<사진. 코어 샘플과 탄성파 신호 및 다른 지리학적인 자료를 이용해 가스 하이드레이트가 존재할 만한 지역을 보여준다.
출처. KISTI 미리안>

가스 하이드레이트 형성의 2D 모델 개발

기체 입자가 물 분자의 바구니 내에 갇힌 얼음과 유사한 물질은 가스 하이드레이트(gas hydrate)가 해저에서 어떻게 형성되는지를 보여주는 2차원 모델이 라이스대학(Rice University) 과학자들에 의해 개발되었다. 본 연구는 Journal of Geophysical Research: Solid Earth지에 게재되었다.

가스 하이드레이트는 만약 추출하여 유용한 형태로 전환시킬 수 있다면 잠재적인 에너지원이 될 수 있는 물질이다.

라이스대학 졸업자인 Sayantan Chatterjee가 창안한 수학모델은 몇 가지 자료로부터 외삽(extrapolate)함으로써 하이드레이트가 풍부하게 존재하는 지역을 찾는데 도움을 줄 수 있다. 여기서 자료란, 1차원적 코어 샘플, 수 천 년에 걸쳐 형성된 점토와 모래의 층상구조 및 균열을 영상화하는 탄성파 탐사(seismic surveys), 그리고 아래에 무엇이 있을지에 대한 화학적 실마리를 제공해 주는 해저 근처의 침전물 및 물의 지구화학 등이다.

해저에는 20조 톤의 메탄에 해당하는 고농도의 하이드레이트가 다량 존재한다. 일본 연구팀은 이미 태평양에서 생산기술을 테스트하고 있지만, 신뢰성 있는 탐사도구 없이는 생산 비용이 매우 높다. 라이스대학 연구팀의 이차원 모델은 좀 더 정확한 조사를 가능하게 해 준다.

모델링에는 메탄이 풍부하게 존재하는 유체가 다공성 물질을 통과하도록 하는 압축과 퇴적(sedimentation)과 같은 지리학적 과정을 포함하고 있다. 메탄은 유기물질이 미생물에 의해 분해되거나 특정 온도, 압력 및 염도 조건에서 기체 하이드레이트의 안정구역(safety zone)에서 벗어날 때 발생하게 된다.

고농도의 하이드레이트 침전물은 미세입자 퇴적물 및 침투가 가능한 균열매질(fracture networks)에 잘 생성된다. 복잡한 층위(stratigraphy) 및 해저의 불균일성의 부족은 일차원 모델링의 능력을 제한시키며, 고밀도 점토층 사이의 투과 가능한 구역에 있을 하이드레이트 저장고를 찾는 것을 어렵게 하고 있다.

해양의 층위는 매우 복잡하여 모델로 묘사할 수는 없다. 그러나 연구팀은 층위적으로 복잡한 구역에서의 국지적인 유체 흐름을 계산할 수 있는 기법을 개발함으로써, 하이드레이트 포화도(hydrate saturation)와 연관시킬 수 있도록 하였다. 이 모델은 균열 매질과 모래층이 하이드레이트 저장에 유리한 조건이며, 탐사에 있어서 우선적으로 검토해 보아야 할 지역이다. 오직 작은 공간들이 하이드레이트로 높게 포화되어 있어야 시추하여 추출할 만큼의 경제성을 가질 수 있다.

라이스대학 연구팀은 이 모델을 이용해 하이드레이트가 풍부한 지역을 탐지하고, 지리학적 상황과 역사를 기반으로 포화정도를 예측하는데 사용되길 희망하고 있다. 연구팀은 스코틀랜드에서 개최된 제7차 International Conference on Gas Hydrates에서 본 연구결과를 발표하였으며, 정유기술자협회(Society of Petroleum Engineers)의 1등상을 수상하였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr