하였으며, 생산성과 안정성 평가에는 초기 하이드레이트 포화도가 가장 큰 영향을 미치는 지반 특성으로 분석되었다.또한, 생산정과 퇴적층 경계면을 모사한 직접 전단 시험 및 인발 실험 결과를 활용하여 경계면 모델을 도출하고, 생산정과 퇴적층 사이 경계면의 미끄러짐 현상을 고려하여 생산정 안정성 평가 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 통해 생산정의 안정성 평가를 수행한 결과 지반 거동에 따라 생산정에 축응력이 발생하였으나, 과도한 지반 침하가 발생하는 경우 경계면에서의 지반 전단 파괴로 인해 추가적인 축응력의 발달은 나타나지 않았다. 추가로, 울릉 분지에 대한 3년간의 장기 생산 해석을 통해 초기 하이드레이트 포화도에 따른 장기 생산 거동을 분석하고 생산 효율 평가와 단기 생산 시 감압 전략에 따른 생산성 및 안정성 평가를 추가로 수행하였다. 생산 기간에 따른 생산성 해석에는 초기 하이드레이트 포화도가 낮을수록 단기 생산성 및 생산 효율은 높지만 생산기간이 길어질수록 생산성 및 생산 효율이 감소하여 초기 하이드레이트 포화도가 높은 경우가 장기 생산 시의 총 생산성과 생산 효율이 더 높아지는 것을 확인하였다. 또한, 감압 생산 시에는 목표 공저압이 낮을수록 생산성은 높아지지만, 안정성은 악화되는 경향을 확인하였다. 총 생산성 및 안정성에 대한 감압률의 효과는 적지만, 감압률을 점차 높여가는 전략을 적용하면 초기 안정성 확보에 효과적이며 이를 활용하여 모래 생산 효과를 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구의 결과는 2024년 이후 계획된 울릉 분지에서의 현장 생산 시험을 위한 생산 전략 수립 시 기초 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
