The mechanical, chemical, and physical properties of gas hydrate-bearing sediments are distinct from those of general marine sediments due to the complex interactions between the sediment systems and gas hy-drates. The strength and stiffness of the sediments are enhanced by the gas hydrate formation because gas hy-drates share the effective stress with mineral grains, while stiffening the entire sediment system. However, gas hydrate-bearing sediments lose their original strength and stiffness if the gas hydrates are dissociated. These geotechnical effects of gas hydrate dissociation can result in significant deformation or failure of gas hydrate-bearing sediments. The geotechnical aspects of gas hydrate-bearing sediments are thus crucial with respect to safety issues in gas hydrate production. Meanwhile, understanding of the geophysical properties of hydrate-bearing sediments has become an important research topic for interpretation of in-situ geophysical data, stabil-ity analyses of boreholes and seafloors, and reservoir simulations for gas production from hydrate deposits. This dissertation centers on the geotechnical and geophysical characteristics of gas hydrate-bearing sediments in Ulleung Basin, East Sea, offshore of Korea. The investigation of the gas hydrate-bearing sediments is con-ducted using various lab-scale experimental tests on natural samples recovered from Ulleung Basin. On the ba-sis of the results, the geotechnical implications of gas hydrate-bearing sediments are then discussed.
This dissertation provides the geotechnical and geophysical properties of minimally disturbed fine-grained marine sediments retrieved during the Second Ulleung Basin Gas Hydrate Expedition (UBGH2), East Sea, Korea. Conventional laboratory geotechnical engineering test methods characterize the sediments highly plastic silty soils according to the Unified Soil Classification System (USCS); they exhibited high compressibility when subjected to an increase in effective stress (or a decrease in pore water pressure), low hydraulic conductiv-ities, and low coefficient of consolidation (or pressure diffusion). It is expected that the application of a depres-surization method for gas hydrate production at the investigated sites would cause a significant amount of set-tlement and compaction around the production hole. In addition, the prior presence of gas hydrates in the sed-iments was verified through a comparison of water content, compressibility, and electrical resistivity.
The P-wave velocity (VP) and S-wave velocity (Vs) of gas hydrate-bearing fine-grained sediments in-crease and the stress-dependency of VP and Vs decreases as the hydrate saturation (SH) increases from 0% to ~60%. In particular, the VS-SH trend lies between the grain-cementing model and the load-bearing model, sug-gesting that gas hydrate formation in clayey silt sediments causes weak cementation from a hydrate saturation less than ~28%. The weak cementation in fine-grained sediments can be explained by the breakage of hydrate bonds that are cementing grains during sediment compression and/or the innate weakness in bonding between hydrate crystals and fine mineral grains owing to the presence of unfrozen water films on clay mineral surfaces. In addition, it is found that at low SH the cementation effect on VP is masked by the high stiffness of pore-filling phases, but it becomes pronounced at SH greater than 47%.
The effect of gas hydrate saturation on the effective stress-volume response depends on the soil type of host sediments. Compared to that of course-grained sediments, the compressibility of fine-grained sediments is significantly decreased by the presence of gas hydrates in spite of relatively low gas hydrate saturation (i.e., ~28%). This implies that gas hydrate formation in fine-grained sediments causes weak cementation between regular aggregated clays. Furthermore, an empirical model for the compression index of gas hydrate-bearing sediments was suggested considering the soil type of host sediments. With its simplicity, the suggested model can be easily used for a numerical stability analysis of gas hydrate reservoirs.
An experimental simulation of depressurization on gas hydrate bearing sediments reveals that re-formation of gas hydrates can occur during the depressurization process, if the local gas hydrate stable zone appears. In addition, the self-trapping effect of CO2 is experimentally verified. CO2 hydrates were formed dur-ing the CO2 liquid injection process, and they prevented upward flow of CO2. Temperature, pressure, P-wave velocity, and electrical resistance were measured during the experiment, and the obtained results support the occurrence of a self-trapping effect induced by CO2 hydrate formation. Simple analyses using experimental results reveal that the sealing capacity of CO2 hydrate bearing-sediments is considerable.
A 2-week test production program for the gas hydrate reservoir in Ulleung Basin, East Sea, offshore Ko-rea is being considered. Several numerical studies on gas production from the gas hydrate reservoir in Ulleung Basin have been reported. However, it is difficult to evaluate the reliability of the results of a numerical analysis because of the complexity of the numerical analysis. A simple analysis is therefore required as a reference for numerical analyses. This dissertation provides a simple analysis on gas hydrate depressurized production in Ulleung Basin. The pressure drawdown of the gas hydrate reservoir is estimated using a semi-analytical method. The amount of potential CH4 production is estimated using the determined effective radius of gas hydrate dis-sociation. The radial effective stress induced by seepage force and the corresponding radial strain are estimated using experimentally the determined stress-volume response of natural sand sample. The results can provide a comparative reference to numerical analyses on gas hydrate-bearing sediments of Ulleung Basin.
가스 하이드레이트는 메탄 및 이산화탄소 등의 저분자량의 가스가 물 분자로 이루어진 격자 구조 안에 갇혀있는 형태의 물질을 말한다. 천연 가스 하이드레이트는 전 세계의 해저 및 영구동토에 막대한 양이 매장되어 있어 천연 가스의 새로운 원천으로서 주목 받고 있다. 한국에서는 동해 울릉 분지에서 상당한 매장량의 천연 가스 하이드레이트가 확인된 바 있으며, 이에 대한 시험 생산이 예정되어 있다. 가스 하이드레이트는 얼음과 유사한 물리적 성질을 가지고 있으며, 따라서 퇴적토의 공극 내부에서 형성된 가스 하이드레이트는 퇴적토의 강성과 강도를 크게 증진 시킨다. 가스 하이드레이트를 생산하기 위해서는 대상 퇴적층의 압력을 낮추어 가스 하이드레이트를 해리시켜야 한다. 이 때 감압에 의한 공극 압력의 감소는 퇴적토에 가해지는 유효 응력을 증가시키며, 동시에 가스 하이드레이트의 해리로 인하여 가스 하이드레이트의 강도 증진 효과가 사라지므로, 이로 인해 퇴적토는 큰 규모의 변형을 겪을 수 있다. 이러한 지반공학적 문제를 미리 예측하고 대비하기 위해서는 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 지반공학적 물성 및 지구물리학적 물성을 파악하는 것이 중요하다. 본 학위논문에서는 동해 울릉분지를 중심으로, 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 다양한 지반공학적/지구물리학적 물성들을 파악하고, 그 지반공학적 함의를 도출해 내는 것을 목표로 하였다.
동해 울릉분지 2차 시추탐사(UBGH2)에서 채취된 자연 시료들을 바탕으로 가스 하이드레이트 부존 지역에 존재하는 퇴적토의 다양한 공학적 특성들을 파악하였다. 동해 울릉분지의 세립질 퇴적토는 상당히 높은 압축성과 낮은 투수성을 갖고 있으며, 가스 하이드레이트 감압 생산 시 압축으로 인한 큰 변형을 겪을 것으로 예상된다. 한편, 가스 하이드레이트가 해리되면서 담수를 배출하기 때문에, 시료 회수 이전 가스 하이드레이트가 존재했었는지 여부에 따라 시료의 함수비 및 전기비저항에 있어 차이가 나타난다.
세립질 퇴적토 내부에 가스 하이드레이트가 형성될 경우, 약 28% 가량의 비교적 낮은 가스 하이드레이트 포화도에서도 상당한 전단파 속도의 증가를 나타냈으며, 이는 세립질 퇴적토의 미세한 공극 내부에서 하이드레이트로 인한 약한 점착력이 발현되었기 때문인 것으로 추측된다.
가스 하이드레이트 부존 퇴적토에서 가스 하이드레이트가 압축성에 끼치는 영향은 흙의 조성에 따라 달라졌다. 세립질 퇴적토의 경우, 압축성은 적은 가스 하이드레이트 포화도에서도 상당히 큰 영향을 받았다. 이는 세립질 퇴적토 내부의 응집된 점토들 간의 공간에 가스 하이드레이트가 집중적으로 형성되어, 이 공간이 붕괴하면서 일어나는 압밀 과정을 저지하기 때문인 것으로 해석된다. 또한, 흙의 조성에 따른 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 압축성 모델을 제안하였다. 이 압축성 모델은 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 지반공학적 안정성 수치해석에 있어서 유용하게 사용될 수 있다.
1m급 대형 압력셀을 활용하여 사질토 내부에서의 가스 하이드레이트의 형성 및 감압에 의한 해리를 모사하였다. 해저 지층의 온도 구배를 모사한 퇴적토 시료 내부에 CO2가 주입됨에 따라, CO2 하이드레이트 안정 영역에서 CO2하이드레이트 층이 형성되었고, 주입된 CO2의 유출을 저지하였다. 감압이 가해질 경우, 기존의 CO2 하이드레이트 층은 해리되나, 재조정된 CO2 하이드레이트 안정영역에서 거의 즉각적으로 CO2 하이드레이트 층이 재형성되어, CO2의 유출을 저지하였다. 이러한 실험 결과는 가스 하이드레이트 감압 생산을 위한 안정성 수치해석을 위한 검증 데이터로 활용될 수 있으며, 또한 CO2를 해저 퇴적토층 내에 저장하는 CO2저장 기법의 실험적 검증 자료로서 제시될 수 있다.
동해 울릉분지에서의 가스 하이드레이트 생산 시, 저류지의 압력 강하를 준해석적 방법을 통해 생산 시간 및 생산정 압력에 따라 대략적으로 계산하였다. 또한 이를 통해 가스 하이드레이트가 해리되는 유효 반경을 예측하였다. 이에 더하여, 저류지에서 감압에 의해 발생되는 응력 및 이에 의한 압축 정도를 예측하였다. 이러한 예측 결과는 대략적이지만 간단하고 직관적인 해석적 방식을 통해 얻어진 것으로, 추후 동해 울릉분지에서의 가스 하이드레이트 감압생산을 위한 수치해석 결과의 타당성 검증을 위한 기초 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
