[논문]이산화탄소 지중저장을 위한 대수층 내 거동 특성 규명 실험

강현민; 김인수; 양민준; 이민희; 왕수균

문제 정의

현재까지 개발된 이산화탄소 처분기술 중에서는 심부 대수층 처분, 심부 석탄층 처분, 유전 및 가스전 처분 등의 지중 저장을 위한 기술이 외국에선 활발히 진행되고 있으나 우리나라는 아직까지 이산화탄소의 지중 저장을 위한 기술에 대한 연구가 매우 미약한 실정이다. 본 연구는 이산화탄소의 지중저장을 위한 대수층 내 거동 특성을 규명하기 위하여, 파일럿 박스실험을 실시하였다.

제안 방법

심부 대수층 내 이산화탄소의 수리지질학적 지구화학적 환경을 규명하기 위하여 Pilot-box를 이용하여 이산화탄소가 포화된 증류수, 이산화탄소 가스 그리고 대체유체인 광유(mineral oil : KF-50)의 공극내 거동 모니터링 실험을 실시하였다. 두께 2 cm의 아크릴 재질의 박스(2m X lm X lm)를 사용하였으며, 직경이 1 nun인 glass bead를 매질로 사용하여 80 cm 두께로 충진하였다.
두께 2 cm의 아크릴 재질의 박스(2m X lm X lm)를 사용하였으며, 직경이 1 nun인 glass bead를 매질로 사용하여 80 cm 두께로 충진하였다. 2일 동안 정치시킨 수돗물을 이용하여 박스를 포화시켰으며, 좌측 수위조에 300 ㎖/min의 수돗물을 주입하여 수두차에 의하여 7.3 cm/hr의 유속을 발생하도록 조절하였다. 이산화탄소가 포화된 증류수의 거동 관측실험에서 이산화탄소가 포화된 증류수 주입장치는 박스 왼쪽에서 15 cm 지점 중앙에 깊이 65 cm 되는 지점까지 PVC 재질의 주입정을 설치하였으며, C₆로 포화된 1차 증류수(1.
3 cm/hr의 유속을 발생하도록 조절하였다. 이산화탄소가 포화된 증류수의 거동 관측실험에서 이산화탄소가 포화된 증류수 주입장치는 박스 왼쪽에서 15 cm 지점 중앙에 깊이 65 cm 되는 지점까지 PVC 재질의 주입정을 설치하였으며, C₆로 포화된 1차 증류수(1.3 X 105 mg/L)를 1 mi/min으로 주입하였다. 이산화탄소 가스 거동 관즉실험에서는 정중앙에 주입정을 설치하고, 주입정 하부에 graphite 재질의 기포 발생기를 튜브에 연결하여 설치하였으며, CO₂ 가스는 공기유량계를 설치하여 300 me/min 으로 주입하였다.
이산화탄소 가스 거동 관즉실험에서는 정중앙에 주입정을 설치하고, 주입정 하부에 graphite 재질의 기포 발생기를 튜브에 연결하여 설치하였으며, CO₂ 가스는 공기유량계를 설치하여 300 me/min 으로 주입하였다. 대체유체 인 광유(mineral oil : KF-50)의 거동 관측 실험에서는 하부 15 cm와 60 cm 지점에 골판지를 사용하여 불투수층을 만들었으며, 박스 왼쪽에 주입정을 설치하여 Sudan IV로 붉게 염색된 광유(mineral oil : KF-50)를 20 ㎖/rnin으로 주입하였다. 샘플링 포트는 박스에 teflon 재질의 튜브를 가로와 세로 20 cm의 일정한 간격의 격자형태로 5 cm, 35 cm의 길이로 관입하여 설치하였으며, 시료는 실험 시작 후 12시간 간격으로 10 ㎖씩 채취하였으며, 가스크로마토그래피(GC : Thermo Focus GC with TCD)로 CO?의 농도를 분석하였고, 광유는 중량법을 이용하여 농도를 측정하였다.
대체유체 인 광유(mineral oil : KF-50)의 거동 관측 실험에서는 하부 15 cm와 60 cm 지점에 골판지를 사용하여 불투수층을 만들었으며, 박스 왼쪽에 주입정을 설치하여 Sudan IV로 붉게 염색된 광유(mineral oil : KF-50)를 20 ㎖/rnin으로 주입하였다. 샘플링 포트는 박스에 teflon 재질의 튜브를 가로와 세로 20 cm의 일정한 간격의 격자형태로 5 cm, 35 cm의 길이로 관입하여 설치하였으며, 시료는 실험 시작 후 12시간 간격으로 10 ㎖씩 채취하였으며, 가스크로마토그래피(GC : Thermo Focus GC with TCD)로 CO?의 농도를 분석하였고, 광유는 중량법을 이용하여 농도를 측정하였다.
총 72시간 동안 C₆ 용존 증류수를 박스내 주입하고 모니터링하는 실험을 실시하였다. Fig.
박스 내 대수층의 지하수 이동이 없는 상태에서 총 72시간 동안 이산화탄소 가스를 300 ㎖ /min으로 주입하여 CO2 농도를 모니터링 하는 실험을 실시하였다. Fig.
자유상의 과임계 CO2를 모사한 대체유체인 광유를 이용하여 총 30시간 동안 주입하면서 공 극 내 모니터링을 실시하였다. Fig.

대상 데이터

KF-50)의 공극내 거동 모니터링 실험을 실시하였다. 두께 2 cm의 아크릴 재질의 박스(2m X lm X lm)를 사용하였으며, 직경이 1 nun인 glass bead를 매질로 사용하여 80 cm 두께로 충진하였다. 2일 동안 정치시킨 수돗물을 이용하여 박스를 포화시켰으며, 좌측 수위조에 300 ㎖/min의 수돗물을 주입하여 수두차에 의하여 7.

이론/모형

대체유체 인 광유(mineral oil : KF-50)의 거동 관측 실험에서는 하부 15 cm와 60 cm 지점에 골판지를 사용하여 불투수층을 만들었으며, 박스 왼쪽에 주입정을 설치하여 Sudan IV로 붉게 염색된 광유(mineral oil : KF-50)를 20 ㎖/rnin으로 주입하였다. 샘플링 포트는 박스에 teflon 재질의 튜브를 가로와 세로 20 cm의 일정한 간격의 격자형태로 5 cm, 35 cm의 길이로 관입하여 설치하였으며, 시료는 실험 시작 후 12시간 간격으로 10 ㎖씩 채취하였으며, 가스크로마토그래피(GC : Thermo Focus GC with TCD)로 CO?의 농도를 분석하였고, 광유는 중량법을 이용하여 농도를 측정하였다.

성능/효과

2는 시간에 따른 박스 내 CO2 농도 분포를 나타내는 결과이다. 이산화탄소 가스가 거동하는 경로 부근의 공극 수는 접촉과 용해로 인하여 C₆ 농도가 증가되지만, 공극수의 흐름이 제한된 상태에서는 단순한 농도구배에 의한 확산은 시간에 따라 서서히 이루어짐을 알 수 있었다.

후속연구

하지만 주입량이 증가함에 따라 자유 상이 상승하여 상부층의 불투수층 위로 퍼져 나가는 현상을 확인할 수 있었으며, 이것은 광유 주입량이 시간에 따라서 공극수의 흐름에 따라 흘러가지 못하고, 주입정과 매질 사이의 틈으로 over-flowing 되는 현상이 발생하였다. 이에 따라 향후 주입량 변화에 따른 공극 수의 흐름에 따른 대체유체의 거동 모니터링 실험이 필요할 것으로 사료된다.
본 실험을 통하여 심부 대수층내 이산화탄소의 자유상, 가스상, 용존상에서의 거동 모니터링 박스실험을 실시함으로써 실제 이산화탄소를 지중저장하였을 경우 자유상, 기체상, 용존상 형태의 이산화탄소 거동특성을 규명하였으며, 이러한 결과는 심부 대수층에 CO2를 저장하는 경우 중요한 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

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