[논문]Sentinel-1 SAR 시계열 영상을 이용한 캐나다 앨버타 오일샌드 지역의 지표변위 분석

김태욱; 한향선

doi:10.7780/kjrs.2022.38.2.1

Sentinel-1 SAR 시계열 영상을 이용한 캐나다 앨버타 오일샌드 지역의 지표변위 분석
Analysis of Surface Displacement of Oil Sands Region in Alberta, Canada Using Sentinel-1 SAR Time Series Images 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.38 no.2, 2022년, pp.139 - 151

초록
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오일샌드 채굴에 널리 이용되고 있는 증기 주입식 중력 배수(Steam-Assisted Gravity Drainage, SAGD) 공법은 지표의 변형을 야기하며, 이는 오일샌드 플랜트의 안정성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 다양한 지질 재해의 원인이 되므로 지속적인 모니터링이 필요하다. 이 연구에서는 캐나다 앨버타의 Athabasca 오일샌드 지역에 대해 2016년부터 2021년까지 획득된 Sentinel-1 시계열 영상레이더(synthetic aperture radar, SAR) 자료에 고정산란체 간섭기법(Permanent Scatterer Interferometric SAR, PSInSAR)을 적용하여 SAGD 운용에 의한 지표변위를 관측하였다. 그리고 SAGD의 건설 및 확장을 Landsat-7/8 시계열 영상으로부터 파악하고, 이를 통해 SAGD의 원유 생산성에 따른 지표변위의 특성을 분석하였다. Athabasca 오일샌드 지역의 SAGD 및 그 주변에서는 레이더 관측방향으로 0.3-2.5 cm/yr의 지반융기가 관측된 반면, SAGD에서 수 km 이상 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 -0.3--0.6 cm/yr의 침하가 관측되었다. Landsat-7/8 시계열 영상 분석을 통해 2012년 이후에 건설되어 높은 생산성을 보이는 SAGD는 증기의 주입으로 인해 1.6 cm/yr 이상의 지반융기를 야기하는 반면에 더 오랜 기간 동안 운용되어 생산성이 상대적으로 낮은 SAGD에서는 증기 주입에도 불구하고 지속적인 원유 회수에 따른 사암의 압축 때문에 연간 수 mm의 매우 작은 융기가 발생함을 추정할 수 있었다. SAGD 및 그 주변을 제외한 대부분의 지역에서 관측된 침하는 동토층의 융해에 의한 점진적 지반침하로 추정되었다. 동토층의 침하를 고려할 때 SAGD 운용에 기인하는 지반의 융기는 관측된 것보다 더 클 것이라고 예상되었다. 이 연구의 결과를 통해 PSInSAR 기법이 극한지 오일샌드 SAGD의 생산성과 안정성 평가에 유용한 수단으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage) method is widely used for oil recovery in oil sands regions. The SAGD operation causes surface displacement, which can affect the stability of oil recovery plants and trigger various geological disasters. Therefore, it isimportant to monitor the surface displacement due to SAGD in the oil sands region. In this study, the surface displacement due to SAGD operations of the Athabasca oil sands region in Alberta, Canada, was observed by applying Permanent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar (PSInSAR) technique to the Sentinel-1 time series SAR data acquired from 2016 to 2021. We also investigated the construction and expansion of SAGD facilitiesfrom Landsat-7/8 time seriesimages, from which the characteristics of the surface displacement according to the oil production activity of SAGD were analyzed. Uplift rates of 0.3-2.5 cm/yr in the direction of line of sight were observed over the SAGDs and their vicinity, whereas subsidence rates of -0.3--0.6 cm/yr were observed in areas more than several kilometers away from the SAGDs and not affected by oil recovery activities. Through the analysis of Landsat-7/8 images, we could confirm that the SAGDs operating after 2012 and showing high oil production activity caused uplift rates greater than 1.6 cm/yr due to the subsurface steam injection. Meanwhile, very small uplift rates of several mm per year occurred over SAGDs which have been operated for a longer period of time and show relatively low oil production activity. This was probably due to the compression of reservoir sandstone due to continuous oil recovery. The subsidence observed in areas except for the SAGDs and their vicinity estimated to be a gradual land subsidence caused by melting of the permafrost. Considering the subsidence, it was expected that the uplift due to SAGD operation would be greater than that observed by the PSInSAR. The results of this study confirm that the PSInSAR can be used as an effective means for evaluating productivity and stability of SAGD in the extreme cold regions.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Map of the study area modified from Google Earth imagery. White polygons indicate the oil recovery areas. The two red boxes represent the areas of time series surface displacement observation in the northern (Site 1) and southern (Site 2) Athabasca oil sands region. The two yellow rectangles represent the coverages of Sentinel-1 SAR images.
표 Table 1. Specifications of Sentinel-1 SAR data used in this study
그림 Fig. 2. Flowchart of PSInSAR processing via SNAP and StaMPS.
표 Table 2. Landsat-7 ETM+ and Landsat-8 OLI images used in this study
그림 Fig. 3. Baseline plots of Sentinel-1 interferograms used in PSInSAR for (a) Site 1 (northern Athabasca) and (b) Site 2 (southern Athabasca). Blue point represents a master image used for generating the interferograms.
그림 Fig. 4. Maps of mean surface displacement velocity in the LOS for (a) Site 1 (Northern Athabasca) and (b) Site 2 (Southern Athabasca).
그림 Fig. 5. Plots of surface displacement time series in the LOS for the selected PSs in Site 1.
그림 Fig. 6. Plots of surface displacement time series in the LOS for the selected PSs in Site 2.
그림 Fig. 7. Landsat-7/8 pan-sharpened images of Site 1 in (a) 2012, (b) 2015, (c) 2016, and (d) 2021.
그림 Fig. 8. Landsat-7/8 pan-sharpened images of Site 2 in (a) 2013, (b) 2015, (c) 2016, and (d) 2021.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 PSInSAR 기법을 이용하여 캐나다 앨 버타 주 Athabasca의 SAGD 밀집 지역에 대해 2016년부 터 2021년까지 시계열 지표변위를 관측하였고, 다시기 광학영상에서 추정된 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위의 특성을 분석하였다. 또한 오일샌드 채굴과는 무관한 지역에서의 지표변위를 관측하고, 이를 통해 연구지역 동토층의 변화를 파악하였다.

제안 방법

이 연구에서는 Sentinel-1 시계열 SAR 영상에 PSInSAR 를 적용하여 캐나다 앨버타 Athabasca 오일샌드 지역의 지표변위 속도를 관측하였다. Landsat-7 ETM+ 및 Landsat-8 OLI 영상으로부터 오일샌드를 채굴하는 SAGD의 건설과 확장을 파악하여 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위 특성을 분석하였다. 대부분의 SAGD 밀집 지역에서 지반의 융기를 관측하였으며, SAGD와 멀리 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 침하가 관측되었다.
이 연구에서는 Landsat 영상에 pan-sharpening을 적용하여 15 m 공간해상도의 RGB 조합영상을 생성하고, 이로부터 SAGD 플랜트의 시간적 변화를 파악하였다. 그리고 PSInSAR로 관측된 지표변위의 시계열 변화를 Landsat 영상에서 파악된 SAGD의 건설 및 확장 시점과 함께 해석하였다.
이 연구에서는 PSInSAR 기법을 이용하여 캐나다 앨 버타 주 Athabasca의 SAGD 밀집 지역에 대해 2016년부 터 2021년까지 시계열 지표변위를 관측하였고, 다시기 광학영상에서 추정된 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위의 특성을 분석하였다. 또한 오일샌드 채굴과는 무관한 지역에서의 지표변위를 관측하고, 이를 통해 연구지역 동토층의 변화를 파악하였다.
그러나 SAGD 플랜트와 지표에 노출된 파이프라인, 송전탑, 도로 상의 인공구조물 등은 대부분 PS로 선정되어 이 연구에 충분히 활용될 수 있었다. 오일샌드 채굴 지역에서 발생하는 변위는 대부분 수직방향의 침하 또는 융기이며, Sentinel-1 SAR 관측 기간 동안 지진이나 화산활동 등 다른 유형의 이벤트가 보고된 바 없으므로 SAGD와 주변 PS에서 관측된 LOS 방향의 지표변위는 모두 수직방향의 변위로 추정하여 해석하였다. Site 1에서는 Sunrise(SR)와 Firebag(FB) 오일샌드 개발 프로젝트가 진행 중이며, Site 2에서는 Black Gold(BG), Jackfish(JF), South Christina Lake(SCL), North Christina Lake(NCL) 프로젝트가 진행 중이다.
그러나 pan-sharpening을 통하여 15 m 공간해상도의 RGB 조합영상을 생성할 수 있고, 이는 SAGD의 건설과 확장을 보다 정확하게 관찰하는데 도움이 된다. 이 연구에서는 Landsat 영상에 pan-sharpening을 적용하여 15 m 공간해상도의 RGB 조합영상을 생성하고, 이로부터 SAGD 플랜트의 시간적 변화를 파악하였다. 그리고 PSInSAR로 관측된 지표변위의 시계열 변화를 Landsat 영상에서 파악된 SAGD의 건설 및 확장 시점과 함께 해석하였다.
일반적으로 SAGD의 원유 생산 활동성은 SAGD의 운용 기간이 길수록 오일샌드의 부존량이 줄어들기 때문에 낮아지는 특징이 있다. 이 연구에서는 SAGD의 원유 생산 활동성을 추정하기 위하여 2012년부터 2021년 사이의 Landsat-7Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM+) 영상과 Landsat-8 Operational Land Imager(OLI) 영상을 획득하고(Table 2) SAGD의 건설 및 확장을 파악하였다. Landsat-7과 Landsat-8은 모두 16일의 시간해상도를 가지며, 가시광선 및 근적외선, 중적외선 대역에서 30 m, 전정색(panchromatic) 대역에서는 15 m 공간해상도의 영상을 제공한다.
이 연구에서는 Sentinel-1 시계열 SAR 영상에 PSInSAR 를 적용하여 캐나다 앨버타 Athabasca 오일샌드 지역의 지표변위 속도를 관측하였다. Landsat-7 ETM+ 및 Landsat-8 OLI 영상으로부터 오일샌드를 채굴하는 SAGD의 건설과 확장을 파악하여 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위 특성을 분석하였다.

대상 데이터

PSInSAR 수행을 통하여 Site 1과 Site 2에서 각각 5,749 개와 17,081개의 PS가 선정되었다. Fig.
열적외선 대역 영상의 경우 Landsat-7 ETM+는 60 m 공간해상도로 제공하며, Landsat-8은 Thermal Infrared Sensor에서 100 m 해상도로 수신된 자료를 30 m 해상도로 리샘플링하여 제공한다. 이 연구에서 획득한 Landsat 영상은 모두 방사보정과 기하 및 지형 보정이 수행된 Level-1 Terrain Precision Correction (L1TP) 자료이다.
이 연구에서는 캐나다 앨버타 Athabasca 오일샌드 지역의 북부 및 남부에 SAGD가 밀집된 지역을 선정(Fig. 1)하여 시계열 지표변위를 관측하였다.

성능/효과

대부분의 SAGD 밀집 지역에서 지반의 융기를 관측하였으며, SAGD와 멀리 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 침하가 관측되었다. SAGD마다 서로 다른 지반융기 속도를 보였는데, 이는 SAGD의 오일샌드 채굴 활동성과 저류층 상부 지층의 두께에 의존하는 것으로 분석되었다. 상대적으로 최근에 건설되어 원유 생 산 활동성이 높은 SAGD에서 더 빠른 속도로 지반이 융기하였다.
상대적으로 최근에 건설되어 원유 생 산 활동성이 높은 SAGD에서 더 빠른 속도로 지반이 융기하였다. SAGD의 활동과 무관한 지역에서 균일하게 관측된 침하는 Athabasca 지역 동토층의 지속적인 융해에 의해 발생한 것으로 추정할 수 있었다.
Landsat-7 ETM+ 및 Landsat-8 OLI 영상으로부터 오일샌드를 채굴하는 SAGD의 건설과 확장을 파악하여 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위 특성을 분석하였다. 대부분의 SAGD 밀집 지역에서 지반의 융기를 관측하였으며, SAGD와 멀리 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 침하가 관측되었다. SAGD마다 서로 다른 지반융기 속도를 보였는데, 이는 SAGD의 오일샌드 채굴 활동성과 저류층 상부 지층의 두께에 의존하는 것으로 분석되었다.
이 연구를 통하여 극한지 오일샌드 지역의 시계열 지표변위 관측에 PSInSAR가 효과적으로 사용될 수 있고, 관측된 지표변위로부터 SAGD의 원유 생산 활동성 평가가 가능함을 확인할 수 있다. 향후 보다 장기간의 SAR 영상과 SAGD 증기 주입량 및 원유 생산량에 대한 정보를 활용할 수 있다면 PSInSAR를 기반으로 한 극한지 오일샌드 플랜트의 관리 및 평가를 위한 원격 모니터링 기술 개발도 가능하리라 기대된다.

후속연구

이 연구를 통하여 극한지 오일샌드 지역의 시계열 지표변위 관측에 PSInSAR가 효과적으로 사용될 수 있고, 관측된 지표변위로부터 SAGD의 원유 생산 활동성 평가가 가능함을 확인할 수 있다. 향후 보다 장기간의 SAR 영상과 SAGD 증기 주입량 및 원유 생산량에 대한 정보를 활용할 수 있다면 PSInSAR를 기반으로 한 극한지 오일샌드 플랜트의 관리 및 평가를 위한 원격 모니터링 기술 개발도 가능하리라 기대된다.

참고문헌 (26)

Butler, R.M., 2001. Some recent developments in SAGD, Journal of Canadian Petroleum Technology, 40(1): 18-22. https://doi.org/10.2118/01-01-DAS

상세보기
Cho, E., M. Jeong, and C. Kang, 2016. Case studies for optimizing heat exchanger networks in steam-assisted gravity drainage oil sands plant, The KSFM Journal of Fluid Machinery, 19(3): 19-24 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.5293/kfma.2016.19.3.019

원문보기 상세보기
Choi, J.H. and S.W. Kim, 2018. Comparison of observation performance of urban displacement using ALOS-1 L-band PALSAR and COSMO-SkyMed X-band SAR time series images, Korean Journal of Remote Sensing, 34(2-1): 283-293 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2018.34.2.1.10

원문보기 상세보기
Choi, Y., J. Jung, I. Hwang, and H. Lee, 2020. A study on the technological change countermeasure and external competitiveness evaluation using patent analysis in the oil and gas plant for cold and harsh environment, The Society of Convergence Knowledge Transactions, 8(3): 45-58 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.22716/sckt.2020.8.3.019
Ferretti, A., C. Prati, and F. Rocca, 2000. Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38(5): 2202-2212. http://doi.org/10.1109/36.868878

상세보기
Ferretti, A., C. Prati, and F. Rocca, 2001. Permanent scatterers in SAR interferometry, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 39(1): 8-20. http://doi.org/10.1109/36.898661

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Finkel, M.L., 2018. The impact of oil sands on the environment and health, Current Opinion in Environmental Science & Health, 3: 52-55. https://doi.org/10.1016/j.coesh.2018.05.002

상세보기
Gernhardt, S., N. Adam, M. Eineder, and R. Bamler, 2010. Potential of very high resolution SAR for persistent scatterer interferometry in urban areas, Annals of GIS, 16(2): 103-111. http://doi.org/10.1080/19475683.2010.492126

상세보기
Gibson, J.J., S.J. Birks, and Y. Yi, 2016. Higher tritium concentrations measured in permafrost thaw lakes in northern Alberta, Hydrological Processes, 30(2): 245-249. https://doi.org/10.1002/hyp.10599

상세보기
Gibson, J.J., Y. Yi, and S.J. Birks, 2019. Isotopic tracing of hydrologic drivers including permafrost thaw status for lakes across Northeastern Alberta, Canada: A 16-year, 50-lake assessment, Journal of Hydrology: Regional Studies, 26: 100643. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2019.100643

상세보기
Gupta, S.C. and S.D. Gittins, 2007. Effect of solvent sequencing and other enhancements on solvent aided process, Journal of Canadian Petroleum Technology, 46(9): 57-61. https://doi.org/10.2118/07-09-06

상세보기
Hein, F.J. and D.K. Cotterill, 2006. The Athabasca oil sands - A regional geological perspective, Fort McMurray area, Alberta, Canada, Natural Resources Research, 15(2): 85-102. https://doi.org/10.1007/s11053-006-9015-4

상세보기
Hooper, A., D. Bekaert, K. Spaans, and M. Arikan, 2012. Recent advances in SAR interferometry time series analysis for measuring crustal deformation, Tectonophysics, 514: 1-13. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2011.10.013

상세보기
Jasechko, S., J.J. Gibson, S.J. Birks, and Y. Yi, 2012. Quantifying saline groundwater seepage to surface waters in the Athabasca oil sands region, Applied Geochemistry, 27(10): 2068-2076. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2012.06.007

상세보기
Khakim, M.Y.N., T. Tsuji, and T. Matsuoka, 2012. Geomechanical modeling for InSAR-derived surface deformation at steam-injection oil sand fields, Journal of Petroleum Science and Engineering, 96: 152-161. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2012.08.003

상세보기
Khakim, M.Y.N., T. Tsuji, and T. Matsuoka, 2013. Detection of localized surface uplift by differential SAR interferometry at the Hangingstone oil sand field, Alberta, Canada, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 6(6): 2344-2354. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2013.2254471

상세보기
Kim, S. and Y.S. Kim, 2019. Study of information system for the environmental impact assessment (EIA) of the Arctic development project, Journal of the Korea Geosynthetics Society, 18(4): 53-61 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.4.053

원문보기 상세보기
Kim, S.W., 2010. A comparison of InSAR techniques for deformation monitoring using multi-temporal SAR, Korean Journal of Remote Sensing, 26(2): 143-151 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2010.26.2.143

원문보기 상세보기
Krishnan, P.V.S. and D.-J. Kim, 2018. Subsidence due to groundwater withdrawal in Kathmandu basin detected by time-series PS-InSAR analysis, Korean Journal of Remote Sensing, 34(4): 703-708. https://doi.org/10.7780/kjrs.2018.34.4.12

원문보기 상세보기
Kwon, Y. K., 2008. Geology of Athabasca oil sands in Canada, The Korean Journal of Petroleum Geology, 14(1): 1-11 (in Korean with English abstract).
Pearse, J., V. Singhroy, S. Samsonov, and J. Li, 2014. Anomalous surface heave induced by enhanced oil recovery in northern Alberta: InSAR observations and numerical modeling, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(8): 6630-6649. https://doi.org/10.1002/2013JB010885

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Samsonov, S.V., M. Czarnogorska, and F. Charbonneau, 2015. Selecting optimal RADARSAT Constellation Mission beams for monitoring ground deformation in Alberta's oil sands, Canadian Journal of Remote Sensing, 41(5): 390-400. https://doi.org/10.1080/07038992.2015.1104632
Singhroy, V., J. Li, and F. Charbonneau, 2015. High resolution rapid revisit InSAR monitoring of surface deformation, Canadian Journal of Remote Sensing, 41(5): 458-472. https://doi.org/10.1080/07038992.2015.1104638

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Torres, R., P. Snoeij, D. Geudtner, D. Bibby, M. Davidson, E. Attema, P. Potin, B. Rommen, N. Floury, M. Brown, I.N. Traver, P. Deghaye, B. Duesmann, B. Rosich, N. Miranda, C. Bruno, M. L'Abbate, R. Croci, A. Pietropaolo, M. Huchler, and F. Rostan, 2012. GMES Sentinel-1 mission, Remote Sensing of Environment, 120: 9-24. https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.05.028

상세보기
Yu, J.H. and H.W. Yun, 2019. Development of continuous ground deformation monitoring system using Sentinel satellite in the Korea, Korean Journal of Remote Sensing, 35(5-2): 773-779 (in Korean with English abstract). https://doi.org/10.7780/kjrs.2019.35.5.2.2

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Zhang, W., S. Youn, and Q.T. Doan, 2007. Understanding reservoir architectures and steam-chamber growth at Christina Lake, Alberta, by using 4D seismic and crosswell seismic imaging, SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 10(5): 446-452. https://doi.org/10.2118/97808-PA

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저자의 다른 논문 :

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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