Methane hydrate, a solid compound consisting of methane and water molecules, has great potential as a new energy source and has been intensively studied in hopes of making new scientific and technical advances. Among the various production methods for methane recovery, depressurization has been proven as the most effective and productive method through production tests and numerical studies. However, significant mechanical responses of hydrate-bearing sediment, such as large volume contraction and subsidence can be generated during methane production induced by depressurization. Moreover, such phenomena are further exacerbated by strength and stiffness reduction in the hydrate-bearing sediments as hydrate dissociation advances. As a result, the highest compressive strength is concentrated in the vicinity of the production wellbore and the wellhead. Thus, in order to prevent the destruction of production facilities and consequent leakage of methane gas, it is essential to address the abovementioned problems by evaluating the mechanical responses of hydrate-bearing sediment and analyzing the stability of the production well during depressurization and hydrate dissociation. Therefore, this dissertation is centered on the development of a Thermal-Hydraulic-Mechanical (T-H-M) coupled simulator and on an assessment of the mechanical stability and technical feasibility of methane hydrate production induced by depressurization in the Ulleung Basin in the East Sea, Korea.
A comprehensive process is implemented to determine the T-H-M model properties. A vast data set from the UBGH2 expedition is used to decide the final values in order to precisely estimate the geomechani-cal responses and the productivity during methane production. Moreover, an investigation is undertaken to determine empirical correlations between the model properties and methane hydrate saturation.
An integrated T-H-M numerical simulator of hydrate production is developed based on the finite dif-ference method. The underlying thermal, hydraulic, and geomechanical processes and an algorithm of the developed T-H-M simulation code are introduced and described in detail, including the governing equations, models, and empirical correlations.
Two-dimensional axisymmetric modeling is performed using the developed simulator in order to eval-uate the mechanical stability and technical feasibility of the hydrate production test induced by depressuriza-tion at the site UBGH2-6. Hydraulic-Thermal, Hydraulic-Mechanical, and Hydraulic-Thermal-Mechanical analyses are performed to explore how effective each analysis is in determining the result, and how effective the T-H-M coupled analysis is at simulating the process of methane production. Moreover, in order to explore the possible range of gas and water production for the target production period of 14 days, parametric studies are performed on the permeability model, mechanical constitutive model, bottom hole pressure, and initial hydrate saturation.
Finally, a three-dimensional simulation is conducted to evaluate the stability of the wellbore and the amount of gas released during methane production. The structural design and the mechanical properties, in-cluding the dimensions of the wellbore components, and the interface properties related to the interaction behavior between the sediment and the wellbore, are considered in the three-dimensional model. The stress evolution of the casing and the instability of the wellbore are assessed by considering the construction and production sequences.
메탄 하이드레이트는 메탄과 물 분자로 이루어진 고체 화합물을 말하며, 새로운 천연 에너지 자원으로써 높은 가능성을 지닌 물질이다. 전세계의 해저 및 영구동토 지반에 막대한 양의 하이드레이트가 매장되어 있어, 이를 개발하기 위해 지속적으로 과학적, 기술적인 연구가 집중되고 있다. 여러 하이드레이트 생산 방법 중 하나인 감압법은 현장 적용 결과 및 수치적인 해석 결과를 통해 현재까지 가장 효율적이고 경제적인 방법으로 알려져 있다. 하지만 하이드레이트 부존 지반이 비압밀 상태의 사질토와 머드로 되어 있는 경우 감압에 의해 큰 체적압축이나, 침하가 발생할 수 있다. 또한 이러한 현상은 공극 내 하이드레이트가 해리됨에 따라 하이드레이트 부존토의 강도 및 강성이 감소하면서 더욱 심화되게 된다. 동시에 그로 인해 생산정 감압부에 가장 큰 압축응력이 집중되면서, 생산정이 파괴되어 생산이 중단되거나 가스가 유출될 가능성이 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 감압을 통한 하이드레이트 생산 시 발생 가능한 하이드레이트 부존 지반 거동을 예측하고 생산정의 안정성을 평가해야 한다. 이에 본 연구는 열-수리-역학적 수치해석 기법을 개발하고, 이를 통해 한국 동해 울릉분지에서 감압법을 이용한 메탄 하이드레이트 시험생산의 지반 및 생산장비의 안정성을 평가하였다.
정확한 울릉분지 메탄 하이드레이트 시험생산 모사를 위해 정확한 입력물성의 도출 및 결정은 매우 필수적이며, 신중히 이루어져야 한다. 동해 울릉분지 2차 시추탐사(UBGH2)를 통해 얻어진 현장 물리탐사 자료와 채취한 시료를 통한 실험 자료에서 울릉분지 시험생산지의 지층구조 및 초기조건, 그리고 열, 수리, 역학적 입력 물성을 결정하였다.
하이드레이트 생산모사가 가능한 열-수리-역학적 수치해석 시뮬레이터 개발을 위해 감압 및 하이드레이트 해리, 생산 과정의 열, 수리, 지반역학적 과정을 모사할 수 있는 수치해석 알고리즘을 개발하고 유한차분 구성방정식으로 시뮬레이터에 적용하였다. 개발된 시뮬레이트는 Berea 사암을 이용한 하이드레이트 해리 시험 결과와 비교, 분석을 통해 검증을 완료하였다.
한국 동해 울릉분지 메탄 하이드레이트 시험생산의 역학적 안정성 및 기술적 가능성을 평가하기 위하여 개발된 열-수리-역학적 수치해석 시뮬레이터를 적용하여 이차원 수치해석을 수행하였다. 열-수리-역학적 통합 연동해석의 중요성을 검토하고 각 해석의 영향 정도를 파악하기 위해 열-수리, 수리-역학, 열-수리-역학적 해석을 각각 울릉분지 조건에 적용하여 결과를 분석하였다. 또한 14일 후의 최종 생산량 범위를 산정하기 위하여 투수계수-하이드레이트 포화도 모델, 역학적 구성모델, 최종 생산정 압력, 초기 하이드레이트 포화도에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.
한국 동해 울릉분지 메탄 하이드레이트 시험생산의 생산정 안정성 평가를 위해 삼차원 해석을 수행하였다. 이를 위하여 생산정의 구조적 설계, 각 요소의 역학적 물성 그리고 퇴적토와 생산정 벽면 사이의 상호거동을 해석에 반영하였다. 생산정의 관입부터 상재하중, 그리고 하이드레이트 생산과정 동안의 깊이에 따른 케이싱의 응력분포와 생산 시간에 따른 최대 압축응력거동을 도출하고 이를 바탕으로 생산정의 안정성을 평가하였다.
