Experimental Investigation for End-point Relative Permeability Changes Based on CO2 Injection Conditions = CO2 주입 조건에 따른 끝점 상대투과율 변화에 대한 실험적 조사

국문 초록 (Abstract)

CCS 프로젝트에 있어서 CO2-water 상대투과율을 이해하는 것은 중요하다. CCS 사업에서 효과적인 주입 시, 가스 상의 CO2 유동특성에 대한 영향을 조사하기 위하여 다양한 온도, 압력, 유량 조건에서 실험적 연구는 수행되었다. 그들의 변화는 점성도, 계면장력, z-factor의 변화, 점성 힘과 모세관 힘의 상대적 우월성, CO2 상대투과율의 끝점과 최소 잔류 수포화율 변화를 포함한다. 2~10cc/min, 300/500/700psi, 23/55℃의 실험 조건은 유동과 저장특성을 명시하기 위한 판정 기준으로써 사용될 수 있는 모세관 수를 고려하여 적용되었다. 실험 결과는 높은 최소 잔류 수포화율과 이전연구와 비교하여 더 넓은 범위의 CO2 상대투과율 특징을 가지는 초임계 CO2를 사용하면서 측정된 CO2/brine 상대 투과율의 일관성을 보여준다. 그리고 변수들은 세 가지의 실험적 관찰에 따라서 위에서 언급된 CO2 주입량, 압력, 온도에 의하여 영향 받는 중요한 변수임을 보였다.
먼저, 유량의 증가는 CO2 끝점 상대투과율의 증가와 최소 잔류 수포화율의 감소를 일으킨다. 이는 더 높은 유량은 유동 효율성과 주입량에 의해서 향상된 CO2 주입을 가능하게 한다는 것을 의미한다. 또한, 이러한 향상은 최소 잔류 수포화율 근처에서 급격히 증가하는 모세관 힘을 극복하기 위한 어려움 때문에 유량이 증가함에 따라서 수렴하는 것처럼 보인다. 두번째, 온도의 증가는 CO2 끝점 상대투과율의 감소를 일으킨다. CO2의 점성과 CO2와 water간의 점성비의 증가가 주된 이유이다. 따라서, CO2 유동은 비효율적이다. 마지막으로 압력의 증가는 온도 증가함에 따라 점점 더 낮은 점성 증가율과 점점 더 높아지는 계면장력 증가율을 발생시킨다. 결과적으로, 온도 증가는 낮은 압력 조건에서 최소 잔류 수포화율의 감소를 일으키는 반면, 높은 압력조건에서 최소 잔류 수포화율의 증가를 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is very important to understand the CO2-water relative permeability in the Carbon Capture and Storage (CCS) projects. In regard to efficient CO2 injection in CCS, experimental study is carried out with various flow rate, pressure, and temperature conditions to investigate their influences on gaseous CO2 flow behavior. The changes of them induces the changes of viscosity, surface tension, and z-factor, relative dominance between viscous force and capillary force, and, therefore, end-point of CO2 relative permeability(krCO2) and irreducible water saturation(Swirr). The experimental conditions of 2 – 10cc/min, 300/500/700psi, and 23/55℃ are applied with considering capillary number which can be used as a criterion to identify flow and storage characteristics. The experimental results show the consistency to CO2/brine relative permeability measured using supercritical CO2 with the fact that they have high Swirr values, while krCO2’s end point having wider range compared to those in previous studies. And, they showed both important parameters are affected by above-mentioned CO2 injection rate, pressure, and temperature with following three observations.

First, increasing flowrate makes the krCO2’s end point increase and Swirr decrease, which means higher flow rate makes CO2 injection be improved by flow efficiency and injection amount. Also, the improvement seems to be converged as flowrate increases by the difficulty of overcoming capillary force which increases rapidly near Swirr. Second, the temperature increase makes krCO2’s end point decrease. It is mainly due to that viscosity of CO2 and viscosity ratio between CO2 and brine increase, therefore, CO2 flow becomes inefficient. And the last, pressure increase causes the viscosity increase getting lower and interfacial tension increase getting higher as temperature increase. As a result, temperature increase causes Swirr decrease at the low pressure condition (300psi) while making Swirr is reversed at high pressure conditions.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Experimental Procedure 4
• 2.1 Relative Permeability 5
• 2.2 Irreducible Water Saturation 6
• 3. Experimental Setup 8
• 3.1 Rock and Experimental Conditions 8
• 3.2 Experimental Apparatus 10
• 4. Results and Discussion 14
• 4.1 Analysis of CO2-water relative permeability 14
• 4.2 Influence of flow rate on end-point relative permeability 15
• 4.3 Influence of temperature and pressure on end-point relative permeability 18
• 4.3.1 Influence of temperature on end-point relative permeability (23/55℃) 20
• 4.3.2 Influence of pressure on end-point relative permeability (300/500/700psi) 22
• 5. Conclusions 27
• Reference 29
• Abstract 33