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문제 정의
- 본 연구에서는 규사 마이크로모델을 이용한 초임계상 CO2(scCO2) 주입실험을 통하여 주입된 scCO2의 거동과 공극수의 잔류 양상을 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 분석하여 주요 환경 요인과 주입 조건이 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여 공극수로 포화된 마이크로모델 내부로 scCO2를 주입하고, scCO2의 거동 양상과 공극수 대체 과정을 관찰하고, scCO2로 대체되는 공극의 면적에 대한 화상 분석을 통하여 다양한 주입 환경이나 조건의 변화가 scCO2의 저장 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 마이크로모델을 이용한 scCO2 주입실험을 통하여 scCO2의 거동과 공극수의 잔류 양상을 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 분석하여 압력, 온도, 염도 등 매체 주변의 환경 조건뿐만 아니라 주입 유량, 주입 방식 등 주입 조건이 scCO2에 의한 공극수 대체 효율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여 규사 입자와 투명한 유리판을 이용한 마이크로모델을 제작하고, 고온 및 고압 환경에서 마이크로모델 내부로 주입된 scCO2에 의해 발생하는 공극수 대체 과정을 관찰하였다.
제안 방법
- 개발된 마이크로모델을 활용하여 공극수로 포화된 다공성 매체 내부의 scCO2 거동을 관찰하기 위하여 설계된 실험 장치는 유체 주입 시스템, 구속압 시스템, 영상 관측 시스템으로 구성된다(Fig. 3).
- 5(a)와 (b)). 따라서, 공극수로 포화된 초기의 공극과 scCO2로 대체된 공극을 구분하여 나타낼 수 있도록 대체 과정의 이미지로부터 초기 이미지의 속성을 제거한 이원화상(binary image)을 제작하였다(Fig. 5(c)와 (d)).
- 마이크로 모델 내부의 압력과 온도 등 환경 조건이 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 규명하기 위하여 다양한 압력 및 온도 조건에 대한 scCO2 주입 실험을 수행하였다. 실험의 기본 조건으로 탈이온수로 포화된 마이크로 모델 내부에 1,300 psi와 40℃의 압력 및 온도 조건을 설정하고, 고압펌프를 이용하여 scCO2를 0.
- 마이크로모델 내부로의 scCO2 주입 방식이 scCO2의 공극수 대체 과정의 형태와 대체 면적비에 미치는 영향을 규명하기 위하여 탈이온수로 채워진 마이크로모델에 연속식과 펄스식으로 scCO2를 주입하고 관찰 결과를 비교하였다. 연속식 주입은 실험 조건에 따라 조절된 유량(0.
- 1초 간격의 정지영상으로 추출되고 TIFF 파일로 저장된다. 본 연구에서는 scCO2 주입이 시작된 이후부터 대체가 완료되는 시점까지의 정지 영상을 10초 간격으로 재추출하여 이미지 분석에 활용하였다. 정지 영상에서 scCO2 대체가 발생한 공극은 공극수로 포화된 공극에 비하여 상대적으로 어둡게 나타나지만, 그 경계가 명확하게 드러나지 않는다(Fig.
- , 2015)에서는 염도와 압력조건이 scCO2의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위하여 두 장의 유리판 사이에 지름 1 mm의 유리구슬을 채운 마이크로모델을 제작하여 실험에 적용하였는데, 유리구슬은 표면이 매끄럽고 균일한 모양을 가지므로 상대적으로 매우 균일한 공극 구조를 형성하여 유리구슬 표면에 형성된 잔류상 공극수의 접촉각을 관찰하여 입자 표면의 습윤도 변화 연구에는 유용하였으나, 이러한 유리구슬 마이크로모델을 통하여 실제 토양이나 암석의 복잡한 공극 구조를 표현하기에 많은 한계가 있었다. 이러한 문제점을 부분적으로 개선하기 위하여 유리구슬 대신 규사를 이용한 마이크로모델을 제작하였다.
- 습윤성 유체로 포화되어있는 마이크로모델 내부로 주입된 비습윤성 유체인 scCO2의 대체 및 확산 형태는 공극구조의 특성뿐만 아니라 밀도, 점도, 염도, 계면장력 등 공극수와 주입 유체의 물리적 특성, 유량 및 주입 방식 등 주입 조건, 온도 및 압력 등 환경 조건의 직접적인 영향을 받는다. 이러한 요인들이 scCO2의 확산과 공극수 대체에 미치는 영향을 규명하기 위하여 CO2가 초임계상으로 유지될 수 있는 1,300 psi(9.0 × 103 kPa)와 40℃의 압력과 온도 조건이 설정된 마이크로모델의 내부를 탈이온수로 포화시킨 후 0.1 ml/min의 유량으로 scCO2를 주입하며 침투와 전개 과정을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 규사 마이크로모델을 이용한 초임계상 CO2(scCO2) 주입실험을 통하여 주입된 scCO2의 거동과 공극수의 잔류 양상을 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 분석하여 주요 환경 요인과 주입 조건이 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여 공극수로 포화된 마이크로모델 내부로 scCO2를 주입하고, scCO2의 거동 양상과 공극수 대체 과정을 관찰하고, scCO2로 대체되는 공극의 면적에 대한 화상 분석을 통하여 다양한 주입 환경이나 조건의 변화가 scCO2의 저장 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 마이크로모델을 이용한 scCO2 주입실험을 통하여 scCO2의 거동과 공극수의 잔류 양상을 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 분석하여 압력, 온도, 염도 등 매체 주변의 환경 조건뿐만 아니라 주입 유량, 주입 방식 등 주입 조건이 scCO2에 의한 공극수 대체 효율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 이를 위하여 규사 입자와 투명한 유리판을 이용한 마이크로모델을 제작하고, 고온 및 고압 환경에서 마이크로모델 내부로 주입된 scCO2에 의해 발생하는 공극수 대체 과정을 관찰하였다. 대체 과정을 기록한 동영상으로부터 추출된 정지 영상은 이미지 보정을 통해 이원화상으로 변환하여 scCO2로 포화된 공극을 그 이외의 공극 구조(공극수로 포화된 공극과 규사 입자)와 구분되게 함으로써 공극수가 scCO2로 대체된 면적에 대한 정량적 분석을 가능하게 하였다.
대상 데이터
- 공극수의 염도가 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 규명하기 위하여 탈이온수와 3 M, 6 M의 염수를 공극수로 사용하여 실험을 수행하였다. 적용된 염수는 탈이온수에 염화나트륨를 용해시켜 제조하였으며, 각 농도에 대하여 3회씩 반복 실험을 수행하였다.
- 마이크로모델은 2장의 강화 유리판(10 cm × 3 cm × 0.5 cm) 사이에 1 mm 두께의 아크릴 테 2개를 좌우로 고정하여 생성된 긴 육각형 형태의 공간에 선별된 규사를 삽입하여 제작되었다(Fig. 2a).
- 마이크로모델의 내부를 포화시키는 공극수로는 25℃의 탈이온수 또는 탈이온수에 염화나트륨(NaCl, ACS reagent grade, Junsei)을 용해시켜 제조한 염수를 사용하였다. 주사기를 이용하여 마이크로모델 내부로 공극수를 주입하여 포화시킨 후, 마이크로모델을 고압쳄버의 중앙 관측창 아래에 수평으로 설치하고 고압쳄버의 상판을 고정한다.
- 2d). 제작된 규사 마이크로모델 내부 공극 구조는 길이 8 cm, 폭 2.8 cm, 높이 0.12 cm의 긴 육각형 형상으로, 공극의 부피는 0.68 ± 0.03 cm3였으며, 공극률은 31 ± 1%로 측정되었다. 마이크로모델은 외부가 투명한 재질로 구성되어 있을 뿐만 아니라 내부가 투명 또는 유백색의 규사 입자로 채워져 있어, 공극 구조 내를 유동하는 scCO2와 공극수의 거동 또는 잔류 양상이 외부로부터 관찰될 수 있도록 제작되었다.
성능/효과
- 이러한 결과는 각각 압력의 증가에 따른 규사입자 표면의 친수성 감소와 온도의 증가에 따른 CO2의 점성도 감소가 원인으로 판단된다. 공극수의 염도가 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험의 결과에서는 염도가 증가함에 따라 최대 대체 면적비가 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 공극수의 염도가 높을수록 CO2의 용해량이 감소하여 규사 입자 표면이 상대적으로 강한 친수성을 나타내기 때문으로 판단된다.
- 이를 위하여 규사 입자와 투명한 유리판을 이용한 마이크로모델을 제작하고, 고온 및 고압 환경에서 마이크로모델 내부로 주입된 scCO2에 의해 발생하는 공극수 대체 과정을 관찰하였다. 대체 과정을 기록한 동영상으로부터 추출된 정지 영상은 이미지 보정을 통해 이원화상으로 변환하여 scCO2로 포화된 공극을 그 이외의 공극 구조(공극수로 포화된 공극과 규사 입자)와 구분되게 함으로써 공극수가 scCO2로 대체된 면적에 대한 정량적 분석을 가능하게 하였다.
- 실제 CO2 지중저장에서 중요한 운영 조건인 주입 유량의 영향을 파악하기 위한 주입실험의 결과는 유량이 증가함에 따라 최대 대체 면적비가 감소하는 것으로 나타났으며, 대체 면적비가 더 이상 증가하지 않는 평형상태에 도달하는데 걸리는 시간은 점차 짧아지는 것으로 관찰되었다. 또 다른 운영 조건인 주입 방식의 영향을 규명하기 위하여 scCO2를 연속식과 펄스식으로 주입한 실험결과의 비교에서, 펄스식 주입은 비교적 안정적인 확산과정이 진행되어 매우 높은 최대 대체 면적비를 나타낸 것에 비하여, 연속식 주입의 경우에는 핑거링과 선택적 흐름 경로가 발생하여 상대적으로 낮은 최대 대체 면적비를 나타내었다.
- 이는 공극수의 염도가 높을수록 CO2의 용해량이 감소하여 규사 입자 표면이 상대적으로 강한 친수성을 나타내기 때문으로 판단된다. 실제 CO2 지중저장에서 중요한 운영 조건인 주입 유량의 영향을 파악하기 위한 주입실험의 결과는 유량이 증가함에 따라 최대 대체 면적비가 감소하는 것으로 나타났으며, 대체 면적비가 더 이상 증가하지 않는 평형상태에 도달하는데 걸리는 시간은 점차 짧아지는 것으로 관찰되었다. 또 다른 운영 조건인 주입 방식의 영향을 규명하기 위하여 scCO2를 연속식과 펄스식으로 주입한 실험결과의 비교에서, 펄스식 주입은 비교적 안정적인 확산과정이 진행되어 매우 높은 최대 대체 면적비를 나타낸 것에 비하여, 연속식 주입의 경우에는 핑거링과 선택적 흐름 경로가 발생하여 상대적으로 낮은 최대 대체 면적비를 나타내었다.
- 주입 환경이 마이크로모델 내부로 주입된 scCO2의 공극수 대체 과정에 미치는 영향을 규명하기 위하여 다양한 압력 및 온도 조건에서 수행된 scCO2 주입 실험의 결과에 따르면, 압력 또는 온도 조건이 증가할수록 대체 과정이 완료된 이후의 최대 대체 면적비가 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 각각 압력의 증가에 따른 규사입자 표면의 친수성 감소와 온도의 증가에 따른 CO2의 점성도 감소가 원인으로 판단된다.
후속연구
- 이는 연속식 주입의 경우, 지속적으로 공급되는 주입압이 상대적으로 흐름이 용이한 공극 구조에 집중되어 핑거링과 이에 따른 선택적 흐름 경로가 비교적 용이하게 형성되는데 반하여, 펄스식 주입의 경우에는 주입압의 공급이 반복적으로 중단되어, 이 기간 동안 scCO2의 응집력으로 인한 순간적인 역행 흐름이 발생하는 동시에 특정 공극 구조에 집중되었던 주입압이 주변으로 분산됨으로써 핑거링이 억제되고 보다 안정적인 확산을 유도하는 것이 원인일 것으로 추정된다. 그러나 펄스식 주입 방식이 확산 기작에 미치는 영향에 대한 보다 정확한 평가와 원인 규명이 이루어지기 위해서는 추가의 실험을 통한 자료의 축적과 정밀한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 고압실험에 수반되는 제약 조건들로 인해 마이크로모델이 실제 지층의 공극구조와 비교하여 상대적으로 작은 규모로 제작됨으로써 마이크로모델 내벽 부근에서의 흐름 유도 및 교란 현상이 실험의 결과에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 이러한 실험 결과는 다양한 환경적 요인과, 주입 조건의 차이가 이산화탄소 지중저장의 주입성과 대체 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 효율적이고 안정적인 이산화탄소 지중저장을 위해서는 주입환경이나 조건과 관련된 다양한 요소들에 대한 영향이 필수적으로 고려되어야 한다는 점을 시사한다.
- 본 연구에서 사용된 마이크로모델은 다공성 매체 내로 주입된 scCO2가 공극수를 대체하는 현상을 시각적 관찰을 통하여 정량적으로 분석하기 위하여 비교적 균질한 규사 입자를 사용하여 제작됨에 따라 비균질성의 실제 주입지층 모의에는 뚜렷한 한계를 가진다. 또한 고압실험에 수반되는 제약 조건들로 인해 마이크로모델이 실제 지층의 공극구조와 비교하여 상대적으로 작은 규모로 제작됨으로써 마이크로모델 내벽 부근에서의 흐름 유도 및 교란 현상이 실험의 결과에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 이러한 실험 결과는 다양한 환경적 요인과, 주입 조건의 차이가 이산화탄소 지중저장의 주입성과 대체 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 효율적이고 안정적인 이산화탄소 지중저장을 위해서는 주입환경이나 조건과 관련된 다양한 요소들에 대한 영향이 필수적으로 고려되어야 한다는 점을 시사한다.
- 본 연구에서 사용된 마이크로모델은 다공성 매체 내로 주입된 scCO2가 공극수를 대체하는 현상을 시각적 관찰을 통하여 정량적으로 분석하기 위하여 비교적 균질한 규사 입자를 사용하여 제작됨에 따라 비균질성의 실제 주입지층 모의에는 뚜렷한 한계를 가진다. 또한 고압실험에 수반되는 제약 조건들로 인해 마이크로모델이 실제 지층의 공극구조와 비교하여 상대적으로 작은 규모로 제작됨으로써 마이크로모델 내벽 부근에서의 흐름 유도 및 교란 현상이 실험의 결과에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
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