선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 고온·고압의 초임계 이산화탄소 주입실험에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 상온·상압 조건에서 초임계 이산화탄소의 거동을 모사할 수 있는 대체 유체를 적용하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 마이크로모델을 이용한 실험을 통하여 초임계 이산화탄소 대체 유체인 헥산과 공극수(탈이온수)의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 통하여 주입 유체의 온도 변화가 주입 유체와 공극수 간 대체 양상 및 주입 유체의 대체율에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 본 연구 결과는 실제 이산화탄소 지중저장 과정에서 저류층의 환경과 주입 조건에 따른 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포를 예측하는데 필요한 기본적인 이해를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 이산화탄소 지중저장 과정에서 다양한 심부 저류층 환경 및 주입 조건으로 인한 주입 유체의 온도 변화가 이산화탄소와 공극수 간 비혼성 대체 양상 및 이산화탄소의 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위하여 초임계 이산화탄소의 대체 유체인 헥산을 적용한 마이크로모델 실험을 수행하였다. 상온·상압 조건의 탈이온수로 포화된 마이크로모델 내부로 헥산을 주입하여 유체의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고, 이미지 분석을 통하여 헥산의 대체 면적비를 산정하였다.
- 실험은 주입 유체인 헥산과 공극수인 탈이온수의 비혼성 대체 양상 및 대체율에 있어 주입 온도가 미치는 영향을 규명하기 위하여 수행하였다. 본 실험에서는 무색의 투명한 액체인 헥산과 탈이온수 간 경계를 시각적으로 구분하고, 유체의 거동과 분포를 관찰하기 위하여 100 mL의 헥산에 0.
제안 방법
- 이러한 색상값 중에서 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정한 임계값(threshold value)을 설정하는 데 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 이미지 분석 프로그램(ImageJ, National Institutes of Health)을 이용하였다. ImageJ를 이용하여 RGB 이미지를 명도에 따라 0부터 255까지의 색상값을 가지는 그레이 이미지(gray image)로 변환시킨 후, 명암비(contrast ratio)를 증가시켜 헥산, 공극수, 마이크로모델을 구성하는 유리 사이의 명도 차를 명확하게 구분하고, 블러링(blurring) 처리를 통하여 이미지 처리 과정에서 발생하는 잡음(noise)을 제거하였다(Fig. 4c, d). 이러한 전처리 과정을 통해 얻어진 그레이 이미지는 MATLAB 프로그램을 이용하여 흑백의 이원화상으로 변환하였다.
- ④ 마이크로모델 내부로 헥산이 유입됨에 따라 포화되어 있던 탈이온수와 헥산 간 비혼성 대체 과정을 카메라를 통하여 관찰하고 기록한다.
- ⑦ 이상의 과정을 주입 온도를 변화시키면서 3회씩 반복적으로 실험을 수행한다.
- 주입되는 헥산의 온도가 높은 경우 상대적으로 온도가 낮은 경우에 비하여 고리 형태의 헥산 흐름 경로에 둘러싸여 폐쇄된 영역에 잔류하는 공극수의 양이 더 많은 것을 확인할 수 있다. 또한 주입 온도의 차이에 따른 헥산의 거동 및 공극수와의 대체 양상을 단일 공극 규모에서 보다 자세하게 비교하기 위하여 마이크로모델의 전체 공극 중에서 하나의 공극을 선택하여 시간의 흐름에 따라 진행되는 헥산의 흐름 경로를 색상의 차이를 두어 구분하였다(Fig. 8; Fig. 7에서 노란색 사각형으로 표시된 영역). Fig.
- 상온·상압 조건의 탈이온수로 포화된 마이크로모델 내부로 헥산을 주입하여 유체의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고, 이미지 분석을 통하여 헥산의 대체 면적비를 산정하였다. 또한, 헥산과 잔류 공극수의 분포를 시각적으로 구분할 수 있는 삼색 이미지를 통하여 주입 온도가 유체 간 비혼성 대체 과정에 미치는 영향을 분석하였다. 시간의 흐름에 따른 유체 간 대체 과정을 살펴보면, 주입된 헥산은 마이크로모델의 공극 구조를 따라 거동하면서 흐름 경로를 형성한다.
- 마이크로모델 내부로 주입된 헥산과 공극수의 비혼성 대체 과정을 관찰하기 위한 영상 관측 시스템은 매크로 줌 렌즈(100-MZ6, Opto)가 부착된 고해상도 현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon)와 이미지 관측 프로그램(NIS-Elements D, Nikon)이 설치된 컴퓨터로 구성된다. 마이크로모델 상부에는 카메라를 설치하고 아크릴판 하부에는 주광색의 LED 조명을 설치하여 마이크로모델의 공극 구조 내에서 일어나는 유체 간 비혼성 대체 과정을 관찰할 수 있도록 하였다. 저장된 영상은 이미지 파일로 추출한 후, 이미지 처리 프로그램을 이용하여 헥산의 대체 면적비 산정에 이용하였다.
- 본 실험에서는 이산화탄소를 대체하기에 적합한 유체를 선정하기 위하여 심부 저류층 환경조건에서의 초임계 이산화탄소와 공극수의 점도와 밀도 범위를 설정하였으며, 이를 통하여 두 유체 간 점성비 및 모관수를 산정하였다. 초임계 이산화탄소와 공극수의 물성과 유체 간 계면장력은 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였으며(Grigull and Schmidt, 1979; Bachu andBennion, 2009), 이를 바탕으로 초임계 이산화탄소와 공극수 간 점성비 및 모관수와 유사한 범위를 가지면서, 상압 조건에서의 실험에 적합한 대체 유체로 헥산(n-hexane, C6H6)을 사용하였으며, 공극수로는 탈이온수를 사용하였다.
- 상온·상압 조건의 탈이온수로 포화된 마이크로모델 내부로 헥산을 주입하여 유체의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고, 이미지 분석을 통하여 헥산의 대체 면적비를 산정하였다.
- 68 g의 메틸렌블루(C16H18ClN3S•2~3H2O, Junsei)를 첨가하여 푸른색으로 염색하여 사용하였다. 실험의 기본 조건은 압력 0.1 MPa, 온도 25oC, 유량 0.01 mL/min로 설정하였으며, 온도를 25oC, 35oC, 45oC, 55oC에서 변화시키며 반복 실험을 수행하였다. 헥산과 탈이온수의 거동과 분포에 대한 주입 온도의 영향을 규명하기 위한 실험의 절차와 방법은 아래와 같다.
- 4a, b)는 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 색에 대하여 각각 256가지의 단계의 조합으로 이루어지기 때문에 색과 밝기에 따라서 16,777,217가지의 넓은 범위의 색상값을 가진다. 이러한 색상값 중에서 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정한 임계값(threshold value)을 설정하는 데 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 이미지 분석 프로그램(ImageJ, National Institutes of Health)을 이용하였다. ImageJ를 이용하여 RGB 이미지를 명도에 따라 0부터 255까지의 색상값을 가지는 그레이 이미지(gray image)로 변환시킨 후, 명암비(contrast ratio)를 증가시켜 헥산, 공극수, 마이크로모델을 구성하는 유리 사이의 명도 차를 명확하게 구분하고, 블러링(blurring) 처리를 통하여 이미지 처리 과정에서 발생하는 잡음(noise)을 제거하였다(Fig.
- 4c, d). 이러한 전처리 과정을 통해 얻어진 그레이 이미지는 MATLAB 프로그램을 이용하여 흑백의 이원화상으로 변환하였다. 이미지를 구성하는 각각의 픽셀에 대하여 설정 임계값을 기준으로 임계값보다 어두운 부분에 1, 밝은 부분에 0의 값을 부여함으로써 공극수를 나타내는 흰색 영역(1)과 마이크로모델을 구성하는 유리 또는 헥산을 나타내는 검은색 영역(0)으로 구분되는 이원화상을 생성하였다(Fig.
- 이렇게 생성된 이원화상은 마이크로모델을 구성하는 유리와 헥산으로 대체된 영역이 모두 검은색으로 표현되기 때문에 헥산으로 대체된 면적만을 구분하여 계산할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 공극 구조 내로 헥산의 주입이 개시되기 전 탈이온수로만 포화되어 있던 이원화상(Fig. 4e)을 구성하는 각각의 픽셀에 부여된 1과 0의 픽셀값으로부터 헥산의 주입이 개시된 이후 헥산과 공극수가 혼재하는 이원화상(Fig. 4f)의 픽셀 값을 빼줌으로써 공극수와 유리는 검은색으로 표현되고, 헥산으로 대체된 영역은 흰색으로 표현되는 또 다른 이원화상을 생성하였다(Fig. 4g). 이렇게 생성된 이원화상을 다음의식에 적용하여 헥산의 대체 면적비(ES)를 산정하였다.
- 4g). 이렇게 생성된 이원화상을 다음의식에 적용하여 헥산의 대체 면적비(ES)를 산정하였다.
- 이러한 전처리 과정을 통해 얻어진 그레이 이미지는 MATLAB 프로그램을 이용하여 흑백의 이원화상으로 변환하였다. 이미지를 구성하는 각각의 픽셀에 대하여 설정 임계값을 기준으로 임계값보다 어두운 부분에 1, 밝은 부분에 0의 값을 부여함으로써 공극수를 나타내는 흰색 영역(1)과 마이크로모델을 구성하는 유리 또는 헥산을 나타내는 검은색 영역(0)으로 구분되는 이원화상을 생성하였다(Fig. 4e, f). 이렇게 생성된 이원화상은 마이크로모델을 구성하는 유리와 헥산으로 대체된 영역이 모두 검은색으로 표현되기 때문에 헥산으로 대체된 면적만을 구분하여 계산할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
- 저장된 영상은 1280 × 1024 픽셀의 이미지 파일로 저장한 후, 이미지 분석에 활용하기 위하여 마이크로모델의 공극 구조 내로 헥산이 유입되는 시점부터 평형상태에 도달하는 시점까지 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하였다.
- 마이크로모델 상부에는 카메라를 설치하고 아크릴판 하부에는 주광색의 LED 조명을 설치하여 마이크로모델의 공극 구조 내에서 일어나는 유체 간 비혼성 대체 과정을 관찰할 수 있도록 하였다. 저장된 영상은 이미지 파일로 추출한 후, 이미지 처리 프로그램을 이용하여 헥산의 대체 면적비 산정에 이용하였다.
- 주입 유체의 온도 변화에 따른 주입 유체와 공극수의 거동과 분포 양상을 비교하고 주입 유체의 대체율을 평가하기 위하여 헥산과 탈이온수의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하고 이를 동영상과 0.11초 간격의 정지 영상으로 저장하여 사용하였다. 저장된 영상은 1280 × 1024 픽셀의 이미지 파일로 저장한 후, 이미지 분석에 활용하기 위하여 마이크로모델의 공극 구조 내로 헥산이 유입되는 시점부터 평형상태에 도달하는 시점까지 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하였다.
- 주입 유체인 헥산의 온도 변화가 헥산과 탈이온수간 대체 과정과 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 0.1 MPa과 25oC의 상온·상압 조건에서 탈이온수로 포화된 마이크로모델의 공극 구조 내로 헥산의 온도를 25oC, 35oC, 45oC, 55oC으로 변화시키며, 0.01 mL/min의 유량으로 헥산 주입 실험을 3회씩 반복하여 수행하였으며, 주입 유체의 온도에 따른 대체과정을 관찰할 수 있다.
- 본 실험에서는 이산화탄소를 대체하기에 적합한 유체를 선정하기 위하여 심부 저류층 환경조건에서의 초임계 이산화탄소와 공극수의 점도와 밀도 범위를 설정하였으며, 이를 통하여 두 유체 간 점성비 및 모관수를 산정하였다. 초임계 이산화탄소와 공극수의 물성과 유체 간 계면장력은 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였으며(Grigull and Schmidt, 1979; Bachu andBennion, 2009), 이를 바탕으로 초임계 이산화탄소와 공극수 간 점성비 및 모관수와 유사한 범위를 가지면서, 상압 조건에서의 실험에 적합한 대체 유체로 헥산(n-hexane, C6H6)을 사용하였으며, 공극수로는 탈이온수를 사용하였다. Table 1은 헥산과 탈이온수의 점도와 밀도 및 계면장력 등의 기본적인 물성을 나타낸 것이며 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였다(Mekhtievet al.
- 홀더에 장착된 마이크로모델은 투명한 아크릴판 위에 수평으로 배치하였으며, 주입용 주사기 외부는 온도조절기(Thermo-Kinetic Heater Control Unit, New Era Pump Systems, Inc.)가 부착된 히팅패드(New Era Pump Systems, Inc.)로 덮어 헥산의 온도를 실험 조건의 설정 온도에 맞추어 조절·유지하였다.
대상 데이터
- 마이크로모델 내부로 주입된 헥산과 공극수의 비혼성 대체 과정을 관찰하기 위한 영상 관측 시스템은 매크로 줌 렌즈(100-MZ6, Opto)가 부착된 고해상도 현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon)와 이미지 관측 프로그램(NIS-Elements D, Nikon)이 설치된 컴퓨터로 구성된다. 마이크로모델 상부에는 카메라를 설치하고 아크릴판 하부에는 주광색의 LED 조명을 설치하여 마이크로모델의 공극 구조 내에서 일어나는 유체 간 비혼성 대체 과정을 관찰할 수 있도록 하였다.
- 마이크로모델은 외부로부터 시각적인 관찰이 가능하도록 두 개의 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass, 45 mm × 15 mm ×0.9 mm)에 공극 구조를 대칭적으로 식각한 후, 두 개의 판을 접합하고 모델의 양 끝에 위치한 연결구를 통해 유체의 주입과 배출이 이루어질 수 있도록 제작되었다.
- 본 실험에서는 무색의 투명한 액체인 헥산과 탈이온수 간 경계를 시각적으로 구분하고, 유체의 거동과 분포를 관찰하기 위하여 100 mL의 헥산에 0.18 g의 Sudan IV(C24H20N40O, Sigma Aldrich)를 첨가하여 붉은색으로 염색하고, 200 mL의 탈이온수에는 0.68 g의 메틸렌블루(C16H18ClN3S•2~3H2O, Junsei)를 첨가하여 푸른색으로 염색하여 사용하였다.
- 본 연구에서 수행된 실험장치는 마이크로모델과 홀더(Fluidic Connect PRO Chip Holder with 4515 Inserts, Micronit Microfluidics BV), 10 mL 용량의 배출용 주사기(Luer-Lok type plastic syringe, Becton Dickinson & Co.)가 부착된 시린지 펌프 W(NE-1010,New Era Pump Systems, Inc.), 50 mL 용량의 주입용 주사기(Luer-Lok type glass syringe, Top Syringe Manufacturing Company Pvt. Ltd.)가 부착된 시린지펌프 I(NE-300, New Era Pump Systems, Inc.)를 1/16'' 테플론 튜브로 연결하여 구성된다(Fig. 3).
이론/모형
- 초임계 이산화탄소와 공극수의 물성과 유체 간 계면장력은 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였으며(Grigull and Schmidt, 1979; Bachu andBennion, 2009), 이를 바탕으로 초임계 이산화탄소와 공극수 간 점성비 및 모관수와 유사한 범위를 가지면서, 상압 조건에서의 실험에 적합한 대체 유체로 헥산(n-hexane, C6H6)을 사용하였으며, 공극수로는 탈이온수를 사용하였다. Table 1은 헥산과 탈이온수의 점도와 밀도 및 계면장력 등의 기본적인 물성을 나타낸 것이며 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였다(Mekhtievet al., 1975; Zeppieri et al., 2001; IAPWS, 2008). Fig.
- 공극 구조 내에서의 헥산과 탈이온수의 거동과 분포를 관찰하기 위하여 Micronit Microfluidics BV에서 제작된 2차원 마이크로모델을 사용하였다. 마이크로모델은 외부로부터 시각적인 관찰이 가능하도록 두 개의 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass, 45 mm × 15 mm ×0.
- 9 mm)에 공극 구조를 대칭적으로 식각한 후, 두 개의 판을 접합하고 모델의 양 끝에 위치한 연결구를 통해 유체의 주입과 배출이 이루어질 수 있도록 제작되었다. 다양한 공극 구조로 제작된 마이크로모델 중에서 본 실험에서는 실제 암석과 유사한 공극 구조로 이루어진 실물형 공극 모델(physical network model)을 사용하였다. 실물형 공극 모델의 공극 부피는 2.
성능/효과
- 이에 따라 주입 유체의 온도에 따른 대체 과정을 관찰할 수 있다. Fig. 6은 이미지 분석 결과로부터 계산된 주입온도의 변화에 따른 헥산의 대체 면적비를 나타낸 것으로, 분석 결과에 따르면, 주입 유체인 헥산의 온도가 25oC에서 55oC로 증가함에 따라 평형상태에 도달한 이후 헥산의 대체 면적비는 평균 67.01%에서 58.03%로 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 주입 온도가 증가함에 따라 공극 구조 내 헥산의 대체율이 감소한다는 것을 의미한다.
- 25oC의 헥산을 마이크로모델 내부로 주입하는 경우와 비교하면, 온도가 증가함에 따라 각 공극목에 작용하는 모관압은 증가하지만 일정한 유량으로 인하여 단일 공극 내 헥산의 압력은 증가하지 않기 때문에 헥산이 공극수를 밀어내고 진입할 수 있는 공극목의 수는 줄어들게 된다. 그 결과, 헥산은 인접 공극 중에서 상대적으로 낮은 모관압이 작용하는 큰 직경의 공극목D를 통과하는 선택적인 흐름이 나타나면서 공극 구조 내에서 헥산이 차지하는 공극의 수는 감소하고 잔류 공극수의 양은 증가한 것으로 판단된다.
- 5d). 따라서, 헥산과 공극수가 평형상태에 도달하기 전까지 마이크로모델의 공극 구조 내에서 헥산은 계속적으로 확산되기 때문에 헥산이 주입되고 난 이후 8.14초, 16.61초, 24.09초으로 시간이 경과됨에 따라 헥산의 대체 면적비가 17.90%, 49.57%, 68.03%로 증가한다.
- 또한, 마이크로모델의 전체 공극 구조 내에서 헥산과 공극수의 공간적 분포를 살펴보면, 주입 온도가 낮은 경우에는 상대적으로 헥산의 흐름 경로가 더 많이 형성되었으며 이 흐름 경로가 연속적으로 분리되고 전체적으로 확산되면서 더 많은 양의 공극수와 대체가 이루어진 반면에(Fig. 7a), 주입 온도가 높은 경우에는 흐름 경로의 수가 크게 줄어들고 전 방향으로 확산이 잘 이루어지지 않아 나뭇가지 형태와 같은 흐름 경로를 형성하는 점성 핑거링과 같은 현상이 나타난다(Fig. 7b). 이러한 경향은 주입 온도 증가에 따른 헥산과 공극수 간 점성력 차의 증가로 인하여 나타난 것으로 판단된다.
- 마지막으로, 헥산 주입이 이루어지기 전 초기 이원화상(Fig. 4e)에서 공극 구조 내에 포화되어 있던 탈이온수를 나타내는 흰색 영역을 파란색으로, 헥산 주입 이후 대체 과정이 발생하는 이원화상(Fig. 4g)에서 헥산을 나타내는 영역을 빨간색으로 변환한 후 두 이원화상을 중첩하여 마이크로모델의 공극 구조 내에서의 헥산과 잔류 공극수의 거동과 분포를 시각적으로 구분할 수 있는 최종적인 이미지를 완성하였다(Fig. 4h).
- 본 실험에서는 마이크로모델의 공극 구조 내 온도는 25oC로 공극수의 점도는 0.890 Pa·s으로서 변화가 없는 반면에, 주입 온도가 25oC에서 55oC로 증가함에 따라 헥산의 점도는 0.297 Pa·s에서 0.231 Pa·s로 감소하기 때문에 공극수와 헥산 간 점성력의 차이는 증가하고 점성비(log M)는 -0.477에서 -0.586으로 감소한다.
- 이 과정에서 헥산의 흐름 경로로 둘러싸인 공극수는 잔류하게 되며, 최종적으로 헥산과 공극수의 공간적인 분포가 더 이상 변화하지 않는 평형상태에 도달하게 된다. 주입 온도의 변화가 주입 유체와 공극수 간 대체 양상과 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험 결과, 온도가 25oC에서 55oC로 증가함에 따라 헥산의 대체 면적비가 평균 68.03%에서 57.99%로 감소하였으며, 이는 주입 온도의 증가가 헥산의 물성 및 모관압의 변화를 야기한 결과로 판단된다. 25oC의 경우에는 헥산이 많은 공극수를 대체하며 모든 방향으로 흐름 경로를 형성하는 것에 반하여, 55oC의 경우에는 두 유체 간 밀도 차가 증가됨에 따라 공극목에 작용하는 모관압이 증가하여 헥산이 상대적으로 모관압이 낮은 넓은 공극목을 따라 흐름 경로가 형성하였다.
- 이러한 실험의 결과는 실제 이산화탄소 지중저장에 있어 온도 변화에 따른 주입 유체인 이산화탄소와 공극수 간 비혼성 대체 과정 및 대체율에 관한 이해가 필수적임을 시사한다. 지중저장이 진행되는 과정에서 심부 지질구조로 이산화탄소가 주입되는 동안 지층의 깊이에 따라 지온상승률에 의하여 이산화탄소의 밀도와 점도 및 유체 간 계면장력 등 물성이 변화되고, 결과적으로 이산화탄소의 거동 및 대체율에 영향을 미칠 것으로 예측할 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 마이크로모델을 이용한 실험을 통하여 초임계 이산화탄소 대체 유체인 헥산과 공극수(탈이온수)의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고, 그 결과를 통하여 주입 유체의 온도 변화가 주입 유체와 공극수 간 대체 양상 및 주입 유체의 대체율에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 본 연구 결과는 실제 이산화탄소 지중저장 과정에서 저류층의 환경과 주입 조건에 따른 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포를 예측하는데 필요한 기본적인 이해를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과 공극 내에 포화되어 있던 공극수와 대체가 잘 이루어지지 않아 대체율이 감소하게 된다. 본 연구에서 도출된 주입 온도에 따른 유체 간 비혼성 대체 과정 및 헥산의 대체율의 변화 경향은 이산화탄소 지중저장이 수행되는 환경에 적용되어 심부 지질구조의 공극 구조 내에서 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포에 대한 기본적인 이해를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- , 2015). 이에 따라 실제 지중저장 조건에서의 초임계 이산화탄소 주입 실험에 대한 결과 유추에 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.