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문제 정의
- 동해 울릉분지 내 가스하이드레이트의 신뢰성 있는 부존량을 산출하기 위해서는 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상과 물성에 대한 공간적인 분포 특성을 파악하는 것이 필수적이다. 따라서 이 연구에서는 동해 울릉분지 가스하이드레이트 1, 2차 시추 지역 중 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 추정이 완료된 11개 시추공(UBGH1-1, UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10, UBGH1-14, UBGH2-2-1, UBGH2-2-2, UBGH2-6, UBGH2-9, UBGH2-10, UBGH2-11)을 선정하고 수직 방향으로만 물성 분포 추정이 한정된 것을 수평 방향으로도 확장하여 3차원 공간 물성 분포를 추정하였으며 이를 가스하이드레이트 전산 수치 모델의 입력 자료 구성을 위한 정량적인 기초 물성 자료로 활용하고자 한다.
- 생성한 3차원 퇴적상 공간 물성 분포 모델을 기반으로 SGS를 통하여 공극률과 가스하이드레이트포화율의 공간 물성 분포를 추정하고 3차원 지구통계학적 모델을 생성하였다. 이 역시 각 층별로 공극률과 가스하이드레이트포화율의 공간 분포 추정 결과를 확인하기 위하여 개별 층에 대한 공간 물성 분포 결과도 함께 도시하였다.(Fig.
- 이 연구에서는 동해 울릉분지 1, 2차 시추 지역 중 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율을 추정한 11개 시추공을 선정하고 수직 방향으로만 물성 분포 추정이 한정된 것을 수평 방향의 물성 분포까지 확장하여 고려하고자 하였다. 이를 위하여 시추공별 물성 추정 자료에 대하여 베리오그램 분석을 수행하고 공간적 연속성을 확인하였다.
제안 방법
- 3차원 공간 정보 분석을 위한 베리오그램 계산은 불균질 가스하이드레이트 함유층의 주 방향(major direction), 종 방향(minor direction), 수직 방향(vertical direction)에 대하여 실험적 베리오그램 (experimental variogram)을 계산하고 이론적 베리오그램(theoretical variogram)을 모델링하여 베리오그램 모델을 최적화한다. 이를 수식으로 나타내면 식 (2)와 같다 [11].
- 5. Variogram analysis for 3D sedimentary facies, porosity and gas hydrate saturation modeling.
- 6). 가스하이드레이트 함유층의 공극률과 가스하이드레이트포화 율도 베리오그램 분석을 수행하였다. 실험적 베리오그램을 계산하고 이를 대표할 수 있는 이론적 베리오그램 모델링을 수행한 결과 공극률의 경우 너깃이 없는 구형 모델, 가스하이드레이트포화율은 너깃이 있는 지수 모델로 결정되었다(Fig.
- 1) [12-13]. 각각의 암석물리학상에 해당하는 물리검층 자료의 분포를 확인하여 고유한 물리검층 반응 특성을 분석하고 공극률과 가스하이드레이트 포화율 추정 자료와 비교하여 Mud, DITM, MSS의 3 개 퇴적상을 구분하였다.
- 동해 울릉분지 가스하이드레이트 함유층의 3차원 공간 물성 분포 추정을 위하여 선정된 11개 시추공에 대한 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 추정 자료를 3차원 좌표로 구성된 격자 셀(cell)에 입력하였다(Fig. 3). 일반적인 물리검층 자료의 해상도는 약 10~20cm 내외로 자료의 수직 해상도가 매우 높다[10].
- 일반적으로 자연 상태에서의 가스하이드레이트 부존 형태는 조립질 퇴적물에서 공극을 충진하는 형태(pore filling), 세립질 퇴적물에서 균열을 충진하는 형태(fracture filling), 맥(vein), 단괴(nodule)의 형태로 구분할 수 있다 [7]. 동해 울릉분지의 미고결 퇴적층에 함유된 가스하이드레이트는 이러한 형태와 비슷하며 보다 구체적인 지질학적 분석을 통해 크게 3가지 유형으로 구분하였다. 유형 1은 이질층의 균열을 충진하는 형태 또는 입자를 변위시키는 형태(grain displacing), 유형 2는 이질층에 산재되어 나타나는 형태(disseminated), 유형 3은 사질층의 공극을 충진하는 형태이다 [8].
- 퇴적상은 가스하이드레이트 함유층 모델을 구성하는 필수 요소로, 11개의 UBGH 시추공에 대하여 퇴하기 위해서 베리오그램 분석을 수행하였다. 베리오그램으로 공간적 변화를 조사한 결과, 방향에 따라 분석값이 다르게 나타나는 이방성 모델로 판단되고 너깃이 있는 구형(spherical) 모델로 결정하였다(Fig. 5(a)).
- 생성한 3차원 퇴적상 공간 물성 분포 모델을 기반으로 SGS를 통하여 공극률과 가스하이드레이트포화율의 공간 물성 분포를 추정하고 3차원 지구통계학적 모델을 생성하였다. 이 역시 각 층별로 공극률과 가스하이드레이트포화율의 공간 분포 추정 결과를 확인하기 위하여 개별 층에 대한 공간 물성 분포 결과도 함께 도시하였다.
- 이를 위하여 시추공별 물성 추정 자료에 대하여 베리오그램 분석을 수행하고 공간적 연속성을 확인하였다. 순차지표시뮬레이션으로 가스하이드레이트 함유층 내 퇴적상에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였고 순차가우스시뮬레이션으로 공극률과 가스하이드레이트포화율에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였다. 1, 2차 시추 지역이 포함된 공간 물성 분포의 추정 대상 지역이 광범위한 것에 비하여 가용 UBGH 시추공 분석 자료가 제한적인 것에 기인한 실험적 베리오그램과 이론적 베리오그램의 차이가 나타났다.
- 주성분 분석 결과 3개의 주성분만으로 물리검층 및 물성 추정 자료의 약 97%를 표현할 수 있음을 확인하였다. 이 후 군집의 개수를 3 개로 설정하여 군집 분석을 수행하여 해당 시추공에 대한 암석물리학상을 결정하고 이를 주상도로 나타내었다(Fig. 1) [12-13]. 각각의 암석물리학상에 해당하는 물리검층 자료의 분포를 확인하여 고유한 물리검층 반응 특성을 분석하고 공극률과 가스하이드레이트 포화율 추정 자료와 비교하여 Mud, DITM, MSS의 3 개 퇴적상을 구분하였다.
- 5(a)). 이를 바탕으로 SIS를 수행하여 퇴적상의 3차원 공간 물성 분포를 추정하고 지구통계학적 모델을 생성하였으며 각 층별로 퇴적상 분포 추정 결과를 확인하고자 개별 층으로도 도시하였다(Fig. 6). 가스하이드레이트 함유층의 공극률과 가스하이드레이트포화 율도 베리오그램 분석을 수행하였다.
- 이를 위하여 각 시추공의 밀도 검층, 음파 검층, 전기비저항 검층의 3개 물리검층 자료와 공극률 및 가스하이드레이트 추정 자료를 이용하여 주성분 PCj(j=1, 2, ···, 5)를 구하고 5개의 새로운 인공 변수를 생성하여 원자료(raw data)에 대한 정보의 기여도에 따라 구분하였다.
- 따라서 지구통계학적 모델링을 위한 격자 셀에 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율을 입력하기 위해서는 입력 자료의 업스케일링(up-scaling)이 필수적이다. 이를 위하여 먼저 시추공 분석 자료를 3차원 격자 셀의 해상도에 부합하도록 퇴적상을 업스케일링한 후, 업스케일링한 각 퇴적상에 대하여 공극률과 가스하이드레이트포화율 분석 자료를 업스케일링함으로써 퇴적상 경계를 따라 공극률과 가스하이드레이트포화율 자료가 훼손되는 것을 방지하였다(Fig. 4) [10].
- 이 연구에서는 동해 울릉분지 1, 2차 시추 지역 중 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율을 추정한 11개 시추공을 선정하고 수직 방향으로만 물성 분포 추정이 한정된 것을 수평 방향의 물성 분포까지 확장하여 고려하고자 하였다. 이를 위하여 시추공별 물성 추정 자료에 대하여 베리오그램 분석을 수행하고 공간적 연속성을 확인하였다. 순차지표시뮬레이션으로 가스하이드레이트 함유층 내 퇴적상에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였고 순차가우스시뮬레이션으로 공극률과 가스하이드레이트포화율에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였다.
- 이를 제외한 나머지 시추공은 ‘KMU Efacies 2009’로 퍼지 군집 분석(fuzzy clustering analysis)을 수행하고 암석물리학상(electrofacies)을 결정하여 퇴적상 입력 자료로 활용 하였다.
- 퇴적상은 가스하이드레이트 함유층 모델을 구성하는 필수 요소로, 11개의 UBGH 시추공에 대하여 퇴하기 위해서 베리오그램 분석을 수행하였다. 베리오그램으로 공간적 변화를 조사한 결과, 방향에 따라 분석값이 다르게 나타나는 이방성 모델로 판단되고 너깃이 있는 구형(spherical) 모델로 결정하였다(Fig.
- 한국지질자원연구원 [5]이 1차 시추에서 획득한 코어 시료를 이용하여 입도 분포와 절개면 영상 및 X선 영상에서 관찰되는 퇴적 구조 등을 기준으로 BM(bioturbated mud), CLM(crudely laminated mud), HM(homogeneous mud), LM(laminated mud), LMS(laminated muddy sand), MSS(massive silty sand), SM(sheared mud), DITM(disintergrated mud), ILM(indistinctly layered mud), DFM(deformed mud), Tephra의 11개 퇴적상을 구분하였다. 이를 서광원 등 [3]은 가스하이드레이트 해리 징후가 발견되는 MSS 퇴적상과 DITM 퇴적상을 추정하기 위해서 Mud, DITM, MSS의 3개 퇴적상으로 축소하고 코어의 퇴적상 해석 자료가 있는 UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10 시추공에 대하여 밀도 검층, 전기비저항 검층, 음파 검층 자료를 선형 판별 분석(linear discriminant analysis) 기법에 적용하여 퇴적상을 추정하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 동해 울릉분지 1, 2차 시추 지역의 시추공에서 획득한 물리검층 및 코어분석 자료를 통합 해석하여 추정한 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 자료를 3차원 지구통계학적 모델 생성 입력 자료로 선정하였다. 1차 시추 지역에서 5개의 시추공(UBGH1-1, UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10, UBGH1-14)과 2차 시추 지역에서 가스하이드레이트가 함유된 사질층의 분포가 비교적 많이 나타나는 6개의 시추공(UBGH2-2-1, UBGH2-2-2, UBGH2-6, UBGH2-9, UBGH2-10, UBGH2-11) 자료를 사용하였다.
- 일반적인 물리검층 자료의 해상도는 약 10~20cm 내외로 자료의 수직 해상도가 매우 높다[10]. 이 연구에서 활용한 시추공 분석 자료는 LWD 자료를 기반으로 하고 있으며 그 해상도는 약 10cm 이다. 따라서 지구통계학적 모델링을 위한 격자 셀에 가스하이드레이트 함유층의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율을 입력하기 위해서는 입력 자료의 업스케일링(up-scaling)이 필수적이다.
- 이 연구에서는 동해 울릉분지 1, 2차 시추 지역의 시추공에서 획득한 물리검층 및 코어분석 자료를 통합 해석하여 추정한 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 자료를 3차원 지구통계학적 모델 생성 입력 자료로 선정하였다. 1차 시추 지역에서 5개의 시추공(UBGH1-1, UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10, UBGH1-14)과 2차 시추 지역에서 가스하이드레이트가 함유된 사질층의 분포가 비교적 많이 나타나는 6개의 시추공(UBGH2-2-1, UBGH2-2-2, UBGH2-6, UBGH2-9, UBGH2-10, UBGH2-11) 자료를 사용하였다.
성능/효과
- 순차지표시뮬레이션으로 가스하이드레이트 함유층 내 퇴적상에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였고 순차가우스시뮬레이션으로 공극률과 가스하이드레이트포화율에 대한 3차원 공간 물성 분포 모델을 생성하였다. 1, 2차 시추 지역이 포함된 공간 물성 분포의 추정 대상 지역이 광범위한 것에 비하여 가용 UBGH 시추공 분석 자료가 제한적인 것에 기인한 실험적 베리오그램과 이론적 베리오그램의 차이가 나타났다. 이는 추가적인 시추가 이루어져 가용할 수 있는 UBGH 시추공 분석 자료 수가 증가한다면 더욱 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 생성한 3차원 지구통계학 모델을 통하여 가스하이드레이트 함유층 내의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율의 공간적인 분포 양상을 파악한 결과 2차 시추 지역에 가스하이드레이트 해리 징후와 관련된 퇴적상인 MSS와 DITM이 비교적 많이 분포하고 있음을 확인하였다. 또한 비교적 유동성이 양호할 것으로 판단되는 MSS 퇴적상과 가스하이드레이트포화율의 공간적인 분포 양상을 확인할 수 있다. 이 연구에서 제시한 불균질성을 고려한 가스하이드레이트 함유 층의 3차원 공간 물성 분포 모델은 가스하이드레이트 생산 시뮬레이션 시 전산 수치 모델의 입력 자료 구성을 위한 정량적인 기초 물성 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
- 5(c)). 베리오그램 분석 결과, UBGH 시추공 분석 자료를 이용하여 계산한 실험적 베리오그램과 사용한 자료의 특성을 대표할 수 있는 이론적 베리오그램 간에 다소 차이가 확인되었다. 이는 동해 울릉분지 가스하이드레이트 함유층 분석 대상 지역이 광역적인 것에 비하여 가용할 수 있는 UBGH 시추공 분석 자료의 수가 제한적이기 때문이며 추가 시추를 통하여 UBGH 시추공 분석 자료가 늘어난다면 보다 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 8). 생성한 3차원 공간 물성 분포 모델의 적절성 검사를 위하여 히스토그램을 분석한 결과, 3차원 격자 셀에 할당된 자료의 분포와 UBGH 시추공 분석 자료 및 업스케일링 후의 자료 분포 간의 이원 양상이나 불연속성이 발견되지 않았다(Fig. 9). 생성한 3차원 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 공간 물성 분포 추정 모델에서 대체로 2차 시추 지역 부근이 가스하이드레이트 해리 징후와 관련된 퇴적상인 DITM과 MSS 퇴적상이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다.
- 생성한 3차원 지구통계학 모델을 통하여 가스하이드레이트 함유층 내의 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율의 공간적인 분포 양상을 파악한 결과 2차 시추 지역에 가스하이드레이트 해리 징후와 관련된 퇴적상인 MSS와 DITM이 비교적 많이 분포하고 있음을 확인하였다. 또한 비교적 유동성이 양호할 것으로 판단되는 MSS 퇴적상과 가스하이드레이트포화율의 공간적인 분포 양상을 확인할 수 있다.
- 9). 생성한 3차원 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 공간 물성 분포 추정 모델에서 대체로 2차 시추 지역 부근이 가스하이드레이트 해리 징후와 관련된 퇴적상인 DITM과 MSS 퇴적상이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 추후에 UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10과 같이 지질학적인 해석과 분석이 이루어진 퇴적상 자료를 가용할 수 있다면 보다 신뢰성 있는 공간 물성 분포 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 가스하이드레이트 함유층의 공극률과 가스하이드레이트포화 율도 베리오그램 분석을 수행하였다. 실험적 베리오그램을 계산하고 이를 대표할 수 있는 이론적 베리오그램 모델링을 수행한 결과 공극률의 경우 너깃이 없는 구형 모델, 가스하이드레이트포화율은 너깃이 있는 지수 모델로 결정되었다(Fig. 5(b); Fig.
- 이를 위하여 각 시추공의 밀도 검층, 음파 검층, 전기비저항 검층의 3개 물리검층 자료와 공극률 및 가스하이드레이트 추정 자료를 이용하여 주성분 PCj(j=1, 2, ···, 5)를 구하고 5개의 새로운 인공 변수를 생성하여 원자료(raw data)에 대한 정보의 기여도에 따라 구분하였다. 주성분 분석 결과 3개의 주성분만으로 물리검층 및 물성 추정 자료의 약 97%를 표현할 수 있음을 확인하였다. 이 후 군집의 개수를 3 개로 설정하여 군집 분석을 수행하여 해당 시추공에 대한 암석물리학상을 결정하고 이를 주상도로 나타내었다(Fig.
후속연구
- 또한 비교적 유동성이 양호할 것으로 판단되는 MSS 퇴적상과 가스하이드레이트포화율의 공간적인 분포 양상을 확인할 수 있다. 이 연구에서 제시한 불균질성을 고려한 가스하이드레이트 함유 층의 3차원 공간 물성 분포 모델은 가스하이드레이트 생산 시뮬레이션 시 전산 수치 모델의 입력 자료 구성을 위한 정량적인 기초 물성 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
- 베리오그램 분석 결과, UBGH 시추공 분석 자료를 이용하여 계산한 실험적 베리오그램과 사용한 자료의 특성을 대표할 수 있는 이론적 베리오그램 간에 다소 차이가 확인되었다. 이는 동해 울릉분지 가스하이드레이트 함유층 분석 대상 지역이 광역적인 것에 비하여 가용할 수 있는 UBGH 시추공 분석 자료의 수가 제한적이기 때문이며 추가 시추를 통하여 UBGH 시추공 분석 자료가 늘어난다면 보다 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 1, 2차 시추 지역이 포함된 공간 물성 분포의 추정 대상 지역이 광범위한 것에 비하여 가용 UBGH 시추공 분석 자료가 제한적인 것에 기인한 실험적 베리오그램과 이론적 베리오그램의 차이가 나타났다. 이는 추가적인 시추가 이루어져 가용할 수 있는 UBGH 시추공 분석 자료 수가 증가한다면 더욱 개선된 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 생성한 3차원 퇴적상, 공극률, 가스하이드레이트포화율 공간 물성 분포 추정 모델에서 대체로 2차 시추 지역 부근이 가스하이드레이트 해리 징후와 관련된 퇴적상인 DITM과 MSS 퇴적상이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 추후에 UBGH1-4, UBGH1-9, UBGH1-10과 같이 지질학적인 해석과 분석이 이루어진 퇴적상 자료를 가용할 수 있다면 보다 신뢰성 있는 공간 물성 분포 추정이 가능할 것으로 사료된다.
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