[논문 리뷰] A Numerical Study of Thermal-Hydraulic-Mechanical (THM) Simulation with the Application of Thermal Recovery in Fractured Shale Gas Reservoirs

HanYi Wang|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 02.

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 기름기 있는 샤크 띠광층에서 열-유체-기계적(THM) 수치 모델을 완전히 결합하여 가스 흡착, 실제 기체 거동, 나노스케일 유동 및 지구역학을 통합한다. 결과적으로 고온은 흡착 특성을 변화시켜 가스 탈착 및 유동 능력을 크게 향상시키며, 저투수성 샤크 띠광층에 대한 실현 가능한 열적 복구 경로를 제공한다.

ABSTRACT

We presented a general multi-physics model for shale gas flow in fractured systems, first the first time, with fully coupled thermal-hydraulic-mechanical (THM) properties. The impact of gas adsorption, real gas properties, gas flow in nano-scale pore space and geomechanics effects on total gas flow capacity are investigated. We also showed that by elevating shale rock temperature, the characteristic of gas adsorption behavior can be substantially altered.

연구 동기 및 목표

• 균열이 있는 샤크 가스 띠광층에서 열, 유체 및 기계적 효과를 통합한 종합적인 다물리스 모델을 개발하기.
• 가스 흡착, 실제 기체 성질 및 나노스케일 유동이 총 가스 생산 능력에 미치는 영향을 조사하기.
• 온도 상승이 샤크 가스 탈착 거동과 띠광층 성능에 미치는 영향을 평가하기.
• 저투수성 샤크 띠광층에서 열적 복구가 향상 추출 방법으로 가능한지 평가하기.

제안 방법

• 균열이 있는 샤크 시스템에서 열전달, 유체 흐름 및 암석 변형을 시뮬레이션하기 위해 완전히 결합된 THM 모델을 수립한다.
• 압력에 따라 변하는 기체 점도와 압축성에 대해 실제 기체 법칙을 적용한다.
• 온도에 따라 변화하는 랑무르 등온선을 사용하여 흡착을 모델링하며, 이는 열 효과를 반영한다.
• 샤크 매트릭스 내 나노스케일 유동은 쿤델슨 확산과 전이 영역에 대한 슬립 유동 보정을 통해 시뮬레이션한다.
• 응력에 따라 변화하는 투수성과 매트릭스 변형을 통해 지구역학 효과를 포함한다.
• 유한요소 방법을 사용하여 수치적으로 모델를 해결하며, 열, 유체 및 기계적 하위문제 간의 반복적 결합을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도 상승은 샤크 가스 띠광층에서 가스 탈착 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 나노스케일 유동 메커니즘과 실제 기체 거동은 균열이 있는 샤크에서 총 가스 생산에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 결합된 열-유체-기계적 과정은 띠광층의 투수성과 유동 능력을 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 열 자극이 저투수성 균열이 있는 샤크 띠광층에서 가스 회수를 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 샤크 암석의 온도 상승은 가스 흡착 거동을 크게 변화시켜 탈착을 증가시키고, 유동을 위한 가스 가용성을 향상시킨다.
• 실제 기체 효과와 나노스케일 유동 메커니즘을 포함한 모델은 이상화된 모델 대비 더 높은 예측 가스 생산률을 도출한다.
• 가열에 의한 열팽창과 응력 변화는 균열 개구부와 매트릭스 투수성을 변화시켜 유체 이동에 영향을 준다.
• 결합된 THM 효과는 가스 유동 능력에 비선형 반응을 유도하며, 중간 수준의 온도 상승에서 최대 향상가가 관찰된다.
• 모델은 질량 이동 제한을 극복함으로써 열적 복구가 밀도 있고 균열이 있는 샤크 시스템에서 가스 생산을 상당히 향상시킬 수 있음을 시사한다.
• 온도에 따라 변화하는 흡착 등온선은 가스 흡착 용량에 명확한 이동을 보이며, 열 자극이 실현 가능한 회수 전략임을 검증한다.