Shale gas The promise and the Peril Ch.7

Chapter 7. Zero Fresh Water Usage

 

수압파쇄시 일반적으로 사용되어 온 fresh water는 그 공급측면에서 문제가 있고 가뭄, 환경적 규제 또는 주변 주민들의 민원에 의해 사용에 제한이 생길 수도 있다. 이런 점들을 극복하기 위해 셰일가스 개발 회사들은 그 대안책을 마련하였는데 가장 실효성 높은 방법이 바로 fresh water 대신 saline water를 사용하는 방법이다.

 

셰일가스 유정은 한 유정당 fresh water 600백만 gallon이상을 소비하며 1/3가량만 flowback되어 재주입을 위한 공정을 거친 뒤 다시 사용되게 된다.

 

일반적으로 shale gas를 위한 임대계약에(lease) 수압파쇄를 위한 용수 공급 권리까지 포함되어 있지는 않으며 이 용수를 공급하기 위해 먼 거리에서 수송해오거나 주변의 땅 소유주들의 권리를 사서 지하수를 뚫어서 사용해야 한다. (텍사스 주는 lease시 water usage right까지 준다고 함)

 

텍사스주에서 새로 시추되는 시추공의 약 80%가 oil and gs 작업의 support를 위해서 사용되고 있다고 하며 2010년 기준 2005년 대비 새로 시추되는 유정의 개수가 약 5배 이상 상승하였으며 이는 앞으로도 지속적으로 상승할 것이라고 예상된다.

 

일반적으로 지면의 깊이가 깊어질수록 (보통 500ft 이상에서) fresh water가 아닌 saline water가 얻어지며 심도가 깊어질수록 그 농도는 더 높아진다.

많은 Shale gas, tight gas가 부존하는 서부 텍사스주, 애리조나주, 콜로라도즈, 와이오밍 주는 용수의 부족으로 인해 탄화수소자원의 개발이 쉽지 않은 실정이다.

 

Salt Tolerance of Fracturing Fluids

 

자원개발 기업들은 수년간에 걸쳐 freshwater 대신 사용될 수 있는 대체용수의 기준에 대해서 연구해 왔다. fresh water 없이 가장 확실한 방법은 drawback 되어 나오는 용수의 재활용이지만 일부 지역에서는 지질적인 문제로 인해서 deep disposal well이 현실 가능하지 않다.

 

또한 오직 fresh water만을 사용할 경우 염수를 fresh water로 바꾸어 사용하는 공정에 드는 비용이 엄두도 못 낼 정도로 높은 가격일 것이다(prohibitive prices). 회수되는 용수는 200,000ppm를 초과하는 염수이며 일반적인 탈염수화 공정이 처리 가능한 35,000ppm의 수준을 심각하게 초과한다. reverse osmosis의 경우 80,000 ppm 이상의 물은 처리가 불가능하며 아무리 디자인을 잘 한다 하여도 잠재적인 heat of evaporation 문제를 극복해야하는 추가적인 문제가 따른다.

 

초기 Fracturing 디자인은 fresh water만을 사용하였는데 초기에는 fresh water의 공급이 쉬웠고 또 fresh water를 사용하는 것이 공정 효율상 더 좋았기 때문이다.

 

최근 사용되는 fracturing fluid의 salinity tolerance는 40,000 ppm 수준이며 기타 사용되는 chemical에 따라 그 수치가 조금씩 달라진다.

 

Slick water : 99%의 물 기타 소량의 화학성분을 이용한 일반적인 fracturing fluid

1) Water with very few chemical and no sugars,)

2) Frictional losses가 크므로 fraction reducer의 첨가가 필요하다.

Cross linker : sugar등을 이용해 viscous한 성분을 만듬. 이는 Fracturing geometry등을 고려하여 선정.

사용되는 첨가물중 칼륨과 염화나트륨은 다루기 쉬운 반면 마그네슘 칼슘 바륨은 사용이 꺼려지는 첨가제로 그 이유는 flow system에서 adherent scale을 생성하여 유체의 유동을 막을 가능성이 있기 때문이다.

 

스케일은 방사능 물질을 함유하는 성질을 갖는데, 셰일가스 시추지역에서 returning fluid에는 radioactive radium, thorium, potassium이 매우 소량으로 존재한다. 매우 소량이라 할지라도 scale에 이 방사능 물질이 집중될 경우 scale cleanup 과정 중에 health hazard를 유발할 수도 있다.

 

가장 간단한 해결방법으로는 이 물질들을(divalent ion) 모두 제거하는 것인데 이 과정은 매우 일반적이고 필수적으로 적용되는 공정이며 “water softening”공정이라 한다. 개인이 사용하는 water well이나 수돗물의 경우 물이 위와 같은 성질을 띤 “hard”하다고 판단될 때 위 와 같은 공정이 반듯이 적용되어야 한다.

또한 일반적으로 위와 같은 공정이 수돗물 사용 전에 적용되는데 그 이유로는 divalent ion들이 detergent action을 방해하는 경향을 갖기 때문이다. (비눗물이 잘 녹지 않는다는말). 문제는 이러한 공정에 소모되는 추가적인 비용이다.

 

Source of Non-Fresh water

 

일반적으로 fresh water의 대체제로는 산업용수 및 Mining, Cooling tower, 또는 폐수가 있으며 수압파쇄 공정을 위해서는 반드시 해당 샘플에 대한 evaluation과 treating이 시행되어야 한다. 그러나 이보다 더 효율적인 방법으로는 saline aquifer를 이용하는 방법으로 500ft 이상의 지층에서 매우 쉽게 어디서나 구할 수 있는 자원이다 (ubiquitous).

 

염수를 사용하기 위해서는 해당 지역과 인근 freshwater deposit과의 hydrology에 대한 이해가 필요하며 일반적으로 이 사이에는 communication과 withdrawl시 다른 aquifer에 영향을 줄 가능성이 크다. 수압파쇄를 실시하는 대부분의 지역에서 염수를 얻을 수 있는 formation이 존재하며 해당 saline aquifer는 긴 시간동안 일정한 품질의 염수공급이 가능하게 만들어준다. 또한 이러한 일정한 성질을 이용하여 탈염수화작용을 위한 공정에 대해서 standardization 할 수 있는 이점을 가진다.

 

염수를 이용하기에 앞서 해당 saline aquifer에 대한 품질 특성 파악이 필요하며 박테리아와 divalent ion의 농도에 대한 파악이 필요하다, 박테리아는 일반적으로 공극을 막는 현상(chemical plug)을 유발하고 결과적으로 생산성을 저하기 시키기 때문에 일반적으로 사용 전 제거하는 공정을 거치게 되어 있다. 일부 박테리아는 hydrogen sulfide의 생성을 유발할 가능성도 있다.

 

 

How Fresh Does Water have to be? 물의 Freshness는 일반적으로 물의 염분농도에 의해서 정의 된다. TDS (total dissolved solid) 측정에 의해서 이루어진다. TDS의 측정대상 물질로는 Chlorides of sodium, potassium, magnesium, calcium등이 있으며 음용수의 기준으로는 500parts per million, 백만분율 (ppm)이하를 충족시켜야 한다. 일반적인 해수의 농도는 35,000ppm이며 10,00ppm을 1percent로 본다.(as a frame of reference). 농업용수는 보통 1,000ppm 이하의 물을 사용한다. (date palm, 대추야자같은 종류는 20,000ppm에서 까지 재배 가능하다. 양의 경우 6,000ppm까지 정상적인 사육이 가능.   Salinity tolerances of livestock and poultry (in parts per million of total soluble salts)   Animal Maximum tolerance for healthy growth sheep 6,000 beef cattle 4,000 Dairy cattle 3,000 horses 4,000 Poultry 2,000   Desalination 과정을 위해 가장 중요시 되어야 할 점으로는 해당 용수의 사용용도에 따른 기준에 맞게 탈염수화를 시키고 거기에 맞춰서 디자인을 하는 것이다.

 

Horn River Experience

겨울에는 fresh water를 구하기가 더 어려워지며 수압파쇄를 위한 용수를 공급하기 위해 더 많은 이동거리를 가야하고 용수 공급원의 결빙으로 인한 문제를 극복할 수 있는 방안이 강구되어야 한다.

35,000ppm 정도의 saline water를 구해서 사용한 결과 fresh water를 사용한 것보다 비용 측면에서 50%에 이르는 절감효과를 가져왔다. (King, 2011)

이러한 실례를 살펴볼 때 염수를 사용하는 것이 앞으로 수압파쇄 작업에 새로운 standard가 될 것으로 예측된다.