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국내 이산화탄소 지중격리저장 실증실험 후보부지의 역학적 안정성 평가 기초해석
Geomechanical Stability Analysis of Potential Site for Domestic Pilot CCS Project 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.27 no.2, 2017년, pp.89 - 99  

김아람 (세종대학교 공과대학 에너지자 원공학과) ,  김형목 ,  김현우 (한국지질자원연구원 전략기술연구본부 심지층연구단) ,  신영재 (한국지질자원연구원 석유해저연구본부)

초록
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이산화탄소 지중저장 사업의 성공적인 수행을 위해서는 저장시스템의 안정성을 확보할 수 있는 대상 지층을 선정하고 현장 지질조건에 최적화된 주입 조건을 설계해야 한다. 본 연구에서는 국내 실증실험 대상 예상후보지의 하나인 장기분지의 지질구조를 바탕으로 2차원 간략해석모델을 구축하고 TOUGH-FLAC 연계해석기법을 사용하여 초기응력조건과 주입량이 이산화탄소 격리저장시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 기초해석 결과, 수직응력이 수평응력보다 우세한 정단층 응력조건에서 전단미끄러짐 가능성이 가장 높은 결과를 보였으며, 단위시간당 주입량을 달리하는 주입량 시나리오 해석에서는 주입량을 단계적으로 증가시켜 주입하는 경우가 공극압의 증가폭이 가장 크고 활동마찰계수를 이용한 전단미끄러짐 가능성 평가 결과에서도 가장 불리한 것으로 평가되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For a successful performance of Carbon Capture Sequestration (CCS) projects, appropriate injection conditions should be designed to be optimized for site specific geological conditions. In this study, we built a simple 2-dimensional analysis model, based on the geology of Jang-gi basin which is one ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 타당성 분석 결과에 기초하여 후보 부지 중 하나인 포항 장기분지를 대상으로 지구물리탐사, 탐사시추, 지표지질조사, 시추공 코어 분석, 물리검층, 지질 및 지층구조와 물성 모델링등의 연구 결과를 종합한 부지 특성화 연구가 수행 중에 있다(한국지질자원연구원, 2016). 본 연구는 포항 장기분지 실증실험 부지를 대상으로 한 2차원 해석모델을 구축하여 주입조건의 최적화를 위한 기초해석을 실시하고 현장 지질조건의 불확실성 및 주입 계획에 대한 시나리오 해석을 수행하는 내용으로 Fig. 1에 제시된 6단계의 주입성 예측과 주입효율 향상방안 도출을 위한 단계의 기초해석에 해당한다고 할 수 있다.
  • 본 연구에서는 국내 이산화탄소 격리저장 프로젝트 대상 부지의 현장 지층구조를 바탕으로 해석모델을 구축하고 해당 사업목표로 설정된 이산화탄소를 2년간 총 1만 톤을 주입하는 것을 모사하였다. 해석을 수행하는데 사용한 해석 모델은 Fig.
  • 본 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장 예상후보지 중 하나인 포항 장기분지를 대상으로 이산화탄소 주입에 따른 저장시스템의 역학적 안정성 평가에 관한 기초연구를 수행하였다. 현지 초기응력분포의 불확실성의 영향과 단위시간당 주입량 변화에 따라 공극압력의 변화량 정도와 모어응력원과 활동마찰계수를 이용한 전단미끄러짐 가능성을 예측함으로써 역학적 안정성을 평가하였다.
  • 5는 주입 이산화탄소의 유동 양상을 나타낸 것으로 주입 개시 약 1년 후 주변 단층에 도달하는 결과를 보였다. 본 연구에서는 저장시스템의 역학적 안정성 평가에 주안점을 두고 초기응력조건 및 주입량 시나리오가 미치는 영향을 중점적으로 평가하였다.
  • 이에 본 연구에서는 국내 실증실험 대상 후보부지의 현장 지질구조를 바탕으로 구축된 해석모델을 이용하여 1차 목표 주입량으로 설정된 총 1만톤의 이산화탄소주입계획에 대한 3가지 주입량 시나리오를 설정하고 격리저장시스템의 안정성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 해석에는 다양한 유사프로젝트에의 적용 실적이 있는 TOUGH-FLAC 연계해석(Rutqvist, 2011)을 사용하였으며, 격리저장시스템의 역학적 안정성은 활동 마찰계수(Mobilized friction coefficient)와 모어응력원(Mohr’s circle)을 이용하여 평가하였다.

가설 설정

  • 마찰각(friction angle)은 25°, 팽창각(dilationangle)은 20°로 가정하였다.
  • 암반 내부에는 임의의 방향의 균열이 존재하고 현재 응력 상태에서 가장 취약한 방향의 균열에서 전단미끄러짐이 발생하는 것으로 가정하였으며 이들 균열의 마찰각은 25°, 점착력은 없는 것으로 설정하였다.
  • 압력은 정수압 상태를 가정하였고, 온도 구배는 온도검층 결과에 따라 44°C/km로 설정하였다.
  • Table 3은 각각의 주입시나리오를 요약한 것으로 총 2년간의 누적 총 주입량은 1만 톤으로 동일하나, 단위시간당 주입량을 단계별로 증가하는 경우(Case 1), 단계적으로 감소시켜 주입하는 경우(Case 2) 및 일정한 주입량을 유지하며 주입하는 경우(Case 3)로 구성하였다. 이산화탄소 주입은 모두 등온주입 조건으로 가정하였으며 등방응력조건 하에서 해석을 수행하였다. 단위시간당 주입량을 달리하는 주입시나리오 해석에 따른 단위시간당 주입량 변화와 주입 지점에서의 공극압력 증가 해석결과를 Fig.
  • 주입지점 (x= 1,088 m)으로부터 가로방향으로 왼쪽 약 200 m 거리에는 70°의 고각도의 단층이 존재하고 있으며, 단층대 해석을 위해 단층대는 코어와 파쇄대가 존재하는 혼재된 투과-차폐구조(combined conduit-barrier)로 가정하였으며, 코어와 파쇄대의 폭은 각각 5 m로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이산화탄소 포집 및 저장기술이란 무엇인가? 이산화탄소 포집 및 저장기술은 이산화탄소를 대량발생원으로부터 포집한 후 압축 및 수송 과정을 거쳐 육상 또는 해양 지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정을 포함하는 기술을 의미한다. 현재 국내에서는 1만 톤급 이산화탄소 지중저장을 통한한반도 이산화탄소 지중저장 검증 및 핵심기술 확보를 목표로 Korea CCS 2020 사업(http://www.
Korea CCS 2020 사업의 목표는 무엇인가? 이산화탄소 포집 및 저장기술은 이산화탄소를 대량발생원으로부터 포집한 후 압축 및 수송 과정을 거쳐 육상 또는 해양 지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정을 포함하는 기술을 의미한다. 현재 국내에서는 1만 톤급 이산화탄소 지중저장을 통한한반도 이산화탄소 지중저장 검증 및 핵심기술 확보를 목표로 Korea CCS 2020 사업(http://www.kcrc.
TOUGH-FLAC 연계해석기법에서 TOUGH2와 FLAC3D는 각각 무엇을 계산해내는가? , 1999) 시뮬레이터와 유체 주입에 의한 암반 내 유효응력 및 역학적 변형을 모사하는 FLAC3D(Itasca Consulting Group, 2012)프로그램을순차적으로 반복 해석하는 기술이다(Rutqvist, 2011). TOUGH2에서 계산된 온도, 압력, 포화도 값과 같은 열-수리적 해석결과를 FLAC3D 내의 FISH 함수를 이용해 구축된 연계모듈을 통해 역학적 거동평가를 위한 응력-변형률을 계산한다. ECO2N 모듈은 물-이산화탄소-NaCl 성분의 거동 분석을 위한 TOUGH2의 상태방정식(Equation Of State) 중 하나로 10°C에서 110°C이하의 온도구간과 60 MPa 이하의 유체압력 범위의 CCS사업에 적용되어 왔으나 주입 이산화탄소의 기체-액체 상변화와 같은 복잡 거동을 고려하기 위해서는 ECO2M 모듈(Pruess et al.
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참고문헌 (23)

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  21. Rutqvist, J. (2011). Status of the TOUGH-FLAC simulator and recent applications related to coupled fluid flow and crustal deformations. Computers & Geosciences, 37(6), 739-750. 

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