[논문]암석구성성분검층: 원리, 연구동향 및 향후 과제

신제현; 황세호

doi:10.7582/gge.2019.22.3.149

암석구성성분검층: 원리, 연구동향 및 향후 과제
Borehole Elemental Concentration Logs: Theory, Current Trends and Next Level 원문보기

지구물리와 물리탐사 = Geophysics and geophysical exploration, v.22 no.3, 2019년, pp.149 - 159

신제현 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부) , 황세호 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부)

초록
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암석구성성분검층(중성자-감마스펙트로스코피검층)은 중성자선원의 비탄성산란과 중성자포획 작용으로부터 생성되는 감마선을 측정하여 지층의 원위치 광물조성을 추정할 수 있는 기술이다. 일반적으로 지층의 광물조성 평가는 코어에 대한 X선 회절법, X선 형광분석법 등의 실내 시험자료를 주로 이용하고 있으나 이는 조사 구간의 극히 일부분에 대한 결과이며 특히, 유체의 유동 경로 구간은 주로 파쇄대 및 사질층인데 이 구간들의 코어 회수율이 불량하여 조사 구간 전체에 대한 광물조성 평가는 한계가 있다. 따라서 시추공 전 구간에 대한 원위치 광물조성 추정 기술개발은 지중환경 평가에 중요한 역할을 할 수 있다. 이 기술은 전통, 비전통 저류층 평가를 중심으로 최근까지 장비 개발 및 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 분야이지만 몇 개 서비스회사의 독점기술로 자세한 정보 미공개, 다양한 지층 및 인공모형을 이용한 화학-광물학 데이터베이스 구축 문제 등으로 국내 연구에 직접적으로 적용하기에는 어려움이 있었다. 이 해설논문에서는 암석구성성분검층의 기본원리, 시스템 구성, 교정시설, 국외 기 개발된 검층시스템 분석 및 연구개발 동향 등을 통해 해당 기술을 소개하고, 국내 시스템 제작을 위한 기술 적용 방안을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Borehole elemental concentration logging, measuring neutron-induced gamma rays by inelastic scattering and neutron capture interactions between neutron and formation, delivers concentrations of the most common elements found in the minerals and fluids of subsurface formation. X-ray diffraction and X-ray fluorescence analysis from core samples are traditionally used to understand formation composition and mineralogy, but it represents only part of formations. Additionally, it is difficult to obtain elemental analysis over the whole intervals because of poor core recovery zones such as fractures or sand layers mainly responsible for groundwater flow. The development of borehole technique for in situ elemental analysis plays a key role in assessing subsurface environment. Although this technology has advanced consistently starting from conventional and unconventional resources evaluation, it has been considered as exclusive techniques of some major service company. As regards domestic research and development, it has still remained an unexplored field because of some barriers such as the deficiency of detailed information on tools and calibration facility for chemistry and mineralogy database. This article reviews the basic theory of spectroscopy measurements, system configuration, calibration facility, and current status. In addition, this article introduces the domestic researches and self-development status on borehole elemental concentration tools.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Conceptual sketch for borehole elemental concentration logs. Borehole elemental concentration logging, also referred to as neutroninduced gamma ray spectroscopy, delivers in situ concentrations of the most common elements found in the minerals and fluids of subsurface formation.
그림 Fig. 2. Primary neutron-gamma interactions in borehole elemental concentration logs. Inelastic neutron scattering occurs when fast neutrons collide with atomic nuclei, and excited nucleus emits inelastic gamma rays to return to a deexcited state (top). Neutron capture occurs when thermal neutrons are absorbed by atomic nuclei, and the capturing atom generates gamma rays to return to a deexcited state (bottom).
그림 Fig. 3. Good agreement between six elemental concentrations measured on core (red) and those derived by applying the oxide closure principle to the yields of the Elemental Concentration Sonde (Barson et al., 2005).
$Fig. 4. Multi-step process from acquisition to interpretation in borehole elemental concentration logs. Inelastic and capture gammaray from nuclear interaction are converted to elemental yields using elemental standards. Elemental weight fractions are computed based on iteration inversion techniques. Elemental analysis programs convert weight fractions to mineralogy.$ 그림 Fig. 4. Multi-step process from acquisition to interpretation in borehole elemental concentration logs. Inelastic and capture gammaray from nuclear interaction are converted to elemental yields using elemental standards. Elemental weight fractions are computed based on iteration inversion techniques. Elemental analysis programs convert weight fractions to mineralogy.
표 Table 1. Elements determined through capture and inelastic gamma spectroscopy (Radtke et al., 2012).
그림 Fig. 5. Schematic of the measurement module for gamma ray detection. Gamma rays enter the scintillator causing a flash of light. The photomultiplier tube converts the light to a current, which it amplifies many times. The analog signal is further amplified and converted to a digital value. The amplitude of the signal is determined by a pulse height analyzer.
그림 Fig. 6. Elemental standards and tool calibration at Environmental Effects Calibration Facility (EECF, Schlumberger). Standards are derived by using slabs of formation rocks and simulated formation with known geochemical and lithologic composition (Abound et al., 2014).
그림 Fig. 7. Radioactive logging calibration facility at KIGAM Pohang Branch: (a) water tank, (b) granite, (c) limestone, (d) physical model (sand), (e) physical model (glass bead), (f) aluminum block, (g) calibration block layout, and (h) the whole view of calibration facility.
그림 Fig. 8. Tool architecture of Pulsar multifunction spectroscopy. Tool consists of high-performance pulsed neutron generator (PNG) and 4detectors: CNM, far LaBr3, near LaBr3, YAP (Grover, 2017).
표 Table 2. Major specifications for borehole elemental concentration tools. Blank cells means no records found to match criteria.
그림 Fig. 9. Gamma ray spectra obtained in the physical model: (a) water tank, (b) granite and (c) limestone (Hwang, 2015).
표 Table 3. Suite of elements from borehole elemental concentration tools. Red, gray, and green colors denote elements estimated from natural gamma, capture, and inelastic spectrum, respectively.
그림 Fig. 10. Systematic procedure to develop borehole elemental concentration logging system (Shin et al., 2018).

AI 본문요약
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문제 정의

현재 방사능검층을 이용한 암석 광물조성 평가에 대한 국외 기술은 완성단계로 전통, 비전통 저류층 평가에 많이 이용되고 있지만 이는 몇 개의 주요 서비스 회사의 독점 기술로 장비 판매 없이 고가의 서비스만 실시하고 있어 자료취득 시스템의 정확한 제원 및 자료처리 알고리즘 등을 공개하지 않고 있다. 이 해설논문에서는 암석구성성분검층의 기본원리, 시스템 구성, 교정시설, 국외 기 개발된 검층시스템 분석, 국외 연구개발 동향 및 국내 관련 연구에 대해 소개하고 이 시스템 제작을 위한 국내 기술 적용 방안을 검토하였다.

제안 방법

감마선 측정 하드웨어와 소프트웨어는 자체 개발하여 대형 수조, 암석모형에서 계측 시험을 수행하였으며, 이는 국내 최초로 중성자선원을 이용하여 감마스펙트럼 측정이 가능한 시스템을 융합연구를 통해 원천기술을 개발한 첫 사례이다. 또한 몬테카를로(Monte Carlo) 수치모델링을 이용하여 자연감마선, 스펙트럴자연감마선, 밀도, 중성자검층 장비의 검교정을 실시하였고 장비개발과 관련된 기술 확보 외에 성능시험을 위한 인프라도 구축하였다(Won et al., 2015). Fig.
본 시험 지층은 다양한 지질, 공극률 및 시추공 크기, 머드 타입, 머드량, 염도, 케이싱 등의 시추공 환경을 모사하였다. 또한 화학 조성을 알고 있는 암석의 평판(slab) 혹은 모형 지층(simulated formation)을 이용하여 다양한 원소에 대한 장비의 정확한 스펙트럼 반응 표준을 도출하고 개발된 장비에 대한 교정을 실시한다(Fig. 6). 휴스턴에 위치한 Baker Atlas Instrument Characterization Center (ICC) 에는 시추공 크기, 공극, 밀도, 지층 등을 다양화하여 약 90개의 모형이 구축되어 있다.
미국 슐럼버저社(Schlumberger Limited)에서는 1985년 휴스턴에 Environmental Effects Calibration Facility (EECF)를 조성, 다양한 시험 지층을 구현하여 중성자 및 밀도검층에 대한 시험을 실시하고 있다. 본 시험 지층은 다양한 지질, 공극률 및 시추공 크기, 머드 타입, 머드량, 염도, 케이싱 등의 시추공 환경을 모사하였다. 또한 화학 조성을 알고 있는 암석의 평판(slab) 혹은 모형 지층(simulated formation)을 이용하여 다양한 원소에 대한 장비의 정확한 스펙트럼 반응 표준을 도출하고 개발된 장비에 대한 교정을 실시한다(Fig.
, 2018). 선원-검출기의 수치모사와 성능시험을 통해 검출기 선정, 최적 배열 등의 존데 구조 및 모듈에 대한 기하구조를 설계하고 지중환경 조건을 만족하는 소구경용 프로토타입 시스템을 제작, 시험모형을 이용하여 성능 시험을 실시한다. 이후 시험 결과를 기반으로 시스템 설계를 수치모사를 통해 재 실시하여 테스트베드에 적용하고 개발된 장비로부터 지층의 구성 원소를 추정, 원위치로 측정한 검층자료와 시추코어에 대한 실내시험 분석 결과치를 비교하여 검증하는 연구를 진행 중이다(Fig.

대상 데이터

국내 방사능검층 교정장 시설은 한국지질자원연구원 포항지질자원실증연구센터에 물을 가득 채운 수조, 화강암(granite), 석회암(limestone), 모형 시추공 2개, 알루미늄 블록 등을 기반으로 구축되어 있으며 화강암과 석회암 블록은 4인치로 시추하여 코어를 획득하였다(Fig. 7). 각 모형의 크기는 직경 0.

이론/모형

가장 최근 개발된 암석구성성분검층기는 슐럼버저社의 Pulsar multifunction spectroscopy (Grover, 2017)이며 펄스중성자발생장치와 기존의 1개의 검출기를 이용하는 검층기와 달리 총 4개의 검출기(compact neutron monitor (CNM), near and far LaBr₃, yttrium aluminum perovskite (YAP))를 이용하였다(Fig. 8). 동시에 시간영역과 에너지영역의 측정이 가능하며 시간영역에는 가스포화도를 구하기 위한 포획단면적(capture cross section), 공극률, 고속중성자단면적(fast-neutron cross section)과 에너지영역에는 지층 원소추정을 위한 비탄성/탄성모드, C/O ratio, TOC (total organic carbon) 등을 각각 구현하는 다목적 장비이다(Rose et al.
, 2005). 산출된 원소들은 정확한 원소와 광물 사이의 실험 관계식을 기반으로 한 순차 처리 기법인 SpectroLith algorithm (Herron and Herron, 1996) 혹은 ELANPlus advanced multimineral log analysis(Techlog ELANPlus module of Schlumberger) 등의 모델링 프로그램을 이용하여 광물로 환산한다. 암석구성성분검층의 자료 취득 및 처리 절차는 Fig.
측정된 스펙트럼은 oxide closure model (Grau and Schweitzer, 1989; Grau et al., 1989; Hertzog et al., 1989) 혹은 Elemental Log Analysis (Quirein et al., 1986)같은 반복 역산 기법(iteration inversion technique)에 적용하여 각 원소들의 질량분율(elemental weight fraction)을 산출한다. Fig.

후속연구

최근 성능이 향상된 몬테카를로 전산모사 코드와 분해능 및 효율 높은 감마선 검출기 등을 이용하여 국내 환경에 적합한 암석구성성분검층기를 개발하고 그 적용성과 신뢰성이 검증된다면 관련 시장의 파급효과는 매우 클 것으로 판단된다. 또한 시스템 개발의 독자적인 국내 원천기술을 확보하여 자연감마선, 스펙트럴자연감마선, 밀도검층, 중성자검층 등 방사능검층 장비 개발의 기반기술 확보도 가능할 것이다.
원위치에서 지층의 원소 및 광물조성을 평가하는 기술은 오염물질의 지중저감 평가 계획 수립, 광물자원 품위평가, 지하 폐기물처분장 평가 등의 지중환경 평가에 새로운 패러다임이 될 수 있을 것으로 기대된다.
선원-검출기의 수치모사와 성능시험을 통해 검출기 선정, 최적 배열 등의 존데 구조 및 모듈에 대한 기하구조를 설계하고 지중환경 조건을 만족하는 소구경용 프로토타입 시스템을 제작, 시험모형을 이용하여 성능 시험을 실시한다. 이후 시험 결과를 기반으로 시스템 설계를 수치모사를 통해 재 실시하여 테스트베드에 적용하고 개발된 장비로부터 지층의 구성 원소를 추정, 원위치로 측정한 검층자료와 시추코어에 대한 실내시험 분석 결과치를 비교하여 검증하는 연구를 진행 중이다(Fig. 10).
이를 극복하기 위하여 시스템의 설계과정은 수치모사와 다양한 물리시험을 바탕으로 수행하며, 여러 시추공 환경을 모사하는 국내의 다양한 지층과 인공모형을 구현하여 많은 원소에 대한 스펙트럼 반응 표준을 도출하고 개발된 장비의 교정 실시 및 지속적인 성능개선을 진행하여야 한다. 최근 성능이 향상된 몬테카를로 전산모사 코드와 분해능 및 효율 높은 감마선 검출기 등을 이용하여 국내 환경에 적합한 암석구성성분검층기를 개발하고 그 적용성과 신뢰성이 검증된다면 관련 시장의 파급효과는 매우 클 것으로 판단된다. 또한 시스템 개발의 독자적인 국내 원천기술을 확보하여 자연감마선, 스펙트럴자연감마선, 밀도검층, 중성자검층 등 방사능검층 장비 개발의 기반기술 확보도 가능할 것이다.
0 m로 모형 시추공에는 모래 혹은 글라스비드(glass bead) 등을 채워 넣어 인공 지층을 구성할 수 있다. 추후 다양한 지층에 대해 추가 블록을 제작, 설치할 계획이며 블록에 대한 물리검층 기초 실험, 교정 및 코어 실내시험을 통해 국내 지층에 대한 데이터베이스를 축적하려고 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암석구성성분검층이란?	암석구성성분검층(중성자-감마스펙트로스코피검층)은 중성자선원의 비탄성산란과 중성자포획 작용으로부터 생성되는 감마선을 측정하여 지층의 원위치 광물조성을 추정할 수 있는 기술이다. 일반적으로 지층의 광물조성 평가는 코어에 대한 X선 회절법, X선 형광분석법 등의 실내 시험자료를 주로 이용하고 있으나 이는 조사 구간의 극히 일부분에 대한 결과이며 특히, 유체의 유동 경로 구간은 주로 파쇄대 및 사질층인데 이 구간들의 코어 회수율이 불량하여 조사 구간 전체에 대한 광물조성 평가는 한계가 있다.
	암석구성성분검층과 전통적인 물리검층의 차이점은?	토양과 암반, 지하수 등 지중 매체들의 다양한 물성을 원위치(in situ)에서 측정 또는 추정하는 물리검층(geophysical well logging) 기법 중 암석구성성분검층(borehole elemental concentration logs)은 중성자선원(neutron source)을 이용하여 지층의 광물조성을 추정할 수 있는 기술로서 최근까지 장비 개발 및 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 분야이다. 전통적인 물리검층은 지층의 체적 물성(bulk physical property)을 추정하는 기술이지만 암석구성성분검층 기법은 지층을 구성하는 조성광물을 파악하는 기술이다(Fig. 1).
	암석구성성분검층 기술의 시작은?	Baker (1957)는 시추공 조건을 모사한 다양한 인공 지층(artificial formation)을 대상으로 중성자 포획 감마선(neutron captured gamma-ray)의 에너지 스펙트럼(energy spectrum)으로부터 원소를 추정하여 방사능검층의 적용 가능성을 소개한바 있으며, 이는 이 기술의 시작이라고 볼 수 있다. 이후 원위치 분석이라는 큰 이점을 갖고 많은 관련 연구가 수행되어 왔으나 장비 자체의 전자적 성능 문제, 계측 시스템의 정밀도(precision) 및 정확도(accuracy) 미흡, 정량적 분석을 위한 교정(calibration)의 어려움, 검층속도(logging speed)와 온도의 민감도 등의 여러 가지 기술적인 문제점을 가지고 있었다(Muench and Osoba, 1957; Tittman and Nelligan, 1960; Engesser and Thompson, 1967; Culver et al.

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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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