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문제 정의
- 본 연구에서는 투명한 유리판에 식각된 공극 구조로 이루어진 마이크로모델을 활용한 실험을 통하여 다공성 매체 내에서 일어나는 비혼성 유체 간 대체과정을 시각적으로 관찰하고, 관찰 결과에 대한 이미지 분석을 통하여 주입 유량에 따른 주입 유체(헥산)와 초기 포화 유체(탈이온수)의 거동 및 분포 양상과 대체 효율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 본 연구의 결과는 지하 환경의 오염 복원, 이산화탄소 지중저장, 석유회수증진 등공극 규모에서의 비혼성 대체 과정이 대수층 또는 저류층규모에서의 효율과 성패에 중요한 영향을 미치는 지중 프로젝트의 설계와 운영에 대한 기본적인 이해와 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 포화된 다공성 매체 내부로 비혼성의 유체가 주입되는 과정에서 주입 유량의 변화가 주입 유체의 거동과 초기 포화 유체의 잔류 특성 및 주입 유체의 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위하여 유리판에 공극 구조를 식각하여 제작된 투명한 마이크로모델을 이용한 관찰 실험을 수행하였다. 이미지 변환을 통해 관찰된 헥산의 주입 과정에 따르면, 마이크로모델 내로 주입된 헥산은 불규칙한 공극 구조를 통해 거동하면서 초기에 공극수로 포화되어 있던 공극과 공극목을 차지하며 연속적인 흐름 경로를 형성한다.
제안 방법
- 2차원 공극 구조 내에서 거동하고 분포하는 주입 유체와 초기 포화 유체의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하기 위하여 Micronit Microfluidics BV에서 제작된 마이크로모델을 사용하여 실험을 수행하였다(Fig. 2). 마이크로모델은 외부 관찰이 가능하도록 두 개의 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass pannels)에 20 mm × 10mm 규모의 공극 구조를 대칭적으로 식각한 후 두 판을접합하고 모델의 양 끝에 위치한 연결구를 통하여 유체의 주입과 배출이 이뤄질 수 있도록 제작되었다.
- 4. 헥산이 주입됨에 따라 테플론 튜브와 마이크로모델내에 포화되어 있던 탈이온수의 배출이 일어나고, 그과정에서 발생하는 헥산과 탈이온수 간 비혼성 대체를 고해상도 현미경 카메라를 통하여 관찰하고 기록한다.
- 전처리를 완료한 이미지로부터 헥산으로 대체된 면적을 구분하기 위하여 그레이 이미지를 이원화상으로 변환하는 MATLAB 프로그램을 이용하였다. 그레이 이미지를 구성하는 각각의 픽셀에 대하여 특정한 임계값을 기준으로 더 어두운 부분은 1, 더 밝은 부분은 0의 값을 부여하여 구분함으로써 공극수로 채워진 흰색 영역(1)과 유리 또는 헥산으로 채워진 검은색 영역(0)으로 표현되는 이원화상을 제작하였다(Fig. 4e, f). 이렇게 생성된 이원화상에서 공극수로 포화된 공극의 면적은 흰색으로 표현되어 쉽게 계산할 수는 있는데 반하여, 유리로 이루어진 공극 구조와 헥산으로 채워진 공극은 모두 검은색으로 표현되기 때문에 헥산으로 대체된 면적만을 구분하여 계산할 수 없다.
- 이렇게 생성된 이원화상에서 공극수로 포화된 공극의 면적은 흰색으로 표현되어 쉽게 계산할 수는 있는데 반하여, 유리로 이루어진 공극 구조와 헥산으로 채워진 공극은 모두 검은색으로 표현되기 때문에 헥산으로 대체된 면적만을 구분하여 계산할 수 없다. 따라서, 헥산이 주입되기 전 공극수로만 포화되어 있던 초기 환경에 대한 이원화상(Fig. 4e)의 각 픽셀에 부여된 1과 0의 픽셀값으로부터 대체 과정이 이루어져 공극수와 헥산이 혼재하는 이원화상(Fig. 4f)의 픽셀값을 빼줌으로써 유리와 잔류 공극수는 검은색으로 표현되고 헥산으로 대체된 영역이 흰색으로 표현되는 또 다른 이원화상을 생성하였다(Fig. 4g). 이 이원화상으로부터 전체 공극에 대한 헥산의 대체 면적비(ED)는 다음과 같은 식으로 산정한다.
- 마이크로모델은 마이크로모델 홀더(MicronitMicrofluidics BV)에 장착하여 테플론 튜브와 연결하고, 투명한 아크릴판 위에 수평으로 배치·고정하였다.
- 본 연구에서 수행된 실험의 기본 조건은 압력 0.1MPa, 온도 25℃, 유량 0.01 mL/min로 설정하였으며, 유량을 0.003 mL/min ~ 0.05 mL/min의 범위에서 변화시키며 반복 실험을 수행하였다. 다음은 주입 유체 핵산과 공극수의 거동과 분포에 대한 주입 유량의 영향을 규명하기위한 실험의 절차와 방법을 기술한 것이다.
- 마이크로모델은 마이크로모델 홀더(MicronitMicrofluidics BV)에 장착하여 테플론 튜브와 연결하고, 투명한 아크릴판 위에 수평으로 배치·고정하였다. 아크릴판 하부에는 주광색의 LED 조명을 설치하여 공극 구조 내에서 일어나는 유체의 흐름을 모델 상부로부터 관찰할 수 있도록 배치하였다. 주입용 주사기 외부는 온도조절기(New Era Pump Systems, Inc.
- 4a, b)로서 색과 밝기에 따라 0부터 16,777,216까지 넓은 범위의 색상값을 가진다. 이러한 색상값 중에서 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정한 임계값(threshold value)을 설정하는 어려움을 극복하기 위하여 이미지 분석 프로그램인 ImageJ를 이용하여 RGB이미지를 가장 어두운 0부터 가장 밝은 255까지 명도에따라 표현하는 그레이 이미지(gray image)로 변환시켰다.이후에는 이미지의 선명도를 제고하기 위하여 명암비(contrast ratio)를 증가시켜 공극 영역에 존재하는 헥산과 공극수, 공극 구조를 구성하는 유리 사이의 밝기 차를 명확하게 구분하고, 이와 함께 블러링(blurring) 처리를 통하여 명암비가 증가하면서 나타나는 잡음(noise)을 제거하였다(Fig.
- 이러한 색상값 중에서 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정한 임계값(threshold value)을 설정하는 어려움을 극복하기 위하여 이미지 분석 프로그램인 ImageJ를 이용하여 RGB이미지를 가장 어두운 0부터 가장 밝은 255까지 명도에따라 표현하는 그레이 이미지(gray image)로 변환시켰다.이후에는 이미지의 선명도를 제고하기 위하여 명암비(contrast ratio)를 증가시켜 공극 영역에 존재하는 헥산과 공극수, 공극 구조를 구성하는 유리 사이의 밝기 차를 명확하게 구분하고, 이와 함께 블러링(blurring) 처리를 통하여 명암비가 증가하면서 나타나는 잡음(noise)을 제거하였다(Fig. 4c, d). 전처리를 완료한 이미지로부터 헥산으로 대체된 면적을 구분하기 위하여 그레이 이미지를 이원화상으로 변환하는 MATLAB 프로그램을 이용하였다.
- 저장된 동영상은 이미지 관측 프로그램을 이용하여 0.11초 간격의 정지 영상으로 변환한 후, 1280 ×1024 픽셀의 이미지 파일로 저장하고, 저장된 전체 이미지 파일 중에서 공극 구조 내로 헥산이 주입되는 시점부터 비혼성 대체가 완료되는 시점까지 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하여 이미지 분석에 활용하였다.
- 현미경 카메라는 헥산과 공극수의 비혼성 대체 과정 관찰을 위하여 마이크로모델 상부에 설치하였으며, 이미지 관측 소프트웨어를 이용하여 영상의 크기, 초당 프레임 수(FPS), 노출 시간 등의 촬영 조건을 조절할 수 있도록 설계하였다. 저장된 영상은 이미지로 추출한 후, 이미치 처리 프로그램을 이용하여 헥산의 대체면적비(area displacement efficiency) 산정에 사용하였다.
- 주입 유량의 변화가 헥산에 의한 공극수 대체 과정과 헥산의 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 0.1MPa과 25℃의 상온·상압조건에서 헥산의 주입 유량을 0.003 mL/min, 0.005 mL/min, 0.007 mL/min, 0.01 mL/min, 0.03 mL/min, 0.05 mL/min으로 변화시키며 공극수로 화된 마이크로모델에 대한 헥산 주입 실험을 3회씩 반복하여 수행하였다.
- 주입 조건의 변화에 따른 초기 포화 유체와 주입 유체 간 대체 양상을 비교 분석하기 위하여 공극수와 헥산의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하고 이를 동영상을 기록하였다. 저장된 동영상은 이미지 관측 프로그램을 이용하여 0.
- 마이크로모델 내에서의 헥산과 잔류 공극수의 거동 및 분포를 관찰하고 분석하기 위한 이미지 관측 시스템은 매크로 비디오 줌 렌즈(100-MZ6, Opto)를 부착한 고해상도현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon)와 이미지 관측 소프트웨어(NIS-Elements D, Nikon) 및 이미지 분석 프로그램인 ImageJ(US National Institutes of Health)가 설치된 컴퓨터로 구성된다. 현미경 카메라는 헥산과 공극수의 비혼성 대체 과정 관찰을 위하여 마이크로모델 상부에 설치하였으며, 이미지 관측 소프트웨어를 이용하여 영상의 크기, 초당 프레임 수(FPS), 노출 시간 등의 촬영 조건을 조절할 수 있도록 설계하였다. 저장된 영상은 이미지로 추출한 후, 이미치 처리 프로그램을 이용하여 헥산의 대체면적비(area displacement efficiency) 산정에 사용하였다.
대상 데이터
- 따라서, 유체의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하기 위하여 헥산에 Sudan IV(C24H20N40O, Sigma Aldrich)을 첨가하여 붉은색으로 염색하고, 탈이온수에는 메틸렌블루(C16H18ClN3S·2~3H2O, Junsei)를 첨가하여 푸른색으로 염색하여 실험에 사용하였다.
- 마이크로모델 내에서의 헥산과 잔류 공극수의 거동 및 분포를 관찰하고 분석하기 위한 이미지 관측 시스템은 매크로 비디오 줌 렌즈(100-MZ6, Opto)를 부착한 고해상도현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon)와 이미지 관측 소프트웨어(NIS-Elements D, Nikon) 및 이미지 분석 프로그램인 ImageJ(US National Institutes of Health)가 설치된 컴퓨터로 구성된다. 현미경 카메라는 헥산과 공극수의 비혼성 대체 과정 관찰을 위하여 마이크로모델 상부에 설치하였으며, 이미지 관측 소프트웨어를 이용하여 영상의 크기, 초당 프레임 수(FPS), 노출 시간 등의 촬영 조건을 조절할 수 있도록 설계하였다.
- 마이크로모델은 외부 관찰이 가능하도록 두 개의 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass pannels)에 20 mm × 10mm 규모의 공극 구조를 대칭적으로 식각한 후 두 판을접합하고 모델의 양 끝에 위치한 연결구를 통하여 유체의 주입과 배출이 이뤄질 수 있도록 제작되었다.
- 본 실험은 습윤성 유체(wetting fluid)로 포화되어 있는 다공성 매체 내부로 비습윤성 유체(non-wetting fluid)가 주입된 경우에 발생하는 비혼성 대체 과정을 고찰하기 위하여 습윤성 유체로는 탈이온수를, 비습윤성 유체로는 헥산(n-hexane, C6H6)을 사용하였다. 헥산은 식품가공업을 비롯한 다양한 사업 분야에서 유지의 추출용 용제로 사용되는 물질로서, 끓는점은 62~82℃로 상온·상압 조건에서 액체 상태로 존재하며 물에 대한 용해도는 매우 낮은 것으로 알려져 물과의 비혼성 대체 과정을 관찰하기 위한 실험에 적합한 것으로 판단되었다.
데이터처리
- 4c, d). 전처리를 완료한 이미지로부터 헥산으로 대체된 면적을 구분하기 위하여 그레이 이미지를 이원화상으로 변환하는 MATLAB 프로그램을 이용하였다. 그레이 이미지를 구성하는 각각의 픽셀에 대하여 특정한 임계값을 기준으로 더 어두운 부분은 1, 더 밝은 부분은 0의 값을 부여하여 구분함으로써 공극수로 채워진 흰색 영역(1)과 유리 또는 헥산으로 채워진 검은색 영역(0)으로 표현되는 이원화상을 제작하였다(Fig.
이론/모형
- 1. Log M - Log Ca phase diagram showing three invadingpattern of immiscible fluids in porous media and the area of thehexane-water displacement experiments performed in this study(adapted from Lenormand, 1988).
- 마이크로모델은 외부 관찰이 가능하도록 두 개의 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass pannels)에 20 mm × 10mm 규모의 공극 구조를 대칭적으로 식각한 후 두 판을접합하고 모델의 양 끝에 위치한 연결구를 통하여 유체의 주입과 배출이 이뤄질 수 있도록 제작되었다. 다양한 형태로 제작된 마이크로모델 중에서 본 실험에서는 실제 암석의 공극 구조를 모사하여 제작된 실물형 공극 모델(physical network model)을 사용하였다. 마이크로모델 내부에 조성된 공극의 두께는 20 µm이며, 유입부와 유출부를 제외한 공극의 부피는 2.
- 헥산과 탈이온수의 점도와 밀도, 두 유체 간 계면장력 등 기본적인 물성은 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였다(Table 1) (Mekhtiev et al., 1975; IAPWS, 2008;Zeppieri et al., 2001). 상온·상압 조건에서의 헥산과 탈이온수의 물성에 본 실험의 유량 조건을 적용하여 산정된 점성비와 모관수의 범위를 Fig.
성능/효과
- 1. 주입용 주사기에 헥산 2 mL를 주입하고, 주사기를 감싸고 있는 히팅 패드에 부착된 온도조절기를 이용하여 마이크로모델 내로 주입되는 헥산의 온도를 조절하고, 온도가 안정화될 수 있도록 일정 시간을 유지한다.
- 마이크로모델로 주입되는 유량의 증가는 마이크로모델 내부의 단일 공극으로 유입되는 헥산의 유속 뿐만 아니라 공극 내 헥산의 압력 증가율을 높이게 된다. 따라서, 유량이 낮은 경우에는 공극 내 헥산의 압력이 큰 공극목으로 집입하는데 필요한 압력 이상으로 증가하기 어려운데 반하여, 유량이 높은 경우에는 헥산의 압력이 단시간 내에 큰 공극목은 물론 작은 공극목을 관통하기에 충분한 수준으로 증가됨으로써 상대적으로 큰 공극목만을 통과하는 선택적인 흐름의 생성은 감소하고 다양한 방향으로 흐름 경로가 형성되며, 결과적으로, 공극 구조 내에 포화되어 있던 많은 양의 공극수와 대체가 이루어짐으로써 대체율이 증가하게 된다. 본 연구에서 도출된 다공성 매체 내에서 일어나는 비혼성유체 간 대체 및 거동 양상, 주입 조건에 따른 대체율의 변화 경향은 지하환경의 오염 복원, 석유회수증진, 이산화탄소 지중저장 등 다양한 분야에서의 주입 유체-초기 포화 유체의 거동과 분포 양상 예측에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은유량이 큰 경우에 상대적으로 더 가느다란 흐름 경로가다양한 방형으로 형성되면서 더 많은 공극에 침투하며 내부의 공극수를 대체하는 반면에, 유량이 작은 경우에는 상대적으로 폭이 넓은 흐름의 경로가 형성되면서 경로 사이에 둘러싸여 흐름이 정체되어 잔류하는 공극수가 많아지기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 최종적으로 유출구가 존재하는 마이크로모델의 오른쪽 면에 도달한 헥산 흐름경로의 규모와 숫자 역시 유량이 큰 경우에서 더 작고 더 많은 것으로 나타났다.
- 마지막으로, 헥산이 주입되기 전 초기 이원화상(Fig. 4e)에서 공극수로 포화된 영역을 파란색으로 나타내고, 일정한 시간 간격에 따라 제작된 헥산과 공극수 간 대체 과정의 이원화상(Fig. 4g)에서 헥산으로 대체된 영역을 빨간색으로 나타낸 후 두 이원화상을 중첩하여 공극 구조 내로 주입되는 헥산의 거동과 분포 및 잔류 공극수의 분포를 시각적으로 구분할 수 있는 최종적인 삼색 이미지를 완성하였다(Fig. 4h).
- 이는 주입 유량의 증가가 마이크로모델 내부로 유입되는 헥산의 유속과 공극 내 압력의 증가를 야기하고, 이로 인하여 헥산이 넓은 공극목으로 연결되는 공극 뿐만아니라 상대적으로 좁은 공극목으로 연결되는 보다 많은 공극 내로 침투할 수 있기 때문에 더 많은 공극수를 밀어내고 전체적인 대체율이 증가한다. 본 실험의 결과로부터 도출된 주입 유량에 따른 헥산과 공극수 간 대체 양상 및 헥산의 대체 효율 변화는 주입 유체의 유속 증가로 인하여 모세관 핑거링 현상이 줄어들고 비교적 안정적으로 대체가 이루어지는 것을 잘 보여준다(Naderi andBabadagli, 2011). 이러한 실험의 결과는 지하 심부의 지질구조 내부로 유체를 주입하여 격리 또는 저장하는 경우,높은 주입 유량을 유지하는 것은 공극 구조 내에서의 유체의 선택적인 흐름을 감소시키고 저장 효율을 제고할 수 있음을 보여준다.
- 시간에 따른 헥산과 공극수 간 대체 양상을 살펴보면, 0.003 mL/min의 유량 조건에서는 공극목 A를 통하여 공극 내부로 유입된 헥산은 공극을 채워가다가 상대적으로 넓은 공극목 B를 따라 위쪽 공극으로 이동하며 흐름 경로를 형성하는데 반하여(Fig. 8b), 0.05 mL/min의 유량조건에서는 공극 내로 진입된 헥산이 공극목 B 뿐만 아니라 상대적으로 좁은 공극목 C를 채우고있던 공극수를 동시에 밀어내며 상하 양방향의 인접 공극 모두로 확산되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 8c).
- 본 실험의 결과로부터 도출된 주입 유량에 따른 헥산과 공극수 간 대체 양상 및 헥산의 대체 효율 변화는 주입 유체의 유속 증가로 인하여 모세관 핑거링 현상이 줄어들고 비교적 안정적으로 대체가 이루어지는 것을 잘 보여준다(Naderi andBabadagli, 2011). 이러한 실험의 결과는 지하 심부의 지질구조 내부로 유체를 주입하여 격리 또는 저장하는 경우,높은 주입 유량을 유지하는 것은 공극 구조 내에서의 유체의 선택적인 흐름을 감소시키고 저장 효율을 제고할 수 있음을 보여준다. 그러나, 유체 주입 과정에서 발생할 수 있는 과도한 지중 압력의 증가는 공극 구조의 변화나 지층 균열의 생성 등을 야기하여 저장 유체의 누출 등 다양한 경제적 및 환경적 영향을 미칠 수 있다.
- 05 mL/min으로 헥산을 주입하여 각 3회씩 수행된 실험 중 평형 상태의 대체면적비가 중간값을 나타낸 경우에 대하여 평형상태 이후 헥산과 공극수의 분포를 나타낸 것이다. 이미지 분석 결과에 따르면 유량 0.003 mL/min과 0.05 mL/min 실험에서 나타난 평형상태의 대체 면적비는 각각 62.38%와73.31%로서, 유량이 큰 경우 더 많은 양의 공극수가 헥산으로 대체된 것으로 나타났다. 마이크로모델의 불규칙한 공극 구조 특성에 비추어 헥산의 흐름 경로에서 어떠한 정형화된 양상이 나타나지는 않았지만, Fig.
- 일단 B를 통한 흐름이 시작되어 헥산이 인접 공극으로 유출되면 공극 내 헥산의 압력은 급격하게 감소하기 때문에 좁은 공극목 C을 관통하기 위해 필요한 압력까지 도달할 수 없으므로 이후로는 공극목 B를 통과하는 흐름만이 이어지는 선택적 흐름이 나타난다. 이와 비교하여 0.05 mL/min의 높은 유량으로 헥산이 주입되는 경우, 이전 실험과 비교하여 마이크로모델 공극 구조 내로 헥산이 유입되는 속도가 빨라지고, 이에 비례하여 단일 공극 내 헥산의 유입과 압력 증가가 빠르게 이루어지기 때문에 좁은 공극목 C의 모관압을 초과하는 헥산의 압력이 짧은 시간 안에 공극 내부에 형성될 수 있으므로 헥산이 넓은 공극목 B 뿐만 아니라 상대적으로 좁은 공극목 C에 존재하는 공극수를 동시에 밀어내며 다양한 방향의 인접 공극 내로 진입할 수 있는 것으로 판단된다.
- 주입 유량의 변화가 주입 유체와 초기 포화 유체간 대체 과정과 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위한 주입실험의 결과에 따르면, 유량이 0.003 mL/min에서 0.05mL/min으로 증가함에 따라 헥산의 대체 면적비가 평균62.38%에서 73.31% 증가하는 것으로 나타나 주입 유량이 증가할수록 더 많은 공극수가 주입 유체 헥산에 의해 대체됨을 확인할 수 있었다. 이러한 마이크로모델 규모에서의 대체율 증가 경향은 단일 공극 규모에서의 관찰 결과를 통해 그 원인이 추정될 수 있다.
- 헥산은 식품가공업을 비롯한 다양한 사업 분야에서 유지의 추출용 용제로 사용되는 물질로서, 끓는점은 62~82℃로 상온·상압 조건에서 액체 상태로 존재하며 물에 대한 용해도는 매우 낮은 것으로 알려져 물과의 비혼성 대체 과정을 관찰하기 위한 실험에 적합한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 그러나, 유체 주입 과정에서 발생할 수 있는 과도한 지중 압력의 증가는 공극 구조의 변화나 지층 균열의 생성 등을 야기하여 저장 유체의 누출 등 다양한 경제적 및 환경적 영향을 미칠 수 있다. 따라서 지층 환경이 허용하는 범위 내에서 적절한 주입 유량을 조절하는 동시에 주입 유체의 점성을 높이거나 주입 유체초기 포화 유체 간 계면장력을 감소시키는 등 모관수를 증가시킬 수 있는 추가의 기술적 노력을 통하여 주입 유체의 대체율 또는 저장 효율이 제고되어야 한다고 판단된다. 이와 함께, 높은 유량으로 주입된 비수용성 유체는 주입공 부근에서는 안정적인 대체가 이루어지지만, 주입공으로부터 방사상으로 확산해감에 따라 국부적인 공극 규모에서의 주입 유량은 급격하게 감소함에 따라 핑거링 현상이 발생하고 저장 효율은 점차 감소할 것으로 예측할 수 있다.
- 다만, 본 연구에서 수행된 실험에서는 주입 조건에 따른 공극 구조 내 주입 유체의 압력 변화에 대한 정보를 획득하는 것이 불가능하기 때문에 유체 주입과정에서의 공극 구조 내 압력 변화가 실제 지질구조에 미치는 영향을 정량적으로 설명할 수 없다. 따라서 향후 모델링 연구를 통하여 이와 같은 한계점을 보완함으로써 실제 지질구조 내로 유체를 격리 또는 저장하는 경우에 적용하기 위한 노력이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 따라서, 유량이 낮은 경우에는 공극 내 헥산의 압력이 큰 공극목으로 집입하는데 필요한 압력 이상으로 증가하기 어려운데 반하여, 유량이 높은 경우에는 헥산의 압력이 단시간 내에 큰 공극목은 물론 작은 공극목을 관통하기에 충분한 수준으로 증가됨으로써 상대적으로 큰 공극목만을 통과하는 선택적인 흐름의 생성은 감소하고 다양한 방향으로 흐름 경로가 형성되며, 결과적으로, 공극 구조 내에 포화되어 있던 많은 양의 공극수와 대체가 이루어짐으로써 대체율이 증가하게 된다. 본 연구에서 도출된 다공성 매체 내에서 일어나는 비혼성유체 간 대체 및 거동 양상, 주입 조건에 따른 대체율의 변화 경향은 지하환경의 오염 복원, 석유회수증진, 이산화탄소 지중저장 등 다양한 분야에서의 주입 유체-초기 포화 유체의 거동과 분포 양상 예측에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 수행된 실험에서는 주입 조건에 따른 공극 구조 내 주입 유체의 압력 변화에 대한 정보를 획득하는 것이 불가능하기 때문에 유체 주입과정에서의 공극 구조 내 압력 변화가 실제 지질구조에 미치는 영향을 정량적으로 설명할 수 없다.
- 본 연구에서는 투명한 유리판에 식각된 공극 구조로 이루어진 마이크로모델을 활용한 실험을 통하여 다공성 매체 내에서 일어나는 비혼성 유체 간 대체과정을 시각적으로 관찰하고, 관찰 결과에 대한 이미지 분석을 통하여 주입 유량에 따른 주입 유체(헥산)와 초기 포화 유체(탈이온수)의 거동 및 분포 양상과 대체 효율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 하였다. 본 연구의 결과는 지하 환경의 오염 복원, 이산화탄소 지중저장, 석유회수증진 등공극 규모에서의 비혼성 대체 과정이 대수층 또는 저류층규모에서의 효율과 성패에 중요한 영향을 미치는 지중 프로젝트의 설계와 운영에 대한 기본적인 이해와 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 현상은 단일 공극 내 헥산의 압력이 유입 유량에 비례하여 빠르게 증가하는 경우에는 상대적으로 큰 공극만을 통하여 이루어지는 선택적 흐름의 형성이 감소하고 다양한 방향으로의 흐름이 이어질 수 있기 때문에, 그 과정에서 헥산의 흐름 경로를 이루는 공극 내에 포화되어 있던 공극수와 대체되는 양이 증가한다는 것을 잘 보여준다. 이러한 현상에 대한 보다 명확한 근거를제시하기 위해서는 단일 공극 내 헥산의 압력 변화에 대한 정보가 필요하지만 본 연구에서의 실험 장치를 통한 측정은 불가능하기 때문에 향후 계획된 모델링 연구를 통하여 이를 정량적으로 설명할 수 있을 것으로 기대된다.
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