서 론

포항분지 해상 중소규모 CO₂ 저장실증 프로젝트는 화력발전소 등에서 포집된 CO₂ 스트림을 경상북도 포항시 영일만 해상에 위치하는 해저 심부 퇴적층에 주입하여 저장하는 기술 실증을 위한 연구개발 사업이다(KNU, 2015, 2016a; Kwon, 2016). 이 프로젝트는 범부처가 참여하는 ‘국가CCS종합추진계획’에 입각하여 중규모 이상(1만 톤 이상) 저장 실증을 담당하는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 대규모 CCS 통합실증을 추진하기 위해 필요한 저장 핵심기술 확보 및 현장 실증을 목표로 지원하고 있으며, 공주대학교를 총괄주관기관으로 총 19개 기관이 참여하는 국가연구개발 사업이다(GGK, 2010; KNU, 2017a, 2017b).

본 프로젝트는 2013년에 착수되어 2017년 초에 성공적인 CO₂ 주입 실증을 완수하였고, 향후 지속적인 주입 및 모니터링 기술과 연속 운전을 통한 저장소 운영 기술 확보를 위해, 수송 및 운영 체계를 구축하고 있으며, 병행하여 주입공 격상 및 주입성 향상을 통한 주입량 증진 기술을 개발할 계획이다(Jo et al., 2017; Jung et al., 2017; Jung et al., 2017; Kang et al., 2017; Kang and Choe, 2017a, 2017b; Kim et al., 2017; KNU, 2017a, 2017b; Kwon, 2017; Lee et al., 2017; Yang et al., 2017). 또한 최근 강조되고 있는 지진 유발 및 누출 발생을 방지하기 위한 저장 안전성과 관련된 연구도 착실하게 진행하고 있다.

2017년 초에 본 프로젝트의 시험 주입이 완수된 이후, 수송 및 운영체계 설계와 구축이 진행 중이던 2017년 11월 15일에 발생한 규모 5.4의 포항 지진으로 CO₂ 저장 기술의 안전성에 대한 우려가 대두됨에 따라 연구팀은 연구과제의 진행을 잠시 중지하고, 안전성에 대한 정밀한 점검을 수행하였다(KNU, 2018). 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 저장실증 프로젝트 연구팀은 본 사업의 기술개발 결과와 안전성에 대한 조사결과를 학술적으로 발표하고, 향후 한국에서 안전한 CO₂ 저장 사업의 수행을 위한 기술적 강화 방안을 모색해 보고자 한다.

연구사업 개요

포항분지 해상 CO₂ 저장실증 프로젝트는 대규모 CCS 통합실증 사업을 추진을 위해 필요한 CO₂ 저장 핵심기술을 자립화하고 연간 약 1만톤 규모의 포집-수송-저장을 연계한 CCS 통합실증을 완수하는 것을 목적으로 한다(KNU, 2017b). 이를 위해 연간 약 1만 톤(일일 최대 40 톤, 250일 운전)의 주입량으로 약 2년 간 총 2만 톤의 CO₂를 주입하여 저장하는 것이 주요 연구개발 내용이다. 연구개발 사업은 2013년 7월에 착수하여 2020년까지 수행할 예정이며, 2017년 초(1월-3월)에 약 100톤의 CO₂ 시험주입을 성공하였고, 현재 연속 운전을 위한 CO₂ 저장소 운영 및 수송체계 구축을 위한 연구와 주입량 증진을 위한 연구가 진행되고 있다(KNU, 2016b, 2017a). 본 프로젝트는 이미 종료된 소규모 CO₂ 주입실증 프로젝트와 현재 진행 중인 2개의 저장 실증 및 주입공 격상 프로젝트로 구성되어 있다.

이미 종료된 첫 번째 추진 과제인 포항분지 해상 소규모 CO₂ 주입실증 프로젝트는 본격적인 CO₂ 지중저장 대용량 실증 및 CCS사업에 필요한 기술 확보를 위해 CO₂ 저장 설비 구축과 주입실증을 목표로 하였으며, 총 41개월간(2013년 08월 01일-2016년 12월 31일) 수행 되었다(Fig. 1a). 이 과제를 통해 (1) CO₂ 저장소 중합적 특성화 및 통합모델링 기술, (2) CO₂ 밀봉 시스템 및 지중저장 시뮬레이션 기술, (3) CO₂ 최적 주입조건(압력/온도/순도/주입량) 결정 기술, (4) CO₂ 해상 시추-완결 실증 기술, (5) CO₂ 해상 지중저장 모니터링 최적시스템 구축 기술, (6) CO₂ 포집-수송-저장 통합 해상 지중저장 개념설계 기술을 확보하였고, 기술개발 성과를 집약하여 자립화된 기술로 2017년 초에 국내 최초로 CO₂ 주입 실증에 성공하였다(KNU, 2016a).

Fig. 1.

Brief summary of small-scale offshore demonstration projects for CO₂ storage in Korea (modified from KNU, 2015, 2016b, 2018). (A) Small-scale offshore CO₂ injection-demonstration project in the Pohang Basin, (B) Demonstration-scale offshore CO₂ storage project in the Pohang Basin and (C) Upgrading and improvement of the injection well for the demonstration-scale project in the Pohang Basin.

현재 수행 중인 포항분지 중규모 해상 CO₂ 지중저장 실증 프로젝트는 대규모 CCS 통합실증의 최적화된 설계에 필요한 중소규모 포집-수송-저장 통합실증 중장기 운영체계를 구축하여 핵심적인 CO₂ 저장기술인 (1) 포집-수송-저장 연계 중규모 통합실증 완수와 (2) 저장소 중장기 운영을 통한 저장소 주입운영 및 모니터링 기술의 자립화를 목표로 하는 연구과제로 총 43개월간(2016년 06월 01일 ~ 2019년 12월 31일) 과제를 수행할 계획이다(KNU, 2016b). 선행 과제와 연계하여 (1) CO₂ 연안 및 해상 수송시스템, (2) 플랫폼 주입설비 격상 및 최적화, (3) 중규모 CO₂ 저장소 운영 및 관리 기술, (4) CO₂ 주입 운영 최적화 기술, (5) CO₂ 해상-해저 복합 모니터링 기술을 확보하고자 한다(Fig. 1b; KNU, 2016b).

추가적으로 수행되고 있는 포항분지 중소규모 CO₂ 저장 실증 주입정 격상 연구는 포항분지 지중저장 실증 저장소에서 격상된 성능을 보유한 주입공을 추가 확보함으로써 연간 주입용량 규모를 증대하여 일일 30 톤(최대 40 톤) 이상의 주입을 달성하고, 실증 저장소 주입 총량을 2만 톤 이상으로 격상하는 연구과제로 총 36개월간(2017년 12월 01일-2020년 11월 30일) 과제를 수행할 계획이다(KNU, 2017a). (1) 기존주입공과 격상주입공의 복수공 운영, (2) 격상 주입공의 경사 시추 기술 개발, (3) 다상유체의 주입량을 조절하기 위한 흐름 안전성 연구, (4) 저류층 내 이산화탄소 모니터링 기술 개발, (5) 공저 압력계 개발 및 설치 기술 개발 등 총 5개의 기술을 연구개발을 통해 확보할 계획이다(Fig. 1c; KNU, 2017a).

국내 CO₂ 지중저장 실증사업 부지 검색 연구 결과

국내 육상 및 연안 퇴적분지에 대한 CO₂ 지중저장 실증사업 부지 탐색 연구 수행

2010년부터 3년간 한국지질자원연구원은 한국에너지기술평가원의 지원으로 국내 육상 및 연안을 대상으로 CO₂ 지중저장 실증사업 부지 연구를 수행하였다(KIGAM, 2011). 한국지질자원연구원이 발간한 한국의 지질도를 바탕으로 퇴적층의 심도가 1 km 이상으로 추정되는 한국의 육상 및 연안 퇴적분지를 일차적으로 검색하여(Fig. 2a) 태백산분지, 경상분지, 음성분지, 장기분지, 포항분지, 북평분지를 실증 저장소 검색 후보 지역으로 선정하였다(Kihm and Kim, 2013; KIGAM, 2014a; Song et al., 2015). CO₂ 지중저장 실증사업 후보지의 일차 검색을 위해 각 퇴적분지에 대한 기존의 지질학적 조사 및 연구 결과를 취합하고 분석하였으며, 필요시 물리탐사 및 시추조사를 병행하였다. 포항분지와 북평분지는 육상과 해상에 걸쳐 발달한 연안 퇴적분지로서 육상에서는 CO₂ 지중저장을 위한 한계 심도에 도달하지 않기 때문에 해상에 분포하는 퇴적층을 실증사업의 후보지로 설정하고 조사를 수행하였다.

Fig. 2.

(A) Sedimentary basins in the Korean peninsula (modified from KIGAM, 2011), (B) Geological map of the Pohang Basin with major fault system (modified from Yun et al., 1991; Hwang et al., 1996; Son, 1998; Son et al., 2002, 2013; Cheon et al., 2012; Song et al., 2012; KIGAM, 2014b; Song et al., 2015). Te1, Conglomerate and sandstone; Te2, Mudstone with lenses of conglomerate and sandstone; Te3, Diatomaceous mudstone.

태백산분지

태백산분지는 전기 고생대 퇴적층이 분포하는 태백과 영월지역에는 카르스트 및 동굴 구조 혹은 균열 탄산염암이 CO₂ 지중저장에 적합한 양호한 공극률과 투수율을 가지고 있으며, 후기 고생대 및 전기 중생대시기에 발생한 충돌 및 구조 운동으로 배사 구조 및 폐쇄 구조를 가진 CO₂ 지중저장에 적합한 지질구조가 존재할 가능성이 높다(KIGAM, 2014a, 2014c). 그러나 태백 및 영월 지역은 지형이 복잡하고 산악지역으로 물리탐사가 쉽지 않으며, 분포지역이 넓어 탐사시추가 필요한 지역이 많아, 제한된 예산과 자원으로 정밀 탐사가 불가능하여 CO₂ 지중저장 실증사업의 후보 부지에서 제외되었다(KIGAM, 2011).

경상분지

백악기에 형성된 경상분지 퇴적층은 사암의 분포지역이 넓어 CO₂ 지중저장의 유망 지역으로 간주되어 왔다(SNU, 2009; KIGAM, 2014a). 그러나 의성, 의령, 진주 지역에서 획득한 경상분지 심부 시추코어 퇴적층의 공극률 분석을 실시한 결과, CO₂ 지중저장에 적합한 8% 이상의 공극률을 보이는 다공질 사암층의 출현 빈도수가 매우 적어 양호한 CO₂ 주입성을 기대하기 어렵기 때문에(Egawa et al., 2009; KIGAM, 2014a, 2014c), 경상분지 심부 사암층은 국내 CO₂ 지중저장 실증에 적합한 후보 지층으로 적합하지 않은 것으로 평가되었다(KIGAM, 2011).

음성분지

음성분지는 규모는 작지만, 국내 육상 퇴적분지 가운데 지질학적 물리탐사와 분지해석이 비교적 잘 수행된 퇴적분지여서 퇴적분지의 심도 및 암상 분포가 알려져 있어 국내 CO₂ 지중저장 실증 후보지에 포함되었다(KIGAM, 2014a, 2014c). 그러나 지질조사 결과 음성분지 심부에 분포하는 역암 및 사암층은 분지 열개와 퇴적 동시성 화산활동의 영향을 강하게 받아 심부 지층이 조립질 퇴적암임에도 불구하고 공극률과 투수율이 낮은 것으로 분석되었다(KIGAM, 2014a, 2014c). 따라서 음성분지 심부 퇴적층은 CO₂ 지중저장 실증에 적합하지 않은 것으로 평가되었다(KIGAM, 2011).

북평분지

신생대 북평분지 퇴적층은 주로 마이오세와 플라이오세에 퇴적이 이루어져 상대적으로 속성작용의 진행이 미약하여 사암층이나 역암층의 공극률 및 투수율이 양호한 편이다(KIGAM, 2012; Kim et al., 2013). 그러나 CO₂ 지중저장에 적합한 약 800 m 이상의 심도를 가진 퇴적층은 북평분지가 위치한 동해시 해안에서 동쪽으로 약 15 km 이상 떨어진 수심 200 m 정도의 동해 한국대지 해상에 분포하고 있다(Kim et al., 2001; SNU, 2011). 따라서 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구를 북평분지 해상에서 수행하기 위해 해상 플랫폼 구축이나 해저 CO₂ 수송체계 구축에 과도한 비용이 소요되기 때문에, 연구개발과 기술 현장실증을 목표로 하는 국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 후보지역에서 제외되었다(KIGAM, 2011).

장기분지

장기분지는 한반도 동남부 지역의 여러 개 신생대 퇴적분지 가운데 하나이며, 비교적 깊은 심도까지 퇴적층이 발달하고 있다(Lee et al., 1992; Kim et al., 2011). 장기분지의 심부 사암층 및 역암층이 국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 후보지의 하나로 제안된 이후, 과학기술정보통신부 저장 연구팀은 장기분지에서 총 6개의 탐사시추를 수행하여 심도 약 1 km 부근의 심부 지층에 양호한 공극률 및 투수율을 보이는 소규모 지중저장 실증 후보 지층을 확인하였다(KIGAM, 2014b; Kim et al., 2016). 장기분지의 저장 실증 후보 지층은 저장층의 물성도 적합하며, 상부에 이암 및 화산암으로 이루어진 치밀한 덮개층이 분포하여 소규모 CO₂ 저장기술 실증에 적합한 것으로 평가되었다(Kim et al., 2015; Kim et al., 2016).

포항분지

포항분지는 탄화수소자원의 부존 가능성과 포항시 인근의 잘 발달된 노두의 분포로 비교적 상세하게 연구가 이루어진 퇴적분지이다(Fig. 2b; Yun et al., 1991; Hwang et al., 1996; Son, 1998; Son et al., 2002, 2013; Cheon et al., 2012; Song et al., 2012). 포항분지는 포항시 지역의 육상에서 영일만 지역의 해상에 걸쳐 발달된 신생대 마이오세에 형성된 퇴적분지로서 영일만 방향인 동쪽으로 깊어지는 형태를 가지고 있다(Lee et al., 2009; Sohn et al., 2011; Song et al., 2015). 기존의 육상 시추공 분석 결과 포항시 가장 동쪽 지역에 발달한 정단층의 서쪽에서 최대 700 m의 심도를 보이고 있기 때문에, 동쪽 경사의 정단층의 특성으로 보아 영일만 해역의 포항분지 퇴적층은 그보다 깊은 심도에서도 퇴적층이 발달할 가능성이 높다. 따라서 포항분지의 동쪽 지역에 위치한 영일만 해역의 심부 지층에 사암 및 역암층이 존재한다면, CO₂ 지중저장 실증이 가능한 유력한 실증 후보지가 될 것으로 예측되었다.

포항분지 심부 퇴적층의 CO₂ 지중저장 유망성 분석을 위해 포항시 해안가에서 획득한 시추공(PHCLH-1) 퇴적체를 분석한 결과, CO₂ 지중저장 실증에 적합한 공극률과 투수율을 가지는 역암, 역질 사암, 사암층이 포항분지 하부층에서 확인되었다(Fig. 2b; Han et al., 2012; Kim, 2013; KIGAM, 2014b). 포항분지의 심부에 발달하고 있는 CO₂ 지중저장에 적합한 조립질 퇴적암층은 두호층으로 알려진 600 m 이상의 두껍고 치밀한 세립질 퇴적암으로 피복되어 있어 덮개구조가 잘 발달하고 있으며, 덮개암의 밀봉능력이 매우 우수한 것으로 평가되므로 포항분지 동쪽의 포항시 영일만 해역은 CO₂ 지중저장 실증에 적합한 후보지역으로 평가되었다(KIGAM, 2014b; Choi et al., 2015; Park et al, 2015; Song et al., 2015). 포항분지 동쪽의 영일만 해역 해저 퇴적층에서 중소규모 CO₂ 지중저장 실증을 추진할 경우, 국내에서 추진될 예정인 대규모 해양 CCS 통합실증을 기술적으로 준비하기 위한 중소규모 실증 연구의 목적에 부합하며, 인근에 주민들의 거주지가 없는 해양에 위치하고 있어 주민 안전성에도 장점이 존재하여 국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증을 추진하기에 가장 적합한 것으로 평가되었다(KIGAM, 2011; KNU, 2015).

CO₂ 지중저장 실증사업의 후보지 일차 선정 결과

국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업의 후보지를 선정하기 위해 한국의 육상 및 연안 퇴적분지를 일차적으로 검색한 결과 태백산분지, 경상분지, 음성분지, 북평분지, 장기분지, 포항분지를 저장소 후보지역(Potential Subregion)으로 도출하였다. 국내 육상 및 연안 퇴적분지에 대한 기존 지질학적 조사 및 분석 결과를 취함하고, 필요한 경우 신규 자료를 획득하여, 대상 분지의 CO₂ 지중저장 실증부지 유망성을 평가하였다. 대상 분지의 CO₂ 지중저장 실증부지 유망성 평가 결과, 경상북도 포항시 영일만 해역에 위치한 포항분지 해저 퇴적층을 국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업의 후보지로 선정하였다(Kim et al., 2013; Jun et al., 2014; Park et al., 2014; Kwon, 2016). 국내 대규모 CCS 통합실증 및 상용화 사업이 해저 퇴적층을 대상으로 추진될 예정이기 때문에, 대규모 실증을 위한 기술 개발 및 자립화는 해저 퇴적층을 대상으로 하는 중소규모 실증을 통해 확보하는 것이 바람직하기 때문에, 포항분지 해저 퇴적층에서 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업을 추진하는 것이 최선의 연구개발 전략으로 판단된다(Kwon, 2016). 후보지 일차 선정 과정에서 제안된 또 하나의 적합 후보지인 경상북도 포항시 장기면에 위치한 장기분지 퇴적층 역시 혁신적인 CO₂ 저장 기술개발을 위한 국내 육상 소규모 CO₂ 지중저장 파일럿 실증(1만톤 이하 저장 실증) 연구의 대상지로 선정되어 현재 실증 연구가 수행 중이다(Kim et al., 2011; KIGAM, 2014b; Choi et al., 2015; Kim et al., 2015; KNU, 2015; Park et al., 2015).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 실증부지 특성화

포항분지 영일만 해역의 중소규모 해상 CO₂ 지중저장 실증 부지에 대한 지질학적 특성화를 위해 물리탐사, 탐사시추, 암상 및 물성분석, 구조 분석을 정밀하게 수행하였고(Jun et al., 2014; Park et al., 2015; Choi et al., 2016), 그 결과는 본 호에 실린 개별 분야에 대한 상세한 연구 논문에서 확인할 수 있다(Kim et al., 2018a, in press; Kim et al., 2018b, in press; Moon et al., in press; Park et al., in press; Shinn et al., in press; Won et al., in press).

포항분지 영일만 해역 탄성파 탐사

국내 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업의 후보지로 추천된 포항시 영일만 지역에 분포하는 포항분지 동쪽 퇴적층에 대한 최종 적합성 평가와 실증부지 최종 선정을 위한 물리탐사와 시추조사가 2013년부터 2015년까지 수행되었다(KIGAM, 2014b; Lee and Kwon, 2014; Park et al., 2014; KNU, 2015, 2016a, 2016b; Choi, 2018, Shinn et al., in press). 탄성파 탐사는 영일만 항내에 위치하므로 지형과 항로를 고려하여 탐사 가능한 지역을 중심으로 3개 구역(YIB-1, YIB-2, YIB-3)으로 구분하여 수행하였다(Fig. 3). 포항 영일만 해역 3개 구역에 대한 물리탐사는 심부 퇴적층 분석용 에어건 탄성파 탐사(Fig. 4a), 천부 퇴적층 분석용 스파커 탄성파 탐사(Fig. 4b), 극천부 퇴적층 분석용 처프 탄성파 탐사(Fig. 5)로 나뉘어 정밀하게 수행되었다. 포항 영일만 해역에 대한 심부 퇴적층 분석용 에어건 탄성파 탐사는 가장 유력한 후보지역인 포스코 앞바다에 위치한 YIB-2 구역에서 집중적으로 수행되었으며, 심부 퇴적층 분석용 에어건 탄성파 탐사는 포스코 제방의 방향에 맞추어 설계하였다(Fig 4a). 에어건 탄성파 탐사는 2013년-2015년간 총 3년간 한국지질자원연구원의 물리탐사 전용선인 탐해 2호를 이용해 탐사 자료가 취득되었다(Fig. 4b). 최적의 에어건 탄성파 탐사를 준비하면서, 물리탐사팀은 포항분지 심부 퇴적층을 분석하기 가장 적합한 탐사 조건을 확인하기 위해 24-채널 및 32-채널의 수진기와 90, 269, 754, 123 in³의 다양한 음원 용량을 사용하여 물리탐사 자료를 획득하였고, 이를 비교한 결과, 이미지 해상도와 투과심도 측면에서 269 in³의 음원 용량을 적용하여 탐사를 진행하는 것이 최선의 탐사 조건이라고 판단하고, 이 조건으로 정밀 탐사를 수행하였다(Lee and Kwon, 2014; Choi, 2018).

Fig. 3.

Track lines of spaker and chirp seismic surveys in the Pohang Basin, Yeongil Bay. The survey area is divided into three areas, YIB-1, YIB-2 and YIB-3 (modified from KNU, 2015; 2016a; 2016b).

Fig. 4.

(A) Track lines of airgun acquired by the small-scale offshore demonstration project for CO₂ Storage in Korea (modified from Choi, 2018), (B) Airgun seismic profile 14YC-002 (red line in the Fig, 4A) located close to the PHEW-1 sell (red dot) (modified from KNU, 2015, 2016a, 2016b).

Fig. 5.

Sparker and chirp seismic data (modified from KNU, 2015, 2016a, 2016b). (A) Sparker profile B13N8789, (B) Chirp seismic data B13E37700.

또한 천부 지질 구조를 정밀하게 파악하기 위해 포항 영일만 YIB-1, YIB-2, YIB-3 구역에서 스파커 탄성파 탐사와 처프 탄성파 탐사가 수행되어 총 165개 측선, 약 520 line-km의 천부 퇴적층 분석용 탄성파 탐사자료를 획득하였다(Fig. 3). 포항 영일만 포항분지 탐사지역에서 획득한 탄성파 탐사자료는 한국지질자원연구원의 자료처리 공정을 통해 디지털 자료화 되었다. 포항 영일만 포항분지 심부 및 천부 퇴적층에 대한 물리탐사 자료는 계획대로 자료취득 및 자료처리 공정을 마치고 데이터베이스로 구축되어 있으며, 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구의 탐사시추 위치 선정, 저장소 특성화, 주입정 설계, 저장소 최종 선정 연구의 기초자료로 활용되었다.

포항분지 영일만 해역 탐사 시추

포항분지 영일만 해역 탐사 시추 지점의 지리적 위치는 포스코 포항 공장 제방 앞바다인 경상북도 포항시 남구 송정동 379번지 전면 해상(위도: 36° 02분 06초, 경도 129° 25분 24.13초)이며, UTM 좌표계로 538141E, 3987792N인 해상 지점이다(Fig. 4a). 탐사 시추는 2014년 10월 31일 착수하여, 12월 30일에 종료하였다. 탐사 시추 코어 회수가 종료된 이후, 저류층 특성을 파악하기 위한 물리검층을 2015년 1월 21일에 수행하고 모든 시추 및 물리검층 작업을 종료하였다(Fig. 6). 포항분지 영일만 해역 탐사시추공(PHEW-1)의 총 시추 구간은 해저면 아래 25-979.4 m으로서, 해당 심도의 퇴적층과 기반암층을 회수율 99% 이상으로 성공적으로 회수하였고, 이 결과를 정밀하게 지질학적으로 분석하였다(Fig. 7a and 7b; Lee, 2017; Choi, 2018). 탐사 시추의 기술적 시추 제약으로 해저면에서 약 25 m 심도의 천부 퇴적층은 회수하지 못하였기 때문에, 2015년 중반기에 탐사 시추 지점에서 추가적으로 약 30 m 심도까지 3개의 천부시추공을 확보하여 천부퇴적층 코어를 회수하여 천부 퇴적층에 대한 정보를 획득하였다.

Fig. 6.

Schematic diagram of the PHEW-1 well design. See Figure 4A for the location of the well (modified from KNU, 2016a).

Fig. 7.

(A) Columnar sections measured from the PHEW-1 core (ca. 1000 m thick) (modified from Choi, 2018), (B) Photographs of the sedimentary rocks, showing sedimentary facies and structures (modified from Choi, 2018), (C) Seismic interpretation of the airgun profile 14YC-002. See Figure 4 for the location of the profile (modified from Choi, 2018).

포항분지 영일만 해역 해상 CO₂ 지중저장 실증 부지 지질특성 분석 결과

포항 영일만 해역 YIB-2 구역의 에어건 탄성파 탐사 자료 해석을 통해, 음향기반암이 약 900 m 심도에 분포하고 있으며, 음향기반암 위에는 포항분지 기저부의 조립질 퇴적체가 발달하고 있는 것으로 해석되었다(Fig. 7c; Lee, 2017; Choi, 2018). 이 조립질 퇴적체는 탄성파 상분석을 통해 하성 퇴적체나 삼각주 퇴적체로 해석되었고, 따라서 CO₂ 지중저장 실증에 적합한 조립질 사암층이 잘 발달하고 있을 것으로 예측되었다(Fig. 7c). 포항분지 기저부의 조립질 퇴적체 상부에는 덮개암으로 기능할 것으로 예상되는 매우 두꺼운 세립질 이암층이 존재할 것으로 분석되었다(Fig. 7c). 포항 영일만 해역 YIB-2 구역의 덮개암층은 600 m 두께를 갖고 있을 것으로 예상되어 매우 양호한 CO₂ 밀봉 능력을 갖추고 있을 것으로 추정되었다(Lee, 2017; Choi, 2018). 따라서 포항분지 영일만 해역 탐사시추 지점의 심부 해저 퇴적층은 중소규모 CO₂ 지중저장이 가능한 저장층과 주입된 CO₂ 누출 발생 가능성이 매우 희박한 양호한 덮개구조를 가진 것으로 최종 평가되었다(Lee, 2017; Choi, 2018).

포항분지 영일만 해역 물리탐사자료 분석결과와 탐사 시추 분석결과를 종합하여, 지질학적 저장소 특성분석을 수행하였다. 우선 분석 지역인 포항 영일만 해역 YIB-2 구역의 경우, 지질학적으로 차별화되는 총 11개의 해저 퇴적층이 구분되었다(Fig. 8; Lee, 2017; Choi, 2018). 포항분지 기저부의 다공질 조립질 퇴적암체의 경우 해저면으로부터 심도로 735.7-787.1 m 구간과 800-827.2 m 구간에 발달하고 있으며, 그 사이에는 탄질 물질이 함유된 세립질 이암층이 조립질 퇴적체를 분리하면서 분포하고 있다(Fig. 8). 포항분지 영일만 해역 탐사 시추 지역의 심부 조립질 퇴적암체를 피복하고 있는 600 m 이상의 세립질 이암체는 시추코어에 대한 정밀 분석결과 투수율이 1 mD에도 미치지 못하는 불투수층으로 파악되었다. 이러한 치밀한 불투수성 이암체에는 부분적으로 얇은 사암체가 협재하고 있는 사암-이암 교호체가 협재하고 있는데, 이러한 사암-이암 교호체 역시 수직 투수율이 1 mD에 미치지 못하는 것으로 평가되었다. 결론적으로, 해저면 아래로 심도 735.7-827.2 m 구간이 CO₂ 저장 실증을 위한 주입 심도로 판단되며(Fig. 8), YIB-2 구역의 736 m 이하의 심부 구간은 지열 열류량이 매우 높아, 주입된 CO₂ 스트림이 온도 및 압력 조건에서 초임계상태로 유지될 수 있는 안정 심도에 해당하여, 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 부지로서 매우 적합한 것으로 평가되었다(Song et al., 2015).

Fig. 8.

Correlation between the seismic stratigraphic units (14PYDP-002) and core stratigraphic units measured from the drilling core (PHEW-1). Core stratigraphy shows deepening-upward and fining-upward trend. UB; Unit Boundary (modified from Choi, 2018).

저장층의 물성 분석

포항분지 영일만 해역 탐사시추공(PHEW-1) 정밀 코어 분석을 통해, 기본적인 암상 분석은 물론, 해저 퇴적층의 공극률, 투수율, 밀도, 압축강도 실험을 수행하였다. 가장 기본적인 공극률과 투수율 분석 결과를 보면 저장층의 공극률은 20% 이상이고 투수율도 30-150 mD로서 CO₂ 지중저장 실증에 적합한 것으로 파악되었다(KNU, 2015, 2016a; Kim et al., 2018b, in press). 반면에 저장층의 상부에 두껍게 놓인 덮개층의 경우 투수율이 1 mD 이하로 매우 치밀한 것으로 분석되었다. 또한 탐사시추 과정에서 지층 누출파쇄시험(Leak Off Test)을 통해 안전한 CO₂ 지중저장을 위한 암석물리학적인 지층의 특성도 확인하였으며, 물리검층 과정에서 포항분지 영일만 해역 탐사시추 및 저장실증 지역의 응력장 분포도 파악하였다(Fig. 9; Chang et al., 2016).

Fig. 9.

Analytic result of shear propensity of the storage and peripheral fault cracks in the Yeongil Bay (modified from Chang et al., 2016).

포항분지 영일만 해역 심부 구조 분석

안전한 CO₂ 지중저장 실증을 위해 단층이 밀집한 지역이나 활성 단층이 존재하는 지역은 저장 후보지에서 제외하는 것이 바람직하다. 포항분지 영일만 해역 YIB-2 구역에 대한 에어건 탄성파 탐사자료 구조 해석을 통해, 영일만 YIB-2 구역에 대한 지질 구조 및 단층 분석을 수행하였다. 조사 지역의 지질 구조 및 단층 분석 결과에 따르면, YIB-2 구역에서 유의미한 규모로 발달하고 있는 총 6개의 정단층(WF1, WF2, EF1, EF2, EF3, EF4)이 확인되었다(Fig. 10a). 정단층의 주향은 북북동-남남서 방향이고, 경사는 약 70-80°로 고각으로 발달하고 있다. 다만, 포항분지 영일만 해역 CO₂ 지중저장 후보지역 인근에는 심부 단층과 연결된 활성단층이 확인되지 않는다(Lee et al., 2017).

Fig. 10.

(A) Structure map showing the synclinal structure and major faults recognized around the injection well, PHIW-1 (modified from Lee et al., 2017), (B) Distance from the PHIW-1 well to adjacent faults, EF1 (450 m) and EF2 (530 m) (modified from Kim et al., 2018a).

그럼에도 불구하고 CO₂ 지중저장 실증 사업의 안전성의 중요성을 감안하며, 이러한 단층들을 피하여 저장실증 후보지를 선정하였다. 주입공(PHIW-1)에서 가장 인접한 심부 단층은 주입공에서 약 450 m 거리에 존재하는 EF1 단층으로 북북동-남남서 방향으로 발달하고 있으며, 소규모로 발달하는 연장성이 불분명한 심부 단층인 EF2는 주입공에서 약 530 m 떨어진 거리에 존재하고 있다(Fig. 10b). 이러한 인접 단층의 영향을 파악하기 위해 CO₂ 지중저장 시뮬레이션을 통해 다양한 조건에서 주입된 CO₂ 스트림의 확산을 모사하였으며, 어느 경우도 주입된 CO₂ 스트림이 단층에 도달하지 못하는 것으로 분석되었다(KNU, 2016a; Lee et al., 2017; Kim et al., 2018a, in press).

위에 언급한 실증 후보 지역의 정단층들이 주입량을 고려할 때 주입공에서 주입된 CO₂ 스트림이 단층면까지 도달하지 못함은 물론이고, 단층의 발달 방향도 현재 저장 후보지역의 응력장 분포로 보아 CO₂ 스트림의 누출이 발생하기 어려운 닫힘 단층의 특성을 가질 것으로 예측되었다(Fig. 9; Chang et al., 2016).

포항분지 영일만 해역 YIB-2 구역은 에어건 탄성파 탐사 자료 해석을 통해 서쪽에서 동쪽으로 깊어지고 있으며, 남북 방향으로 두 개의 커다란 배사구조가 발달하고 있는 것으로 확인되었다(Fig. 11a; Song et al., 2015). 탄성파 탐사자료나 탐사시추 결과에 따르면 주입공(PHIW-1) 인근 저장층 상부에서 뚜렷한 단층 및 파쇄대가 확인되지 않았다. 또한, 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 주입공(PHIW-1)은 배사구조의 골짜기에 위치하고 있어 주입된 CO₂ 스트림이 동쪽 습곡부로 이동하여 배사구조에 갇히는 형태의 구조에 위치하는 것으로 파악되었다(Fig. 11b; Hwang et al., 2015).

Fig. 11.

(A) Sparker data showing anticlinal structure around the injection well (PHIW-1) in Youngil Bay (modified from KNU, 2018), (B) Seismic interpretation showing top and base of the storage formation, and the migration direction of the injected CO₂ stream to the up-dip part (modified from KNU, 2018).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 해상 플랫폼 설계 및 설치

포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증을 위해 해상 플랫폼은 필수적인 시설이나, 매우큰 예산이 소요되는 연구 설비이다. 따라서 효율적인 연구비 활용을 위해 해상 플랫폼의 효율적 활용을 위해 다양한 시나리오 분석과 해상 플랫폼 설계안을 비교하여 최종 설계안을 확정하였다. CO₂ 지중저장 실증 연구에서 가장 중요한 요소인 안정성을 최우선적으로 고려하면서 해상 플랫폼을 효율적으로 활용하기 위해 해상 플랫폼 제작 설계, 구축 설계는 물론 주입공 시추 및 완결까지 고려한 정밀한 공정 설계를 통해 해상 플랫폼을 구축하였다.

해상 플랫폼 제작 및 설치

포항분지 영일만 해역 CO₂ 지중저장 실증을 위해 주입공 시추 및 완결, 주입설비 구축, 저장소 운영을 위한 해상 플랫폼을 설계 및 제작하고 이를 포항 영일만 해역에 설치하였다. 해상 플랫폼은 육상에서 제작하여 해상에 설치하는 구조물로 플랫폼 설계에 따라 Jacket과 Deck 구조물로 분리하여 제작하였다. 플랫폼은 철재물량 423톤으로 Jacket과 Jacket 고정을 위한 Pile, 상부구조물인 Deck로 구성된다(Fig. 12a).

Fig. 12.

(A) Installation of offshore platform for Pohang Offshore Storage Project in Yeongil Bay (modified from KNU, 2016a), (B) Installation of Safety facility for the offshore platforms in Yeongil Bay (modified from KNU, 2016a).

해상 플랫폼은 포항시 송정동 포스코 북측 해상으로 170 m 이격된 위치에 설치되었다. 플랫폼 운영기간 10년 기준으로 접합부 피로 검토 및 재현주기 500년 기준 내진설계를 적용하였다. 운영기간에 최대 부식두께 2 mm 적용 및 비말대부 방식 도장과 수중부 희생전극 설치로 사용기간 동안 내부식성을 확보하였다.

해상 플랫폼 안전시설 설치

포항분지 영일만 해역 CO₂ 지중저장 실증 부지의 해상 플랫폼 인근은 포항 신항이 자리하고 있으며, 낚시배를 포함한 다양한 선박의 이동이 빈번한 곳으로 선박의 안전 운항과 해상 플랫폼 충돌 방지에 대한 안전을 확보하기 위하여 표식기와 등부표를 설치하여 운영하고 있다(Fig. 12b). 또한 플랫폼 구조물 상단 북동측과 남서측 모서리에 대각선 반대방향으로 등화를 배치하여 모든 방향에서 관측이 가능하도록 하였다. 등명기는 관측방향에 따라 2기가 동시에 관측 될 수 있으므로, 동기점멸 방식으로 항해자의 혼란을 방지하였다(Fig. 12b).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 주입공 시추 및 완결

주입공 시추

2016년 말에 경상북도 포항시 영일만 외해역에 위치한 CO₂ 주입실증 부지에서 실증 주입공을 설치하였다. 설치 위치는 경상북도 포항시 남구 송정동 379번지 전면해상 일원의 위도 36° 02' 05.7'', 경도 129° 25' 18.1''이다(Fig. 13a). 시추장비는 공기를 맞출 수 있도록 굴진기간을 단축할 수 있으면서, 암질상태의 다양성을 고려한 회전변속 능력을 갖출 수 있는 것으로 선정하였다. 주입공 설치를 위한 굴진경 및 케이싱 규격은 주입공 시추 설계를 기반으로 굴진 시 나타나는 지층특성 및 현장상황을 반영하여 시공하였다. 하부로 갈수록 공경을 축소하는(Φ318 mm→Φ302 mm→Φ254 mm→Φ200 mm→Φ124 mm) 단계별 굴진방식을 채택하여 공벽 불안정 요인을 최소화 하였으며, 최종 공경은 주입구간 상부 구간(해상 플랫폼에서 심도 746.5 m)까지 5 inch(Φ139.8 mm) 크기의 케이싱 설치를 기본으로 하며, 주입구간(해상 플랫폼에서 심도 746.5–816.5 m)은 스크린을 설치하였다(Fig. 13b). 단계별 굴착 진행사항은 ① 시추작업의 효율성 향상 및 시추 안정성 확보를 위해 주입공 최외곽에 풍화암 심도까지 structural casing(Φ355.6 mm) 및 conductor casing(Φ318.5 mm)을 설치하고 공벽과 밀착을 위하여 그라우팅을 실시하였다. ② 풍화암 하부에서 시추공 외부로 이수가 흘러 들어가거나 시추공으로 지하수 유입을 방지하기 위하여 11.875 inch(Φ302 mm) percussion 착정과 117 m 심도까지 10 inch(Φ267.4 mm) 케이싱을 설치하였다. ③ 하부 심도까지 굴진을 위하여 1차 660 m 심도까지 10 inch(Φ254 mm) percussion 착정 및 8 inch(Φ216.3 mm) 케이싱 설치, 2차 746.5 m 심도까지 7.875 inch(Φ200 mm) tricon bit 굴진 및 5 inch(Φ139.8 mm) 케이싱을 설치하였다. CO₂ 주입시 부식에 대한 영향을 방지하기 위하여 공저 하부에서 100 m 구간은 STS 316L 재질의 케이싱을 사용하였다. ④ CO₂ 주입을 위한 주입 구간은 4.875 inch(Φ124 mm) tricon bit를 사용하여 굴진하고, 746.5-816.5m 구간은 유공 케이싱(Φ114.3 mm)과 wedge wire screen(Φ89.1 mm)을 설치하였다. 단계별 케이싱 설치 후 주입정의 장기 안정성 확보를 위해 시멘트 그라우팅을 수행하였으며, 주입 구간 상부 300 m 구간의 7.875 inch(Φ200 mm) 굴착 공벽과 5 inch(Φ139.8 mm) 케이싱 사이는 완벽하게 밀착되도록 내산성시멘트(G class cement)를 사용하여 그라우팅 작업을 실시하였다(Won et al., in press).

Fig. 13.

(A) Location of the injection well (PHIW-1) in Yeongil Bay (modified from Won et al., 2018), (B) Schematic diagram showing the injection well and casing design (modified from Won et al., 2018), (C) Details of bottom hole completion design (lower completion) (modified from Won et al., 2018), (D) Installation of the christmas tree and wellhead assemblies (modified from KNU, 2016a).

주입공 완결

포항분지 영일만 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증을 위한 주입공의 완결은 국내 설계 및 시공의 경험이 부족했음에도 불구하고 국내 기술력으로 완수하였다. 주입구간 공벽유지를 위해 1차로 4 inch(Φ114.3 mm) slotted casing을 설치하고, 2차로 3 inch(Φ89.1 mm) wedge wire screen을 설치하여 주입공의 주입구간을 완결하였다(Fig. 13c). 주입구간(해상 플랫폼에서 심도 746-816 m)에 유공 케이싱(4 inch)과 wedge wire screen(3 inch)을 설치하고, CO₂ 주입을 위하여 5 inch(Φ139.8 mm) 주입공 케이싱 내부에 1.5 inch(Φ38.4 mm) 튜빙(stainless seamless pipe)을 설치하였으며, 주입배관 하부에 CO₂ 주입시 상부구간으로 누출되지 않도록 해상 플랫폼에서 심도 745 m 지점에 팩커(packer)를 설치하였다(Fig. 13c). 팩커 사양으로 CO₂ 가스에 손상되지 않고 견딜 수 있으며 최대 주입압 40 MPa까지 사용 가능한 우레탄 재질의 팽창형 팩커를 선정하여 설치하였다(KNU, 2016a). CO₂ 주입 튜브는 주입공 내에서 CO₂ 유체의 통로가 되며, 플랫폼 탑사이드에서 주입설비와 연결되고 있으며, 압력제어 기능이 충실하게 작동할 수 있도록 설치되었다. 주입공의 8 inch(Φ216.3 mm), 5 inch(Φ139.8 mm) 케이싱에 직접 연결되는 주입공 상부설비(wellhead)는 CO₂ 주입 시 보조 모니터링 센서 설치가 가능하도록 설계되었고 이에 맞게 제작하여 설치되었다. 플랫폼 탑사이드의 크리스마스트리(christmas tree)는 주입배관 1.5 inch(Φ38.4 mm) 구경에 맞도록 제작하였고, 최대 주입압력을 14 MPa(2,000PSI)로 설정하여 제작하였으며, 크리스마스트리의 상부에는 CO₂ 주입 및 물 주입 파이프라인을 연결하고, 주입압력 측정 모니터링 시스템과 연결하여 실증 주입 시 주입공의 온도 및 압력을 실시간으로 확인하면서 저장소를 운영하도록 하였다(Fig. 13d; Won et al., in press).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 주입설비 구축

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증에 필요한 CO₂ 탱크 및 주입배관 등 해상플랫폼에 설치될 CO₂ 주입설비는 해상 플랫폼 및 주입공 설치 작업 기간 동안에 공장에서 제작하여 주입공이 완결된 이후에 해상플랫폼으로 운송하여 설치되었다(Fig. 14a). 해상 플랫폼에 설치하는 주입설비는 육상에서 해상 플랫폼 간 운송 및 작업시간을 단축하기 위하여 모듈 형태로 구분하고, 연결 부위에 플런지(FLANGE)를 설치하여 현장에서 분리 및 조립이 가능하도록 제작하였다. 모듈 형태로 제작한 주입 설비는 3개의 CO₂ 탱크(Tank Frame 포함), 주입설비 스키드(SKID)로 구성하였고 이외 컨테이너(CONTAINER), 경유 탱크, 크레인 등은 별도로 제작 및 구매하였다(Fig. 14a).

Fig. 14.

(A) CO₂ tanks and pipeline (modified from KNU, 2016a), (B) Charge to CO₂ tank of captured CO₂ stream and installation of CO₂ tank on offshore platform (modified from KNU, 2016a), (C) Boost and main pump installation (modified from Moon et al., 2018), (D) Check V/V installation and detailed components of check V/V component (modified from Moon et al., 2018).

실증저장을 위한 CO₂ 가스는 육상에서 탱크에 가스를 충진한 후 플랫폼으로 이동하여 설치하였다. CO₂ 탱크는 용량 21.5 m3, 3개를 병렬 설치하여 동시 개방시 배출압력 1.9 MPa을 유지하도록 설계하였고, 탱크 내 압력은 탱크에 설치된 전열 온수식 기화기로 유지 및 가압할 수 있도록 하였다(Fig. 14b). CO₂ 탱크는 대형 바지선에 크레인을 설치하여 운반하였으며, 정해진 위치에 설치하기 위해 설치 공정을 정교하게 설계하여 시공하였다.

부스터 펌프(LCO₂ Booster Pump, P-101)는 메인 펌프(LCO₂ Main Pump, P-102)의 운전조건(압력,유량)을 제공하기 위한 설비이다(Fig. 14c). 토출 압력은 2.1 Mpa 이상, 유량은 메인 펌프 대비 약 120%이다. 부스터 펌프는 인버터 제어에 의해 회전수를 제어하여 유량조절이 가능하도록 하였고, 정지 시 토출 측 LCO₂의 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(Check V/V)를 설치하였다. 실증 주입 시 CO₂ 가스의 기화를 방지하기 위해 CO₂ 탱크와 부스터 펌프 간 이송 시 반드시 액화가스 상태로 이동이 필요하여 이송배관에 보냉작업을 시행하였다.

메인 펌프는 부스터 펌프에서 일차 가압하여 이동된 CO₂ 가스를 목표 압력까지 가압하는 설비로 인버터 제어에 의해 회전수를 제어하고, 펌프 정지 시 토출 측 고압 CO₂의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(Check V/V)를 내장하고 있다(Fig. 14d).

가열기(Heater)는 CO₂를 목표 온도까지 가온 및 유지하는 설비로 정상 운전 시 토출 측 온도가 일정하게 유지되도록 조정하며, 수조(Water-bath)에는 레벨스위치(Level Switch)를 설치하여 운전 중 증발 등에 따라 수조 내 물이 수준 이하일 때 급수를 실시도록 하였다. 추가적으로 주입설비 운영에 따라 주입되는 CO₂ 주입량 및 유량조절을 위하여 유량측정기(Mass flow meter) 및 압력조절밸브(Pressure control valve)를 설치하였다(Moon et al., in press).

저장소 운영 설비 구축

저장소 운영 설비 중 패널(Panel), HMI(software)는 육상에서 설계 및 제작하고, 결선 작업 및 장비 설치, CCTV 설치 등의 작업은 해상 플랫폼 현장에서 수행하였다. HMI(software) 및 패널은 공장에서 제작하여 작동 시험(IO Test)을 진행한 후 바지선을 사용하여 운송 및 하역하였다.

HMI, 패널 등 주입설비의 조작 장치는 운영실(Container)에 설치하며 주입설비의 모든 동작은 HMI로 조작이 가능하도록 제작되었으며, CCTV로 주입설비 전 구역을 감시할 수 있도록 설치하였다(Fig. 15). 추가적으로 원격통신 SYSTEM을 구축하여 육상 감시소에서 해상플랫폼의 주입설비를 조작 및 감시(CCTV)가 가능하도록 하였다.

Fig. 15.

Operational system software of CO₂ injection facilities with CO₂ injection pressure control and monitoring control system (modified from KNU, 2016a).

주입설비의 안전장치

주입배관 내부의 압력이 미리 설정한 압력이상 상승하였을 떄 작동하여 배관을 보호하는 압력안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)를 설치하고 펌프 및 가열기 등을 통과하여 승압된 가스가 역류하지 못 하도록 막아주는 체크밸브(Check Valve, CV)를 설치하였다(Fig. 14d). 보완작업으로 주입설비에 위치한 CO₂ 감지기의 알람이 울릴 때 자동적으로 주입설비 정지 절차를 진행하도록 하였다. 긴급, 돌발 상황이 발생 하여 긴급정지 버튼을 작동시켰을 때 자동적으로 주입설비 정지 절차를 진행하며, 주요기기(부스터 펌프, 메인펌프, waterbath heater)의 운전이 비정상적으로 정지하였을 때 자동적으로 주입설비 정지 절차를 진행하도록 설치하였다. 또한 LCO₂ 탱크의 가스가 부족하여 주입배관 내부에 공급될 가스가 없어지면 자동적으로 주입설비 정지 절차를 진행하도록 설계하고 설치하였다(Moon et al., in press).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 주입실증

포항분지 영일만 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구는 해상 플랫폼 제작 및 설치, 주입공 시추 및 완결, 주입설비 구축 등의 시설 공정을 2016년 말에 완료하고, 2017년 1월 12일 최초로 간이 시험 주입 시험을 시작한 이후, 본격적으로 2017년 1월 20일부터 3월 12일까지 CO₂ 시험주입을 시행했다(Table 1).

1차 주입 시험은 2017년 1월 12일에 진행하였으며, 주입공의 주입구간 굴착이 완료된 후 자분이 관찰되었으며, 측정결과 자분압 1-2 bar, 유출량 2.54 ton/day이 확인되었다. 주입공의 패커 설치 전 13일 동안 자분된 것으로 계산할 때 대략 32.5 ton(13일×2.5 ton/day)의 지층수가 자분된 것으로 추산된다. 주입관 및 패커 설치 후 주입구간의 주입성을 확인하기 위하여 간이 주입 시험을 시행하였으며, 시험 결과 3.5 L/min 주입성이 확인되었다.

2차 주입은 2017년 1월 20일-22일(총 3일)간 진행되었으며, 기체 상태 CO₂ 주입 시 2차 펌프의 급속한 가동으로 순간 주입압이 상승하여 펌프 가동이 중지되어, 이후 기체상 CO₂를 가압한 상태에서 액체상으로 주입을 시도하였다. 초기 주입 시 주입공 주위 저장층에서 스킨효과(skin effect)가 발생하여 주입관에 CO₂ 스트림이 정체되는 현상이 발생했으며, 플랫폼 주변 온도가 영하로 하강하면서 정체된 CO₂ 스트림이 하이드레이트로 변화된 것이 확인되었다(Fig. 16a). 초기에 발생한 하이드레이트 생성구간을 관통하기 위하여 주입상 및 주입압을 변동하면서 지속적인 주입을 시도하였다.

Fig. 16.

(A) Dehydrated CO₂ recovered from injection well (modified from KNU, 2016a), (B) Nitrogen gas injection and heating for dehydration processes (modified from KNU, 2016a).

3차 주입은 2017년 1월 23일-26일(총 4일)간 진행되었으며, 2차 주입 시 발생한 스킨효과 해소를 위하여 주입 초기에 2 MPa에서 7 MPa까지 0.5 MPa 단위로 단계적으로 승압하며 지속적으로 주입하였다. 2차와 3차 주입에서 스킨효과를 극복하지 못하고, CO₂ 스트림이 하이드레이트화 작용을 받아 주입관을 차단하는 현상이 발생하여, 지속적으로 CO₂를 주입할 수 없는 관계로 3차 주입 이후 하이드레이트 자연 해소를 위한 대기 기간을 두어 주입을 일시 중지하였다.

4차 주입은 2017년 2월 8일-10일(총 4일)간 진행되었으며, 주입공 및 기상상태, CO₂ 주입상태에 따라 CO₂ 스트림의 주입을 수행하였다. 3차 주입 이후 하이드레이트 자연해소를 위한 대기기간이 경과한 이후에도 잔여 하이드레이트가 있는 것으로 판단되어, 하이드레이트 해소를 위하여 크리스마스트리에 열선을 설치하고, 질소를 가압하여 선주입하면서 초임계상의 CO₂ 스트림을 주입하였다(Fig. 16b). 그러나 4차 주입 결과 해소되지 않은 잔여 하이드레이트로 인하여 주입량이 감소하는 현상이 지속되어 5차 주입 이전에 물리적인 하이드레이트 해소 작업을 추가적으로 진행하였다.

5차 주입은 물리적인 하이드레이트 해소 작업 이후인 2017년 2월 16일-21일(총 6일)간 진행되었다. CO₂ 하이드레이트 발생 가능성에 대비하여 가열된 해수를 이용하여 사전주입을 시행한 후 CO₂ 주입을 시작하였으며, CO₂ 주입 초기에는 50°C 이상의 고온의 초임계 CO₂를 주입하고 연속 주입 시 35°C 내외의 온도로 주입함으로써, 하이드레이트 생성을 억제하고 성공적인 주입에 성공하였다(Fig. 17). 주입 종료시점에서 다시 주입공에 해수를 주입하여 주입공을 밀봉하였다. 5차 주입 이후 주입량의 거동 및 주입성 변화 파악을 위하여 15일 정도의 중지 기간을 두고 6차 주입을 시행하였다.

Fig. 17.

Memorial photograph for celebrating the first success of the CO2 injection in Korea (modified from KNU, 2016a).

6차 주입은 2017년 3월 8일-12일(총 5일)간 진행되었다. CO₂ 주입을 위한 사전 준비과정은 5차 주입과 유사하게 진행하였으며, 본격적인 주입성 연구로서 주입과정에서 CO₂ 상태에 따른 주입량 변화를 관찰한 결과 주입온도와 주입량이 반비례하는 추세를 확인하였다. 6차 주입이 완수한 이후 지속적인 저장소 운영과 저장소 장기 운전을 위한 수송체계 구축을 위해 주입공 밀봉 절차를 수행하고 해상 플랫폼 설비를 일시 차단하였다.

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 모니터링 계획

지구물리 모니터링

심부 다공질 저장층에 CO₂를 주입하여 일정량 이상이 저장층에서 확산되기 시작하면 지구물리적 방법으로 CO₂를 탐지하여 분포 및 이동 양상을 확인할 수 있고, 저장량을 역으로 계산하여 저장 모니터링이 가능해진다(SNU, 2014). 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 전통적인 4차원 에어건 탄성파 모니터링 탐사와 병행하여, 국내 기술로 독자적으로 개발한 해저면 모니터링 시스템(OBS: Ocean Bottom Sensor)을 이용한 탄성파 탐사를 통해, 주입된 CO₂ 스트림의 모니터링 정확도를 높이고자 하였다(Fig. 18a). 2D OBS 탄성파 탐사는 2채널 OBS 수신기 40개를 주입정 인근에 50 m 간격으로 1열로 배열하여 주(main) 탐사를 수행할 계획이며, 이를 위한 기저 탐사로 주입 전 모니터링을 완수하였다(Fig. 18b). 또한 4채널 OBS 수신기 20개를 추가로 1열로 배열하여 보조 탐사를 수행할 계획이다. 또한 향후에는 지구물리 모니터링의 정확도를 향상시키기 위해 3D OBS 탄성파 탐사를 위해 2채널 OBS 수신기 8개를 1열로 하여 5열로 구성하고, 각 열은 100 m 떨어지게 구성할 것이고 4채널 OBS 수신기도 8개를 1열로 하여 2열을 배치할 계획이다(KNU, 2017b).

Fig. 18.

(A) Schematic design of ocean bottom seismometer systems of two and fourchannels developed by Pohang Offshore Storage Project (modified from Park et al., 2018), (B) Layout of seismic 2D, 3D, and OBS surveys in Yeongil Bay (modified from KNU, 2016a).

수리지화학 모니터링

포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 주입정에서 CO₂ 스트림을 주입하면서 주입된 CO₂가 천부 지층으로 누출되는지의 여부를 모니터링하기 위하여(ppm 단위의 미세 농도도 검출 가능), CO₂ 주입 지역의 천부 퇴적물 시료를 주기적으로 취득하여 지화학 분석을 수행할 계획이다. 주입 전과 동일한 지점에서 시료를 취득하여 분석함으로써 주입 전과 비교 분석을 수행할 예정이며, 특히 주입 전과 비교하여, 음이온과 양이온 및 주요 동위원소의 정량과 특징적인 변화를 체크하여 CO₂ 누출 여부를 정밀하게 조사하고자 한다. 또한 관정역학 모델과 대수층 모델의 커플링(coupling)을 통해 주입정-대수층의 CO₂ 거동과 염 침전 현상을 모사하여 주입 성능에 대한 모니터링도 병행할 계획이다(KNU, 2017b).

온도-압력 모니터링

포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 온도센서를 통해 CO₂ 지중저장 주입 실증 시 주입공 주변의 지층 특성의 변화를 간접적으로 모니터링하여 최적의 주입조건으로 체계적인 주입을 수행하고자 한다. 또한, 용접을 통해 연결된 주입관의 이상 발생 시 누출 여부 및 누출 위치의 온도변화를 감지하고자, 팩커 설치 위치의 상부에서 플랫폼까지 주입관 외벽에 밀착하여 광섬유 온도 센서를 설치하였다(Fig. 19a). 추가적으로 주입공 기저부 압력 모니터링 센서를 케이싱에 설치하였지만 현재 미작동 상태이며(기저부 압력 센서에서 자주 발생), 이를 극복하고자 광센서를 이용한 주입공 튜빙 내부에 설치하는 안정된 고감도 압력 센서의 개발 및 설치 연구에 착수하였다(Fig. 19b; KNU, 2017a). 주입정 기저부 온도 및 압력 모니터링은 CO₂ 지중저장소의 주입 운영, 주입된 CO₂ 스트림의 주입공 내 누출 및 추적, 주입공에서의 주입성 변화 등에 있어 매우 중요한 모니터링 요소이며, 플랫폼에서의 주입 설비 운영에 있어 핵심정보를 제공해주는 기술이기 때문에 매우 중요하다. 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 주입공 상부설비는 물론, 주입공 기저부에서의 온도 및 압력을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 주입공의 모니터링 성능을 최대한 격상시키고 있는 중이다.

Fig. 19.

(A) Installation of temperature sensor attached to the CO₂ injection tubing pipeline (modified from KNU, 2016a), (B) Prototype product of bottom hole pressure and temperature sensor (modified from KNU, 2017a).

포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증연구 수송체계 구축 계획

포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 CO₂ 연안터미널 설비로부터 CO₂ 주입용 해상플랫폼까지 CO₂를 연속적으로 이송하기 위해 해저 파이프라인을 설치할 계획이다(Fig. 20a). 두 개의 해저 파이프라인을 고려하고 있으며, 하나는 액화(Cold Liquid) CO₂를 LCO₂ 탱크로 이송하기 위한 파이프라인이고, 또 하나는 초임계다상(Supercritical/Gas/Liquid) CO₂를 플랫폼의 주입공 상부설비(wellhead)로 직접 이송하기 위한 파이프라인이다(Fig. 20b). 우선 유체유동분석(Flow Assurance)을 통해 파이프라인의 내경(Inner Diameter)과 단열재(Insulation) 두께를 산정하였으며, 이를 바탕으로 파이프라인 재질을 선정하고 각 파이프라인의 강도 평가를 통해 두께를 산정하였다(KNU, 2017a).

Fig. 20.

(A) Schematic concept of onshore CO₂ hub-terminal, subsea transportation, and offshore storage in small-scale offshore demonstration project (modified from Moon et al., 2018), (B) Detailed facility components for demonstrate of small-scale offshore CO₂ storage project in Pohang Basin (modified from KNU, 2017a).

일반적으로 해상에서 CO₂ 지중저장을 수행할 경우 대규모 압력용기(LCO₂ Tank)를 해상 플랫폼에 설치하여 CO₂ 지중저장에 활용하여 왔다. 국내 해상 CO₂ 지중저장 중규모(연간 1만톤) 실증을 위해서는 육상으로부터 해상 플랫폼 CO₂ 탱크까지 연속적으로 CO₂ 스트림을 공급받아야 한다. 그러나, 해상 플랫폼의 건설 비용이 막대할 뿐만 아니라 해저 생산 및 주입 설비 기술이 빠르게 발전해 가고 있어, 대규모 CCS 상용화 사업의 경우 해상 플랫폼 없이 해저면 주입 시설을 활용하는 사례가 늘어나고 있다(Pershad and Slater, 2007; Gassnova and Gassco, 2016). 따라서 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구에서는 위에 설명한 바처럼 CO₂ 연안터미널 설비에서 두 개의 해저 파이프라인을 설치하여 CO₂ 주입설비가 해상 플랫폼에 위치한 경우와 연안터미널에 위치한 경우의 저장소 운영을 모두 실증하여 장단점을 비교하고 국내 대규모 CCS 통합실증과 상용화 사업의 최적 모델을 개발할 계획이다.

결 론

포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구 사업은 대규모 온실가스 감축 수단인 CCS 기술의 연구 규모 실증을 목표로 하는 국가연구개발 사업이다. 국내에서 100만톤급 CCS 기술 통합실증을 추진하기 위해서 CO₂ 지중저장 핵심 기술 개발 및 자립화가 필요하며, 국내의 대규모 저장소가 국내 대륙붕 지역의 해저 퇴적층에 위치하기 때문에, 해상 CO₂ 지중저장 실증이 반드시 필요한 상황이다. 포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구 사업은 최대 2만 톤의 CO₂ 스트림을 연간 1만 톤 규모로 약 2년간 해저 실증 저장소에 주입하여 저장하는 소규모 연구개발 사업이다. 본 연구사업은 면밀한 지질조사, 물리탐사, 시추탐사를 통해, CO₂ 지중저장 실증에 적합한 부지를 선정하여 추진하고 있으며, 안전하고 효율적인 저장 실증을 위해 저장소 특성 분석과 저장 설계를 충실하게 수행하여 해상 CO₂ 지중저장에 필요한 설비를 포항 영일만 해역에 구축하였다. 2017년 초에 본 연구사업은 약 100톤의 CO₂ 스트림을 해저퇴적층 저장소에 주입하는 시험주입에 성공하였으며, 해상 CO₂ 지중저장 기술의 자립화 및 선진화라는 사업의 목표를 온전하게 달성하기 위해 현재 수송체계 구축과 안전하고 효율적인 저장소 운영기술의 확보를 위해 지속적인 연구개발을 수행하고 있다. 본 연구사업은 2017년 11월 15일 발생한 규모 5.4의 포항 지진으로 CO₂ 지중저장 실증사업의 안전성에 대한 우려가 제기됨에 따라, CO₂ 주입과 같은 직접적인 공정을 일시 중지하고 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구 사업의 안전성에 대하여 정밀하게 점검하고 있다. 이 점검 결과에 따라 안전성과 저장소의 위기관리능력을 보다 강화하여 지진에 대한 공포를 경험한 시민들이 신뢰할 수 있는 CO₂ 지중저장 실증 연구 사업을 추진해 가려고 한다.