교차 주입을 통한 공극 구조 내 비혼성 유체의 거동 및 분포에 관한 실험적 연구

Abstract

In geological CO2 sequestration, the behavior of CO2 within a reservoir can be characterized as two-phase flow in a porous media. For two phase flow, these processes include drainage, when a wetting fluid is displaced by a non-wetting fluid and imbibition, when a non-wetting fluid is displaced by a wetting fluid. The two-phase behavior in porous media is influenced by many reservoir parameters, including the fluid viscosity and density, interfacial tension, wetting properties and pore structure. This study aimed to observe migration and distribution of immiscible fluids in porous media via cyclic injection of drainage-imbibition. For this purpose, cyclic injection experiments by applying n-hexane and deionized water used as proxy fluid of scCO2 and pore water were conducted in the two dimensional micromodel under experimental conditions such as flow rate and surfactant concentration. Immiscible displacement process via cyclic injection were recorded and analysis using Image J and Matlab was performed. The images from experiment were used to estimate the saturation and observed distribution of n-hexane and deionized water over the course drainage-imbibition cycles. Experimental results showed that n-hexane and deionized water are trapped by wettability, capillarity, dead end zone, entrapment and bypassing during 1st drainage-imbibition cycle. Also, As cyclic injection proceeds, the flow path is simplified around the main flow path in the micromodel, and the saturation of injection fluid converges to remain constant. Experimental observation results can be used to predict the migration and distribution of CO2 and pore water by reservoir environmental conditions and drainage-imbibition cycle.

본 연구는 다공성 매체 내부로 배수와 흡수 과정을 반복적으로 수행하는 주기적인 교차 주입 실험을 통하여 공극 구조 내 비혼성 유체의 포획 양상을 분류하고, 교차 주입이 반복됨에 따라 관찰되는 비혼성 유체의 거동 및 분포의 변화 양상을 분석하였다. 이를 위하여 심부 저류 환경에서의 이산화탄소와 공극수의 거동을 모사할 수 있는 헥산과 탈이온수를 대체 유체로서 선정한 후, 두 유체를 투명한 이차원 마이크로모델 내부로 교차 주입하는 실험을 통해 비혼성 대체 과정을 관찰하였다. 실험을 통하여 획득한 이미지는 분석 프로그램을 이용하여 각각의 유체 주입이 완료된 이후 마이크로모델 내부에 잔류하는 헥산과 탈이온수의 포화도를 산정하고, 유체의 분포 양상을 관측하는데 사용하였다. 제 1주기의 교차 주입 과정의 관측 결과를 이용하여 마이크로모델 내 잔류한 헥산과 탈이온수의 포획 양상을 기작에 따라 다섯 가지 유형으로 분류하고, 형성 과정과 그 원인을 설명하였다. 또한 제 1주기부터 5주기까지의 관측 결과를 비교하여 주기적인 교차 주입을 수행하는 것이 주입 유체의 거동 양상과 잔류 유체의 분포 양상에 미치는 영향을 분석하였다. 분석 결과로서 교차 주입 과정이 거듭됨에 따라 마이크로모델 공극 구조 내에서 흐름 경로는 주 흐름 경로를 중심으로 단순화되며, 이러한 주 흐름경로의 형성으로 인하여 주입 유체의 대체 효율은 일정한 값으로 수렴하였다. 본 실험의 결과는 지중저장 환경에서 이산화탄소와 공극수의 주기적인 교차 주입이 야기하는 저장층 내 비혼성 유체의 거동과 분포를 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.