서 론

이산화탄소 지중저장(carbon capture storage, CCS)은 발전소, 산업, 운송수단 등에 의해 발생한 이산화탄소를 포집하여 지하의 지질학적 구조에 주입함으로써 대기 중의 이산화탄소를 직접적으로 저감하는 기술이다(Blunt, 2010). 최근 온실가스 및 기후변화에 대한 논의가 활발하게 진행됨에 따라, CCS가 온실가스를 직접적으로 감축할 수 있는 기술로 인정받기 시작하였고 이와 관련하여 다양한 CCS 관련 연구가 수행되었다(Cooper, 2009; Bachu, 2015; Choi et al., 2015). 현재 세계 여러 지역에서 CCS 프로젝트가 진행 중에 있다. 포집된 이산화탄소는 석탄층, 염수 대수층, 고갈된 오일 및 가스 저류층 등 다양한 지하 지질학적 구조에 주입될 수 있다. 그 중에서도 지하의 대수층은 이산화탄소 지중저장을 위해 적합한 구조이다. 그 이유는 대수층은 석탄층, 오일 및 가스 저류층에 비해 편재성이 적어 다양한 지역에 분포하며, 다른 지질구조에 비해 저장용량이 크기 때문이다.

대수층에 주입된 이산화탄소로 인해 저장층 내 압력이 증가하면 단층이 재활성되거나 지층파쇄가 발생할 수 있다. 따라서 실제 대상지역에서의 안전한 이산화탄소 지중저장을 수행하기 위해서는 정확한 대수층 특성화를 통해 이산화탄소 거동을 올바르게 예측하는 것이 필요하며 이를 위해 다양한 특성화 방법들이 제시되어 왔다(Hosseini et al., 2013; Kim et al., 2016, 2017; Kang and Choe, 2017; Jung et al, 2017, 2018). 특성화 후에는 시뮬레이션을 통해 저장용량 및 저장안정성을 이산화탄소 주입 이전에도 평가할 수 있으며 향후 주입기간, 주입유량, 주입시점 등의 계획을 수립할 수 있다.

본 논문에서는 이산화탄소 주입 실증 프로젝트 부지인 포항 영일만 해상분지 지질모델을 대상으로 연구를 수행하였다. 기존에 포항 영일만 해상분지를 대상으로 많은 연구가 진행되었지만(Hwang et al., 2016; Choi et al., 2017) 본 논문에서는 이산화탄소를 주입 시 압력변화를 관찰하여 주입정 근처 단층의 안정성을 분석하였다. 또한 두 가지 시나리오에 대하여 이산화탄소 일일주입량에 따른 실제 저장용량을 계산하였다.

지질모델의 주요인자 및 시뮬레이션 조건

지질모델의 주요인자

이산화탄소 지중저장 시뮬레이션 및 안정성평가를 위해 실제 포항 영일만 시추공자료, 탐사자료를 바탕으로 만들어진 3차원 대수층모델을 사용하였다. 대수층모델은 150 × 95 × 56의 격자시스템으로 총 808,640개의 격자(corner point grid)를 가진다. 총 1개의 주입정(PHIW-1)이 있으며 해당 유정에서의 공극률 정보를 이용하여 공극률 필드를 생성하였다. 대수층의 공극률과 유체투과율은 순차 가우스 시뮬레이션(sequential gaussian simulation, SGS)으로 생성되었다. 영일만 지질모델의 공극률과 유체투과율 분포는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Pohang Yeongil bay geological model: (a) porosity, (b) permeability.

포항 영일만 해역 YIB-2 구역에 대한 에어건 탄성파탐사 자료해석을 통해, YIB-2 구역에존재하는 단층 구조를 분석하였다(Lee et al., 2017). 본 연구에서 사용한 실제 모델에는 총 6개의 정단층이 존재한다. 정단층의 주향은 북북동-남남서 방향이고, 경사는 약 70°이다. 서쪽의 WF1, 동쪽의 EF4, EF3 단층은 동서방향으로의 유체유동을 제한하는 경계조건이며 모델 내부에는 EF1, WF2, EF2 세 개의 단층이 있다. 남북방향으로는 단층이 없는 열린 경계조건이며 남북방향의 경계에 대수층이 형성되어 있다. 단층을 통해서는 유체의 흐름이 없다. Fig. 2는 단층의 위치와 형태를 보여준다.

Fig. 2.

Pohang Yeongil bay geological model (fault).

포항 영일만 이산화탄소 지중저장 PHIW-1 인근에는 심부단층과 연결된 활성단층이 확인되지 않았다. PHIW-1에서 가장 인접한 심부단층은 소규모로 발달하는 연장성이 불분명한 심부단층(EF2)이 약 530 m 떨어진 거리에 존재하고 있으며, 연장성이 분명하고 단층규모가 작지 않은 심부 단층(EF1)이 PHIW-1에서 약 450 m 거리에 북북동-남남서 방향으로 발달하고 있다. 격자를 살펴보면 EF1 단층은 총 1512개의 격자, EF2는 총 864개의 격자로 구성되어 있다. Fig. 3은 이를 표현한 그림이다. 이산화탄소 주입 시 PHIW-1 주변의 압력변화가 크기 때문에 본 연구에서는 PHIW-1과 가장 가까운 단층인 EF1과 EF2 단층에 대하여 재활성 가능성을 분석하였다.

Fig. 3.

Faults near the injection well.

물과 이산화탄소의 상대유체투과율은 이산화탄소 주입 후 대수층 내 거동에 많은 영향을 끼친다(Bachu, 2013; Burnside and Naylor, 2014). 특히 시간에 따른 이산화탄소 플룸의 양상과 대수층 내 포화도의 분포가 상대유체투과율 값에 따라 달라진다. 궁극적으로는 이산화탄소 저장의 안정성에 영향을 미친다(Juanes et al., 2015).

보통 상대유체투과율 곡선은 해당 지층의 코어자료를 바탕으로 얻지만 포항 영일만 해상분지의 코어자료와 실험데이터가 없어 그 정보를 얻을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 동해가스전 SCAL 결과값을 바탕으로 van Genuchten(1980) 함수와 Corey(1954) 함수를 사용하여 염수와 이산화탄소의 상대유체투과율을 구하였다. 이를 바탕으로 얻은 상대유체투과율 값은 Table 1과 같다.

시뮬레이션 조건 및 주입 시나리오

본 연구는 포항 영일만 해상분지 이산화탄소 주입실증 프로젝트의 대상이 되는 실제 모델을 시뮬레이션에 적용하였으며 시뮬레이터는 Schlumberger사의 ECLIPSE 300을 사용하였다. 대수층의 초기압력은 기준 깊이에서 정수압 구배를 사용하여 설정하였고, 최대주입공저압은 14 MPa로 설정하였다. 단층의 재활성압은 13 Mpa이며 다른 조건들은 Table 2에 정리하였다.

주입유량과 주입기간은 실제 포항분지 중규모 해상 이산화탄소 지중저장 실증 프로젝트 계획을 바탕으로 설정하였다. 약 2년 동안 이산화탄소 총 저장량 10,000 tons 혹은 20,000 tons 저장이 목표이기 때문에 일일주입량을 20 tons, 40 tons로 설정하였다. 일일주입량이 100 tons인 경우의 압력변화도 분석하여 추가적인 안정성을 분석하였다. 목표저장량을 주입하기 위해서 Fig. 4와 같이 두 가지 주입 시나리오를 설정하였다. 첫 번째 주입 시나리오에서는 250일 주입-100일 중단-250일 주입-100일 중단하였고, 두 번째 주입 시나리오에서는 250일 주입-200일 중단-250일 주입으로 두 가지 경우 모두 700일의 기간을 설정하였다. 두 번째 시나리오의 경우 중간의 중단기간을 길게 두어 대수층 내 압력이 안정화되는 기간을 늘렸다.

Fig. 4.

Injection scenarios.

결 과

주입정 압력 및 이산화탄소 주입량 분석

이산화탄소 주입량에 따른 PHIW-1의 압력변화는 Fig. 5와 같다. 시뮬레이션 기간은 2017년 1월 1일부터 2018년 12월 2일까지 총 700일이다. 주입정 공저압력(bottom hole pressure, BHP)의 최대허용압력이 14 Mpa이기 때문에 그 이상의 압력은 걸리지 않는다. 만약 최대허용압력에 도달하면 주입량을 줄여 BHP 허용한계를 초과하지 않도록 시뮬레이션에서 조절된다. 초기에는 대수층에 이산화탄소가 전혀 없는 상태에서 PHIW-1에 주입이 시작되면 압력이 증가한다. 시나리오에서 주입이 중단되는 기간에는 BHP가 하향 안정화되는 경향을 보였다. 두 번째 주입 시나리오에서는 중간의 중단기간이 100일 더 길기 때문에 첫 번째 시나리오에 비하여 BHP가 0.4 Mpa정도 더 하향 안정화되었다(Fig. 5b).

Fig. 5.

Injection well Bottom hole pressure: (a) Scenario1, (b) Scenario2.

이산화탄소 일일주입량이 20 tons인 경우에는 전 기간에 대하여 BHP 허용한계에 도달하지 않았다. 이산화탄소 일일주입량이 그 두 배인 경우 초기에 12일 동안만 BHP 허용한계에 도달하였다. 마지막으로 일일주입량이 100 tons인 경우에는 첫 번째 주입기간 동안 계속 최대허용압력에 도달하였으며, 두 번째 주입기간에도 최대허용압력을 유지하는 기간이 길었다.

이산화탄소 예측주입량은 Fig. 6과 같다. 일일주입량이 20 tons (10,101 sm³)인 경우 주입기간 내에 주입량이 일정하였다. 일일주입량이 40 tons(20,202 sm³)인 경우 초기 12일 동안 원하는 주입량을 주입하지 못하여 이산화탄소가 약 90 tons 덜 주입된다. 하지만 일일주입량이 100 tons(50,505 sm³)인 경우 BHP 허용한계로 인하여 원하는 주입량과 크게 차이가 난다. 이 경우 예측주입량은 38,460 tons로 목표저장량인 50,000 tons보다 약 11,500 tons의 주입량이 감소한다. 이를 정리한 내용은 Table 3과 같다.

Fig. 6.

Gas injection rate: (a) Scenario1, (b) Scenario2.

대수층 내 압력변화 및 단층의 재활성압 분석

이산화탄소 주입에 따른 대수층 내 압력변화를 살펴보기 위해 시각화 모델로 Schlumberger사의 Petrel을 사용하였다. 모델의 압력변화가 단층의 재활성에 영향이 있는지를 파악하였다. PHIW-1 근처 단층인 EF1과 EF2 단층의 재활성압은 13 Mpa이다. Figs. 7, 8의 범례에서의 최대압력을 13 Mpa로 설정하여 단층의 압력이 범례의 최댓값을 넘는지 확인하였다. 이산화탄소 주입이 종료되는 시점의 압력이 가장 크기 때문에 첫 번째 주입이 종료되는 시점과 두 번째 주입이 종료되는 시점을 비교시점으로 지정하였다. 따라서 첫 번째 주입 시나리오에서는 250일과 600일을, 두 번째 주입 시나리오에서는 250일과 700일을 사용하였다.

Fig. 7.

Pressure changes of the geological aquifer model in the Pohang Yeongil bay (Scenario 1).

Fig. 8.

Pressure changes of the geological aquifer model in the Pohang Yeongil bay (Scenario 2).

이산화탄소 일일주입량이 증가할수록 PHIW-1의 BHP가 상승함에 따라 대수층 내의 압력도 증가한다. 대수층 내 압력변화는 두 번째 주입이 끝나는 시점이 첫 번째 주입이 끝나는 시점보다 큰 것을 확인하였다. 따라서 단층 내 실제 압력 값들을 두 번째 주입이 끝나는 시점에서 분석하였다(첫 번째 시나리오: 600일, 두 번째 시나리오: 700일).

단층 재활성 안정성분석을 위해서 PHIW-1에서 가까운 EF1 단층과 EF2 단층 내의 실제 압력분포를 파악하였다. 단층을 구성하는 격자들의 압력값을 히스토그램으로 나타내었다. x축은 압력을 y축은 빈도수를 의미한다. EF2 단층에서의 압력분포는 Figs. 9, 10과 같다. Fig. 9는 첫 번째 시나리오에서, Fig. 10은 두 번째 시나리오에서 이산화탄소 두 번째 주입이 끝났을 때의 시점에서의 단층 내 압력분포이다. 일일주입량이 증가함에 따라 히스토그램에서 압력이 큰 값이 많아지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 9.

Pressure Distribution in EF2 fault at the 600-th day (Scenario 1) : (a) 20 tons/day, (b) 40 tons/day, (c) 100 tons/day.

Fig. 10.

Pressure Distribution in EF2 fault at the 700-th day (Scenario 2) : (a) 20 tons/day, (b) 40 tons/day, (c) 100 tons/day.

실제 목표주입량인 일일주입량이 20 tons인 경우 압력의 최댓값은 8.145 Mpa로 단층 재활성압의 63% 정도를 보였다. 일일주입량이 40 tons인 경우 압력의 최댓값은 8.522 Mpa로 단층의 재활성압의 66% 정도를 보였다. 마지막으로 추가적인 안정성분석을 위해 일일주입량을 100 tons로 설정하여도 단층 내 압력의 최댓값은 9.291 Mpa로 단층의 재활성압의 70% 정도이다. Table 4는 EF2 단층 내 압력분포 특징을 보여준다.

EF1 단층에서의 압력분포는 Figs. 11, 12와 같다. EF2 단층에서의 경우와 마찬가지로 첫 번째 시나리오에서 비교시점(600일)(Fig. 11)과 두 번째 시나리오에서 비교시점(700일)(Fig. 12)에서의 단층 내 압력분포이다. 일일주입량이 증가함에 따라 압력이 증가함을 히스토그램을 통해 확인할 수 있다. 또한 EF1 단층이 EF2 단층과 비교하여 격자수가 많고, 단층의 길이가 길기 때문에 더 넓은 압력분포를 보인다.

Fig. 11.

Pressure Distribution in EF1 fault at the 600-th day (Scenario 1) : (a) 20 tons/day, (b) 40 tons/day, (c) 100 tons/day.

Fig. 12.

Pressure Distribution in EF1 fault at the 700-th day (Scenario 2) : (a) 20 tons/day, (b) 40 tons/day, (c) 100 tons/day.

Figs. 9~12의 결과를 통하여 목표주입량인 일일주입량이 20 tons, 40 tons인 경우 압력의 최댓값은 8.605 Mpa, 9.287 Mpa였다. 각각 단층 재활성압의 66%, 71% 정도를 보였다. 마지막으로 일일주입량을 100 tons로 늘려 추가적인 안정성분석을 실시하였다. 그 결과 단층 내 압력의 최댓값은 10.390 Mpa로 단층의 재활성압의 약 80% 정도로 단층의 재활성에 영향을 미치지 않았다. Table 5는 EF1 단층 내 압력분포 히스토그램을 요약이다.

결 론

본 연구에서는 포항 영일만을 대상으로 한 두 가지 이산화탄소 주입 시나리오에서 각 일일주입량(20 tons, 40 tons, 100 tons)별로 예측 주입량 및 안정성을 평가하였다. 일일주입량이 20 tons인 경우 주입기간 동안 그 주입량을 유지하였다. 일일주입량이 40 tons 인 경우 주입 초기 12일 동안만 BHP 허용한계에 도달하여 원하는 주입량을 주입하지 못하였다. 일일주입량이 100 tons인 경우 첫 번째 주입기간 동안 최대허용압력에 도달하여 100 tons의 주입량을 유지하지 못하였으며 두 번째 주입기간에서도 최대허용압력을 유지하는 기간이 길었다. 즉 20 tons과 40 tons의 경우 원하는 이산화탄소 주입량을 유지할 수 있었지만 100 tons의 경우 BHP 최대허용한계에 도달하여 계획한 기간 동안 원하는 주입량으로 주입하기 어려웠다.

PHIW-1에서 가장 가까운 단층인 EF1과 EF2에 대하여 단층의 재활성 안정성을 평가하였으며, 각 주입 시나리오에서는 가장 압력이 높은 시점을 기준으로 분석하였다. 일일주입량 20 tons와 40 tons의 경우 각각 두 가지 주입 시나리오에서 단층의 최대압력이 8.605 Mpa, 9.287 Mpa로 재활성압 13 Mpa보다 현저하게 낮았다. 일일주입량이 100 tons인 경우 PHIW-1과 가장 가까운 EF1 단층에서 압력이 최대 10.39 Mpa까지 상승하며 이는 단층 재활성압의 80%에 해당한다. 즉, 일일주입량이 20 tons와 40 tons인 경우 두 가지 주입 시나리오에서 계획대로 주입 할 수 있다. 일일주입량을 100 tons까지 증가시킬 경우 원하는 주입량을 주입하진 못하지만, 대수층 내 단층의 재활성에는 영향을 주지 않는다.