이산화탄소 지중저장을 위한 수리-역학 연동 해석 기술 개발 및 적용 - 슬라이프너 프로젝트 Development of Hydro-Mechanical Coupling Method for CO2 Sequestration and Its Application to Sleipner Project원문보기
세계 각국에서는 지구온난화 완화를 위한 이산화탄소 지중저장에 대한 관심이 높다. 본 연구에서는 이산화탄소 지중저장에 따른 수리-역학적 복합거동 해석을 위해 TOUGH2 와 FLAC3D 를 결합하고 이를 노르웨이 슬라이프너 프로젝트에 적용하였다. 수리-역학 해석에서는 공극압에 의한 현지응력의 변화를 고려하였으며 주입공 상부의 덮개암의 투수계수 변화에 따른 수리-역학적 영향을 분석하였다. 일정 속도로 이산화탄소를 주입하는 경우, 주입정에에서의 압력 및 포화도 변화, 암반에서의 포화도 변화, 시간과 위치에 따른 암반에서의 최대주응력 및 최소주응력의 변화, 주입 후 수직변위 및 수평변위의 변화를 파악할 수 있었다. 최대주응력은 주입초기에 빠르게 상승한 후 서서히 낮아지다가 초기 응력보다 높은 값으로 수렴하는 경향을 보였으며 최소주응력은 초기에 빠르게 증가하다가 초기값으로 복귀하는 경향을 보였다. 주입이 진행됨에 따라 지표에서는 융기가 점진적으로 발생하며 주입 후 2년이 경과한 시점에서 최대 15 mm 의 수직변위가 발생하였다. 덮개암의 투수계수를 $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$ 까지 변화시키면서 해석을 실시한 결과, 주입초기에는 투수계수에 반비례하여 주입공 압력과 지표면 융기가 증가하였다.
세계 각국에서는 지구온난화 완화를 위한 이산화탄소 지중저장에 대한 관심이 높다. 본 연구에서는 이산화탄소 지중저장에 따른 수리-역학적 복합거동 해석을 위해 TOUGH2 와 FLAC3D 를 결합하고 이를 노르웨이 슬라이프너 프로젝트에 적용하였다. 수리-역학 해석에서는 공극압에 의한 현지응력의 변화를 고려하였으며 주입공 상부의 덮개암의 투수계수 변화에 따른 수리-역학적 영향을 분석하였다. 일정 속도로 이산화탄소를 주입하는 경우, 주입정에에서의 압력 및 포화도 변화, 암반에서의 포화도 변화, 시간과 위치에 따른 암반에서의 최대주응력 및 최소주응력의 변화, 주입 후 수직변위 및 수평변위의 변화를 파악할 수 있었다. 최대주응력은 주입초기에 빠르게 상승한 후 서서히 낮아지다가 초기 응력보다 높은 값으로 수렴하는 경향을 보였으며 최소주응력은 초기에 빠르게 증가하다가 초기값으로 복귀하는 경향을 보였다. 주입이 진행됨에 따라 지표에서는 융기가 점진적으로 발생하며 주입 후 2년이 경과한 시점에서 최대 15 mm 의 수직변위가 발생하였다. 덮개암의 투수계수를 $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$ 까지 변화시키면서 해석을 실시한 결과, 주입초기에는 투수계수에 반비례하여 주입공 압력과 지표면 융기가 증가하였다.
$CO_2$ sequestration for alleviating global warming is a hot issue in the world. In this study, TOUGH2 and FLAC3D were combined for analyzing the hyro-mechanical coupling behaviors expected in $CO_2$ sequestration and applied it to Sleipner project carried out in Norway. In the...
$CO_2$ sequestration for alleviating global warming is a hot issue in the world. In this study, TOUGH2 and FLAC3D were combined for analyzing the hyro-mechanical coupling behaviors expected in $CO_2$ sequestration and applied it to Sleipner project carried out in Norway. In the analysis, the influence of pore pressure on in situ stress was considered and the influence of caprock permeability on hydro-mechanical behaviors was analyzed. In the condition of constant injection rate, pressure and saturation at the injection well, liquid and gas saturation in rock, major and minor stress variations with time and distance from the injection well, and horizontal and vertical displacements after injection could be investigated. The major principal stress was quickly increased in the early stage and then slowly decreased to a stable value, which was higher than the initial value. In contrast, the minor principal stress returned to initial value after some increase in the early stage. Surface upheaval was steadily increased and it was up to 15mm in 2 years after injection. When the caprock's permeability was changed from $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$, it was found that the injection well pressure and surface upheaval were inversely propotional to the permeability.
$CO_2$ sequestration for alleviating global warming is a hot issue in the world. In this study, TOUGH2 and FLAC3D were combined for analyzing the hyro-mechanical coupling behaviors expected in $CO_2$ sequestration and applied it to Sleipner project carried out in Norway. In the analysis, the influence of pore pressure on in situ stress was considered and the influence of caprock permeability on hydro-mechanical behaviors was analyzed. In the condition of constant injection rate, pressure and saturation at the injection well, liquid and gas saturation in rock, major and minor stress variations with time and distance from the injection well, and horizontal and vertical displacements after injection could be investigated. The major principal stress was quickly increased in the early stage and then slowly decreased to a stable value, which was higher than the initial value. In contrast, the minor principal stress returned to initial value after some increase in the early stage. Surface upheaval was steadily increased and it was up to 15mm in 2 years after injection. When the caprock's permeability was changed from $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$, it was found that the injection well pressure and surface upheaval were inversely propotional to the permeability.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 이산화탄소 지중 저장에 따르는 열-수리-역학적 복합거동 해석을 위해 TOUGH2와 FLAC을 결합한 해석 기법을 개발하여 이를 노르웨이에서 수행된 슬라이프너 프로젝트에 적용하였다. 본 연구에서는 FLAC3D-TOUGH2 를 이용한 HM 해석 기법을 개발하고 이를 실제 이산화탄소 주입 프로젝트에 적용함으로써 해석 기법의 적용성을 평가하고자 하였다. 향후 실제 현장에서 측정된 결과와의 비교 분석을 통한 검증의 사전 단계로 수행된 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 열-수리 해석에서 뛰어난 성능을 발휘하는 TOUGH2 코드와 역학 해석에서 효용성이 뛰어난 FLAC3D를 연계하여 사용함으로써 심지층 암반에서의 THM 연동 해석 기법을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 FLAC3D-TOUGH2 해석 기법에서는 포화도에 따른 매질의 열-수리-역학적 물성 변화를 고려할 수 있도록 작성되었다(권상기 등, 2015).
파리협정의 체결 이후 지구온난화의 방지를 위한 세계 각국의 노력이 경주되고 있는 현 시점에서 이산화탄소의 지중 저장 기술의 개발은 시급한 상황이다. 본 연구에서는 이산화탄소 지중 저장에 따르는 열-수리-역학적 복합거동 해석을 위해 TOUGH2와 FLAC을 결합한 해석 기법을 개발하여 이를 노르웨이에서 수행된 슬라이프너 프로젝트에 적용하였다. 본 연구에서는 FLAC3D-TOUGH2 를 이용한 HM 해석 기법을 개발하고 이를 실제 이산화탄소 주입 프로젝트에 적용함으로써 해석 기법의 적용성을 평가하고자 하였다.
국내 이산화탄소 지중 저장을 위한 다양한 연구가 수행되고 있으나 아직 구체적인 연구 성과 발표는 미미한 상황이다. 본 연구에서는 이산화탄소 지중 저장에 적용하기 위하여 TOUGH2와 FLAC을 연계한 THM 해석 기 법을 개발하고 이를 노르웨이 슬라이프너 프로젝트에 적용하여 다양한 조건에서의 덮개암의 안정성을 평가하고자 하였다.
세계 각국 연구진은 다양한 접근법을 사용하여 이산화탄소 지중 저장을 위한 THMC 해석을 수행하고 있다. 연구진들은 TOUGH2+FLAC(Rutqvist et al., 2010), STOMP+ABAQUS (Carroll, 2011), TOUGH2+CODE_ ASTER(Loschetter et al, 2012)와 같은 기개발된 코드들을 연계해서 사용함으로써 각 코드의 장점을 살리면서도 효율적인 THMC 해석 기법을 기발하고 다양한 분야에 적용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 국내에서는 이산화탄소 지중 저장을 위한 해외 연구 현황 조사 및 기술들이 소개되고 있다.
가설 설정
238 kg이 주입되는 것으로 가정하였다. 기존의 연구(Johnson et al., 2004)에서 사용된 지질 정보를 바탕으로 주입 저류층 상부에 30 m 두께의 사암층과 3 m 두께의 4개의 세일층이 교차로 존재하고 있으며 이들의 상부에는 약 30 m 두께의 cap rock이 존재하는 것으로 가정하였다. Fig.
Sayers(2006) 의 연구에서는 공극압의 변화가 수평응력 뿐 아니라 수직응력에도 영향을 준다는 것을 보였으며 이러한 경향은 모델링을 통해서도 나타났다(Herwanger and Horne, 2005, Sen and Settari, 2005). 본 연구에서는 공극압의 변화가 수평응력 뿐 아니라 수직응력에도 일정 정도의 영향을 주는 것으로 가정하고 해석을 실시하였다.
역학적 해석의 결과로 변화하는 공극률과 투수 계수의 변화는 TOUGH2의 입력값으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 주입되는 이산화탄소의 온도가 주입 지점 암반의 온도와 유사하다는 가정하에 열적 거동에 의한 영향은 고려하지는 않았으며 수리 해석의 결과에 따른 역학적 거동 변화를 중점적으로 관찰하기 위해 역학적 해석의 결과가 수리 해석에 피드백되는 과정은 생략하였다.
54e-4으로 설정하였다. 이산화탄소는 110 bar의 압력으로 초당 0.238 kg이 주입되는 것으로 가정하였다. 기존의 연구(Johnson et al.
격자망의 상부는 해저면으로 수심 100 m 해수에 의해 약 1 MPa의 압력이 작용하고 있는 것으로 모사하였으며 나머지 경계면에서는 변위구속을 시켰다. 초기 응력은 정수압 상태로 가정하였다.
제안 방법
64를 사용하였다. TOUGH2를 이용한 열-수리 해석에서 계산되는 공극압 변화를 파악하여 수직 및 수평응력을 수정한 후 역학 해석을 수행하였다. Fig.
TOUGH2을 이용한 해석을 통해 얻어진 압력, 온도, 포화도 자료는 추출하여 FLAC의 초기값으로 사용할 수 있도록 프로그램을 작성하였다. FLAC을 이용한 역학 해석을 통해 응력, 변위 변화를 계산하여 덮개암의 안정성을 평가할 수 있다.
주입공 주변을 조밀하게 구성하여 보다 상세한 거동을 볼 수 있도록 하였다. 수리-역학 모델링은 이산화탄소 주입 2년 동안의 변화에 대하여 수행하였다. 주입공은 지표면에서 1000 m 심도에 위치하며 모델격자망에서는 바닥에서 22 m 떨어진 지점에 위치하고 있다.
수평공으로 주입되는 이산화탄소의 주입에 따른 수리역학적 거동을 평가하기 위해 TOUGH2-FLAC을 이용한 2차원 해석을 실시하였다. 덮개암과 덮개암 아래에 위치하는 4개의 세일층의 투수계수는 3e-15 m2 로 설정하였다.
해석 영역은 가로 6 km, 세로 1022 m이며 총 1421개의 요소로 구성되어 있다. 주입공 주변을 조밀하게 구성하여 보다 상세한 거동을 볼 수 있도록 하였다. 수리-역학 모델링은 이산화탄소 주입 2년 동안의 변화에 대하여 수행하였다.
미국 Itasca 사에서 개발하였으며 자체 프로그래밍을 위한 FISH 기능을 가지 고 있다. 지하수 해석 및 간극 수압을 통한 유효응력 해석이 가능하며 유체 흐름을 고려한 수리-역학 연동해석 기능을 제공한다.
투수계수의 영향 덮개암의 투수계수에 따른 수리-역학적 거동 변화를 파악하기 위해 투수계수를 3e-15m2 ～3e-18m2 까지 변 화시키면서 해석을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
이산화탄소 지중 저장을 위한 세계 최초의 상용 프로젝트가 수행되고 있는 슬라이프너 부지는 노르웨이 북해 연안에서 250 km 떨어진 곳에 위치하며 사암과 세일층으로 구성되어 있다(Fig. 2). 1996년 이후 1000 m 심도에 위치한 사암층에 천공된 수평공을 통해 년 1백 만톤에 달하는 이산화탄소가 주입되었다.
이산화탄소의 이동 해석에 적합한 TOUGH2의 ECO2N 해석 모듈을 사용하였다. 초기조건으로는 온도 37oC, salt mass fraction(염분 질량비)은 0.
4는 해석에 사용된 격자망을 보여준다. 해석 영역은 가로 6 km, 세로 1022 m이며 총 1421개의 요소로 구성되어 있다. 주입공 주변을 조밀하게 구성하여 보다 상세한 거동을 볼 수 있도록 하였다.
이론/모형
본 연구에서는 열-수리 해석에서 뛰어난 성능을 발휘하는 TOUGH2 코드와 역학 해석에서 효용성이 뛰어난 FLAC3D를 연계하여 사용함으로써 심지층 암반에서의 THM 연동 해석 기법을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 FLAC3D-TOUGH2 해석 기법에서는 포화도에 따른 매질의 열-수리-역학적 물성 변화를 고려할 수 있도록 작성되었다(권상기 등, 2015). TOUGH2와 FLAC3D의 특성은 다음과 같다.
25%를 사용하였다. 상대 투수계수(Relative permeability)는 van Genuchten-Mualem 모델을 사용하였다(Pruss et al., 1999).
성능/효과
1. 주입 후 암반에서의 최대 주응력은 주입초기에 빠르게 상승한 후 서서히 낮아지다가 안정된 값으로 수렴하는 경향을 보인다. 최소 주응력은 초기에 빠르게 증가한 후 주입전 초기값으로 복귀하는 경향을 보인다.
2. 주입공에서는 이산화탄소 주입 초기에 빠르게 증가 하다가 46일 경과 후, 최대 14.5 MPa 정도의 압력이 발생한 후 시간에 따라 서서히 감소하는 경향을 보였다. 투수성이 낮은 세일층의 영향으로 압력의 변화 양상이 위치에 따라 약간의 차이를 보임을 알 수 있다.
3. 주입 초기에는 가스 포화도도 낮고 변화하는 구간의 폭도 비교적 적지만 시간이 경과함에 따라 변화 구간의 범위도 넓게 나타났다. 주입 후 시간의 경과함에 따라 상부 세일층의 영향이 뚜렷이 나타나며 이로 인해 가스 포화도는 불규칙한 양상을 보였다.
4. 상부 지표에서의 수직변위는 시간에 따라 증가하며 주입 후 2년이 경과한 시점에서 최대 15 mm의 수직 변위가 발생하였다. 수평변위는 수직변위에 비해 낮게 나타나며 주입 초기에 최댓값에 도달한 이후 서서히 감소하는 경향을 보였다.
5. 일정한 주입속도로 해석을 실시한 결과, 주입공에서의 압력이 최댓값에 도달한 이후 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 이산화탄소의 주입 속도를 일정하게 유지하기 위해서는 주입 초기에는 주입 압력이 빠르게 증가하다가 일정 시간이 경과한 후에는 주입 압력을 서서히 감소시켜야함을 의미한다.
6. 덮개암의 투수계수에 따른 수리-역학적 거동 변화를 파악하기 위해 투수계수를 3e-15 m2 ～3e-18 m2까지 변화시키면서 해석을 실시한 결과, 주입공에서의 압력은 덮개암의 투수계수에 반비례하였다.
7. 이산화탄소 주입 초기 지표면 변위는 덮개암의 투수 계수에 반비례하는 것으로 나타나지만 시간이 경과하면서 이산화탄소의 수직 및 수평 방향으로의 이동과 이에 따른 암반에서의 공극압, 응력 변화로 인해 지표면 변위의 순서가 바뀌는 것으로 나타났다.
상부 지표에서의 수직변위는 시간에 따라 증가하며 주입 후 2년이 경과한 시점에서 최대 15 mm의 수직 변위가 발생하였다. 수평변위는 수직변위에 비해 낮게 나타나며 주입 초기에 최댓값에 도달한 이후 서서히 감소하는 경향을 보였다.
주입 초기에는 가스 포화도도 낮고 변화하는 구간의 폭도 비교적 적지만 시간이 경과함에 따라 변화 구간의 범위도 넓게 나타났다. 주입 후 시간의 경과함에 따라 상부 세일층의 영향이 뚜렷이 나타나며 이로 인해 가스 포화도는 불규칙한 양상을 보였다.
주입공에서 가까운 지점에서는 수직변위가 초기에 발생한 이후 안정화되는 양상을 보여주지만 지표면에서는 변위가 누적되어 나타나며 시간의 경과에 따라 점진적으로 상승하는 것으로 나타난다. 주입공 직상부 지표에서는 주입 후 2년이 경과한 시점에서 10 mm 이상의 수직변위가 발생하는 것으로 나타났다. Fig.
후속연구
지하 공간의 개발 및 다양한 목적으로의 활용을 위해서는 지열, 지압, 지하수, 지화학적 영향을 고려한 암반 의 장기 거동을 예측하는 것이 필수적이다. 본 연구에서 개발된 THM 복합 거동 해석 기술개발은 이산화탄소 지중 저장 뿐 아니라 지열개발, 세일가스, 오일샌드, 가스하이드레이트, coal bed methane 개발, 방사성 폐기물 처분장, 고심도 지하 공간 개발, 지하 자원 개발, 압축공기 지중 저장, 지중 에너지 저장 등 장,단기 미래에 예상되는 대규모 사업에도 활용될 수 있을 것이다.
이는 주입된 이산화탄소가 수평 방향으로 이동하면서 발생하는 압력에 의한 영향으로 판단된다. 주입공에서 476 m 떨어진 지점에서의 수평 변위는 2년 경과한 시점까지 점진적으로 증가하는 양상을 보이지만 추후 이산화탄소의 주입에 따라 수평변위는 비슷한 양상으로 감소할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TOUGH2란?
- TOUGH2 : TOUGH2는 불포화 매질에서의 다상 (multiphase) 및 다성분(multicomponent) 유체 혼 합물의 다차원(multi-dimensional) 열-수리-화학 해석을 수행할 수 있는 코드로 미국 LBNL 에서 개발되어 전세계적으로 사용되고 있다. 다양한 종류의 EOS(Equation Of State) 모듈을 제공함으로써 유체의 특성과 조건에 맞는 해석을 수행할 수 있으며 미국 고준위 방사성 폐기물 처분장 프로젝트를 비롯하여 이산화탄소 지중 저장, 지열 개발 등에 널리 사용되고 있다.
지중 저장 방법이 선호되는 이유는?
일반적으로 이산화탄소는 회수 공정을 통하여 회수된 후 순수한 이산화탄소로 분리한 후 이를 가압시켜 농축하고 농축된 이산화탄소는 파이프라인이나 수송선을 통하여 저장소까지 이송된다. 수송된 이산화탄소는 해양, 지중, 지표에 저장될 수 있으나 해양저장은 해양 생태계를 교란시킬 수 있고 지표 저장은 이산화탄소를 고착화시킨 광물의 저장소 문제가 있다(박상도, 2009). 따라서 이산화탄소를 유･가스전, 대수층, 석탄층 등과 같은 지중 저장소에 강제적으로 주입하여 오랜 기간 동안 누출되지 않도록 가두어 두는 지중 저장 방법을 선호하고 있다.
우리나라의 감축 목표는 어떻게 되나?
5oC 이하까지 제한하기 위해 온실가스 감축만이 아니라 관련 기술 이전, 역량 배양, 투명성 등 포괄적인 노력을 요구하고 있다(환경부, 2016). 세계 7위의 온실가스 배출국인 우리나라의 감축 목표는 2030년 온실가스 배출 전망치인 8.5억톤 대비 37%에 해당하는 3.1억톤으로 향후 5년 단위로 파리협정 이행에 대한 점검을 실시할 계획으로 있다(권이균, 2016).
참고문헌 (24)
권상기, 이창수, 박승훈, 2015, Decovalex-2015 Task B2를 위한 THM 해석기법 개발 및 적용, 터널과 지하공간, Vol. 25, No. 6, pp. 556-567.
윤태섭, 정연종, 강동훈, 2016, 이산화탄소 지중저장 연구개발 현황, The magazine of the Korean Society of Civil Engineers, 64권, 1호.
환경부, 2016, 교토의정서 이후 신 기수체계 파리협정 길라잡이.
Addis, M. A., 1997, The stress-depletion response of reservoirs, SPE annual technical conference and exhibition, SPE38720, San Antonio, Texas, 5-8 October.
Alnes, H., Eiken, O., Nooner, S., Sasagawa, G., Stenvold, T., Zumberge,M.,2011, Results from Sleipner gravity monitoring:updated density and temperature distribution of the CO2 plume, Energy Procedia, Vol. 4, pp. 5504-5511.
Altmann, J.B., et al., 2010, Poroelastic effects in reservoir stress path, Int.J.of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 47, pp. 110-1113.
Altman, J. B., 2010, Poroelastic effects in reservoir modelling, Ph.D.Thesis.
Carroll, K. C., Nguyen, B. N., Fang, Y., Richmond, M. C., Murray, C. J., 2011, Coupling of STOMP and ABAQUS for Hydro-Geomechanical Modeling of Fluid Flow and Rock Deformation Associated with Subsurface CO2 Injection, American Geophysical Union, Fall Meeting 2011, abstract #H51G-1271.
Engelder, T. and Fisher, M. P., 1994, Influence of poroelastic behavior on the magnitude of minimum horizontal stress, Sh, in overpressured parts of sedimentary basin, Geology, Vol. 22, pp.949-952.
Herwanger, J. and Horne, S. 2005, Linking geomechanics and seismics:Stress effects on time-lapse multi-component seismic data, 67th Annual international meeting, EAGE, Expanded Abstracts.
IPCC, 2001, Climate Change 2001: the Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
Johnson, J. W., Nitao, J. J., Steefel, C. I., Knauss, K. G., 2001, Reactive transport modeling of geologic CO2 sequestration in saline aquifers: the influence of intra-aquifer shales and the relative effectiveness of structural, solubility, and mineral trapping during prograde and retrograde sequestration, Lawrence Livermore National Laboratory report, UCRL-JC-146932.
Loschetter, F. Smai, S. Sy, A. Burnol, A. Leynet, S. Lafortune and A. Thoraval, 2012, Simulatino of CO2 storage in coal seams: Coupling of TOUGH2 with the solver for mechanics CODE-ASTER(R), Proceedings, TOUGU symposium 2012.
Pruss, K., 2011, ECO2M:A TOUGH2 fluid property module for mixtures of water, NaCl, and CO2, including super-and sub-critical conditions, and phase change between liquid and gaseous CO2, Contact No:LBNL-4590E, LBNL, Berkeley, CA.
Pruss,K.,Oldenburg,C., Moridis,G.,1999, TOUGH2 user's guide, version 2.0, Earth science division, LBNL, Univ. of California.
Rutqvist J., Vasco, D. W., Myer, L., 2010, Coupled reservoir-geomechanical analysis of CO2 injection and ground deformations at In Salah Algeria, Int.J.of Greenhouse Gas Control, Vol. 4, pp. 225-30.
Vasco, D. W., Ferretti, A., Novali, F, 2008, Reservoir monitoring and characterization using satellite geodetic data:Interferometric systhetic aperture radar observations from the Krechba field, Algeria, Geophisics Vol. 73, WA113-122.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.