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문제 정의
- 이 연구에서는 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정 기법 및 코어분석 자료를 포함하는 UBGH1-04, UBGH1-09, UBGH1-10 시추공의 물성 추정 결과 [6]를 바탕으로 사용자 친화적 소프트웨어인 「KMU GH Logs 2010」을 개발하고, 코어 미회수 시추공인 UBGH1-01 및 UBGH1-14의 공극률, 가스하이드레이트포화율, 퇴적상을 추정하고자 하였다.
제안 방법
- 11과 같은 화면을 통해 각 시추공에 따라 선택적으로 저장할 수 있으며, ASCII 파일 또는 Excel 형식으로 저장할 수 있다. ASCII 형식의 경우 결과 그래프를 이미지 파일로 함께 저장하도록 하였으며, Excel 형식의 경우에는 사용자가 지정한 엑셀 시트에 대해 이미지 파일을 함께 저장할 수 있도록 구현함으로써 사용자의 편의를 극대화하고자 하였다. Excel 형식으로 저장한 결과의 예는 Fig.
- 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정 기법을 바탕으로 검층 및 코어분석 자료의 특성 파악, 가스하이드레이트 퇴적층의 공극률, 가스하이드레이트포화율, 퇴적상 추정을 위한 사용자 친화적 소프트웨어 「KMU GH Logs 2010」을 개발하였다. 이 소프트웨어는 Mathworks사의 MATLABⓇ을 기반으로 제작하였으며, 개발된 소프트웨어와 함께 배포할 수 있는 런타임(run time) 엔진을 설치함으로써 MATLABⓇ이 설치되어 있지 않는 PC에서도 실행이 가능하다.
- 가스하이드레이트 함유 지층의 물성을 추정하기 위해 검층 자료 및 코어분석 자료의 특성에 따라 UBGH1-04 시추공과 UBGH1-09 시추공은 3개의 부분으로 나누었으며 UBGH1-10은 2개의 부분으로 나누어 분석을 수행하였다. 또한 코어분석 자료가 없는 UBGH1-01 및 UBGH1-14 시추공은 물리검층 자료의 특성에 따라 각각 1개 및 2개의 부분으로 나누었으며, 이를 Table 1에 나타내었다.
- 한국지질자원연구원에 의해 시추시료에 대한 퇴적상 분석이 수행되었으며, 시추시료의 입도분포와 절개면 영상 및 X선 영상에서 관찰되는 퇴적구조 등을 기준으로 11개의 퇴적상을 구분하였다 [8]. 가스하이드레이트 해리의 징후가 발견되는 MSS(Massive Silty Sand) 퇴적상과 DITM(Disintegrated Mud) 퇴적상을 가스하이드레이트 함유 구간으로 가정하고, 이를 추정하기 위해 11개의 퇴적상을 상이한 특성을 나타내는 Mud, MSS 퇴적상, DITM 퇴적상으로 축소하였다. Mud는 MSS 퇴적상과 DITM 퇴적상을 제외한 나머지 퇴적상을 의미한다.
- 공극률은 밀도 검층을 통해 추정한 값을 적용하였으며, 지층의 전기비저항은 전기비저항 검층 자료를 사용하였다. Table 3의 값을 Lee와 Collett의 식 [10]에 적용하여 수포화율을 계산하였으며, 이를 통해 가스하이드레이트포화율을 추정하였다.
- 코어의 공극률(Φ)은 채취 코어로부터 측정한 체적 밀도(bulk density)와 동결건조 후의 입자밀도(matrix density)를 이용하였으며, 가스하이드레이트포화율은 공극수 분석과 압력코어 분석을 통해 얻었다. 공극수 분석에 의한 가스하이드레이트포화율은 시추퇴적물 회수 시 가스하이드레이트로부터 해리된 순수한 물에 의해 공극수의 염분도가 낮아지는 정도를 통해 역산하였다 [8].
- 시추공 자료 도시 부분을 이용하여 검층 자료 간의 비교가 가능하며, 사용자의 필요에 따라 그래프를 로그 스케일로 변환할 수 있다. 구획 설정 부분을 통해 사용자의 의도에 따라 시추공 자료를 분할하여 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정을 위한 분석 자료로 활용할 수 있도록 하였다.
- 그 밖에 “IODP Expedition 311”을 통해 캐나다 Cascadia 지역의 5개의 시추공으로부터 LWD (Logging While Drilling) 자료, 코어 자료 등을 취득하였으며, 공극수의 염소이온농도를 이용하여 계산한 가스하이드레이트포화율과 검층 자료간의 상관성을 분석하였다.
- 「KMU GH Logs 2010」은 Excel 또는 ASCII 파일 형식으로 구성된 자료의 입력이 가능하며, 다중 시추공 자료를 분석할 수 있도록 제작하였다. 기술통계분석 및 그래프 도시를 위한 화면과 가스하이드레이트 퇴적층의 물성 추정을 위한 분석 화면을 [Data Analysis] 패널과 [GH Property Estimation] 패널로 구분함으로써 간단한 마우스 조작만으로 각 입력 자료의 특성을 파악하고 분석에 활용할 수 있도록 설계하였다. Fig.
- 동해 울릉분지의 1차 시추공 중 코어 회수 시추공의 공극률, 가스하이드레이트포화율, 퇴적상 추정 결과 및 기법을 바탕으로 「KMU GH Logs 2010」을 제작하였으며, 이를 통해 코어 미회수 시추공의 물리검층 자료를 이용하여 가스하이드레이트 함유 지층의 물성을 추정하였다.
- 물성 추정 부분은 분석하고자 하는 시추공 및 구획을 선택하고 필요한 물성을 입력함으로써 간단하게 분석을 수행할 수 있도록 제작하였다. 공극률 추정 및음파 검층을 이용한 가스하이드레이트포화율 추정에 필요한 입자밀도는 특정 시추공의 코어분석 자료가 있는 경우 이를 평균하여 사용하거나 분석자가 직접 입력할 수 있도록 하였다.
- 밀도 검층으로부터 공극률을 계산하였다. 코어 취득 시추공의 경우 각 시추공 Unit의 범위 내에서 코어 분석을 통해 얻어진 입자밀도(ρma), 공극수밀도(ρfl), 체적밀도(ρb)를 평균하여 사용하였다.
- 사용자 친화적 소프트웨어 「KMU GH Logs 2010」 은 자료의 입력 및 특성 분석을 위한 [Data Analysis]패널과 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정을 위한[GH Property Estimation] 패널로 구분하여 간단한 마우스 조작 및 물성 입력을 통해 공극률, 가스하이드레이트포화율, 퇴적상을 추정할 수 있도록 제작하였다. 「KMU GH Logs 2010」은 ASCII 및 Excel 형태로 구성된 다중 시추공 자료를 입력할 수 있으며, 분석 결과를 시각적으로 출력하도록 제작하였다.
- 울릉분지 가스하이드레이트 부존 유망 지역에서 2007년 시추가 이루어진 곳은 총 다섯 개로 UBGH1-01, UBGH1-04, UBGH1-09, UBGH1-10, UBGH1-14이며, 각각에 대해 LWD를 수행하였고, 이 중 UBGH1-04, UBGH1-09, UBGH1-10 시추공으로부터 코어를 취득하여 선상분석과 육상분석을 수행하였다. 각 시추공의 위치와 조사항목은 Fig.
- 코어를 취득한 직후, 비압력 코어와 압력 코어에 대한 선상분석을 수행하였으며 세부항목으로는 공극수 분석, MSCL-P (Multi Sensor Core Logger Pressure) 분석, MSCL-S (Standard Multi Sensor Core Logger) 분석이 등이 있다. 육상분석으로 비압력 코어에서 공극률, 전기비저항, 전단응력, 대자율, P파 속도 등의 물성 측정과 퇴적상 분석, 가스 성분 분석을 수행하였으며 압력 코어에 대하여 IPTC(Instrumented Pressure Test Chamber)와 감압 실험을 수행하였다 [8].
- 음파 검층으로부터 가스하이드레이트포화율을 계산하기 위해 각 시추공의 Unit에 따라 매질의 속도(Vma)를 설정하였고, 공극수의 P파 속도(Vw) 및 가스하이드레이트의 P파 속도(Vh)는 각각 1,500 m/s 및 3,350 m/s로 설정하였다. 가스하이드레이트의 밀도(ρh)는 0.
- 공극률 추정 및음파 검층을 이용한 가스하이드레이트포화율 추정에 필요한 입자밀도는 특정 시추공의 코어분석 자료가 있는 경우 이를 평균하여 사용하거나 분석자가 직접 입력할 수 있도록 하였다. 음파 검층을 이용한 가스하이드레이트포화율 추정 기법 중 Lee 등의 식 [13]을 적용하기 위해 필요한 가중치 및 전기비저항 검층을 이용한 가스하이드레이트포화율 추정에 필요한 Archie 상수, 고결지수, 포화율 지수, 공극수의 전기비저항을 시각적으로 결정할 수 있도록 하였다. 퇴적상 추정 부분은 학습 자료 선정 과정과 추정 자료 선정 과정으로 나누어지며, 코어 퇴적상 분석 자료를 학습 자료의 목표값으로 선정하고 해당 시추공의 검층 자료로 학습 자료를 구성한다.
- 자료 입력 부분은 자료를 불러오고 입력된 자료의 목록 및 세부목록을 나타내는 부분으로서 자료 입력 시에 기준 심도 및 Null 자료의 값을 사전에 설정하여 그래프의 도시 및 자료 분석에 이를 적용하도록 하였으며, 여러 시추공의 자료를 동시에 입력하여 분석을 수행할 수 있도록 하였다. 기술통계분석 출력 부분은 시추공 자료에 대한 기술통계분석을 수행할 수 있는 부분으로 각 시추공의 검층 및 코어분석 자료의 히스토그램, 상자-수염 그림, 평균, 표준편차, 사분위값, 첨도, 왜도 등을 출력하여 자료의 특성을 파악할 수 있다.
- 전기비저항 검층으로부터 가스하이드레이트의 포화율을 추정하기 위해 점토 입자의 유효 전기전도도를 계산하였다 [10]. Pickett 대비도표 [14] 및 Hingle 대비도표 [15]를 이용하여 셰일성 사암의 Archie 상수(a*), 고결지수(m*), 공극수의 전기비저항(Rw)을 계산하였으며 이를 Table 3에 정리하였다.
- 코어 취득 시추공의 경우 각 시추공 Unit의 범위 내에서 코어 분석을 통해 얻어진 입자밀도(ρma), 공극수밀도(ρfl), 체적밀도(ρb)를 평균하여 사용하였다. 코어 미취득 시추공의 경우 UBGH1-01 시추공은 UBGH1-04 시추공의 코어 입자밀도를 평균하여 사용하였으며, UBGH1-14 시추공의 Unit 1과 Unit 2은 각각 UBGH1-04 시추공의 Unit 1 및 Unit 2의 코어 입자밀도 평균값을 사용하였다(Table 2). 각 시추공에 대한 공극률 추정 결과를 Fig.
- 코어 분석으로부터 얻어진 퇴적상을 바탕으로 코어 미회수 구간에 대해 가스하이드레이트의 포화율과 관계가 있는 밀도 검층, 전기비저항 검층, 음파 검층 자료를 선형 판별 분석 기법에 적용하여 퇴적상을 추정하였다.
- 코어 취득 시추공의 경우 각 시추공 Unit의 범위 내에서 코어 분석을 통해 얻어진 입자밀도(ρma), 공극수밀도(ρfl), 체적밀도(ρb)를 평균하여 사용하였다.
- 코어의 공극률(Φ)은 채취 코어로부터 측정한 체적 밀도(bulk density)와 동결건조 후의 입자밀도(matrix density)를 이용하였으며, 가스하이드레이트포화율은 공극수 분석과 압력코어 분석을 통해 얻었다.
대상 데이터
- 국내에서는 1995년부터 가스하이드레이트에 대한 기초 연구를 시작하여 국내에 분포하는 가스하이드레이트 부존가능 지층의 지질 특성 및 부존구조에 관한 연구와 동해 울릉분지에서의 가스하이드레이트 부존 확인 및 물성 분석에 대한 연구를 수행하였으며, 가스하이드레이트 생산을 위한 기초연구가 수행되었다. 2007년에는 동해 울릉분지의 가스하이드레이트 부존 유망 5개 지점을 선정하고 1차 시추를 수행하여 가스하이드레이트 실물을 채취하였으며 [5], 코어분석 자료를 포함하는 시추공에 대한 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정 연구를 수행하였다 [6]. 2010년 7월에 매장량 평가 및 시험생산위치 도출을 위한 2차 시추를 통한 울릉분지 11개 지역에 대해 LWD 13공, 코어링 18공, Wireline 검층 2공이 수행되었으며 [7], 이에 대한 분석이 진행 중이다.
- 「KMU GH Logs 2010」은 ASCII 및 Excel 형태로 구성된 다중 시추공 자료를 입력할 수 있으며, 분석 결과를 시각적으로 출력하도록 제작하였다. 코어 미회수 시추공에서의 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정을 위해 필요한 기초 물성자료로서 UBGH1-01및 UBGH1-14 시추공의 물리검층 자료 및 기술통계 분석 특성이 유사한 UBGH1-04 시추공의 코어분석 자료를 이용하였다. UBGH1-01 및 UBGH1-14 시추공의 가스하이드레이트포화율의 경우 UBGH1-09 및 UBGH1-10 시추공에 비해 매우 낮게 나타났으며, 퇴적상 추정의 경우에도 MSS 퇴적상 및 DITM 퇴적상이 적게 나타남을 확인하였다.
- 코어 취득 시추공의 경우 코어의 퇴적상 분석 자료와 검층 자료를 학습 자료로 사용하였고, 학습 자료를 제외한 검층 자료를 추정 자료로 사용하였다. 코어 미취득 시추공은 가스하이드레이트포화율의 범위가 유사한 UBGH1-04 시추공의 코어 퇴적상 분석 자료를 학습 자료로 활용하여 퇴적상을 추정하였으며, UBGH1-09 및 UBGH1-10 시추공과 비교하여 MSS 퇴적상과 DITM 퇴적상이 매우 적게 나타남을 확인하였다.
- 또한 코어분석 자료가 없는 UBGH1-01 및 UBGH1-14 시추공은 물리검층 자료의 특성에 따라 각각 1개 및 2개의 부분으로 나누었으며, 이를 Table 1에 나타내었다. 코어 회수 시추공의 히스토그램 및 통계량 등의 기술통계분석 결과를 바탕으로 코어 미회수 시추공의 물성 해석을 위한 기초 물성자료로서 UBGH1-04 시추공의 코어분석 자료를 활용하였다.
이론/모형
- 전기비저항 검층으로부터 가스하이드레이트의 포화율을 추정하기 위해 점토 입자의 유효 전기전도도를 계산하였다 [10]. Pickett 대비도표 [14] 및 Hingle 대비도표 [15]를 이용하여 셰일성 사암의 Archie 상수(a*), 고결지수(m*), 공극수의 전기비저항(Rw)을 계산하였으며 이를 Table 3에 정리하였다. 사암의 Archie 상수(a) 및 고결지수(m)는 각각 1과 2로 설정하였으며, 포화율 지수(n)는 2로 설정하였다.
- 공극률은 밀도 검층을 통해 추정한 값을 적용하였으며, 지층의 전기비저항은 전기비저항 검층 자료를 사용하였다. Table 3의 값을 Lee와 Collett의 식 [10]에 적용하여 수포화율을 계산하였으며, 이를 통해 가스하이드레이트포화율을 추정하였다. 추정 결과를 공극수 분석에 의한 가스하이드레이트포화율 자료 및 압력코어 분석에 의한 가스하이드레이트포화율 자료와 함께 Fig.
- UBGH1-04 시추공에서는 8개의 비압력 코어와 3개의 압력 코어를 취득하였고, UBGH1-09 시추공에서는 14개의 비압력 코어와 6개의 압력 코어, UBGH1-10 시추공에서는 13개의 비압력 코어와 7개의 압력 코어를 각각 취득하였다. 코어를 취득한 직후, 비압력 코어와 압력 코어에 대한 선상분석을 수행하였으며 세부항목으로는 공극수 분석, MSCL-P (Multi Sensor Core Logger Pressure) 분석, MSCL-S (Standard Multi Sensor Core Logger) 분석이 등이 있다. 육상분석으로 비압력 코어에서 공극률, 전기비저항, 전단응력, 대자율, P파 속도 등의 물성 측정과 퇴적상 분석, 가스 성분 분석을 수행하였으며 압력 코어에 대하여 IPTC(Instrumented Pressure Test Chamber)와 감압 실험을 수행하였다 [8].
성능/효과
- 코어 미회수 시추공에서의 가스하이드레이트 퇴적층 물성 추정을 위해 필요한 기초 물성자료로서 UBGH1-01및 UBGH1-14 시추공의 물리검층 자료 및 기술통계 분석 특성이 유사한 UBGH1-04 시추공의 코어분석 자료를 이용하였다. UBGH1-01 및 UBGH1-14 시추공의 가스하이드레이트포화율의 경우 UBGH1-09 및 UBGH1-10 시추공에 비해 매우 낮게 나타났으며, 퇴적상 추정의 경우에도 MSS 퇴적상 및 DITM 퇴적상이 적게 나타남을 확인하였다.
- 코어 취득 시추공의 경우 코어의 퇴적상 분석 자료와 검층 자료를 학습 자료로 사용하였고, 학습 자료를 제외한 검층 자료를 추정 자료로 사용하였다. 코어 미취득 시추공은 가스하이드레이트포화율의 범위가 유사한 UBGH1-04 시추공의 코어 퇴적상 분석 자료를 학습 자료로 활용하여 퇴적상을 추정하였으며, UBGH1-09 및 UBGH1-10 시추공과 비교하여 MSS 퇴적상과 DITM 퇴적상이 매우 적게 나타남을 확인하였다. 각 시추공의 퇴적상의 추정 결과를 Fig.
- 공극수 분석에 의해 역산한 가스하이드레이트포화율의 경우 자료의 수는 많지만 다소 신뢰성이 떨어지며, 압력코어 분석에 의한 가스하이드레이트포화율의 경우 정확한 값을 나타내지만 자료의 수가 매우 적다. 코어 회수 시추공의 경우 공극수 분석 및 압력코어 분석에 의한 가스하이드레이트의 포화율과 비교하였을 때 공극수 분석에 의해 역산한 가스하이드레이트포화율과는 일부 구간에서 불일치하고 있으나, 비교적 정확한 값을 나타내는 코어의 가스하이드레이트포화율과는 유사한 경향을 나타내고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이 연구를 통해 개발한 사용자 친화적 소프트웨어 및 울릉분지 1차 시추지역에 대한 물성 추정 결과는 가스하이드레이트 부존 가능성이 높은 구간에 대한 정량적인 정보를 제공하고, 울릉분지의 가스하이드레이트 부존 유망 지층에 대한 신뢰성 있는 물성 분포를 추정하는 데에 활용할 수 있을 것이다. 또한 2010년에 수행한 울릉분지 2차 시추지역의 시추공 자료를 이용하여 물성 추정 범위를 확대하고 이를 가스하이드레이트 퇴적층 모델 구성의 입력 자료로 이용함으로써 가스하이드레이트 시험 생산 지역 선정 시 기초 자료로 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
- 이 연구를 통해 개발한 사용자 친화적 소프트웨어 및 울릉분지 1차 시추지역에 대한 물성 추정 결과는 가스하이드레이트 부존 가능성이 높은 구간에 대한 정량적인 정보를 제공하고, 울릉분지의 가스하이드레이트 부존 유망 지층에 대한 신뢰성 있는 물성 분포를 추정하는 데에 활용할 수 있을 것이다. 또한 2010년에 수행한 울릉분지 2차 시추지역의 시추공 자료를 이용하여 물성 추정 범위를 확대하고 이를 가스하이드레이트 퇴적층 모델 구성의 입력 자료로 이용함으로써 가스하이드레이트 시험 생산 지역 선정 시 기초 자료로 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
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