초록 ▼

이산화탄소를 이용한 원유회수증진 (Enhanced Oil Recovery, EOR) 기술과 이산화탄소 포집및 저장 (Carbon Capture & Sequestration, CCS)기술은 각각 에너지 자원 개발과 환경보호를 위한 상반된 기술이지만, 두 기술에서 공통적으로 필요한 핵심기술은 이산화탄소를 대심도의 지반에 주입하기 위한 대심도공의 건설이다. 일반적으로 이산화탄소 주입공은 대심도공 천공 후 강재 케이싱을 삽입 하고 그 주위를 환체 시멘트를 이용하여 차폐한다. 주입공 주위의 환체 시멘트는 주입된 이산화탄소의 누출 경로가 될

이산화탄소를 이용한 원유회수증진 (Enhanced Oil Recovery, EOR) 기술과 이산화탄소 포집및 저장 (Carbon Capture & Sequestration, CCS)기술은 각각 에너지 자원 개발과 환경보호를 위한 상반된 기술이지만, 두 기술에서 공통적으로 필요한 핵심기술은 이산화탄소를 대심도의 지반에 주입하기 위한 대심도공의 건설이다. 일반적으로 이산화탄소 주입공은 대심도공 천공 후 강재 케이싱을 삽입 하고 그 주위를 환체 시멘트를 이용하여 차폐한다. 주입공 주위의 환체 시멘트는 주입된 이산화탄소의 누출 경로가 될 가능성이 가장 높은 것으로 알려져 있으며, 이산화탄소가 누출될 경우 EOR은 효율이 저하되고 CCS는 기능을 상실할 것이다.

본 연구에서는 이산화탄소의 지반 내 저장을 위한 주입공에 사용된 환체 시멘트의 내구성과 차폐성능을 향상시킬 목적으로 나노실리카를 사용하였다. 미국석유협회규정에 따라 가장 널리 사용되는 환체 시멘트인 Type G cement를 이용하여, 지반내의 상태를 구현하기 위해 고온고압 하에서 양생된 환체 시멘트의 미세구조 특성을 나노압입(Nanoindentation), XRDA, 29Si MASNMR 실험으로 분석하였고, 시멘트의 기계적 성질인 압축강도와 미세구조간의 상관관계를 연구하였다. 양생된 시멘트의 이산화탄소에 대한 열화 정도를 관측하였고, 나노실리카 사용량에 따른 고온고압 양생시의 시멘트 미세구조의 변화도 분석하였다.

연구과정에서 얻은 장비개발 실적으로 고온고압 시멘트 양생설비 개발에 참여하여 공동 특허출원하였고, 현재 특허결정을 받은 상태로 금명간 특허등록예정이다.

연구결과를 분석하여 얻은 과학적인 연구결과는 다음과 같다.
1. 일반상태에서 양생된 시멘트와 고온고압에서 양생된 시멘트의 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)의 중합도와 압축강도간의 상관관계를 고찰하고 가설을 수립하였다.

2. 일반적으로 양생된 시멘트를 구성하는 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)은 두 종류의 밀도를 가지는 것으로 알려져 있으나, 본 연구결과에 의하면 고온고압상태에서 양생 시 매우 밀도가 높은 또 다른 형태의 C-S-H가 존재할 수 있음을 확인하였다.

3. 나노실리카와 수화물의 일종인 수산화칼슘의 포졸란 반응으로 생성된 C-S-H의 밀도가 수화반응으로 생성된 C-S-H의 밀도보다 높을 수 있음을 확인하였다.

4. 이산화탄소에 의해 부분적으로 열화된 시멘트 공시체는 열화되지 않은 부분과 열화된 부분으로 구성되며, 작용하는 압축력에 대하여 복합거동을 할 것이다. 열화되지 않은 부분과 열화된 부분의 경계면에서의 응력차로 전단균열이 발생할 수 있음을 보였다.

5. 열적 비정상상태 (thermal unsteady state)에서 수치적인 해를 최적화시켜 시멘트의 열전도도를 추정하는 알고리듬을 제안하였다.

연구결과의 학문적 파급효과와 중요성에 있어서 본 연구에서 확인 된 초고밀도의 C-S-H의 존재는 MIT의 F.-J. Ulm 교수가 보인 이론적인 최대 압밀 C-S-H에 근접한 것으로, C-S-H의 정성적 분석에 중요한 정보이다. C-S-H의 정성적 분석은 많은 시멘트 화학자들 사이에서 연구되고 있는 최신 분야이다. C-S-H의 정량적 분석은 Nature지에 실린 논문 (Allen et al. 2007)의 결과에서 일부 확인되었지만 아직도 명확히 이루어지지 않고 있다.

연구결과의 실용적인 활용 측면에서 나노실리카를 이용한 이산화탄소 주입공의 차폐성능 향상으로 EOR의 효율향상과 CCS의 내구성 향상이 기대된다.

국내에서 선구적인 연구이고 창의적인 연구로 향후 연구를 개시하려고 하는 다양한 연구기관에서 활용 가능한 연구결과를 발표하였다. 총 6회의 학회 발표와 2편의 SCI급 논문을 통하여 연구의 중요성을 부각하였고, 국내의 연구기관과 대학에서 관련연구를 시작하는 동기를 제공하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 10