[논문]이산화탄소 지중저장 모델링: 저투수 이질협재층이 이산화탄소 거동에 미치는 영향

한아름; 김태희; 권이균; 구민호

doi:10.7857/jsge.2017.22.3.042

문제 정의

따라서 본 연구에서는 이산화탄소를 정압주입하여 위치, 크기가 다른 저투수층이 존재하는 저장층의 압력과 이산화탄소 저장량 변화에 대해 정량적으로 비교분석하고자 하였다.

가설 설정

2~108 mD의 넓은 범위를 보인다. 본 연구에서 이 데이터 값을 반영하여 사암으로 가정한 저장층의 공극률은 0.25, 수평 투과도는 60 mD로 설정하였으며, 수직 투과도는 수평방향의 1/2 값을 사용하여 이방성 저장층을 가정하였다. 저장층의 압력과 온도는 초임계상태의 이산화탄소 저장에 적합한 8.
본 연구에서는 이산화탄소 해상주입을 가정하여 크기가 1000 m × 1000 m × 20 m인 3차원 염대수층으로 설정하였다.
이산화탄소 주입을 모의하기 위해 20 m 두께의 저장층을 10개의 층(layer)으로 나눈 뒤 가장 아래 두개의 층(layer 1, 2) 4 m 구간에 주입정의 스크린을 설치하여 이산화탄소가 주입되는 것으로 가정하였다(Fig. 1). 이산화탄소의 주입압력과 주입 온도는 9.
저투수층의 크기는 case 2와 동일하게 설정하였으며, layer 5에 위치하는 것으로 가정하였다. 저투수층의 수평적인 위치에 따라 구분되는 3가지 모델, 즉 저장층 내에 저투수층이 없는 경우(case 3-1), 주입정이 저투수층 중앙 직하부에 위치한 경우(case 3-2), 주입정 위쪽으로 저투수층이 겹치지 않도록 옆으로 이동시킨 경우(case 3-3)를 가정하고 모의를 수행하였다(Fig. 2b).
셋째, 저장층 내에 저투수 이질협재층의 크기와 수직 위치가 고정되어있을 때 저투수층과 주입정의 상대적 수평거리에 따른 주입량 변화를 탐색하였다(case 3). 저투수층의 크기는 case 2와 동일하게 설정하였으며, layer 5에 위치하는 것으로 가정하였다. 저투수층의 수평적인 위치에 따라 구분되는 3가지 모델, 즉 저장층 내에 저투수층이 없는 경우(case 3-1), 주입정이 저투수층 중앙 직하부에 위치한 경우(case 3-2), 주입정 위쪽으로 저투수층이 겹치지 않도록 옆으로 이동시킨 경우(case 3-3)를 가정하고 모의를 수행하였다(Fig.

제안 방법

다상, 다성분의 유체 거동과 열 이동 수치모델이 가능한 TOUGH2 (Pruess et al., 1999)를 사용하여 이산화탄소 주입 모델링을 수행하였다. 심부 염대수층을 대상으로 주입 모델링을 실시하기 위해 water, brine, CO₂-rich phase 성분을 다루는 ECO2N 모듈(Pruess and Spycher, 2007)을 사용하였다.
저투수층의 넓이에 따른 변화양상을 살펴보기 위하여 저투수층이 없는 모델부터 한 변의 길이가 24 m, 40 m, 80 m, 200 m, 400 m, 600 m까지 총 7개 모델(case 1-1~1-7)에 대한 모의 결과를 분석하였다. 둘째, 저투수 이질협재층과 주입정의 수직거리 차이가 주입에 미치는 영향에 대한 분석을 위해 case 1과 동일한 모델과같이 정사각형의 저투수층으로 가정하고 수직 위치를 layer 8부터 layer 4까지 일정한 간격으로 이격시키면서(case 2-1~2-5) 모의를 수행하였다(Fig. 2a). 셋째, 저장층 내에 저투수 이질협재층의 크기와 수직 위치가 고정되어있을 때 저투수층과 주입정의 상대적 수평거리에 따른 주입량 변화를 탐색하였다(case 3).
본 연구에서는 이산화탄소 정압 주입 시 저장층 내 저투수층의 면적과 수평 및 수직적 위치에 따른 이산화탄소의 거동과 총 저장량, 저장층 내 압력 변화를 비교, 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 저투수 이질협재층의 면적 및 이산화탄소 주입정과의 상대적 위치에 따라 저장층 압력과 온도가상이하게 나타나는 것을 확인하였으며, 그에 따른 이산화탄소 주입량도 달라지는 것을 정량적으로 분석하였다. Szulczewski et al.
5 Mpa, 35^oC이며, 총 10년 동안 주입되도록 모의하였다. 이산화탄소 주입 중단 후에는 100년 동안 추가적인 모의를 수행하여 대수층에서의 이산화탄소 거동을 다음과 같이 분석하였다.
1). 이산화탄소의 주입압력과 주입 온도는 9.5 Mpa, 35^oC이며, 총 10년 동안 주입되도록 모의하였다. 이산화탄소 주입 중단 후에는 100년 동안 추가적인 모의를 수행하여 대수층에서의 이산화탄소 거동을 다음과 같이 분석하였다.
이질협재층의 수평 위치에 따른 저장층 내 이산화탄소 거동과 압력 변화를 비교해보았다. 먼저 저투수층이 주입정 직상부에 존재하는 경우(case 3-1) 이질협재층 직상부에 이산화탄소 거동이 미치지 못하는 영역이 존재하였으며 저장층 하부의 주입정 부근에서 이산화탄소 포화도가 저투수층이 없는 모델보다 감소하였다(Fig.
이질협재층이 존재하는 저장층에 이산화탄소 주입 시 이산화탄소의 저장량은 밀도와 투수율, 압력 등 여러 가지 영향을 복합적으로 받고 있지만 일정한 압력으로 고정된 주입정에서 이질협재층이 이산화탄소 주입량에 미치는 영향을 파악하기 위해 case 1~3 모델에서 이산화탄소 총 저장량과 저투수층 직하부 및 상부의 압력을 비교하였다. 이산화탄소 주입 종료 시점에서의 압력은 주입정과 가까운 이질협재층 직하부보다 저장층 최상부가 전체적으로 더 낮았다.
0 Mpa, 45^oC로 설정하였다. 저장층 내 교호하며 나타나는 이암은 공극률 0.05, 투과도 0.1 mD, 2 m 두께의 하나의 층으로 설정하였으며, 그 크기와 위치에 따른 저장층 압력 및 이산화탄소 주입량변화를 분석하기 위해 넓이 및 위치에 대한 민감도 분석을 실시하였다.
저투수층은 주입 정을 중심으로 정사각형으로 설정하고 두께는 2m로 고정하였다. 저투수층의 넓이에 따른 변화양상을 살펴보기 위하여 저투수층이 없는 모델부터 한 변의 길이가 24 m, 40 m, 80 m, 200 m, 400 m, 600 m까지 총 7개 모델(case 1-1~1-7)에 대한 모의 결과를 분석하였다. 둘째, 저투수 이질협재층과 주입정의 수직거리 차이가 주입에 미치는 영향에 대한 분석을 위해 case 1과 동일한 모델과같이 정사각형의 저투수층으로 가정하고 수직 위치를 layer 8부터 layer 4까지 일정한 간격으로 이격시키면서(case 2-1~2-5) 모의를 수행하였다(Fig.
주입기간 동안 저투수층 직하부에서의 이산화탄소의 압력변화를 살펴보았다(Fig. 9). 주입정 직상부에 저투수층이 위치하는 모델(case 3-1)이 저투수층이 없거나(case 1-1), 수평적으로 이격되어 위치하는(case 3-2) 모델보다 이산화탄소 주입 기간 동안 이산화탄소의 압력이 상대적으로 높게 유지되었다.
첫째, 이산화탄소 주입 시 저투수 이질협재층의 면적에 따른 이산화탄소 주입량과 저장층 내 압력 변화 비교를 위해 민감도 분석을 수행하였다(case 1). 저투수층은 주입 정을 중심으로 정사각형으로 설정하고 두께는 2m로 고정하였다.
개념모델 입력변수는 이산화탄소 저장층으로 유력한 포항분지의 데이터 값을 이용하였다. 포항분지 영일만에서 약 1 km 심도의 해상시추를 통해 약 700 m 이하의 깊이에서 초임계상태의 이산화탄소 조건이 만족되며 그 중 사암과 역암이 우세한 구간을 저장층으로 구분하였다. 이 구간 내에는 사암, 역암과 같은 조립질 입자와 함께 이암이 협재되어 나타나며, 이를 고려한 물성분석 값은 공극률 0.

대상 데이터

본 연구에서는 이산화탄소 해상주입을 가정하여 크기가 1000 m × 1000 m × 20 m인 3차원 염대수층으로 설정하였다. 모델의 격자는 주입정 부근을 세분화하여 주입정 지름인 30 cm부터 최대 200 m 크기까지 총 20,250개의 셀로 구성하였다.

이론/모형

, 1999)를 사용하여 이산화탄소 주입 모델링을 수행하였다. 심부 염대수층을 대상으로 주입 모델링을 실시하기 위해 water, brine, CO₂-rich phase 성분을 다루는 ECO2N 모듈(Pruess and Spycher, 2007)을 사용하였다.

성능/효과

case 3은 저투수층의 크기와 수직적 위치가 고정되어있을 때, 주입구간과의 수평적 이격이 이산화탄소 거동에 미치는 영향을 잘 보여준다. case 3-2에서는 저투수층이 주입된 이산화탄소가 저장층 상부로 거동하는 것을 완전히 차단하지 않기 때문에 하부에 잔류되는 이산화탄소보다 더 많은 양의 이산화탄소가 저장층 상부로 이동하였으며, 결과적으로 총 저장량이 case 3-1보다 크게 나타났다(Fig. 8).
저투수층이 주입정과 가까울수록 저장층 하부에 포화도가 낮은 영역이 더 넓고 저장층 내 이산화탄소가 미치지 못하는 공간도 더 크게 나타났다. 결과적으로 저투수층 위치가 상부에 가까워질수록 총 저장량이 증가하였다(Fig. 7). 저투수층이 없는 모델에서 10년 동안 이산화탄소의 총 주입량은 약 108만 톤이다.
둘째, 저투수 이질협재층의 면적을 동일하게 설정하고 주입정으로부터 수직거리를 점차 증가시킬 경우 주입정부근 이산화탄소 포화도가 높은 영역이 증가하였고 저투수층 상부 이산화탄소 거동이 나타나지 않는 공간 감소로 전체 주입량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그 증가율은 저투수층이 저장층 상부와 가까울수록 감소하지만 두께 20 m 내에서는 수직위치에 따른 주입량변화가 계속해서 일어나기 때문에 모든 위치에 따른 저장층이 꼭 고려되어야한다.
따라서 저투수층 면적이 가장 넓어 하부 포화도가 가장 큰 모델(case 1-7)에서 저수투층 직하부의 압력이 가장 높았으며, 저수투층 직상부(layer 6)에서는 앞력이 가장 낮아, 저투수층 상·하부 사이의 압력 차이가 가장 컸다(Fig. 4b).
이때 상부로 이동하지 못한 이산화탄소는 저장층 하부에 잔류되는데 저투수층의 면적이 넓을수록 잔류하는 시간과 포화도가 더 높게 나타났다. 따라서 저투수층의 면적이 증가할수록 저투수층 직 하부에서의 압력은 증가하고 이산화탄소 총 저장량은 감소하였다. 저투수층의 길이가 약 80 m 이상에서는 면적 증가에 따른 저장층 내 압력변화가 거의 없음에도 불구하고 이산화탄소 총 저장량이 감소하는 것은 저장층 상부로 이동하는 이산화탄소량이 감소하기 때문이다.
이산화탄소 주입 종료 시점에서의 압력은 주입정과 가까운 이질협재층 직하부보다 저장층 최상부가 전체적으로 더 낮았다. 먼저 저장층 최상부의 압력과 이산화탄소 총 저장량과의 관계를 분석한 결과 저장층 최상부의 압력이 증가할 수록 이산화탄소의 총 저장량이 증가하였다(Fig. 10a). 저투수층의 크기, 수직 및 수평 위치 중에서 저투수층의 크기 변화가 이산화탄소 압력변화가 가장 큰 영향을 주었으며, 저투수층의 수직 위치가 압력변화에 미치는 영향이 상대적으로 가장 작았다.
2a). 셋째, 저장층 내에 저투수 이질협재층의 크기와 수직 위치가 고정되어있을 때 저투수층과 주입정의 상대적 수평거리에 따른 주입량 변화를 탐색하였다(case 3). 저투수층의 크기는 case 2와 동일하게 설정하였으며, layer 5에 위치하는 것으로 가정하였다.
5). 이산화탄소 총 주입량은 저투수층의 길이 약 80 m까지는 10 m당 약 1.18~1.65% 정도 감소하였지만 80~200 m에는 약 0.5%, 그 이상의 길이에서는 약 0.04~0.18%로 저투수층의 면적이 넓어질수록 주입량이 감소하였으나 감소율은 점차 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 4b).
(2014)의 연구에 따르면 이산화탄소 주입에 의한 압력증가로 이산화탄소 저장 용량 및 거동이 제한된다. 이질협재층 직하부에서의 압력이 낮을수록 이산화탄소 총 저장량이 증가하는 것으로 나타났지만, 저장층 상부에서는 압력이 높을수록 총 저장량이 높아지는 상반된 결과를 보였다(Fig. 10). 저장층 상부의 압력이 낮을수록 이산화탄소 총 저장량이 낮은 이유는 저투수층에 의해 이산화탄소가 저장층 상부로 거동하지 못할수록 하부에 잔류되는 이산화탄소량은 증가하고 상부의 이산화탄소포화도는 낮아지기 때문이다.
저투수층의 크기, 수직 및 수평 위치 중에서 저투수층의 크기 변화가 이산화탄소 압력변화가 가장 큰 영향을 주었으며, 저투수층의 수직 위치가 압력변화에 미치는 영향이 상대적으로 가장 작았다. 이질협재층이 주입정으로부터 동일한 높이에 위치한 case 1과 case 3에서의 저투수층 직하부 압력과 총 저장량을 비교해본 결과, 저투수층 직하부의 압력이 증가할수록 이산화탄소 총 저장량이 감소하는 것으로 나타나(Fig. 10b), 저장층 최상부의 압력과는 상반된 결과를 보였다.
이암층이 사암, 역암층 사이에 교호되어 나타나는 분지에서 이산화탄소 저장효율을 높이기 위해서는 저투수층에 의해 이산화탄소가 하부에 잔류되는 것보다 저장층 상부로 더 많이 이동할 수 있는 위치에 주입정을 설치해야한다. 저투수층의 면적이나 위치가 이산화탄소 주입량에 미치는 영향은 그 크기가 작거나 주입정에 가까울 때 더 민감하게 반응하는 것을 확인하였다. 따라서 이질협재층에 대한 정확한 분석이 필요하며 그에 따른 주입량 평가가 이루어져야 한다.
10a). 저투수층의 크기, 수직 및 수평 위치 중에서 저투수층의 크기 변화가 이산화탄소 압력변화가 가장 큰 영향을 주었으며, 저투수층의 수직 위치가 압력변화에 미치는 영향이 상대적으로 가장 작았다. 이질협재층이 주입정으로부터 동일한 높이에 위치한 case 1과 case 3에서의 저투수층 직하부 압력과 총 저장량을 비교해본 결과, 저투수층 직하부의 압력이 증가할수록 이산화탄소 총 저장량이 감소하는 것으로 나타나(Fig.
저투수층이 존재할 경우의 이산화탄소 주입량은 case 2-1에서 −1.1%, case 2-5에서−8.3% 감소하여, 저투수층의 위치가 주입정의 스크린 구간에 가까울수록 주입량이 감소하는 경향이 잘 나타났다(Fig. 7).
6는 저장층 내 저투수층이 존재할 경우 저투수층과 주입정과의 수직 거리가 이산화탄소 포화도에 미치는 영향을 보여주는 모델 결과이다. 저투수층이 주입정과 가까울수록 저장층 하부에 포화도가 낮은 영역이 더 넓고 저장층 내 이산화탄소가 미치지 못하는 공간도 더 크게 나타났다. 결과적으로 저투수층 위치가 상부에 가까워질수록 총 저장량이 증가하였다(Fig.
첫째, 저장층 내 저투수 이질협재층의 면적을 증가시켰을 때 저투수층이 이산화탄소 거동을 방해하여 저장층 상부에 이산화탄소 포화도가 낮게 나타나는 영역의 크기가 나타났으며 이는 저투수층 면적과 비례한 것으로 확인되었다. 이때 상부로 이동하지 못한 이산화탄소는 저장층 하부에 잔류되는데 저투수층의 면적이 넓을수록 잔류하는 시간과 포화도가 더 높게 나타났다.
5). 하지만 80 m 이상의 범위에서도 저투수층의 크기가 증가할수록 저투수층 상부 구간의 이산화탄소포화도 차이가 발생하면서 총저장량이 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 저투수층이 주입구간으로부터 수직적으로 멀리 이격될수록 포화도가 높게 나타나는 저투수층 하부의 영역이 증가하여 총 저장량이 증가하였으며, 저투수층이 저장층의 상부경계와 가까워질수록 총 저장량의 증가율은 점차 감소하는 것으로 확인되었다(Fig.
하지만 80 m 이상의 범위에서도 저투수층의 크기가 증가할수록 저투수층 상부 구간의 이산화탄소포화도 차이가 발생하면서 총저장량이 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 저투수층이 주입구간으로부터 수직적으로 멀리 이격될수록 포화도가 높게 나타나는 저투수층 하부의 영역이 증가하여 총 저장량이 증가하였으며, 저투수층이 저장층의 상부경계와 가까워질수록 총 저장량의 증가율은 점차 감소하는 것으로 확인되었다(Fig. 7). 포항분지의 경우 저장층의 두께가 약 14 m까지 나타나는 것으로 확인되었는데(Choi et al.

후속연구

셋째, 이질협재층의 크기와 위치가 고정되어있는 실제 분지에서는 이산화탄소 주입량을 평가하기 위해 이산화탄소 주입정과 저투수층의 상대적인 수평거리에 대한 민감도 분석이 실시되어야 한다. 저투수층 중앙 직하부에 주입정이 존재하는 것보다 저투수층 옆으로 주입정이 위치했을 때 저장량이 더 증가했다.
7). 포항분지의 경우 저장층의 두께가 약 14 m까지 나타나는 것으로 확인되었는데(Choi et al., 2015), 본 연구에서 가정한 저장 층의 두께(20 m)보다 얇아 포항분지에서 저투수층의 수직 위치에 따른 저장량 평가는 추가적으로 수행되어야 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소 저장층 내 여러 개의 저투수 이질협재층이 존재하는 저장층에 이산화탄소를 주입하면 어떤 현상이 발생하는가?	, 2010). 이산화탄소 저장층 내 여러 개의 저투수 이질협재층이 존재하는 저장층의 경우에는 이산화탄소를 주입했을 때 많은 저투수층에 의해 이산화탄소 거동양상이 불규칙적으로 나타나며 저장층 상부의 이산화탄소 포화도가 감소하고 각 저투수층 아래에 잔류된 이산화탄소량이 증가하게 된다(Green and EnnisKing, 2010). 이전 연구들은 이산화탄소를 정량으로 주입하여 저장층 내 동일한 이산화탄소량에 대한 거동양상 및 저장메커니즘을 초점으로 모델링을 수행하였다.
	배출된 이산화탄소를 지중에 저장하는 방안을 가장 먼저 시작한 프로젝트는 무엇인가?	이산화탄소의 대기 중 농도는 1970년 이후 급속도로 발전한 산업에 따른 배출로 인해 급속도로 증가하고 있다(IPCC, 2014). 이에 따른 지구온난화를 해결하기 위한 한 방법으로 배출된 이산화탄소를 지중에 저장하는 방안이 제시되었으며 1996년 노르웨이의 Sleipner 프로젝트를 시작으로 현재 세계적으로 15개의 대규모 프로젝트가 진행 중이다(GCCSI, 2015).
	저투수 이질협재층이 존재하지 않는 저장층 내에서는 주입된 이산화탄소가 부력에 의해 저장층 상부로 상승할 때 어떤 현상이 일어나는가?	, 2006). 이때 이산화탄소 상승구간 내에 저투수 이질협재층이 존재할 경우 그 하부의 이산화탄소 잔류량이 증가하고 거동성이 현저히 떨어지는 수용액상의 이산화탄소량이 증가하게 된다(Han et al., 2010).

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

연합인증

이산화탄소 지중저장 모델링: 저투수 이질협재층이 이산화탄소 거동에 미치는 영향
Modeling Geologic Storage of Carbon Dioxide: Effects of Low-permeability Layer on Migration of CO2 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

이산화탄소 지중저장 모델링: 저투수 이질협재층이 이산화탄소 거동에 미치는 영향 Modeling Geologic Storage of Carbon Dioxide: Effects of Low-permeability Layer on Migration of CO2 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김태희 (16) 구민호 (30)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

이산화탄소 지중저장 모델링: 저투수 이질협재층이 이산화탄소 거동에 미치는 영향
Modeling Geologic Storage of Carbon Dioxide: Effects of Low-permeability Layer on Migration of CO2 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper