캐나다 아퀴스토어 CCS 프로젝트의 이산화탄소 모니터링을 위한 Baseline 탄성파 속성분석 Baseline Survey Seismic Attribute Analysis for CO2 Monitoring on the Aquistore CCS Project, Canada원문보기
주입된 $CO_2$가 환경에 영향을 미치지 않고 지하에서 안정적으로 저장되어 있는지를 총체적으로 모니터링 하는 주입 및 주입 후 관리 (Monitoring, Mitigation and Verification, MMV) 기술은 이산화탄소 지중저장 분야에서 경제적 및 환경적으로 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 해외 대규모 지중저장 프로젝트 사례를 보았을 때 주입한 $CO_2$의 거동을 가장 효율적으로 모니터링할 수 있는 방법 중의 하나로 탄성파를 이용한 시간 경과 (Time-lapse) 모니터링 기술이 그 핵심으로 떠오르고 있다. 이 연구에서는 캐나다 Estevan에 위치한 Aquistore 이산화탄소 주입 현장의 3차원베이스라인 (baseline) 탄성파 자료를 수집하고 분석하여 국내 지중저장 탄성파 모니터링 실증화를 위한 기초 연구를 수행하였다. 이산화탄소 주요 저장 대상층은 탄성파 도달 시간 1,800 ~ 1,900 ms 깊이의 Winnipeg 와 Deadwood 사암층이다. Aquistore 탄성파 자료에 대한 에너지, 유사도(similarity)를 도출하고 주파수를 분해하여 $CO_2$ 주입 대상층의 특성을 규명하였다. 그 결과 등시선도 1,800 ms의 연구지역 북측, 1,850 ms의 남측에 탄성파 에너지가 큰 영역이 집중적으로 분포함을 확인할 수 있었고, 탄성파 에너지 속성을 도시하여 반사계수가 큰 사질 퇴적양상이 우세한 영역을 구분할 수 있었다. 또한 탄성파 기록의 유사도를 도출하여 두 개의 주요한 구조선이 북서-남동 방향으로 지중저장 대상층을 절단함을 확인하였다. 탄성파자료의 주파수를 성분별로 분해하고 5, 20 및 40 Hz 성분을 분석한 결과 연구지역의 중앙에서 동서 방향으로 발달하는 균질한 퇴적 양상이 구체화되었다. 베이스라인 자료의 경우 추가적으로 인위적인 잡음을 제거하고 층서 해석 결과를 통합하여 이산화탄소 지중저장 영역을 묘사한다면 시간경과 모니터링 자료와의 효율적인 대비가 가능할 것이다.
주입된 $CO_2$가 환경에 영향을 미치지 않고 지하에서 안정적으로 저장되어 있는지를 총체적으로 모니터링 하는 주입 및 주입 후 관리 (Monitoring, Mitigation and Verification, MMV) 기술은 이산화탄소 지중저장 분야에서 경제적 및 환경적으로 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 해외 대규모 지중저장 프로젝트 사례를 보았을 때 주입한 $CO_2$의 거동을 가장 효율적으로 모니터링할 수 있는 방법 중의 하나로 탄성파를 이용한 시간 경과 (Time-lapse) 모니터링 기술이 그 핵심으로 떠오르고 있다. 이 연구에서는 캐나다 Estevan에 위치한 Aquistore 이산화탄소 주입 현장의 3차원 베이스라인 (baseline) 탄성파 자료를 수집하고 분석하여 국내 지중저장 탄성파 모니터링 실증화를 위한 기초 연구를 수행하였다. 이산화탄소 주요 저장 대상층은 탄성파 도달 시간 1,800 ~ 1,900 ms 깊이의 Winnipeg 와 Deadwood 사암층이다. Aquistore 탄성파 자료에 대한 에너지, 유사도(similarity)를 도출하고 주파수를 분해하여 $CO_2$ 주입 대상층의 특성을 규명하였다. 그 결과 등시선도 1,800 ms의 연구지역 북측, 1,850 ms의 남측에 탄성파 에너지가 큰 영역이 집중적으로 분포함을 확인할 수 있었고, 탄성파 에너지 속성을 도시하여 반사계수가 큰 사질 퇴적양상이 우세한 영역을 구분할 수 있었다. 또한 탄성파 기록의 유사도를 도출하여 두 개의 주요한 구조선이 북서-남동 방향으로 지중저장 대상층을 절단함을 확인하였다. 탄성파자료의 주파수를 성분별로 분해하고 5, 20 및 40 Hz 성분을 분석한 결과 연구지역의 중앙에서 동서 방향으로 발달하는 균질한 퇴적 양상이 구체화되었다. 베이스라인 자료의 경우 추가적으로 인위적인 잡음을 제거하고 층서 해석 결과를 통합하여 이산화탄소 지중저장 영역을 묘사한다면 시간경과 모니터링 자료와의 효율적인 대비가 가능할 것이다.
$CO_2$ Monitoring, Mitigation and Verification (MMV) is the essential part in the Carbon Capture and Storage (CCS) project in order to assure the storage permanence economically and environmentally. In large-scale CCS projects in the world, the seismic time-lapse survey is a key technolog...
$CO_2$ Monitoring, Mitigation and Verification (MMV) is the essential part in the Carbon Capture and Storage (CCS) project in order to assure the storage permanence economically and environmentally. In large-scale CCS projects in the world, the seismic time-lapse survey is a key technology for monitoring the behavior of injected $CO_2$. In this study, we developed a basic process procedure for 3-D seismic baseline data from the Aquistore project, Estevan, Canada. Major target formations of Aquistore CCS project are the Winnipeg and the Deadwood sandstone formations located between 1,800 and 1,900 ms in traveltime. The analysis of trace energy and similarity attributes of seismic data followed by spectral decomposition are carried out for the characterization of $CO_2$ injection zone. High trace energies are concentrated in the northern part of the survey area at 1,800 ms and in the southern part at 1,850 ms in traveltime. The sandstone dominant regions are well recognized with high reflectivity by the trace energy analysis. Similarity attributes show two structural discontinuities trending the NW-SE direction at the target depth. Spectral decomposition of 5, 20 and 40 Hz frequency contents discriminated the successive E-W depositional events at the center of the research area. Additional noise rejection and stratigraphic interpretation on the baseline data followed by applying appropriate imaging technique will be helpful to investigate the differences between baseline data and multi-vintage monitor data.
$CO_2$ Monitoring, Mitigation and Verification (MMV) is the essential part in the Carbon Capture and Storage (CCS) project in order to assure the storage permanence economically and environmentally. In large-scale CCS projects in the world, the seismic time-lapse survey is a key technology for monitoring the behavior of injected $CO_2$. In this study, we developed a basic process procedure for 3-D seismic baseline data from the Aquistore project, Estevan, Canada. Major target formations of Aquistore CCS project are the Winnipeg and the Deadwood sandstone formations located between 1,800 and 1,900 ms in traveltime. The analysis of trace energy and similarity attributes of seismic data followed by spectral decomposition are carried out for the characterization of $CO_2$ injection zone. High trace energies are concentrated in the northern part of the survey area at 1,800 ms and in the southern part at 1,850 ms in traveltime. The sandstone dominant regions are well recognized with high reflectivity by the trace energy analysis. Similarity attributes show two structural discontinuities trending the NW-SE direction at the target depth. Spectral decomposition of 5, 20 and 40 Hz frequency contents discriminated the successive E-W depositional events at the center of the research area. Additional noise rejection and stratigraphic interpretation on the baseline data followed by applying appropriate imaging technique will be helpful to investigate the differences between baseline data and multi-vintage monitor data.
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문제 정의
국내 역시 이산화탄소 지중저장 실증화를 위하여 일련의 연구가 진행 중이며 동시에 국제 공동연구가 병행되고 있다. 본 연구는 Aquistore CCS 프로젝트에서 취득한 현장 탄성파 탐사 자료를 확보하여 이를 직접 분석함으로써, 국내 이산화탄소 지중저장의 실증화에 대비한 탄성파 모니터링 기술을 향상시키기 위한 토대를 마련하고자 수행되었다.
캐나다 Aquistore 이산화탄소 지중저장 현장 탄성파 탐사 자료의 중합 단면과 탄성파 에너지, 유사도 및 주파수 성분을 분석하여 퇴적 매질 특성과 구조적 변화 양상에 대해 고찰하였다. 이산화탄소 지중저장을 목표하는 지층은 Winnipeg와 Deadwood 층으로 탄성파 도달 시각 1,800 ms와 1,900 ms 사이에 위치한다.
가설 설정
Spectral decomposition results superimposed on the seismic data. (a) The seismic time slice only at 1,884 ms, (b) decomposed 5 Hz frequency slice is superimposed on the seismic time slice, (c) decomposed 5 Hz and 20 Hz frequency slices are superimposed on the seismic time slice and (d) decomposed 5 Hz, 20 Hz and 40 Hz frequency slices are superimposed on the seismic time slice.
제안 방법
유사도 속성은 인접 탄성파 기록과의 비교를 통해 도출되는데 이를 출력하면 단층이나 불연속면과 같은 공간적인 단절현상을 쉽게 인지할 수 있다. Aquistore 탄성파 자료로부터 지중저장 공간의 연장성을 검토하기 위하여 탄성파 수평단면의 유사도를 계산하고 도시하였다(Fig. 6). Winnipeg 층의 상부 심도인 1,800 ms의 유사도 단면에서 전산 처리 잡음으로 판단되는 검은색 반점 형태의 낮은 값이 존재하지만 전체적으로 유사도가 크고 연결성이 양호하다 (Fig.
세 가지의 주파수 성분을 도시한 결과 Deadwood 층은 북쪽에서 두껍고 탐사지역 중앙에서 얇게 퇴적된 것으로 판단된다. 두께가 다른 층의 공간적인 분포를 확인하기 위하여 각 주파수별 성분들을 함께 도시하였다(Fig. 7d). 적색-녹색, 녹색-청색 및 청색-적색의 중간성분은 각각 노란색, 밝은 파랑, 분홍색으로 나타났다.
탄성파 단면에서 해석한 반사면에 대하여 spectral decomposition 분석을 수행할 경우 보다 입체적인 지형변화가 나타날 가능성이 있다. 본 연구에서는 중합 후 탄성파 자료를 검토하여 Aquistore 현장이산화탄소 주입구간의 퇴적매질 분포 특성과 구조 변화를 분석하였다. 향후 신뢰성 있는 해석결과를 통합하고 시간경과 탄성파자료를 분석한다면 지중에 저장된 이산화탄소의 모니터링에 도움이 될 것이다.
수평층서가 뚜렷한 탄성파 자료를 중합하여 작성된 탄성파 볼륨의 중앙부에서 대표적인 단면을 추출하여 Aquistore 지하의 광역적인 구조를 확인하였다. Figs.
이산화탄소 주입 시 1,884 ms 깊이에서 동서 방향으로 이동 가능성이 높을 것으로 보이며 시간 경과 탄성파자료를 이용한 지속적인 분석이 필요하다. 원칙적인 Spectral Decomposition 분석은 해석된 수평층에 대하여 적용되며 본 연구에서는 해석결과가 통합되기 전 단계에서 등시선도 탄성파 단면의 주파수를 분해하여 분석하였다. 이산화탄소 주입 후의 탄성파자료에서 변화가 뚜렷한 주파수 성분을 찾는 경우 공간적인 이산화탄소 분포를 모니터링하는데 도움이 될 것이다.
탄성파 자료에서 확인되는 반사 신호들을 Estevan 지역의 지질 층서 해석 및 로깅 자료와 대비함으로써 주요한 반사파에 대한 해석이 이루어졌고 그 중 Winnipeg층과 Deadwood층이 이산화탄소 지중저장에 적합하다는 결론을 얻었다 (Table 2). 탄성파 자료의 해석은 반사 이벤트의 마루 (peak) 또는 골 (trough)을 선택하여 수행되었고 각 층들의 깊이는 탄성파단면 상에서 표에 기록된 시간에 부합한다. Fig.
하부의 Deadwood 층은 캐나다 남부에 지역적으로 넓게 분포하는 사암층이며 실트/셰일 협재층을 포함한다 (Seibel and Bend, 2000). 퇴적 매질의 특성과 구조를 파악하기 위해 다양한 탄성파 속성이 이용될 수 있는데 이 논문에서는 탄성파 에너지, 유사도, 주파수 분해 기법을 3차원 탄성파 자료에 적용하였다.
대상 데이터
3차원 탄성파 탐사는 2012년 수행되었고 탐사구역은 30 km2이다. 2,411개 음원이 36 m마다 존재하며 Buggy Vibrator가 이용되었다. 지오폰은 6 m 간격으로 배열되었고 총 18,097 채널이다.
Aquistore 프로젝트는 심부 대수층을 지중저장 대상으로 수 개월 간 하루 1,500 ~ 2,000 톤씩 총 30만 톤의 CO2 주입을 계획하고 있다. 3차원 탄성파 탐사는 2012년 수행되었고 탐사구역은 30 km2이다. 2,411개 음원이 36 m마다 존재하며 Buggy Vibrator가 이용되었다.
Aquistore 연구 현장은 캐나다 Saskatchewan 주의 남동쪽 Estevan에 위치한다 (Fig. 1). Aquistore 프로젝트는 심부 대수층을 지중저장 대상으로 수 개월 간 하루 1,500 ~ 2,000 톤씩 총 30만 톤의 CO2 주입을 계획하고 있다.
취득된 자료는 전형적인 육상 탄성파 자료로 대표적인 공통발파점 모음도를 Fig. 2에 도시하였다. 탄성파 자료에서 확인되는 반사 신호들을 Estevan 지역의 지질 층서 해석 및 로깅 자료와 대비함으로써 주요한 반사파에 대한 해석이 이루어졌고 그 중 Winnipeg층과 Deadwood층이 이산화탄소 지중저장에 적합하다는 결론을 얻었다 (Table 2).
이론/모형
Aquistore 탄성파 자료의 경우 사암층 내에 셰일 협재층이 존재하므로 매질의 특성을 구분하는 속성으로 탄성파 에너지가 유용할 것이다. 퇴적 층서에서 단층 등의 불연속면을 포함하는 구조적인 특징을 파악하기 위하여 탄성파 유사도를 계산하였다(Chen and Sidney, 1997; Parr and Marsh, 2000; Meldahl et al., 2001). 유사도는 한 지점의 탄성파 기록을 인접 기록과 비교하는 방법으로 국지적 불연속면을 찾는데 이용될 수 있다.
성능/효과
7c). 세 가지의 주파수 성분을 도시한 결과 Deadwood 층은 북쪽에서 두껍고 탐사지역 중앙에서 얇게 퇴적된 것으로 판단된다. 두께가 다른 층의 공간적인 분포를 확인하기 위하여 각 주파수별 성분들을 함께 도시하였다(Fig.
탐사지역 북쪽에 북서-남동 방향으로 이어진 노란색 영역과 동서방향으로 넓은 띠 형태를 이루는 분홍색 영역은 상대적으로 낮은 주파수와 높은 주파수가 각각 우세한 영역이다. 이산화탄소 지중저장 대상 층서는 북쪽에서 두껍고 탐사영역 중앙부에서 동서방향으로 이질적인 퇴적매질이 존재함을 확인할 수 있었다.
7d). 적색-녹색, 녹색-청색 및 청색-적색의 중간성분은 각각 노란색, 밝은 파랑, 분홍색으로 나타났다. 탐사지역 북쪽에 북서-남동 방향으로 이어진 노란색 영역과 동서방향으로 넓은 띠 형태를 이루는 분홍색 영역은 상대적으로 낮은 주파수와 높은 주파수가 각각 우세한 영역이다.
Aquistore 현장의 경우 유가스전을 포함하지 않으므로 퇴적 매질의 성분과 고결 상태에 따라 에너지 속성이 영향을 받을 것으로 유추된다. 중합자료에 대하여 에너지 속성을 계산한 결과 화살표로 나타낸 지중저장 대상층 위쪽 Mississippian 층에서 강한 에너지가 관찰되었다 (Fig. 5a). 이보다 심부에 위치하는 Deadwood 층은 상대적으로 에너지의 크기가 작고 위치에 따라 변화가 큰 양상을 보였다(Fig.
4a와 4b는 탐사측선 중 종방향 (In-line) 번호 3800과 횡방향 (Cross-line) 번호 4602에 대한 중합단면도를 보여준다. 탄성파 단면에서 해석된 주요 층들은 수평적으로 연속하여 나타나며 탄성파 기록 시각 2.0 초 이전의 마루와 골에 대하여 해석결과에 부합하는 층들이 확인되었다. Figs.
2에 도시하였다. 탄성파 자료에서 확인되는 반사 신호들을 Estevan 지역의 지질 층서 해석 및 로깅 자료와 대비함으로써 주요한 반사파에 대한 해석이 이루어졌고 그 중 Winnipeg층과 Deadwood층이 이산화탄소 지중저장에 적합하다는 결론을 얻었다 (Table 2). 탄성파 자료의 해석은 반사 이벤트의 마루 (peak) 또는 골 (trough)을 선택하여 수행되었고 각 층들의 깊이는 탄성파단면 상에서 표에 기록된 시간에 부합한다.
주파수 성분 중 5, 20 및 40 Hz를 추출하여 도시함으로써 Deadwood 층이 연구지역 북쪽에서 두껍게 나타났다. 탄성파자료와 주파수 성분을 겹치게 도시한 결과 상대적으로 얇고 이질적인 퇴적 매질이 동서 방향으로 발달함을 확인하였다. 탄성파 단면에서 해석한 반사면에 대하여 spectral decomposition 분석을 수행할 경우 보다 입체적인 지형변화가 나타날 가능성이 있다.
후속연구
8d는 탄성파 자료와 5, 20 및 40 Hz 주파수 성분을 함께 도시한 결과이다. 이산화탄소 주입 시 1,884 ms 깊이에서 동서 방향으로 이동 가능성이 높을 것으로 보이며 시간 경과 탄성파자료를 이용한 지속적인 분석이 필요하다. 원칙적인 Spectral Decomposition 분석은 해석된 수평층에 대하여 적용되며 본 연구에서는 해석결과가 통합되기 전 단계에서 등시선도 탄성파 단면의 주파수를 분해하여 분석하였다.
원칙적인 Spectral Decomposition 분석은 해석된 수평층에 대하여 적용되며 본 연구에서는 해석결과가 통합되기 전 단계에서 등시선도 탄성파 단면의 주파수를 분해하여 분석하였다. 이산화탄소 주입 후의 탄성파자료에서 변화가 뚜렷한 주파수 성분을 찾는 경우 공간적인 이산화탄소 분포를 모니터링하는데 도움이 될 것이다.
본 연구에서는 중합 후 탄성파 자료를 검토하여 Aquistore 현장이산화탄소 주입구간의 퇴적매질 분포 특성과 구조 변화를 분석하였다. 향후 신뢰성 있는 해석결과를 통합하고 시간경과 탄성파자료를 분석한다면 지중에 저장된 이산화탄소의 모니터링에 도움이 될 것이다.
유사성이 낮은 이유는 경사층리, 단층 등의 지질적 불연속성에서 비롯되거나 매질특성 변화, 인위적 잡음 때문일 수 있다. 향후 해석결과를 이용하여 등시간 평면도와 등층후 평면도를 동시에 비교하면 구조선의 여부에 대한 신뢰성 있는 판단이 가능할 것이다. Precambrian 층의 상부 심도인 1,900 ms 수평 단면의 유사도를 출력한 결과 관심 영역 중앙부에 검은색 화살표로 표시된 유사도가 낮은 영역이 확인되었다 (Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하에 주입된 이산화탄소의 모니터링은 무엇을 통해 가능한가?
지하에 주입된 이산화탄소의 모니터링은 탄성파 탐사를 반복하는 시간경과 탐사로 가능하다 (Harris et al., 2006; Pevzner, et al.
Winnipeg 층과 Deadwood 층의 특징은 무엇인가?
Aquistore 연구에서 이산화탄소 지중저장 대상지층은 Williston Basin의 Winnipeg 층과 Deadwood 층이다 (PTRC, 2011). Winnipeg 층은 하부에 Black Island 층원이라 불리는 사암층이 존재하고 상부에는 셰일 기반의 Icebox 층원이 덮여 있어 저장복합체의 덮개암 역할을 한다. 하부의 Deadwood 층은 캐나다 남부에 지역적으로 넓게 분포하는 사암층이며 실트/셰일 협재층을 포함한다 (Seibel and Bend, 2000). 퇴적 매질의 특성과 구조를 파악하기 위해 다양한 탄성파 속성이 이용될 수 있는데 이 논문에서는 탄성파 에너지, 유사도, 주파수 분해 기법을 3차원 탄성파 자료에 적용하였다.
퇴적 층서에서 단층 등의 불연속면을 포함하는 구조적인 특징을 파악하기 위하여 무엇을 계산하였는가?
Aquistore 탄성파 자료의 경우 사암층 내에 셰일 협재층이 존재하므로 매질의 특성을 구분하는 속성으로 탄성파 에너지가 유용할 것이다. 퇴적 층서에서 단층 등의 불연속면을 포함하는 구조적인 특징을 파악하기 위하여 탄성파 유사도를 계산하였다(Chen and Sidney, 1997; Parr and Marsh, 2000; Meldahl et al., 2001).
참고문헌 (16)
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