[논문]전기비저항탐사 방법에 의한 지중 저장 이산화탄소 누출 가능 경로 탐지

임우리; 함세영; 황학수; 김성욱; 전항탁

doi:10.9720/kseg.2018.1.069

전기비저항탐사 방법에 의한 지중 저장 이산화탄소 누출 가능 경로 탐지
Detection of Potential Flow Paths of Leaked CO2 from Underground Storage Using Electrical Resistivity Survey 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.28 no.1, 2018년, pp.69 - 79

임우리 (부산대학교 지질환경과학과) , 함세영 (부산대학교 지질환경과학과) , 황학수 ((주)토모리) , 김성욱 ((주)지아이) , 전항탁 (부산대학교 지질환경과학과)

초록
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한국 정부는 온실효과에 대응하기 위해서 이산화탄소 배출을 850.6 Mt에서 2030년까지 314.7 Mt (37%)로 감축하기로 하였다. 이러한 상황에서, 한국 정부는 이산화탄소 지중저장시설로부터 누출되는 이산화탄소를 시함부지 규모로 연구하기 위하여 2014년에 이산화탄소 지중저장 환경관리연구단(K-COSEM)을 발족하였다. 이산화탄소의 누출을 탐지하기 위해서는 대산지역의 수리지질학적, 지구물리학적 특성을 규명하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, 충북 음성군 대소면 내산리의 연구부지에서 2017년 6월 28일부터 7월 24일과 8월 7일부터 9월 11일까지 두 차례에 걸쳐서 각각 $CO_2$와 $SF_6$를 용해시킨 물을 지하에 주입하여 지하에서의 이산화탄소 누출 거동을 알아내고자 하였다. 주입정은 심도 24 m, 케이싱은 21 m까지, 스크린 구간은 심도 21~24 m 구간이다. 2017년 8월 18일과 9월 1일의 두 차례 전기비저항탐사로 주입수의 흐름과 전기비저항 특성을 파악하고자 하였다. 연구 결과에 의하면, 고 전기비저항대와 저 전기비저항대가 뚜렷하게 구별되며, 주입수의 유동방향은 자연상태의 지하수 흐름과 비슷하게 나타났다. 또한, 저 전기비저항대는 주입심도로부터 천부 표토층까지 광범위하게 형성되며, 이는 높은 투수성을 가지는 풍화대가 이산화탄소 누출 가능성이 높다는 것을 지시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Korean government attempts to reduce $CO_2$ emissions by 37% to 314.7 Mt $CO_2$, down from the estimated 850.6 Mt $CO_2$ until 2030 in order to confront green house effect. In this context, in 2014, Korean government launched $CO_2$ Storage Environmental Management Research (K-COSEM) Center for carrying out pilot-scale research on $CO_2$ leakage from underground $CO_2$ storage facilities. For the detection of $CO_2$ leakage, it is necessary to identify hydrologeological and geophysical characteristics of the subject area. In the study site of Naesan-ri, Daeso-myeon, Eumseong-gun, Chungbuk Province, two times injection tests (June 28-July 24, 2017 and August 07-September 11, 2017) of $CO_2$ and $SF_6$ dissolved waters, respectively, was conducted to understand the leakage behavior of $CO_2$ from underground. The injection well was drilled to a depth of 24 m with a 21-m casing and screen interval of 21~24 m depth. Two times resistivity surveys on August 18, 2017 and September 1, 2017, were conducted for revealing the flow of the injected water as well as the electrical properties of the study site. The study results have shown that the high-resistivity zone and the low-resistivity zone are clearly contrasted with each other and the flow direction of the injected water is similar to natural groundwater flow. Besides, the low resistivity zone is widely formed from the depth of injection to the shallow topsoil, indicating that the weathered zone of high permeability has high $CO_2$ leakage potential.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 CO2 누출 거동 모사 연구부지의 천부 지층에서 SF6 용존수를 주입하여, 전기비저항값과 퇴적층의 수리적 특성에 의해서 SF6 용존수의 유동 방향과 연구부지 지층의 전기적 물성을 규명하고자 하였다.
이 연구는 충북 음성군 대소면 내산리 연구부지에서 천부 지층의 CO2누출 거동 모사시험의 일환으로 SF6 용존수를 주입하고 그 흐름과 전기비저항 값 그리고 표토층의 수리적 특성에 의해서 SF6 용존수의 유동 방향과 연구부지 천부 지층의 전기적 물성을 규명하였다.

제안 방법

2016년 11월 29일 실시한 1차 CO₂용존수 시험은 자연구배(0.02)에 의해서 6시간 동안의 단기 주입(pulse type injection) 방식으로 진행되었으며, 2017년 6월 28일부터 7월 24일까지 실시한 2차 시험에서는 가압구배(0.2) 상태에서 30일동안의 연속적 CO₂를 용해시킨 물을 주입하였다. 이 후, 2017년 8월7일부터 9월11일까지 SF₆ 용존수 시험이 실시하였다.
d_e에서 e는 입도분포곡선에 있어서 무게 백분율의 e%에 해당하는 입경으로서, 입도분포곡선에서 누적중량의 e%가 통과하는 입자의 직경을 말한다. 본 연구에서는 연구부지내 약 3 m의 등간격으로 28개 지점에서 지표면 아래 30~50 cm 심도에서 퇴적물 시료를 채취하여 퇴적물의 입도를 분석하였다.
두 측선의 방향은 N30°E로 서로 평행하며, 탐사시 측선의 진행방향은 서쪽에서 동쪽 방향이다. 쌍극자 길이는 모두5 m를 사용하여 가탐심도를 25 m 내외로 설정하고 전극전개수를 1에서 17까지 증가시키면서 지질매체의 겉보기 전기비저항값을 측정하였다.
대상지역의 상부 지층은 풍화토로 구성되어 있고 입도분포는 수리적 특성과 관련된다. 연구에서 퇴적입자의 입경은 체거름(0.075 mm 이상)과 레이저 입도분석기(laser diffraction particle size analyzer, Beckman Coulter, USA LS 13320)를 이용하여 산정하였다. 레이저 입도분석은 입자들의 크기에 따라 특정 각도로 빛을 회절시키고, 회절각은 입자 크기에 반비례한다는 원리를 이용하는 것으로 특정 각도에서 회절된 빛의 강도는 그 경로의 명확한 단면적 및 입자의 수와 관련된다는 물리학적 원리에 기초한다.
2) 상태에서 30일동안의 연속적 CO₂를 용해시킨 물을 주입하였다. 이 후, 2017년 8월7일부터 9월11일까지 SF₆ 용존수 시험이 실시하였다. 이러한 CO₂ 및 SF₆ 용존수의 누출 거동 특성을 파악하기 위해서는 연구지역의 수리적 및 전기적 특성을 파악하여야 한다.

대상 데이터

주입은 2017년 08월 07일부터 09월 11일까지 실시되었다. 1차 전기비저항탐사는 2017년 8월 18일에 실시되었으며, 2차 전기비저항탐사는 2017년 9월 1일에 실시되었다.
쌍극자-쌍극자 배열은 전류전극과 전위전극의 거리를 연속적으로 쌍극자 길이의 정수배만큼 증가시킴으로 2차원적 탐 사를 수행하는 방법으로써, 광역적으로 지하의 2차원적인 전기전도도에 대한 정보를 얻는데 효과적이다. 쌍극자-쌍극자 배열을 사용한 2차원 전기비저항탐사를 위해 연구지역에 설정한 측선은 총 2개 측선(RES1, RES2)이다. 두 측선의 방향은 N30°E로 서로 평행하며, 탐사시 측선의 진행방향은 서쪽에서 동쪽 방향이다.
연구 대상 부지는 충청북도 음성군 대소면 내산리(위도 36° 57' 36.9"N~36° 57' 37.5"N, 경도 127° 28' 00.4"E~127° 28' 01.5"E)에 위치하며 중부고속도로에 인접하고 있다.
연구부지에는 29개 시추공(암반관정 3개소(R1~3), 풍화암 관정 2개소(WR1~2), 불포화대 관정(wells into unsaturated zone) 4개소(UMW1~4), 포화대 관정(wells into saturated zone) 4개소(SMW1~4), 부분 스크리닝 관정(partially screened well) 4개소(PS1~4), 포화대 내의 완전 스크리닝 관정(fully screened well in saturated zone) 9개소(BS1~9), 주입정(injection well) 1개소(IW))를 굴착하였다(Fig. 1). 연구부지의 시추단면도에 의하면, 풍화토층은 지표면에서 28.
연구지역인 충청북도 음성군 대소면 내산리 지역에서 K-COSEM의 일환으로 단기 및 장기 이산화탄소 주입 시나리오에 따라 천부 대수층에 물을 주입하여 CO₂누출 모사 시험을 수행하였다(Fig. 1). 이산화탄소를 주입한 후 거동양상을 확인하기 위한 추적자로 He, Ar, Kr, SF₆의 비 반응성 기체가 이용되고 있다(Kim et al.
지형은 완만한 구릉성 산지에 해당하며 대상 부지는 경사도가 거의 없는 평지로 이루어져 있다. 지질은 쥬라기의 편마상화강암과 이를 관입하는 백악기의 산성 암맥으로 구성되어 있다. 연구지역 일원으로 남-북 방향의 주향이동 단층이 수 매 반복되며 단층과 사교하는 소규모의 단층군이 발달한다(Chwae et al.

데이터처리

전기비저항탐사에서 획득된 자료를 처리하기 위해 유한요소법 수치모델링과 역산(inversion) 프로그램인 DiproWin(Kim, 1998)을 이용하여 지하매질의 심도에 따른 참 전기비저항값 단면도를 구하였다.

이론/모형

각 입도별 입자의 무게비를 이용하여 입도분포곡선을 그리면 d10, d17, d60 등의 입경을 산출할 수 있고 선행연구의 경험식(Hazen, 1892; Beyer, 1966; Sauerbrei (Kasenow (2002)에서 인용); Kozeny, 1953)을 이용하여 퇴적물의 수리전도도를 산정하였다(Fig. 3; Table 1).
연구부지에서 주입된 SF₆ 용존수의 유동 방향과 시험부지 지층의 전기적 물성을 규명하기 위하여 여러 지구물리탐사 방법들 중 전기비저항탐사(direct current resistivity: DC resistivity)를 적용하였다. 전기비저항은 지하수, 포화도, 공극률, 간극수의 전기전도도, 또한 온도 등에 따라 결정되며, 이 중 지하수의 유무에 따라 큰 변화를 보인다.
입도분석 자료를 이용하여, Hazen (1892)식, Beyer (1966)식, Sauerbrei식, Kozeny (1953)식(Table 1)에 의해서 표토층의 수리전도도를 구하였다(Table 3). Sauerbrei식에 의하면, 모든 지점의 수리전도도는 4.

성능/효과

1차 전기비저항탐사 결과와 2차 전기비저항탐사 결과에 의해서, SF₆ 용존수의 주입 후 시간이 경과할수록 측선의 오른쪽 부분(동쪽)에서 전기비저항값이 낮아지고 있으므로, SF₆ 용존수가 주입정으로부터 주로 동쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다. 또한 SF₆ 용존수 주입에 의한 전기비저항값의 분포, 수리전도도 분포 그리고 지하수 흐름을 종합적으로 검토하면, SF₆ 용존수는 대체로 서에서 동으로 흐르고 있음을 알 수 있다.
용존수가 주입정으로부터 주로 동쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다. 또한 SF₆ 용존수 주입에 의한 전기비저항값의 분포, 수리전도도 분포 그리고 지하수 흐름을 종합적으로 검토하면, SF₆ 용존수는 대체로 서에서 동으로 흐르고 있음을 알 수 있다. 아울러서, 주입 심도(21~24 m)부터 표토 가까이까지 SF₆ 용존수에 의해서 저 비항대가가 넓게 형성되어 있다.
RES1 측선과 RES2 측선을 서로 비교하면, 대체로 두 측선상의 단면에서 전기비저항값의 분포가 비슷한 양상을 보인다. 또한, 1차 전기비저항탐사 결과와 2차 전기비저항탐사 결과를 비교하면, SF₆ 용존수의 주입 후 더많은 시간이 경과하여 SF₆ 용존수의 이동이 일어나서 측선의 오른쪽 부분에서 전기비저항값이 낮아지고 있음을 알 수 있다. 한편, 남서부의 고 저비저항대는 SF₆ 용존수의 영향을 받지 않는 매질의 원래 성질을 보여주는 것으로 판단된다.
연구지역 28개 지점의 입도분포를 체분석과 레이저분석에 의하면, 중량비는 모래가 94.57~99.45%(평균 97.76%), 실트가 0.40~5.17%(평균 2.09%), 그리고 점토가 0.03~0.99%(평균 0.14%)를 보이고 있다(Table 2). Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쌍극자-쌍극자 배열은 어떤 정보를 얻는데 효과적인가?	쌍극자-쌍극자 배열은 전류전극과 전위전극의 거리를 연속적으로 쌍극자 길이의 정수배만큼 증가시킴으로 2차원적 탐 사를 수행하는 방법으로써, 광역적으로 지하의 2차원적인 전기전도도에 대한 정보를 얻는데 효과적이다. 쌍극자-쌍극자 배열을 사용한 2차원 전기비저항탐사를 위해 연구지역에 설정한 측선은 총 2개 측선(RES1, RES2)이다.
	쌍극자-쌍극자 배열이란?	쌍극자-쌍극자 배열은 전류전극과 전위전극의 거리를 연속적으로 쌍극자 길이의 정수배만큼 증가시킴으로 2차원적 탐 사를 수행하는 방법으로써, 광역적으로 지하의 2차원적인 전기전도도에 대한 정보를 얻는데 효과적이다. 쌍극자-쌍극자 배열을 사용한 2차원 전기비저항탐사를 위해 연구지역에 설정한 측선은 총 2개 측선(RES1, RES2)이다.
	기후변화로 인하여 해수면의 상승과 홍수, 가뭄 등의 기상이변이 심화하고 있고 대규모 자연재해의 경각심이 고조되고 있는데 IPCC에 의하면 21세기 말 지구 평균기온과 해수면은 어떻게 변할 것이라 예상하는가?	기후변화로 인하여 해수면의 상승과 홍수, 가뭄 등의 기상이변이 심화하고 있고 대규모 자연재해의 경각심이 고조되고 있다. IPCC (2013)에 의하면 21세기 말 지구 평균기온은 1.8°C, 해수면은 47 cm 상승할 것으로 예상하고 있다. 특히 이산화탄소를 비롯하여 온실가스는 이상기후의 주요 원인으로 지목되며 현재의 추세라면 2100년까지 지구 평균기온은 3.

참고문헌 (21)

Apps, J.A., Birkholzer, J.T., Spycher, N., Zheng, L., Ambats, G., Herkelrath, W.N., Kharaka, Y.K., Thordsen, J.J., Kakouros, E., Beers, S., 2010, Groundwater Chemistry Changes as a Result of $CO_2$ Injection at the ZERT Field Site in Bozeman, Montana, Project Report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA, 2010, 25-68.
Beyer, W., 1966, Hydrogeological investigations in the deposition of water pollutants, Journal of Applied Geology, 12(1), 599-606.
Chae, Y.-R., 2010, Preliminary analysis of climate change damage in Korea using the PAGE model, Environmental Policy Research, 9(1), 31-55.

원문보기 상세보기
Choi, H., Piao, J., Woo, N.C., Cho, H., 2017, Hydrochemical variations in selected geothermal groundwater and carbonated springs in Korea: a baseline study for early detection of $CO_2$ leakage, Environmental Geochemistry and Health, 39(1), 109-123.

상세보기
Chwae, U., Lee, D.Y., Lee, B.J., Ryoo, C.R., Choi, P.Y., Choi, S.J., Cho, D.L., Kim, J.Y., Lee, C.B., Kee, W.S., Yang, D.Y., Kim, I.J., Kim, Y., Yoo, J.H., Chae, B.G., Kim, W.Y., Kang, P.J., Yu, I.H., Lee, H. K., 1998, An Investigation and Evaluation of Capable Fault: Southeastern Part of the Korean Peninsula, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, KR-98(C)-22, 301p.
Freifeld, B., Zakim, S., Pan, L., Cutright, B., Sheu, M., Doughty, C., Held, T., 2013, Geothermal energy production coupled with CCS: a field demonstration at the SECARB Cranfield Site, Cranfield, Mississippi, USA. Energy Procedia, 37, 6595-6603.

상세보기
Hazen, A., 1892, Some Physical Properties of Sands and Gravels, with Special Reference to Their Use in Filtration, Report to Massachusetts State Board of Health.
Humez, P., Negrel, P., Lagneau, V., Lions, J., Kloppmann, W., Gal, F., Girard, J. F., 2014, $CO_2$ -water-mineral reactions during $CO_2$ leakage: geochemical and isotopic monitoring of a $CO_2$ injection field test, Chemical Geology, 368, 11-30.

상세보기
IPCC, 2013, Technical Report, In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA, 129p.
Jang, E., Yun, S.-T., Choi, B.-Y., Chung, D., Kang, H., 2012, Status and Implications of Regulatory Frameworks for Environmental, Journal of Soil and Groundwater Environment, 17(6), 9-22.
Kasenow, M., 2002, Determination of Hydraulic Conductivity from Grain Size Analysis, Water Resources Publications LLC, 47-84.
Kharka, Y.K., Cole, D.R., Thordsen, J.J., Kakouros, E., Nance, H.S., 2006, Gas-water-rock interactions in sedimentary basins: $CO_2$ sequestration in the Frio Formation, Texas, USA, Journal of Geochemical Exploration, 8, 183-186.
Kim, J.H., 1998, Dipro 4 for Windows user manual, Hee Song Geotek. Co.
Kim, K.-K., Hamm, S.-Y., Cheong, J.-Y., Kim, S.-O., Yun, S.-T., 2017, A natural analogue approach for discriminating leaks of $CO_2$ stored underground using groundwater geochemistry statistical methods, South Korea, Water, 9, 960.

상세보기
Kim, Y.-S., Cho, S.-H., Kyong, N.-H., Oh, H-S., Moon, K.-C., 1998, Analysis and simulation of SF6 tracer experiments for tracking the pollutant transport, Journal of Korea Air Pollution Research Association, 14(5), 395-410.
Kozeny, J., 1953, Das wasser in boden, Grundwasserbewegung, In Hydraulik, Springer: Vienna, Austria, 280-445.
Kwon, P.S., Kim, S., 2017, Scenario analysis for the achievement of the 2030 national greenhouse gas reduction goal in the Korean electricity sector, Environment Policy, 25(2), 129-163.
Lee, K.-K., Lee, S. H., Yun, S.-T., Jeen, S.-W., 2016, Shallow groundwater system monitoring on controlled $CO_2$ release sites: a review on field experimental methods and efforts for $CO_2$ leakage detection, Geosciences Journal, 20(4), 569-583.

상세보기
Peter, A., Hornbruch, G., Dahmke, A., 2011, $CO_2$ leakage test in a shallow aquifer for investigating the geochemical impact of $CO_2$ on groundwater and for developing monitoring methods and concepts. Energy Procedia, 4, 4148-4153.

상세보기
Sharma, S., Cook, P., Berly, T., Lees, M., 2009, The $CO_2$ CRC Otway Project: Overcoming challenges from planning to execution of Australia's first CCS project, Energy procedia, 1(1), 1965-1972.

상세보기
Yun, S.-T., 2014, K-COSEM, Environmental Management Technology of $CO_2$ Storage; R & D Planning Report; Ministry of Environment: Sejong City, Korea.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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