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흐름 전위에 기초한 자연 전위 탐사법의 원리 및 활용
A Technical Review on Principles and Practices of Self-potential Method Based on Streaming Potential 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.21 no.4, 2018년, pp.231 - 243  

송서영 (세종대학교 에너지자원공학과) ,  남명진 (세종대학교 에너지자원공학과)

초록
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흐름 전위는 지하 공극 내 유체의 흐름에 의해 발생하는 자연 전위로 이러한 흐름 전위를 이용한 자연 전위 탐사는 유체 흐름 뿐만 아니라 지층 유체에 대한 정보도 파악할 수 있는 탐사법이다. 지하 매질과 유체 사이에 존재하는 전기 이중층과 같이 입자가 대전하고 있을 때 여러 원인에 의해 유체가 유동하여 발생하는 계면 동전기 현상 중 하나인 흐름 전위는, 발생 기작이 복잡하고 측정 전위 값이 비교적 작아 잡음에 취약하다는 어려움도 있지만 이를 이용한 자연전위 탐사는 인공적인 송신원이 없어 탐사가 용이할 뿐만 아니라 반복성도 좋기 때문에 지층 유체 모니터링 탐사에 적용이 확대되고 있다. 이 논문에서는 지금까지 흐름 전위의 발생 기작에 대한 연구와 지배 방정식들을 정리하여 설명한 뒤, 매질의 물리적 특성 변화에 따른 흐름 전위 반응 특성 및 다양한 국내외 유체 흐름 자연 전위 탐사의 사례 분석을 수행하였다. 이 기술보고에서는 흐름 전위에 대한 이해도를 높임과 동시에 적용 가능한 다양한 분야를 소개함으로써, 국내에서의 흐름 전위를 이용한 자연전위 탐사의 현장 적용 방안을 제시하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Streaming potential (SP) arises from fluid flow through effectively connected pores. From this potential, formation water information as well as fluid flow properties can be estimated. As micro particles being located in boundary between subsurface porous media and fluid are charged to form electric...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 흐름 전위의 발생 기작(mechanism)에 대하여 설명한 뒤 이에 해당하는 지배방정식을 수두의 변화, 유체 흐름 속도에 변화에 따라 정리하고 매질의 물리적 특성을 보여 주는 계수 변화에 따른 흐름 전위 발생에 대하여 설명하고자 한다. 또한 국내외 적용 사례 분석을 통한 흐름 전위 해석에서의 특징 및 한계점에 대하여 논하고 국내에서의 흐름 전위 적용을 통한 활용 가능성 및 발전 방향에 대하여 고찰함으로써 향후 흐름 전위 탐사에 대한 연구의 기초를 다지고자 한다. 이를 위하여 지열 저류층, 균열대와 싱크홀과 같은 지하 이상대, 석유저류층 및 환경 분야에서 흐름 전위가 적용된 사례에 대하여 분석하였다.
  • 지하 균열 및 싱크홀과 같은 이상체 탐지를 위해 흐름 전위 탐사 방법이 전기비저항 탐사 자료나 VLF-EM (very low frequency-electromagnetic) 탐사 자료 등과의 복합 해석 및 복합 역산 등을 적용한 사례들도 분석하고자 한다. 마지막으로 수리시설물에서의 누수나 이산화 탄소 지중 저장 시 누출 문제에 따른 모니터링 적용 가능성에 대해서도 살펴보고자 한다. 이 기술보고에서 수행한 분석이 향후 흐름 전위에 기초한 자연 전위 탐사에 대한 이해를 높이고 국내의 다양한 적용분야에서 자연 전위 탐사를 보다 활발히 적용할 수 있도록 하는 기초가 될 수 있기를 기대한다.
  • 본 연구에서는 흐름 전위의 발생 기작(mechanism)에 대하여 설명한 뒤 이에 해당하는 지배방정식을 수두의 변화, 유체 흐름 속도에 변화에 따라 정리하고 매질의 물리적 특성을 보여 주는 계수 변화에 따른 흐름 전위 발생에 대하여 설명하고자 한다. 또한 국내외 적용 사례 분석을 통한 흐름 전위 해석에서의 특징 및 한계점에 대하여 논하고 국내에서의 흐름 전위 적용을 통한 활용 가능성 및 발전 방향에 대하여 고찰함으로써 향후 흐름 전위 탐사에 대한 연구의 기초를 다지고자 한다.
  • 천부 지하수 유체 흐름에서 유체 압력(P)은 지하수 수두 (hydraulic head; h)의 함수로 나타낼 수 있다. 여기에서는 이에 기초하여 흐름 전위를 설명하는 이론에 대해서 알아본다.
  • 지열 저류층의 경우 유체 속도에 기초한 유한차분법(finite difference method, FDM)을 적용한 양수 등에 의한 흐름 전위 반응 분석하였다. 지하 균열 및 싱크홀과 같은 이상체 탐지를 위해 흐름 전위 탐사 방법이 전기비저항 탐사 자료나 VLF-EM (very low frequency-electromagnetic) 탐사 자료 등과의 복합 해석 및 복합 역산 등을 적용한 사례들도 분석하고자 한다. 마지막으로 수리시설물에서의 누수나 이산화 탄소 지중 저장 시 누출 문제에 따른 모니터링 적용 가능성에 대해서도 살펴보고자 한다.
  • 환경 분야에도 흐름 전위가 활용되고 있는데 이산화탄소 지중 저장 시 이산화탄소 누출 감지를 위한 모니터링 수치 실험 수행(Büsing et al., 2016)에 대하여 정리하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
흐름 전위란 무엇인가? 흐름 전위는 지하 공극 내 유체의 흐름에 의해 발생하는 자연 전위로 이러한 흐름 전위를 이용한 자연 전위 탐사는 유체 흐름 뿐만 아니라 지층 유체에 대한 정보도 파악할 수 있는 탐사법이다. 지하 매질과 유체 사이에 존재하는 전기 이중층과 같이 입자가 대전하고 있을 때 여러 원인에 의해 유체가 유동하여 발생하는 계면 동전기 현상 중 하나인 흐름 전위는, 발생 기작이 복잡하고 측정 전위 값이 비교적 작아 잡음에 취약하다는 어려움도 있지만 이를 이용한 자연전위 탐사는 인공적인 송신원이 없어 탐사가 용이할 뿐만 아니라 반복성도 좋기 때문에 지층 유체 모니터링 탐사에 적용이 확대되고 있다.
흐름 전위에 기초한 자연 전위 탐사가 다른 탐사와 복합해석을 하는 이유는? 흐름 전위에 기초한 자연 전위 탐사는 비교적 간편하고 탐사 비용이 적게 들면서도 유체 유동 특성을 잘 보여준다. 그러나 송신원이 없는 자연 발생적 전위라는 점에서 세기가 매우 작아 주변 잡음에 취약하며 매질 공극 내부 유체 포화 정도의 불확실성과 그에 따른 매질의 물리적 특성을 보여주는 계수 변화가 동반되어 실제 현장 탐사 자료 해석에 어려움이 있기 때문에 다른 탐사와의 복합 해석을 많이 하게 된다. 또한 유체 유동과 관련한 모니터링 탐사에 유용한 탐사 방법으로 이상체에 의한 신호의 세기 및 변화 양상에 따른 해석이 가능하다.
자연 전위 탐사와 함께 복합 탐사를 수행하는 방법은 무엇이 있는가? 일반적으로 자연 전위 탐사는 다른 탐사 방법과 함께 복합 탐사를 수행하는 경우가 많은데 전기비저항 탐사나 전자기 탐사와 같은 전자 탐사 외에 탄성파 탐사와 복합 탐사를 수행하는 방법(seismoelectric method) 또한 연구되고 있다(Russell et al., 1997; Frenkel, 2005).
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