[논문]이산화탄소 격리저장시스템의 역학적 안정성 평가를 위한 주입온도 및 주입량 시나리오 해석

김아람; 김형목

doi:10.7474/tus.2016.26.1.012

[국내논문] 이산화탄소 격리저장시스템의 역학적 안정성 평가를 위한 주입온도 및 주입량 시나리오 해석
Scenario Analysis of Injection Temperature and Injection Rate for Assessing the Geomechanical Stability of CCS (Carbon Capture and Sequestration) System 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.26 no.1, 2016년, pp.12 - 23

김아람 (세종대학교 공과대학 에너지자원공학과) , 김형목 (세종대학교 에너지자원공학과)

초록
AI-Helper

향후 국내에서 수행될 이산화탄소 지중저장 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 현장 지질조건에 최적화된 주입 조건을 설계하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 주입량 및 주입온도 등의 주입조건이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 열-수리-역학 연계해석기법의 하나인 TOUGH-FLAC 해석기법을 이용하여 평가하였다. 저장시스템의 역학적 안정성은 기존 균열의 전단미끄러짐 발생가능성을 활동마찰각 및 응력원을 이용하여 분석하였다. 이산화탄소의 주입온도가 저류층의 초기온도보다 낮은 저온주입의 조건에도 열응력으로 인한 인장균열은 발생하지 않는 것으로 파악되었으나, 저류층에서 전단미끄러짐이 발생하는 결과를 보였다. 단위시간당 이산화탄소 주입량을 변화시킨 시나리오 해석에서는 단계별로 주입량을 감소시키는 주입시나리오에서 기존 균열들의 전단미끄러짐 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

For a successful accomplishment of Carbon Capture Sequestration (CCS) projects, appropriate injection conditions should be designed and optimized for site specific geological conditions. In this study, we evaluated the effect of injection conditions such as injection temperature and injection rate on the geomechanical stability of CCS system in terms of TOUGH-FLAC simulator, which is one of the well-known T-H-M coupled analysis methods. The stability of the storage system was assessed by a shear slip potential of the pre-existing fractures both in a reservoir and caprock, expressed by mobilized friction angle and Mohr stress circle. We demonstrated that no tensile fracturing was induced even in the cold CO2 injection, where the injected CO2 temperature is much lower than that of the reservoir and tensile thermal stress is generated, but shear slip of the fractures in the reservoir may occur. We also conducted a scenario analysis by varying injected CO2 volume per unit time, and found out that it was when the injection rate was decreasing in a step-wise that showed the least potential of a shear slip.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 주입 대상 지층 선정 및 특성 조사가 완료된 후 조사 결과를 바탕으로 주입량 및 주입온도 등의 주입 조건이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 전산모의 실험을 통해 파악함으로써 주입 설계 최적화에 이를 활용하고자 한다.
이산화탄소 주입에 의한 저류층 내 온도변화 및 공극압력 상승과 이에 기인한 열응력(thermal stress) 및 유효응력(effective stress) 변화, 역학적 변형(deformation)은 상호 연계된 복합 거동의 형태로 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 실증프로젝트 사례에서 그 적용성이 검증된 TOUGH-FLAC 해석기법을 이용하여 이산화탄소 주입온도 및 주입량 변화시나리오가 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 평가하였다. 이산화탄소 격리저장 시스템의 역학적 안정성은 활동마찰각(mobilized friction angle) 및 응력원(Mohr’s stress circle)을 이용하여 전단미끄러짐 발생가능성을 예측함으로써 평가하였다.
반면, 액체 상태의 저온 이산화탄소 주입은 저류층을 냉각시켜 온도감소로 인한 열응력(인장응력) 및 인장 균열 발생을 초래하여 주입 이산화탄소의 누출 경로를 제공할 수 있다는 단점이 지적되어 왔다. 따라서, 본 연구에서는 이산화탄소 주입온도가 저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 파악할 목적으로 주입대상 지층보다 낮은 온도의 이산화탄소를 주입하는 경우(저온주입), 같은 온도로 주입하는 경우(등온주입) 그리고 주입대상지층보다 높은 온도로 주입하는 경우(고온주입) 총 세 가지의 경우에 대하여 해석을 수행하고 전단미끄러짐 발생가능성을 평가하였다. 해석 지층의 초기 온도조건을 고려하여 저온주입의 경우 7.
이산화탄소 주입량 변화가 저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 평가할 목적으로 총 네 가지 주입시나리오를 설정하고 전단미끄러짐 가능성을 조사하였다.Table 2는 각각의 주입시나리오를 요약한 것으로 총 20년간의 누적주입량은 15,768 ton(= 15,768,000 kg)으로 모두 동일하나 단위시간당 주입량을 단계별로 증가(Case 1), 감소(Case 2), 일정하게 유지(Case 3) 그리고 주입과 휴지를 주기적으로 반복(Case 4)하는 차이가 있다.
본 연구에서는 열-수리-역학적 연계해석을 이용하여 이산화탄소의 주입온도와 주입량이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 파악하였다. 이산화탄소 격리저장시스템의 역학적 안정성은 활동마찰각 및 응력원을 이용하여 전단미끄러짐 발생가능성을 예측함으로써 평가하였다.
본 연구에서는 열-수리-역학적 연계해석을 이용하여 이산화탄소의 주입온도와 주입량이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 파악하였다. 이산화탄소 격리저장시스템의 역학적 안정성은 활동마찰각 및 응력원을 이용하여 전단미끄러짐 발생가능성을 예측함으로써 평가하였다.

가설 설정

본 연구에서는 지하심부 저류층에 이산화탄소를 20년간 주입하는 경우를 가정하였다. 주입조건이 저장시스템에 미치는 영향을 분석할 목적이므로 지질구조는 Rutqvist 외(2002)의 연구에서 사용한 단순 지질구조모델을 사용하였다(Fig.
전단미끄러짐 발생가능성 평가를 위해서 암반 내부에는 임의의 방향의 균열이 존재하여 현재 응력 상태에서가장 취약한 방향의 균열에서 전단미끄러짐이 발생하는 것으로 가정하고 이들 균열의 점착력은 없고 마찰각은 30°로 설정하였다.
기본 해석에서 주입량 0.025 kg/s으로 총 20년간 이산화탄소를 연속적으로 주입하는 것을 가정하였으며, 초기응력의 분포는 수평응력(σh)과 수직응력(σv)이 동일한 등방응력조건을 가정하였다.

제안 방법

이산화탄소 격리저장 시스템의 역학적 안정성은 활동마찰각(mobilized friction angle) 및 응력원(Mohr’s stress circle)을 이용하여 전단미끄러짐 발생가능성을 예측함으로써 평가하였다.
연계모듈은 유체 및 기체압력, 포화도, 온도에 기인한 역학적 변형량을 유효응력을 통해 예측하는 일방향 연계해석(one-way coupling)과 역학적변형에 의한 공극률, 투과계수, 모세관압을 추가적으로 수정하는 과정을 반복하는 양방향(two-way coupling)의 두 가지 종류가 있다. 본 연구에서는 주입조건에 따른 영향을 비교 분석할 목적으로 응력변화에 따른 공극률 및 투과계수의 변화는 고려하지 않는 일방향 연계해석을 사용하였다.
또한, 초기 응력 조건이 해석결과에 미치는 영향을 파악하기 위해 정단층 응력조건(K=σh/σv=0.7) 및 역단층 응력조건(K=1.3)에 대한 해석을 실시하였다.
활동마찰각을 이용한 심도별 안정성 평가에서 가장 위험한 양상을 보인 덮개암과 저류층의 경계부를 대상으로 Mohr-Coulomb 파괴기준식과 응력원을 이용한 전단미끄러짐 발생 가능성을 조사하였다(Fig. 9, Fig.10, Fig. 11).

대상 데이터

3). 해석모델의 덮개암의 두께는 100 m, 대수층의 두께는 200 m이며 주입지점의 심도는 지하 1,480 m 지점으로 초기 공극압력과 온도는 15.1 MPa, 47.5℃이다. 해석에 사용한 제반 입력 물성값은 Table 1과 같다.

이론/모형

본 연구에서는 지하심부 저류층에 이산화탄소를 20년간 주입하는 경우를 가정하였다. 주입조건이 저장시스템에 미치는 영향을 분석할 목적이므로 지질구조는 Rutqvist 외(2002)의 연구에서 사용한 단순 지질구조모델을 사용하였다(Fig. 3). 해석모델의 덮개암의 두께는 100 m, 대수층의 두께는 200 m이며 주입지점의 심도는 지하 1,480 m 지점으로 초기 공극압력과 온도는 15.
이산화탄소 주입에 의한 공극압 증가 및 유효응력의 변화로 발생하는 기존균열의 전단미끄러짐 발생가능성은 활동마찰각(mobilized friction angle)과 모어응력원(Mohr’s stress circle)을 통해 평가하였다.
이산화탄소 주입에 의한 공극압 증가 및 유효응력의 변화로 발생하는 기존균열의 전단미끄러짐 발생가능성은 활동마찰각(mobilized friction angle)과 모어응력원(Mohr’s stress circle)을 통해 평가하였다. 전단미끄러짐 발생 조건으로는 식 (1)과 같은 모어쿨롱(Mohr-Coulomb)기준식을 사용하였다.

성능/효과

4와 같다. 20년간의 저온 주입의 경우, 주입지점에서의 온도는 40℃ 감소하고, 고온주입조건에서는 약 19℃ 증가하는 결과를 보였다. 이들 온도변화가 주입지점과 덮개암과 저류층의 경계부에서의 역학적 안정성에 미치는 영향을 응력원을 이용하여 평가한 결과를 Fig.
각기 다른 초기응력조건의 모든 주입 Case에 있어 이산화탄소 주입에 의한 공극압력 상승과 이에 따른 유효응력의 감소로 응력원은 왼쪽으로 이동하여 파괴기준에 근접하는 결과를 보였다. 그러나, 이산화탄소 주입에 의한 응력원 직경 변화는 초기 응력분포에 따라 달라져, 정단층 응력조건의 경우, 직경이 감소하고 역단층 응력조건에서는 직경이 증가하면서 왼쪽으로 이동하여 전단미끄러짐 발생가능성이 증가하였다.
단위시간당 이산화탄소 주입량을 변화시켜가며 저장시스템의 역학적 안정성을 분석한 시나리오해석에서는 단계별로 주입량을 감소시켜가는 주입시나리오에서 기존 균열들의 전단미끄러짐 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 평가되었다. 석탄화력 발전소 및 제철소 등에서 발생하는 대량의 이산화탄소를 포집하여 주입하는 격리저장시스템의 역학적 안정성을 보장하고 이들 시설에서의 이산화탄소 발생량 변동성 및 불확실성에 적절히 대응하기 위한 최적의 주입시나리오를 설계하는 데이러한 접근법을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

이산화탄소 주입에 의한 저류층 내 공극압력은 점진적으로 상승하고 공극압증가 양상은 주입량, 주입압, 저류층 특성 및 지질구조 등의 복합적인 영향으로 나타난다. 이론해를 통해 공극압 상승을 일차적으로 예측하는 것도 가능하나(Segall,1992) 단순 지질 모델에 한해 제한적으로 적용 가능하여 지질 구조의 복잡성 및 불확실성을 고려한 예측 정밀도 향상을 위해서는 적절한 수치해석에 의한 시뮬레이션 연구가 요구된다. 이러한 거동을 평가하는 연계해석기술 코드 중 TOUGH-FLAC은 In Salah CO₂ 지중저장 프로젝트와 Geyser geothermal field 등의 현장시험에도 적용되어 지표면의 융기, 침하 계측값과 유사한 예측결과를 보인 바 있다(Rutqvist, 2011).
이는 주입량에 의한 공극압력 증가에 기인한 것으로 주입 이산화탄소의 누출에 대한 상세 검토가 필요함을 알 수 있다. 또한, 액체의 경우 일반적으로 온도 감소에 따라 점성도가 증가하고 온도가 올라가면 점성도가 감소하는 경향을 보이므로 이들 온도변화에 따른 점성도 변화를 고려할 경우 주입 이산화탄소의 유동 및 공극 압력 변화 양상이 달라져 상이한 결과를 얻을 수 있으므로 향후 추가적인 검토가 요구된다.
단위시간당 이산화탄소 주입량을 변화시켜가며 저장시스템의 역학적 안정성을 분석한 시나리오해석에서는 단계별로 주입량을 감소시켜가는 주입시나리오에서 기존 균열들의 전단미끄러짐 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 평가되었다. 석탄화력 발전소 및 제철소 등에서 발생하는 대량의 이산화탄소를 포집하여 주입하는 격리저장시스템의 역학적 안정성을 보장하고 이들 시설에서의 이산화탄소 발생량 변동성 및 불확실성에 적절히 대응하기 위한 최적의 주입시나리오를 설계하는 데이러한 접근법을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
다만, 본 해석에서는 단순한 수평방향 지질층서구조모델을 이용한 탄성해석 결과로 전단미끄러짐 발생 이후의 균열 투과특성의 변화는 고려하지 않았으며 지층의 기학학적 형상 및 복잡한 지질구조로 인한 영향은 반영되지 않은 결과임에 유의해야 한다. 향후, 이산화탄소 격리저장시스템의 상용화 과정에서는 주입현장의 상세지질구조를 반영한 해석모델을 구축하고 단일 주입정 이외에 다중 주입정의 개수 및 배치 등을 최적화하기 위한 해석으로 확대 실시되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CCS기술이란 무엇인가?	CCS(Carbon Capture Sequestration or Storage) 기술은 지구온난화를 유발하는 온실가스로서의 이산화탄소를 석탄화력발전소 및 제철소 등의 대량발생원으로부터 포집한 후 육상 혹은 해양 지중의 공간에 저장 혹은 처분하는 기술을 말한다. 최근에는 단순히 이산화탄소의 처분에 그치는 것이 아닌 상업적 저장 혹은 경제적인 활용까지 포함한 CCUS(Carbon Capture Utilization and Sequestration)라는 개념으로 확대되고 있다.
	이산화탄소 격리저장시스템의 성능에 영향을 최소화 하기위한 시나리오 개발이 필요한 이유는?	이산화탄소 주입량은 공급원에 해당하는 석탄화력 발전소 및 제철소 등에서의 포집량에 좌우된다. 이들 포집량은 계절 및 기후 변화 등의 영향으로 지속적인 수급을 통한 일정한 주입이 어려울 수 있다. 따라서, 이산화탄소 수급량의 변동성에 유연하게 대응하면서 주입량과 같은 설계 인자를 최적화하기 위해서는 주입량 변화가 격리저장시스템의 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 시나리오 개발이 필요하다.
	CCUS의 대표적 사례는 무엇인가?	최근에는 단순히 이산화탄소의 처분에 그치는 것이 아닌 상업적 저장 혹은 경제적인 활용까지 포함한 CCUS(Carbon Capture Utilization and Sequestration)라는 개념으로 확대되고 있다. CCUS의 대표적인 사례로는 단기적인 원유회수증진(EOR, Enhanced Oil Recovery)과 장기적 목적의 CCS를 접목하는 CCS-EOR 프로젝트를 들 수 있다(Kim et al., 2013).

참고문헌 (23)

강관구, 정경선, 조맹익, 허철, 2014, " $CO_2$ 주입 온도 변화에 따른 주입정내 CO2의 거동변화 수치해석", 2014년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회, 부산 BEXCO, 2014.05.22.
Park, M.H., H.G. Kim, H.Y. Lee, J.H. Kang, M.J. Kim, Y.K. Kwon and J.C. Kim, 2014, "The Current Status of Study on $CO_2$ Geological Storages in Korean Offshore Areas and KNOC's Demonstration Strategy", 2014 추계 지질과학연합학술대회, 하이원컨벤션호텔, 2014.10.29 - 11.1.
Coleman, S. H., 2012, "The reservoir performance and impact from using large-volume, intermittent, anthropogenic $CO_2$ for enhanced oil recovery: The University of Texas at Austin, Master's thesis", http://repositories.lib.utexas.edu/handle/2152/ETD-UT-2012-05-5351.
Fjær. E., R.M. Holt., P. Horsrud, A.M. Raaen and R.Risnes, 2008, "Petroleum Related Rock Mechanics", 2nd edition, Elsevier, Amsterdam, 491p
Goodarzi. S., A. Settari and D. Keith, 2012, "Geomechanical modeling for $CO_2$ storage in Nisku aquifer in Wabamun Lake area in Canada", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 10, pp. 113-122.

상세보기
Gor, G.Y. and J.H. Prevost, 2013, "Effect of $CO_2$ injection temperature on caprock stability", Energy Procedia, Vol. 37, pp. 3727-3732.

상세보기
Itasca Consulting Group Inc., 2012, FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) Version 5.0 (Minneapolis, MN).
Kikuta, K, S. Hongo, D. Tanase and T. Ohsumi, 2004, "Field test of $CO_2$ injection in Nagaoka, Japan, Proceedings of the 7th Int. Conf. on greenhouse gas control technologies", Vancouver, Canada, Sept. 2004, pp. 1367-1372.
Kim, H.M., E.S. Park, J.H. Synn and Y.C. Park, 2008, "Greenhouse Gas ( $CO_2$ ) Geological Sequestration and Geomechanical Technology Component", Tunnel & Underground Space, Vol. 18, No. 3, pp. 175-184.
Kim, H.M. and W.S. Bae, 2013, "Enhanced Oil Recovery (EOR) Technology Coupled with Underground Carbon Dioxide Sequestration", Tunnel & Underground Space, Vol. 23, No. 1, pp. 1-12.

원문보기 상세보기
Kim, S.H. and S. A. Hosseini, 2014, "Geological $CO_2$ storage : Incorporation of pore-pressure/stress coupling and thermal effects to determine maximum sustainable pressure limit", Energy Procedia, Vol. 63, pp. 3339-3346.

상세보기
Kim, S.H. and S. A. Hosseini, 2015, "Hydro-thermomechanical analysis during injection of cold fluid into a geologic formation", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 77, pp. 220-236.

상세보기
Kutchko, B. G., B.R. Strazisar, D.A. Dzombak, G.V. Lowry and N. Thaulow, 2007, "Degradation of Well Cement by $CO_2$ under Geologic Sequestration Conditions", Environmental Science Technology, Vol. 41, pp. 4787-4792.

상세보기
Moller, F., A. Liebscher, S. Martens, C. Schmidt-Hattenberger and M. Streibel, 2014, "Injection of $CO_2$ at ambient temperature conditions - Pressure and temperature results of the "cold injection" experiment at the Ketzin pilot site", Energy Procedia, Vol. 63, pp. 6289-6297.

상세보기
Pruess, K., C. Oldenburg and G. Moridis, 1999, TOUGH2 User's guid, Ver. 2.0., Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBL-43134, Berkeley, CA, USA.
Rutqvist, J. and C-F. Tsang, 2002, "A study of caprock hydromechanical changes associated with $CO_2$ -injection into a brine formation", Environmental Geology, Vol. 42, pp. 296-305.

상세보기
Rutqvist, J., J.T. Birkholzer and C-F. Tsang, 2008, "Coupled reservoir-geomechanical analysis of the potential for tensile and shear failure associated with $CO_2$ injection in multilayered reservoir-caprock systems", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 45, pp. 132-143.

상세보기
Rutqvist, J., 2011, "Status of the TOUGH-FLAC simulator and recent applications related to coupled fluid flow and crustal deformations", Computes & Geosciences, Vol. 37, pp. 739-750.

상세보기
Segall, P., 1992, "Induced Stresses due to Fluid Extraction from Axisymmetric Reservoirs", Pure and Applied Geophysics, Vol. 139, No. 3/4, pp. 535-560.

상세보기
Vilarrasa, V., O. Silva, J. Carrera and S. Olivella, 2013, "Liquid $CO_2$ injection for geological storage in deep saline aquifers", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 14, pp. 84-96.

상세보기
Vilarrasa, V., S. Olivella, J. Carrera and J. Rutqvist, 2014, "Long term impacts of cold $CO_2$ injection on the caprock integrity", International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 24, pp. 1-13.

상세보기
Wildgust, N., Aiken, T., 2010, "Injection strategies for large-scale $CO_2$ storage", 9th Annual Conference on Carbon Capture & Sequestration, Pittsburgh, May 2010.
Yoon, J.S., A. Zang and O. Stephensson, 2013, "Simulation of hydraulic stimulation of fractured reservoir and induced seismicity using discrete element-fracture network model", Proceedings of 38th Workshop on geothermal reservoir engineering, Stanford university, Stanford, California, Feb. 2013, SGP-TR-198.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format