초임계이산화탄소(scCO2) 주입압력 측정에 의한 장기분지 응회암과 이암의 scCO2 차폐능 평가 Evaluation of the Sealing Capacity of the Supercritical CO2 by the Measurement of Its Injection Pressure into the Tuff and the Mudstone in the Janggi Basin원문보기
본 연구에서는 국내 $CO_2$ 지중저장 후보지인 장기분지에서 덮개암층으로 대표되는 이암과 응회암 코아에 대하여, 초임계이산화탄소(supercritical $CO_2$; $scCO_2$) 초기 주입압력을 측정하고 90일 동안 지화학 반응 실험 결과에 근거하여 두 암석의 $scCO_2$ 차폐능(sealingcapacity)을 평가하였다. 장기분지 $CO_2$ 주입 예정부지 주변에서 수행한 대심도시추코아 중 깊이 800 m 이상 되는 이암과 응회암 코아를 대상으로 $scCO_2$ 초기 주입압력을 측정하였다. 스테인레스 강철로 제작한 고압셀(100 mL 용량)을 이용하여 지중저장 조건(100 bar, $50^{\circ}C$)에서 $scCO_2$-지하수-암석 반응을 실시하여 반응 전/후 광물 변화를 관찰하여 덮개암의 지화학적 안정성을 평가하였다. 덮개암에 대한 초기 $scCO_2$ 주입압력을 측정하기 위하여 원통형 스테인레스강철 고압셀 내부에 암석 코아를 고정시키고, 코아 상부와 하부의 압력 차이(100 - 300 bar)를 이용하여 증류수로 포화시킨 후, 고압셀 외부에 부착된 압력계를 이용하여 코아 내에 포화된 공극수압을 100 bar로 유지시켰다. 지중저장 현장에서 덮개암 내부로 $scCO_2$가 이동하는 경계조건을 모사하기 위하여 고압셀 출구를 $scCO_2$와 증류수로 채워진 대형 고압탱크(5 L 용량; 100 bar, $50^{\circ}C$ 유지)에 연결시켜, 고압셀에 고정된 암석 코아 공극 내로 침투하는 경우 지중저장 조건 하에서 일정량의 $scCO_2$가 코아를 통과할 수 있도록 하였다. 셀 입구에서는 코아의 공극수압인 100 bar보다 높게 유지시켜 $scCO_2$를 주입하되, 주입이 지속적으로 진행되기 시작하는 최소 주입압력($100bar+{\Delta}p$)을 암석에 대한 주입압력으로 측정하였다. 90일 반응 후 응회암과 이암의 큰 광물학적 변화는 없는 것으로 나타나 두 암석 모두 $scCO_2$ 주입 시 지화학적으로 안정한 것으로 나타났다. 응회암의 경우 공극수압과 $scCO_2$ 주입압력 차이(${\Delta}p$)가 15 bar에서 $scCO_2$의 내부 침투가 시작되어 20 bar 이후부터는 지속적인 $scCO_2$ 주입이 이루어졌다. 이암의 경우에는 ${\Delta}p$를 150 bar까지 증가시켜도 $scCO_2$가 주입되지 않아 응회암보다 $scCO_2$차폐효과가 약 10 배 높은 것으로 나타나, 장기분지에 $CO_2$ 주입 시 응회암보다는 이암층이 덮개암 역할을 할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 국내 $CO_2$ 지중저장 후보지인 장기분지에서 덮개암층으로 대표되는 이암과 응회암 코아에 대하여, 초임계이산화탄소(supercritical $CO_2$; $scCO_2$) 초기 주입압력을 측정하고 90일 동안 지화학 반응 실험 결과에 근거하여 두 암석의 $scCO_2$ 차폐능(sealing capacity)을 평가하였다. 장기분지 $CO_2$ 주입 예정부지 주변에서 수행한 대심도시추코아 중 깊이 800 m 이상 되는 이암과 응회암 코아를 대상으로 $scCO_2$ 초기 주입압력을 측정하였다. 스테인레스 강철로 제작한 고압셀(100 mL 용량)을 이용하여 지중저장 조건(100 bar, $50^{\circ}C$)에서 $scCO_2$-지하수-암석 반응을 실시하여 반응 전/후 광물 변화를 관찰하여 덮개암의 지화학적 안정성을 평가하였다. 덮개암에 대한 초기 $scCO_2$ 주입압력을 측정하기 위하여 원통형 스테인레스강철 고압셀 내부에 암석 코아를 고정시키고, 코아 상부와 하부의 압력 차이(100 - 300 bar)를 이용하여 증류수로 포화시킨 후, 고압셀 외부에 부착된 압력계를 이용하여 코아 내에 포화된 공극수압을 100 bar로 유지시켰다. 지중저장 현장에서 덮개암 내부로 $scCO_2$가 이동하는 경계조건을 모사하기 위하여 고압셀 출구를 $scCO_2$와 증류수로 채워진 대형 고압탱크(5 L 용량; 100 bar, $50^{\circ}C$ 유지)에 연결시켜, 고압셀에 고정된 암석 코아 공극 내로 침투하는 경우 지중저장 조건 하에서 일정량의 $scCO_2$가 코아를 통과할 수 있도록 하였다. 셀 입구에서는 코아의 공극수압인 100 bar보다 높게 유지시켜 $scCO_2$를 주입하되, 주입이 지속적으로 진행되기 시작하는 최소 주입압력($100bar+{\Delta}p$)을 암석에 대한 주입압력으로 측정하였다. 90일 반응 후 응회암과 이암의 큰 광물학적 변화는 없는 것으로 나타나 두 암석 모두 $scCO_2$ 주입 시 지화학적으로 안정한 것으로 나타났다. 응회암의 경우 공극수압과 $scCO_2$ 주입압력 차이(${\Delta}p$)가 15 bar에서 $scCO_2$의 내부 침투가 시작되어 20 bar 이후부터는 지속적인 $scCO_2$ 주입이 이루어졌다. 이암의 경우에는 ${\Delta}p$를 150 bar까지 증가시켜도 $scCO_2$가 주입되지 않아 응회암보다 $scCO_2$ 차폐효과가 약 10 배 높은 것으로 나타나, 장기분지에 $CO_2$ 주입 시 응회암보다는 이암층이 덮개암 역할을 할 것으로 판단되었다.
The laboratory scale experiment was performed to evaluate the sealing capacity of the capping rock such as tuff and mudstone, measuring the intial supercritical $CO_2$ ($scCO_2$) injection pressure and the $scCO_2$-water-rock reaction for 90 days. The drilling cores ...
The laboratory scale experiment was performed to evaluate the sealing capacity of the capping rock such as tuff and mudstone, measuring the intial supercritical $CO_2$ ($scCO_2$) injection pressure and the $scCO_2$-water-rock reaction for 90 days. The drilling cores sampled from 800 m in depth around the Janggi basin, Korea were used for the experiment. The mineralogical changes of mudstone and tuff were measured to evaluate the geochemical stability during the $scCO_2$-water-rock reaction at $CO_2$ storage condition (100 bar and $50^{\circ}C$). The rock core was fixed in the high pressurized stainless steel cell and was saturated with distilled water at 100 bar of pore water pressure. The effluent of the cell was connected to the large tank filled with 3 L of water and 2 L of $scCO_2$ at 100 bar, simulating the subsurface injection condition. The $scCO_2$ injection pressure, which was higher than 100 bar, was controlled at the influent port of the cell until the $scCO_2$ begin to penetrate into the rock and the initial injection pressure (> 100 bar) of $scCO_2$ into the rock was measured for each rock. The mineralogical compositions of mudstones after 90 days reaction were similar to those before the reaction, suggesting that the mudstone in the Janggi basin has remained relatively stable for the $scCO_2$ involved geochemical reaction. The initial $scCO_2$ injection pressure (${\Delta}P$) of a tuff in the Janggi basin was 15 bar and the continuous $scCO_2$ injection into the tuff core occurred at higher than 20 bar of injection pressure. For the mudstone in the Janggi basin, the initial $scCO_2$ injection pressure was higher than 150 bar (10 times higher than that of the tuff). From the results, the mudstone in Janggi basin was more suitable than the tuff to shield the $scCO_2$ leakage from the reservoir rock at subsurface.
The laboratory scale experiment was performed to evaluate the sealing capacity of the capping rock such as tuff and mudstone, measuring the intial supercritical $CO_2$ ($scCO_2$) injection pressure and the $scCO_2$-water-rock reaction for 90 days. The drilling cores sampled from 800 m in depth around the Janggi basin, Korea were used for the experiment. The mineralogical changes of mudstone and tuff were measured to evaluate the geochemical stability during the $scCO_2$-water-rock reaction at $CO_2$ storage condition (100 bar and $50^{\circ}C$). The rock core was fixed in the high pressurized stainless steel cell and was saturated with distilled water at 100 bar of pore water pressure. The effluent of the cell was connected to the large tank filled with 3 L of water and 2 L of $scCO_2$ at 100 bar, simulating the subsurface injection condition. The $scCO_2$ injection pressure, which was higher than 100 bar, was controlled at the influent port of the cell until the $scCO_2$ begin to penetrate into the rock and the initial injection pressure (> 100 bar) of $scCO_2$ into the rock was measured for each rock. The mineralogical compositions of mudstones after 90 days reaction were similar to those before the reaction, suggesting that the mudstone in the Janggi basin has remained relatively stable for the $scCO_2$ involved geochemical reaction. The initial $scCO_2$ injection pressure (${\Delta}P$) of a tuff in the Janggi basin was 15 bar and the continuous $scCO_2$ injection into the tuff core occurred at higher than 20 bar of injection pressure. For the mudstone in the Janggi basin, the initial $scCO_2$ injection pressure was higher than 150 bar (10 times higher than that of the tuff). From the results, the mudstone in Janggi basin was more suitable than the tuff to shield the $scCO_2$ leakage from the reservoir rock at subsurface.
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문제 정의
반응 후 3일, 5일, 10일, 30일, 60일, 90일 간격으로 고압셀로부터 이암시료와 지하수를 회수하였으며, 지하수 시료는 pH 측정기(pH/Ion S220, Mettler Toledo)를 이용하여 반응 전후 지하수 용액의 pH를 측정하고, ICP/AES (Inductively Coupled Plasma/Atomic Emission Spectrometer; Optima 7300V, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 주요 양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Si4+)의 농도와 IC(Ion Chromatography; ICS-1000, Dionex, USA)를 이용하여 주요 음이온(Cl-, SO42-, NO2-, F-, NO3-, PO3-, Br-)의 농도를 분석하였다. 반응 후 이암시료는 자연 건조 후 XRD, XRF와 SEM-EDS를 이용하여 반응 후 일어나는 광물학적 변화를 관찰함으로서, scCO2 저장부지 덮개암인 이암의 지화학적 안정성을 평가하고자 하였다. 이암의 지화학 반응 실험과정은 Fig.
, 2015). 본 연구에서는 대심도 시추로부터 확보한 장기역암층상부 내 대표적 응회암과 이암코아를 대상으로 지중저장 온도-압력조건에서 scCO2가 암석코아 내에 주입되기 시작하는 초기 주입압력을 측정하여, 장기역암층에 scCO2를 주입하는 경우 두 암석층이 차폐암으로서 적합한지를 평가하였다. 본 연구에서 사용한 응회암과 이암코아를 채취한 대심도 시추지점(JG-4와 JG-6)주변 지질도는 Fig.
제안 방법
scCO2가 코아 내부로 최초 주입되는 초기 주입압력(Δp)이 결정되면 그 주입압력을 유지시켜 코아의 공극체적(pore volume)의 2배 이상 scCO2가 코아 내부로 주입되어 고압셀 출구로 안정적으로 배출되는 경우, 이 주입압력을 덮개암의 차폐를 위한 최소주입압력으로 결정하였다(위 과정을 장기분지 이암과 응회암 시추코아를 이용하여 반복 실험하여 덮개암의 물리적인 scCO2 차폐능을 평가함).
암석 코아 상하 절단면은 중앙에 작은 홈이 있는 원통형 강철실린더와 나사식 강철덮개로 고압셀에 고정되었으며, 작은 홈은 스테인리스 튜브에 의해 외부로 연결되어 2차 증류수(또는 scCO2)가 고압셀 내부로 유입되거나 유출되도록 하였다. 고압셀 주입부는 scCO2를 주입하는 유압식시린지 고압펌프와 책밸브(check-valve)로 연결되었고, 유출부는 유출압을 조절하는 고압유량계와 책밸브로 연결되었으며, 중간에 압력측정기를 설치하여 주입압과 유출압을 측정할 수 있도록 하였다. 실험 기간 동안 발열재킷으로 고압셀 외부를 피복하여 내부 온도를 50oC로 유지하여 주입된 CO2가 고압셀 내에서 scCO2 상태를 유지하도록 하였다.
고압셀 출구를 1 bar로 개방한 후, 입구에서 100 − 300 bar 압력으로 증류수를 주입하여 코아를 증류수로 포화시켰으며, 출구로 증류수가 유출되면 출구를 100 bar로 유지시키는 압력조절장치에 연결시켜 압력셀 주입압력과 유출압력이 100 bar를 유지하여 셀 내부 암석 코아의 공극압력이 100 bar가 되도록 하였다.
고압셀은 2중 벽으로 설계되었으며, 고압셀 내벽은 내열성 고무 튜브(두께 0.5 cm)로 만들어져 내벽과 외벽 사이는 고압으로 유지되는 물로 채워져 내벽 안과 밖의 압력 차이(100 − 200 bar)에 의해서 고압셀 내벽과 암석 코아 외벽 면이 밀착되도록 하였다(Fig. 4).
국내 CO2 지중저장 부지 선정을 위한 덮개암의 scCO2 차폐능을 평가하기 위하여, 지하 심부 장기분지이암과 응회암 코아를 대상으로 지중 저장조건에서 scCO2 초기 주입압력을 실험실에서 직접 측정한 결과와 scCO2-지하수-덮개암 반응 실험결과로부터 장기분지 이암과 응회암의 지화학적 안정성과 물리적인 차폐능을 평가하였다. 기존의 연구에서는 차폐암의 공극률, 투수율에 근거하여 차폐능을 평가하였으나, 본 연구에서는 실제 지중저장 조건에서 물로 포화되어 있는 덮개암의 지화학적 변화와 정량적인 초기 주입압력 측정결과에 근거하여 차폐능을 평가하였다는 점에서 의미가 크다.
덮개암의 scCO2 차폐능 실험 결과(3.2 부분 참조)로부터 장기분지의 경우 응회암보다는 이암의 물리적인 차폐능이 월등히 뛰어난 것으로 나타나, 장기분지 대심도 시추 장기4호공(이하 ‘JG-4’로 명명) 이암 코아 3종(JM4-1, JM4-2, JM4-3)에 대하여 주입된 scCO2 반응에 의한 덮개암의 지화학적/광물학적 변화를 측정하여, scCO2 반응에 의한 장기분지 이암의 지화학적 안정성을 평가하였다.
따라서 scCO2가 저장층인 장기분지 역암(또는 사암) 상부에 위치한 덮개암 경계면까지 상승하는 경우, 덮개암 내부의 공극수압을 초과하여 덮개암 내부로 침투하기 시작하는 scCO2 초기 주입압력을 실내 실험을 통하여 측정함으로써, 부력에 의한 덮개암 내 scCO2 침투가 진행되는 주입압력(Δp)에 근거하여 덮개암의 물리적인 차폐능을 평가하는 실내실험을 수행하였다.
단순한 투수계수 측정이나 덮개암석을 구성하는 입자의 입도분포 특성에 의해 덮개암의 차폐능을 평가하기보다는, 실제 덮개암에 자유상의 scCO2가 주입하는 주입특성과 주입압력을 측정한 결과에 의하여 평가하는 것이 바람직하다. 따라서 본 연구에서는 국내 장기분지 내에서 대심도 시추로부터 채취한 이암과 응회암 코아를 대상으로, 저장층에 주입된 scCO2가 부력에 의해 상부로 이동하여 덮개암층에 도달한 경우, 경계부에서 scCO2 주입압에 의해 덮개암 공극 내에 주입되어 공극수를 대체하는 최초 scCO2 주입압력을 측정하여, 장기분지 저장층으로 판단되는 장기분지 역암과 사암의 주입압력과 비교한 결과로부터 덮개암의 차폐능력을 평가하였다. 본 연구 결과는 실험실 규모이기는 하나, 국내장기분지가 CO2 지중저장부지로 선정되어 지하심부에 존재하는 사암과 역암층을 대상으로 대규모 scCO2 주입이 이루어지는 경우, 저장된 scCO2의 지표 누출을 저지할 수 있는 덮개암으로서 이암과 응회암의 scCO2 차폐능을 정량적으로 평가하여 저장부지 누출안전성을 평가하는데 활용 할 수 있다.
반응 후 3일, 5일, 10일, 30일, 60일, 90일 간격으로 고압셀로부터 이암시료와 지하수를 회수하였으며, 지하수 시료는 pH 측정기(pH/Ion S220, Mettler Toledo)를 이용하여 반응 전후 지하수 용액의 pH를 측정하고, ICP/AES (Inductively Coupled Plasma/Atomic Emission Spectrometer; Optima 7300V, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 주요 양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Si4+)의 농도와 IC(Ion Chromatography; ICS-1000, Dionex, USA)를 이용하여 주요 음이온(Cl-, SO42-, NO2-, F-, NO3-, PO3-, Br-)의 농도를 분석하였다.
테프론으로 코팅된 고압셀 내부에 지하수 60 mL와 분말의 이암시료 6 g을 넣고 밀페한 후, 고압펌프(Isco-D260, TELEDYNE ISCO, USA)와 역압력조절기(BPR-6000, Hiflux, USA)를 이용하여 고압셀 내부 빈 공간에 액체상 이산화탄소를 주입하고 고압셀 내부 압력을 100 bar로 유지하였다. 발열 재킷(Heating jacket, Iwoo Scientific Corp., Korea)으로 고압셀 외부를 피복시켜 내부 온도를 50oC에서 안정화시키면서 주입된 이산화탄소가 초임계상으로 변화할 수 있도록 실험 조건을 유지하였다. 이후 고압셀을 고압펌프로부터 분리하고 내부온도가 50oC로 고정된 오븐에 안치하여 최대 90일 간 반응시켜 심부 대수층에 주입된 scCO2-지하수-이암 반응을 모사하였다.
본 연구에서는 먼저 차폐암 후보인 장기분지 이암과 응회암의 광물학적 특성을 규명하기 위해 SEM/EDS(Scanning Electron Microscope/Energy Dispersive X-Ray Spectrometer; VEGA II LSU, Tescan, Czech), XRD (X-Ray Diffractometer; X'Pert-MPD, Philips, Netherland), XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometer; XRF-1800, Shimadzu, Japan) 분석을 실시하여 두 암석의 주 광물과 화학적 성분 분석을 실시하였다.
대심도 시추 장기6호공(이하 ‘JG-6’로 명명)으로부터 회수한 세 종류의 이암 코아(JM6-1, JM6-2, JM6-3)와 응회암 코아(JT6-1)를 사용하였다. 세 종류의 이암 코아에 대하여 공극률, 투수율, 평균 공극 크기 등 주입압력에 영향을 줄 수 있는 물성을 측정하였다.
2 부분 참조)로부터 장기분지의 경우 응회암보다는 이암의 물리적인 차폐능이 월등히 뛰어난 것으로 나타나, 장기분지 대심도 시추 장기4호공(이하 ‘JG-4’로 명명) 이암 코아 3종(JM4-1, JM4-2, JM4-3)에 대하여 주입된 scCO2 반응에 의한 덮개암의 지화학적/광물학적 변화를 측정하여, scCO2 반응에 의한 장기분지 이암의 지화학적 안정성을 평가하였다. 스테인레스강철 고압셀(100 mL 용량)을 사용하여 지중저장 조건(100 bar, 50oC)에서 scCO2-지하수-이암 반응에 의한 지화학적/광물학적 변화를 반응시간 별로 측정하였다. 테프론으로 코팅된 고압셀 내부에 지하수 60 mL와 분말의 이암시료 6 g을 넣고 밀페한 후, 고압펌프(Isco-D260, TELEDYNE ISCO, USA)와 역압력조절기(BPR-6000, Hiflux, USA)를 이용하여 고압셀 내부 빈 공간에 액체상 이산화탄소를 주입하고 고압셀 내부 압력을 100 bar로 유지하였다.
고압셀 주입부는 scCO2를 주입하는 유압식시린지 고압펌프와 책밸브(check-valve)로 연결되었고, 유출부는 유출압을 조절하는 고압유량계와 책밸브로 연결되었으며, 중간에 압력측정기를 설치하여 주입압과 유출압을 측정할 수 있도록 하였다. 실험 기간 동안 발열재킷으로 고압셀 외부를 피복하여 내부 온도를 50oC로 유지하여 주입된 CO2가 고압셀 내에서 scCO2 상태를 유지하도록 하였다.
, Korea)으로 고압셀 외부를 피복시켜 내부 온도를 50oC에서 안정화시키면서 주입된 이산화탄소가 초임계상으로 변화할 수 있도록 실험 조건을 유지하였다. 이후 고압셀을 고압펌프로부터 분리하고 내부온도가 50oC로 고정된 오븐에 안치하여 최대 90일 간 반응시켜 심부 대수층에 주입된 scCO2-지하수-이암 반응을 모사하였다. 반응 후 3일, 5일, 10일, 30일, 60일, 90일 간격으로 고압셀로부터 이암시료와 지하수를 회수하였으며, 지하수 시료는 pH 측정기(pH/Ion S220, Mettler Toledo)를 이용하여 반응 전후 지하수 용액의 pH를 측정하고, ICP/AES (Inductively Coupled Plasma/Atomic Emission Spectrometer; Optima 7300V, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 주요 양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Si4+)의 농도와 IC(Ion Chromatography; ICS-1000, Dionex, USA)를 이용하여 주요 음이온(Cl-, SO42-, NO2-, F-, NO3-, PO3-, Br-)의 농도를 분석하였다.
스테인레스강철 고압셀(100 mL 용량)을 사용하여 지중저장 조건(100 bar, 50oC)에서 scCO2-지하수-이암 반응에 의한 지화학적/광물학적 변화를 반응시간 별로 측정하였다. 테프론으로 코팅된 고압셀 내부에 지하수 60 mL와 분말의 이암시료 6 g을 넣고 밀페한 후, 고압펌프(Isco-D260, TELEDYNE ISCO, USA)와 역압력조절기(BPR-6000, Hiflux, USA)를 이용하여 고압셀 내부 빈 공간에 액체상 이산화탄소를 주입하고 고압셀 내부 압력을 100 bar로 유지하였다. 발열 재킷(Heating jacket, Iwoo Scientific Corp.
현장의 scCO2 주입정과 떨어진 부분의 지하 경계조건을 모사하기 위해 셀 출구를 증류수 3 L와 scCO2로 채워져 있는 5 L 용량의 대형고압탱크(초기 내부압은 셀의 증류수 주입압과 동일하게 100 bar로 유지)에 연결시키고, 고압셀 내부로 증류수 대신 scCO2를 초기 내부 공극압력인 100 bar보다 높게 하여((100 bar + Δp) 암석 코아 주입면에 3일간 유지시켜 scCO2가 코아 내부로 주입되는 지를 측정하였다.
대상 데이터
대심도 시추 장기6호공(이하 ‘JG-6’로 명명)으로부터 회수한 세 종류의 이암 코아(JM6-1, JM6-2, JM6-3)와 응회암 코아(JT6-1)를 사용하였다.
두께가 1 cm 인 스테인리스 니켈-크롬강철로 제작된 고압셀(100 – 150 mL 암석코아 내장 가능)을 사용하였다.
본 연구에서는 대심도 시추로부터 확보한 장기역암층상부 내 대표적 응회암과 이암코아를 대상으로 지중저장 온도-압력조건에서 scCO2가 암석코아 내에 주입되기 시작하는 초기 주입압력을 측정하여, 장기역암층에 scCO2를 주입하는 경우 두 암석층이 차폐암으로서 적합한지를 평가하였다. 본 연구에서 사용한 응회암과 이암코아를 채취한 대심도 시추지점(JG-4와 JG-6)주변 지질도는 Fig. 2에 나타나있다.
따라서 scCO2가 저장층인 장기분지 역암(또는 사암) 상부에 위치한 덮개암 경계면까지 상승하는 경우, 덮개암 내부의 공극수압을 초과하여 덮개암 내부로 침투하기 시작하는 scCO2 초기 주입압력을 실내 실험을 통하여 측정함으로써, 부력에 의한 덮개암 내 scCO2 침투가 진행되는 주입압력(Δp)에 근거하여 덮개암의 물리적인 차폐능을 평가하는 실내실험을 수행하였다. 장기분지 주입 예정부지에서 대심도 시추(JG-6)로 확보한 대표적인 이암과 응회암 코아중에서 단열이나 균열이 없는 부분(JG6-188M(심도 822 m, 이암)과 JG6-190T(심도 832 m, 응회암))을 길이 5 cm 내외로 절단한 후 상온에서 48시간 이상 건조하여 실험에 사용하였다. 두께가 1 cm 인 스테인리스 니켈-크롬강철로 제작된 고압셀(100 – 150 mL 암석코아 내장 가능)을 사용하였다.
성능/효과
6), 이암과 응회암에서 산출되는 광물 종이 유사하게 나타났는데, 석영과 Na-장석의 피크가 높은 강도로 나타났고, 이보다 낮은 강도의 황철석, 점토광물(녹니석)의 피크들이 확인되었다. XRF 분석 결과(Table 1), 이암과 응회암을 구성하는 주 성분비도 비슷하여, 장기분지 이암과 응회암의 경우 입자의 물리적 특성은 상이하나 유사한 광물학적 특성을 가지는 것으로 나타났다.
장기분지 이암의 경우 Δp를 150 bar까지 증가시켜도 이암 내부로의 scCO2의 주입이 진행되지 않는 것으로 나타나, 역암층에 주입된 scCO2의 부력에 의한 상승 압력과 이암 공극압의 차이(Δp)가 150 bar이하인 경우 이암으로의 scCO2 침투가 거의 일어나지 않는 것으로 나타나, 장기분지 응회암보다 scCO2 차폐효과가 월등히 높았다. 실험 결과로부터 장기분지를 지중저장부지로 선정하여 scCO2를 지하 역암층에 주입하는 경우, 역암층 상부에 위치하는 응회암층보다는 이 암층이 주요 덮개암 역할을 담당하며, 이 경우 초기 내부 침투가 시작되는 공극압과 scCO2 주입압력차가 매우 커(150 bar), 저장암층 공극이나 지질구조적인 이동 경로(up-flow zone)을 따라 scCO2가 부력에 의하여 상승하여 이암 경계부에 도달하는 경우에 상당한 수준의 차폐효과를 유지할 것으로 판단된다.
실험에서 사용한 장기분지 이암과 응회암의 SEM분석 결과, 장기분지 이암은 펠라이트 조직을 가진 괴상의 불규칙적인 구조를 보이는 것이 특징이며(Fig. 5a, 5b와 5c), 응회암은 화산암질 결정(dacite) 조각과 부석으로 구성된 석기에, 1 cm 이하의 석영과 암편들로 구성되어 있었다(Fig. 5d). 이암과 응회암의 XRD 분석결과(Fig.
7b, 7d와 7f) XRD 주 구성광물(석영, 장석, 황철석과 점토광물(녹니석) 등)의 peak에 큰 차이가 없는 것으로 나타나, scCO2 반응에 의한 이암의 광물학적인 큰 변화(기존 광물의 전이나 2차 광물의 생성 등)는 거의 일어나지 않았다. 이러한 결과는 장기분지 저장암으로 사용될 수 있는 역암이나 사암의 경우 scCO2 주입 초기(수 개월 이내)에는 지화학 반응이 활발하게 일어나 암석의 물성변화를 일으킬 수 있다는 기존의 연구결과(Park et al., 2017)와는 다르게, 장기분지 덮개암으로서 이암은 저장층인 역암이나 사암보다 지화학적/광물학적으로 안정하다는 것을 나타내며, 따라서 장기분지 이암의 경우 scCO2 주입시 지화학적/광물학적 반응에 의한 물성 변화는 크지 않을 것으로 판단된다.
5d). 이암과 응회암의 XRD 분석결과(Fig. 6), 이암과 응회암에서 산출되는 광물 종이 유사하게 나타났는데, 석영과 Na-장석의 피크가 높은 강도로 나타났고, 이보다 낮은 강도의 황철석, 점토광물(녹니석)의 피크들이 확인되었다. XRF 분석 결과(Table 1), 이암과 응회암을 구성하는 주 성분비도 비슷하여, 장기분지 이암과 응회암의 경우 입자의 물리적 특성은 상이하나 유사한 광물학적 특성을 가지는 것으로 나타났다.
장기분지 이암의 경우 Δp를 150 bar까지 증가시켜도 이암 내부로의 scCO2의 주입이 진행되지 않는 것으로 나타나, 역암층에 주입된 scCO2의 부력에 의한 상승 압력과 이암 공극압의 차이(Δp)가 150 bar이하인 경우 이암으로의 scCO2 침투가 거의 일어나지 않는 것으로 나타나, 장기분지 응회암보다 scCO2 차폐효과가 월등히 높았다.
후속연구
본 연구 결과는 CO2 저장부지의 누출 안전성에 근거하여 저장부지를 선정하는데 매우 중요한 평가지표로 사용할 수 있으며, 단순히 누출 안전성뿐 아니라, 특정 주입부지에 대하여 차폐암의 물성적 파괴가 일어나지 않도록 적절한 scCO2 주입압력을 결정하는 데도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 실험 결과는 국내 최초로 장기분지 이암의 scCO2 차폐능을 실내 모사실험을 통해 정량적으로 검증하여 덮개암의 차폐능에 근거한 저장부지 주입안전성을 평가였다는데 큰 의미가 있으나, 암석 코아 규모의 실내 실험으로부터 도출된 결과로, 덮개암 층의 구조적 불균질 특성(예: 절리/단열, 단층 구조, 지층의 연결특성 등)을 반영하지 않아, 저장부지에서 scCO2 현장 주입을 계획하는 경우 누출안전성 확보를 위해 보다 scale-up된 규모의 차폐능 안전성 평가 실증 시험이나 누출안전성 광역 모델링에 의한 부지 검증이 반드시 필요하다.
기존의 연구에서는 차폐암의 공극률, 투수율에 근거하여 차폐능을 평가하였으나, 본 연구에서는 실제 지중저장 조건에서 물로 포화되어 있는 덮개암의 지화학적 변화와 정량적인 초기 주입압력 측정결과에 근거하여 차폐능을 평가하였다는 점에서 의미가 크다. 본 연구 결과는 CO2 저장부지의 누출 안전성에 근거하여 저장부지를 선정하는데 매우 중요한 평가지표로 사용할 수 있으며, 단순히 누출 안전성뿐 아니라, 특정 주입부지에 대하여 차폐암의 물성적 파괴가 일어나지 않도록 적절한 scCO2 주입압력을 결정하는 데도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 실험 결과는 국내 최초로 장기분지 이암의 scCO2 차폐능을 실내 모사실험을 통해 정량적으로 검증하여 덮개암의 차폐능에 근거한 저장부지 주입안전성을 평가였다는데 큰 의미가 있으나, 암석 코아 규모의 실내 실험으로부터 도출된 결과로, 덮개암 층의 구조적 불균질 특성(예: 절리/단열, 단층 구조, 지층의 연결특성 등)을 반영하지 않아, 저장부지에서 scCO2 현장 주입을 계획하는 경우 누출안전성 확보를 위해 보다 scale-up된 규모의 차폐능 안전성 평가 실증 시험이나 누출안전성 광역 모델링에 의한 부지 검증이 반드시 필요하다.
따라서 본 연구에서는 국내 장기분지 내에서 대심도 시추로부터 채취한 이암과 응회암 코아를 대상으로, 저장층에 주입된 scCO2가 부력에 의해 상부로 이동하여 덮개암층에 도달한 경우, 경계부에서 scCO2 주입압에 의해 덮개암 공극 내에 주입되어 공극수를 대체하는 최초 scCO2 주입압력을 측정하여, 장기분지 저장층으로 판단되는 장기분지 역암과 사암의 주입압력과 비교한 결과로부터 덮개암의 차폐능력을 평가하였다. 본 연구 결과는 실험실 규모이기는 하나, 국내장기분지가 CO2 지중저장부지로 선정되어 지하심부에 존재하는 사암과 역암층을 대상으로 대규모 scCO2 주입이 이루어지는 경우, 저장된 scCO2의 지표 누출을 저지할 수 있는 덮개암으로서 이암과 응회암의 scCO2 차폐능을 정량적으로 평가하여 저장부지 누출안전성을 평가하는데 활용 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2 저장 부지 선정에 영향을 미치는 요인은?
, 2016). CO2 저장 부지 선정을 위한 주요 인자로는 저장암의 저장량(storage capacity)과 누출 안전성(leakage safety) 등이 있으며, 저장량은 저장암의 체적, 지질 구조적 연장성, 공극률, 초임계이산화탄소(supercritical CO2: scCO2) 주입 시 지하수를 대체하여 공극 내 저장되는 scCO2 비율(대체저장효율)등에 영향을 받는다(Bachu et al., 2007; NETL, 2007; 2010; Smith et al.
저장암의 저장량에 영향을 미치는 것은?
, 2016). CO2 저장 부지 선정을 위한 주요 인자로는 저장암의 저장량(storage capacity)과 누출 안전성(leakage safety) 등이 있으며, 저장량은 저장암의 체적, 지질 구조적 연장성, 공극률, 초임계이산화탄소(supercritical CO2: scCO2) 주입 시 지하수를 대체하여 공극 내 저장되는 scCO2 비율(대체저장효율)등에 영향을 받는다(Bachu et al., 2007; NETL, 2007; 2010; Smith et al.
우리나라에서 이산화탄소 지중저장으로 적합한 지질은?
, 2015). 선행 연구 결과에 의하면 한반도의 지질구조상 지하에 존재하는 대규모 퇴적분지의 역암이나 사암층을 최적의 CO2 저장층으로 판단하여, 지하 800 – 1000 m에 분포하는 장기분지 기저역암층을 최적의 주입/저장 부지로 선정하고 부지 특성화 및 안전성 평가를 수행 중이다(Kim et al., 2016).
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