[보고서]고온 고압 조건하 심부 지열특성 평가기술 개발

이영민

고온 고압 조건하 심부 지열특성 평가기술 개발
Technology development for deep geothermal characteristics under the high temperature and high pressure conditions 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국지질자원연구원 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
연구책임자	이영민
참여연구자	이철우 , 김형찬 , 박덕원 , 송윤호 , 이성곤 , 이태종 , 심병완 , 박찬희 , 박인화 , 김성균 , 김명선 , 이승구 , 황재홍 , 이상규
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2016-12
과제시작연도	2016
주관부처	미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning
등록번호	TRKO201700000410
과제고유번호	1711041350
사업명	한국지질자원연구원연구운영비지원
DB 구축일자	2017-09-20
키워드	고온고압.지열.열물성.암석.지질모델링.지열모델링.물리탐사.high temperature and high pressure.heat flow.thermal property.rock.geological modeling.geothermal modeling.geophysical survey.
DOI	https://doi.org/10.23000/TRKO201700000410

초록 ▼

최종(연차) 목표
고온고압 조건하 심부 지열특성 평가기술 개발을 위한 열물성 실험장비 개발 및 측정 방법 개발, 고온 고압 지열 조건을 반영한 지질-지열 연계 모델링 소프트웨어 모듈 개발, 심부 시추공 물리검층 기술 개발 및 심부 환경하의 온도 추정을 위한 물리탐사 자료 해석 기술 개발

개발내용 및 결과
고온고압하의 암석의 열물성 장비 개발 및 열물성 측정과 고온고압의 심부환경을 반영한 지질-지열 연계 모델링 소프트웨어 모듈 개발 및 심부 환경하의 온도 추정을 위한 물리탐사 자료 해석 기술 개발

기대효과
심부 지열연구와 심부 지열에너지 개발에 필수적인 연구로 기술적, 경제적 기대가 있을 것으로 기대 됨

적용분야
심부 지열연구와 심부 지열에너지 개발외에 이산화탄소 지중저장 연구, 사용후 핵연료 지중저장 연구, 석유가스 개발을 위한 퇴적분지 모델링 연구 등에 사용 될 수 있음

Abstract ▼

IV. Results of this year's work
○ Thermal property measurements using a standard sample under high temperatures
○ Development of the thermal property measurement system under high temperature and high pressure conditions
○ Development of measurement technique for thermal properties under high temperature and high pressure conditions
○ Interpretation method for temperature dependent electric resistivity data from MT survey
○ KGRIS upgrade
○ Thermal conductivity measurements and heat flow estimation in Jeju Island

목차 Contents

표지 ... 1제 출 문 ... 2최종(연차)보고서 요약서 ... 4요 약 문 ... 5SUMMARY ... 6CONTENTS ... 8목차 ... 9제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 10 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 10 1. 연구개발의 목적 ... 10 2. 연구개발의 필요성 ... 10 제2절 연구개발 범위 ... 11 1. 최종목표 ... 11 2. 성과목표 ... 11제 2 장 국내외 기술 개발 현황 ... 12제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 14 제1절 고온고압하의 열물성 측정기술 개발 ... 14 제2절 고온고압하의 암석 및 지열수의 물성 및 열물성을 반영한 소프트웨어 모듈 개발 ... 36 제3절 심부 지열 특성 평가를 위한 물리탐사 자료 해석 기법검증 ... 55 제4절 우리나라 지열주제도 업데이트 ... 72 제5절 지열수의 화학조성을 이용한 한반도 지열수의 열원 추적해석 기술개발 ... 107 제6절 균열모델을 이용한 압력에 따른 암석 열전도도 변화 수치모델링 ... 119제 4 장 목표달성도 및 관련분야의 기여도 ... 136 제1절 당해연도 연구개발 목표 ... 136 제2절 당해연도 연구개발 목표 달성도 ... 137제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 142 제1절 기술적 측면 ... 142 제2절 경제 산업적 측면 ... 142 제3절 정책적 측면 ... 142제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 - European Geothermal Congress 2016 - ... 144 제1절 EGC 2016 개요 ... 144 제2절 유럽 지열개발 현황 및 연구동향 ... 146제 7 장 참고문헌 ... 162끝페이지 ... 169

표/그림 (125)

표 지열 모델링 소프트웨어의 특징.
표 실험에 의한 온도증가에 따른 열전도도 변화(사각형은 granite, 원은 anorthosite 자료임)와 온도보정식에 의한 온도 증가에 따른 열전도도 변화
표 압력에 의한 열전도도 증가
표 (a) divided bar (b) needle probe (c) half-space device (d) transient plane source method.
표 Divided bar.
표 열판법을 이용한 열물성 측정장비(TPS-2500S, Hot Disk, Sweden)(A)와 열물성 측정 센서(B).
표 열판법을 이용한 열물성 측정 센서(A). 상부 암석과 하부 암석 사이에 장착됨(B, C, D).
표 수치모델링을 위해 COMSOL Multiphysics 상에서 구현된 센서(A)와 상부와 하부 암석시료 사이에 장착된 센서(B)의 FEM mesh.
표 수치모델링을 이용한 열판법 열물성측정법 모델링. 중앙의 붉은색 부분이 센서임.
표 30초간 열을 가했을 때의 열판법 열물성 측정 센서와 센서 부근의 온도 분포.
표 암석시료의 직경에 대한 열전도도 오차.
표 암석시료의 직경에 대한 열확산율 오차.
표 암석시료의 직경에 대한 체적열용량 오차.
표 암석시료의 길이에 대한 열전도도 오차.
표 상부의 암석시료의 열전도도가 1.0 W/mK이고 하부의 열전도도가 3.0 W/mK 인(A) 불균일체 암석시료에 대한 열전도도 모델링 결과는 두 값의 산술평균인 2.0 W/mK 가 나옴. (B)는 센서에 열을 가하였을 때의 센서 주변의 온도변화를 보여줌
표 오른쪽의 암석시료의 열전도도가 1.0 W/mK이고 왼쪽의 열전도도가 3.0 W/mK인 불균일체 암석시료(A)에 대한 열전도도 모델링 결과는 두 값의 조화평균인 1.75 W/mK 가 나옴(B, C). B는 센서에 열을 가했을 때의 센서와 암석시료 주변의 온도분포이고 C는 센서의 온도분포.
표 고온고압 열물성 측정장비 좌로부터 콘트롤박스, 전기오븐(내부에 고압셀이 있음), 부스터, 메인 펌프.
표 전기 오븐 내부에 장착된 고압 삼축셀.
표 Hot Disk 사의 열물성 측정 장비(TPS2500S)와 호환되는 전기로.
표 온도의 상승에 따른 fused silica의 열전도도의 변화.
표 온도의 상승에 따른 fused silica의 열확산율의 변화.
표 온도의 상승에 따른 fused silica의 체적열용량의 변화.
표 Supercritical fluid를 다룰 수 있는 시뮬레이터들의 온도 압력 조건.
표 IAPWS-IF97에서 다룰 수 있는 물의 온도 압력 범위.
표 Seipold (2001)가 제시한 Upper crust의 granites의 온도 변화에 따른 열전도도 변화 방정식(λ = 1/(0.156 + 5.45 × 10-4 × T) + 0.763 × 10-9 × T3)을 도시한 그림.
표 Cermak and Rybach (1991)의 자료(Win52)를 plot한 후 1차원 방정식으로 변환.
표 시뮬레이션에 사용한 도메인과 레이어.
표 시뮬레이션 초기조건.
표 시뮬레이션 결과: (a) 시간에 따른 마그마 표면의 온도 변화, (b) 시간에 따른 마그마 내부의 온도 변화
표 Plots of resistivity and temperature with depth. The temperature is increased up to 230 degree or higher with depth assuming we adopt the parameters on heat flow as presented by Lee et al
표 Field conductivity–temperature curves compared with laboratory measurements of conductivity in “dry” granite and “wet” granite with 1–2% water (short dashed lines)
표 MT resistivity structure correlated with lithology and temperature at Southern Leyte, Philippines
표 Synthetic temperature model using the thermal parameters adopted by Lee et al. (2010) for the geothermal resource evaluation. Left panel epresents temperature with depth, which are calculated with equation (4), and right panel does the original(solid line) and temperature-dependent (dotted line) resistivity of layered earth
표 The apparent resistivity and phase curves for MT soundings for layered and corresponding temperature-dependent models.
표 The model used for transient thermal modeling where an intruded body is located in 3-layer earth model.
표 The temperature obtained by thermal modeling after 1 million years after intrusion.
표 The grid model converted from COMSOL model. The cells are represented by conductivity and the temperature contours are presented.
표 The temperature dependent conductivity model calculated by above equation. The conductivity is increased by the high temperature due to intrusion compared with temperature independent conductivity model
표 The apparent restivity and phase pseudo-section of 2D magnetotelluric modeling for (a) temperature-independent conductivity model and (b) temperature dependent model
표 IntelleX PLT 손데의 특징
표 Probe사의 IntelleX PLT 검층 손데.
표 ALT Logger 19 inch rack.
표 이동형 물리검층 자료취득 시스템 구성도.
표 (a) 울릉도 추산 BH-4 시추공 위치, (b) 현장 사진.
표 이동형 물리검층 자료취득 시스템.
표 고온 고압용 온도, 압력, 유량 및 자연감마 측정 손데(IntelleX PLT) 및 차량에 장착된 윈치와 이동형 물리검층 시스템
표 울릉도 BH-4호공에서 RG사의 TCGS 손데를 이용하여 측정한 온도, 자연감마 값(파란 실선)과 새로 구축한 고온·고압용 IntelleX PLT 손데를 이용하여 측정한 결과(붉은 실선) 비교
표 기압의 변화에 따른 지하수위의 변화.
표 심부 지열시추공의 단면도.
표 심부 지열시추공의 지하수위 변화.
표 기압과 지하수위와의 관계.
표 Σ∆B에 대한 Σ∆DTW의 변화.
표 심부 지열시추공의 n과 Ss 의 관계도.
표 심부 지열시추공의 n과 βp의 관계도.
표 암석 시료 채취 위치도.
표 제주 시추공 위치도.
표 열물성 측정자료 통계.
표 밀도 분포주제도.
표 Cermak, Rybach, Kappelmeyer and Haenel이 제시한 상온에서의 암석 열전 도도
표 열전도도 분포주제도.
표 열생산율 분포주제도.
표 제주 시추공 지온경사 및 지열류량.
표 지온경사 분포주제도.
표 지열류량 분포주제도.
표 제주도지역의 지질계통.
표 제주도 일대의 광역 지질도
표 분석구의 선상 배열 양상을 이용한 화산활동 지배 예상 구조선.
표 지열자원정보시스템을 위한 오픈소스 GIS 기술 적용 분야.
표 오픈소스 GIS기반 지열자원정보 웹시스템 서버/클라이언트 서비스 구조.
표 오픈소스 GIS기반 지열자원정보 웹시스템 주요업무 흐름도.
표 GeoWebCache를 사용한 WMS-C Service 예시.
표 그룹별 주제도보기 신구 비교.
표 조회 및 분석 쿼리 호출방식 변경.
표 단면분석에 추가된 지열자원분포도.
표 행정구역 위치이동 인터페이스 개선.
표 지도 축척메뉴 인터페이스 개선.
표 거리재기 및 면적재기 질의 예시.
표 영문지열자원정보시스템.
표 GeothermalSurvey의 갱신 및 수정.
표 악의적인 명령어 주입공격 방지 소스코드.
표 관리자페이지노출 취약점 웹서버 설정 및 소스 변경.
표 Schematic illustration of the hydrothermal system.
표 Piper diagram of the hot spring water, shallow groundwater, surface water and sea water from Busan area. This diagram indicates that the geochemical characteristic of the hot spring waters are different from those of the shallow groundwater, surface water and sea water
표 Plots of the 87Sr/86Sr ratio vs .(a) 14C, (b) δ18O, and (c) the well depth, and (d) 13C vs. the well depth for the Dongrae hot spring water
표 Experimental conditions
표 Variations in major anion concentration by water-rock interaction.
표 Variations in major cation concentration by water-rock interaction. The symbols are the same as 그림 3.5.5.
표 Variations in major cation and anion concentration by water-rock interaction.
표 Chemical composition (mg/L) of the solutions after water-rock interaction.
표 약 40MPa 까지의 압력의 변화에 따른 암석의 열전도도 증가량(A) 및 500MPa 까지의 고압에서의 열전도도의 변화(B).
표 압력 및 온도에 열전도도의 변화 그래프
표 오일로 포화된 암석의 압력에 따른 열전도도의 변화
표 압력에 따른 열전도도 변화의 개념모델.
표 건조 및 포화암석의 열전도도 변화양상에 따른 공극의 연결성 해석.
표 포화되어 있는 유체의 종류에 따른 압력이 증가할 때 암석 열전도도의 변화양상 예측 모식도.
표 모식화된 균열형태의 공극.
표 타원형 크랙의 수직응력에 의한 변형.
표 Tapered Crack 의 모양.
표 타원형 크랙의 수직응력에 의한 변형.
표 석영 내에 존재하는 타원형 크랙의 변형.
표 석영 내에 존재하는 tapered crack의 변형.
표 타원형 크랙의 압력에 의한 모양의 변화.
표 Tapered crack의 압력에 의한 모양의 변화.
표 모델 내 각 성분의 열전도도.
표 공기로 채워진 elliptical crack을 이용한 열전도 전산모사의 결과. 각각의 압력 하에서의 온도 분포도.
표 물로 채워진 elliptical crack을 이용한 열전도 전산모사 결과. 각각의 압력 하에서의 온도 분포도.
표 공기로 채워진 tapered crack을 이용한 열전도 전산모사 결과. 각각의 압력 하에서의 온도 분포도.
표 물로 채워진 tapered crack을 이용한 열전도 전산모사 결과. 각각의 압력 하에서의 온도 분포도.
표 두 가지 크랙을 이용한 열전도도 계산 결과.
표 Elliptical 및 tapered crack을 포함한 암석모델의 압력에 따른 열전도도의 변화 양상.
표 EGC 2016에서 발표된 논문의 분야별 분포.
표 EGC 2016에서 발표된 Keynotes 논문의 개요.
표 EGC 2016에서 발표된 2015년 현재 유럽국가의 지열발전 현황 및 2020년 전망
표 1995년 이후 WGC와 EGC에서 발표된 유럽의 발전용량(왼쪽)과 2015년 현재 각 나라에서 지열발전량이 총 발전량에서 차지하는 비중(오른쪽)
표 EGC 2013, EGC 2016에서 보고된 각 나라별 지열발전 용량과 2020년 전망치
표 EGC 2016에서 발표된 2015년 현재 유럽국가의 지열 직접이용 현황
표 EGC 2016에서 발표된 유럽 각 나라의 2015년 현재 지열 직접이용 보급량
표 EGC 2013, EGC 2016에서 발표된 유럽 각 나라의 직접이용 보급량과 2020년 전망치
표 EGC 2016에서 발표된 2015년 현재 유럽국가의 지열원 열펌프 보급 현황
표 EGC 2016에서 발표된 유럽 각 나라의 2015년 현재 GSHP 설치용량 및 2014년 신규 판매량
표 EGC 2013, EGC 2016에서 발표된 유럽 각 나라의 GSHP 보급량과 2020년 전망치
표 현재 진행 중인 유럽 공동 연구과제 현황
표 Upper Rhine Graben 지역의 주요 지열개발 프로젝트 위치도
표 Upper Rhine Graben내 Soultz와 Rittershoffen을 잇는 선 하부의 지질구조 모식도
표 Upper Rhine Graben 지역의 전형적인 지하 온도 분포도

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