서 론
이산화탄소를 주입하여 저류층 내에 잔류하는 원유의 회수를 촉진하는 CO2-원유회수증진법(carbon dioxide-enhanced oil recovery, CO2-EOR)은 최근 지구 온난화의 주 원인으로 꼽히는 여러 온실가스 중 이산화탄소의 저감을 위한 기술로 주목받고 있는 탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage, CCS) 기술의 한 형태로 각광받고 있다(Budinis et al., 2018; Bui et al., 2018; Farajzadeh et al., 2020; Chen et al., 2024). CO2-EOR은 원유 생산성을 효과적으로 높임과 동시에 이산화탄소를 지중에 저장함으로써 경제적인 CCS를 가능케 한다는 장점을 가진다. 일반적으로 저류층 압력보다 이산화탄소 주입 압력이 높아야 원유의 팽창 및 점성 감소를 유발하여 원유 회수율을 높일 수 있다. 그러나 지나치게 많은 양 또는 높은 압력으로 이산화탄소를 주입할 경우 저류층 상부의 암석층 및 지반에 불안정을 야기할 수 있으며, 상부 암석층에 균열을 발생시키거나 주변 단층에 응력을 가하여 지진을 유발할 수도 있다(Verdon, 2014). 이로 인해 발생하는 지표의 변형은 지상의 유전 및 CCS와 관련된 인프라의 안정성에도 심각한 영향을 미칠 수 있으므로, CO2-EOR 적용 현장의 정밀한 지표변위 모니터링이 필수적이다(Beaubien et al., 2015; Waarum et al., 2017; Gaurina-Međimurec et al., 2018).
지표변위 모니터링에는 인공위성 합성구경레이더(synthetic aperture radar, SAR) 영상이 효과적으로 활용될 수 있다. SAR는 날씨와 일조량에 관계없이 지표를 관측할 수 있는 능동 마이크로파 원격탐사 시스템으로, 두 장 이상의 SAR 영상으로부터 위상(phase)의 차이를 산출하는 레이더 간섭기법(interferometric SAR, InSAR)의 적용을 통해 지표변위 측정이 가능하다. 특히 다중시기 SAR 영상으로부터 시계열 변위를 측정하는 시계열 InSAR는 이산화탄소 주입이 일시적이지 않고, 장기간에 걸친 지표변위가 나타날 수 있는 육상의 CO2-EOR 및 CCS 현장의 지반 안정성 모니터링에 매우 적합하게 활용될 수 있다(Onuma and Ohkawa, 2009; Yang et al., 2015; Shi et al., 2019; Li et al., 2022; Zhang et al., 2022). 알제리의 In Salah 가스전은 가스 채굴과 동시에 이산화탄소를 주입하는 CCS 지역으로, 2003년부터 2008년까지 획득된 다중시기 위성 SAR 영상 기반 InSAR의 시계열 분석을 통해 이산화탄소 주입정 주변에서 연간 최대 7 mm의 지표 융기가 보고되었고, 가스 생산정 주변에서는 느린 속도의 지반침하가 보고되었다(Onuma and Ohkawa, 2009). 중국 신장 위구르 자치구의 Fengcheng 유전에 위치한 CCS 현장에서는 시계열 InSAR의 하나인 Small Baseline Subset(SBAS) 기법(Berardino et al., 2002)을 통해 2007년부터 2010년 사이에 이산화탄소 주입에 의해 최대 120 mm/yr의 융기로 추정되는 변위속도가 관측된 바 있다(Shi et al., 2019). 이와 같은 사례들을 통해 CCS 현장에서 심각한 지표변위가 발생할 수 있으며, 이는 시계열 InSAR를 활용함으로써 효과적으로 모니터링 될 수 있음이 입증되어 오고 있다.
미국 텍사스 주의 Snyder Area Canyon Reef Operating Committee(SACROC) 유전은 1970년대 초반부터 이산화탄소의 주입을 통해 원유를 생산하는 대표적인 CO2-EOR 적용 지역이다(Han et al., 2010). 이 지역에서는 다량의 이산화탄소가 주입된 2007년부터 2011년 사이에 SBAS 기법을 통해 위성 레이더 관측 방향(line of sight, LOS)으로 최대 10 cm의 지표 융기가 관측된 바 있다(Yang et al., 2015). SACROC 유전에서 북쪽으로 약 20 km 떨어진 Cogdell 유전에서는 2004년부터 이산화탄소를 포함한 가스를 지하에 주입하여 원유 생산성을 높여 왔는데, 이는 2006년에서 2011년 사이에 규모 3 이상의 지진을 다수 유발한 것으로 추정되고 있으며(Gan and Frohlich, 2013), SACROC 유전 지역 또한 유체의 주입에 따른 유발 지진 발생 가능성이 있을 수 있다. SACROC 유전에서는 지금도 물과 이산화탄소의 주입을 통해 원유를 생산하고 있다. 석유/가스 자원의 채취와 이산화탄소의 주입이 동시에 이루어지는 CO2-EOR 현장에서 복잡한 특성의 지표변위가 장기적으로 발생할 가능성이 높고, 주변 유전에서 유체 주입에 의한 유발 지진의 발생 이력까지 있음을 고려할 때, SACROC 유전 지역의 지표변위는 지속적으로 모니터링 되어야 할 필요가 있다. 특히 저류층으로의 유체 주입량에 대한 정보가 대외적으로 공개되지 않고 있기 때문에 지표변위의 모니터링이 더욱 필요한 상황이다. 그러나 이 지역의 지표변위 관측은 Yang et al.(2015)에 의해 2007~2011년에 수행되어 보고된 것이 유일한 실정이다.
이 연구에서는 2016년 10월부터 2024년 6월까지 SACROC 유전 지역을 관측한 Sentinel-1 SAR 영상에 시계열 InSAR 기법 중 하나인 고정산란체 간섭기법(persistent scatterer InSAR, PSInSAR)을 적용하여 지표변위를 산출하였다. 산출된 지표변위를 통해 이산화탄소의 주입 시기와 주입량의 상대적 변화를 추론하였으며, 지표변위의 시공간적 변화와 그 원인에 대해 해석하였다.
연구지역
Kelly-Snyder 유전의 일부에 해당하는 SACROC 유전은 미국 텍사스 주 Scurry County에 위치하며(Fig. 1a), 생물 기원 석회암 돔(limestone reef mounds)에 의해 발달한 탄산염 저류층이 형성되어 있다. 원유 생산성이 가장 높은 것으로 평가되는 유전의 북부 지역부터 1954년 물 주입을 통해 원유 회수가 시작되었으며, CO2-EOR은 1972년부터 유전 전역에 적용되었다(Han et al., 2010; Hosseininoosheri et al., 2018). 이산화탄소 주입에 의한 원유 생산량 증대가 명확히 확인된 1981년 이후 이산화탄소 주입량은 꾸준히 상승하였으며, 2004년을 기점으로 물 주입량은 일정하게 유지되고 있는 것으로 보고된 바 있다(Kalteyer, 2020). SACROC 유전에서는 SBAS 기법을 통해 2007년 1월부터 2011년 3월까지 이산화탄소 주입 지역에서 최대 10 cm의 LOS 변위가 관측되었다(Yang et al., 2015). 지표변위 관측 기간 동안 저류층에 주입된 물은 약 1 × 106 m3에 불과한 반면, 이산화탄소는 약 31 × 106 m3이 주입되었으며, 이를 통해 2007~2011년 관측된 지표변위가 이산화탄소의 주입에 의한 지반 융기에 기인한다는 것이 파악되었다. 물에 비해 훨씬 많은 양의 이산화탄소 주입은 2004년 이후 지속되고 있으며(Yang et al., 2015; Kalteyer, 2020), 이에 따른 지표변위의 지속적인 발생 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.
Fig. 1.
(a) Location of the study area. The red rectangle indicates the coverage of the Sentinel-1 SAR imagery. (b) Enlarged view of the area of interest shown by the white rectangle in (a). The SACROC oil field is outlined in white, the residential area of Snyder is outlined in blue, and the green dots indicate CO2 and water injection wells.
연구자료 및 분석방법
Sentinel-1 위성은 각각 2014년 4월, 2016년 4월, 2024년 12월 발사된 Sentinel-1A, -1B, -1C의 3기로 이루어져 있으며, 5.405 GHz의 중심 주파수를 갖는 C-Band SAR를 탑재하여 날씨와 주야에 관계없이 지표를 관측할 수 있다. 2021년 12월 임무가 종료된 Sentinel-1B를 제외한 나머지 두 위성은 현재 12일의 시간해상도로 SAR 영상을 취득하고 있다. 이 연구에서는 SACROC 유전 지역의 시계열 지표변위를 관측하기 위해 2016년 10월 7일부터 2024년 6월 15일까지 Sentinel-1A의 상향궤도(ascending node)에서 Interferometric Wide(IW) swath 모드의 VV 편파로 획득된 single look complex(SLC) 포맷의 SAR 영상(레이더 입사각 39.3°)을 186장 구축하였다(Table 1). Sentinel-1 SAR 영상은 모두 Alaska Satellite Facility의 Distributed Active Archive Center(https://www.earthdata.nasa.gov/centers/asf-daac)를 통해 구축하였다. InSAR 처리과정 중 SAR 영상의 정합과 지형 고도에 의한 간섭위상 제거, 영상의 기하보정과 지형보정을 수행하기 위해 30 m 공간해상도를 갖는 Copernicus GLO-30 digital elevation model(DEM)을 활용하였다.
Table 1.
Sentinel-1 SAR data used in this study
| Satellite |
Date range (dd/mm/yyyy) |
Acquisition mode |
Orbit direction |
Relative orbit number | Polarization |
Number of SAR images |
| Sentinel-1A SAR | 07/10/2016 ~ 15/06/2024 | IW | Ascending | 5 | VV | 186 |
이산화탄소 주입과 지표변위의 관계 해석에 사용하기 위해 Texas Railroad Commission(https://www.rrc.texas.gov)에서 제공하는 SACROC 유전의 유체 주입정 위치 정보를 사용하였다(Fig. 1b의 초록색 점). Texas Railroad Commission은 유체 주입정의 위치는 제공하지만, 이산화탄소 주입정과 물 주입정을 구분하여 제공하지는 않고 있다.
이 연구에서는 Sentinel-1 SAR 영상에 PSInSAR 기법(Ferretti et al., 2002)을 적용하여 SACROC 유전의 시계열 지표변위를 산출하였다. PSInSAR 기법은 송전탑, 건물 등의 인공구조물과 같이 강하고 안정적인 산란 신호를 보이는 고정산란체(persistent scatterer, PS)의 시계열 변위를 추정하는 기법으로, SLC 영상의 공간해상도를 유지하며 높은 정밀도의 변위를 산출할 수 있다는 장점이 있다. SACROC 유전 지역은 원유 생산정, 유전 및 CCS 인프라 시설물 등이 다수 분포하며, 이들은 모두 PS의 후보가 될 수 있어 PSInSAR 기법이 시계열 변위 모니터링에 효과적으로 사용될 수 있다.
Sentinel-1 시계열 SAR 영상을 정합하고 PSInSAR를 적용하기 위해 미국항공우주국에서 개발한 Interferometric synthetic aperture radar Scientific Computing Environment(ISCE) 소프트웨어(Rosen et al., 2012)와 Stanford 대학교에서 개발한 Stanford Method for Persistent Scatterers(StaMPS) 소프트웨어 패키지(Hooper et al., 2004)를 사용하였다. Fig. 2는 ISCE 소프트웨어와 StaMPS 소프트웨어 패키지를 사용한 PSInSAR 자료처리의 흐름을 보여준다. 먼저 ISCE 소프트웨어를 사용하여 Sentinel-1A 위성의 정밀 궤도 데이터에 기반한 SAR 영상의 궤도보정을 수행하였다. 이후 하나의 SAR 영상을 주영상(reference image)으로 정의하고 나머지 모든 영상을 부영상(secondary image)를 정의하며, 주영상에 부영상들을 정합하여야 한다. 이때 주영상은 정합된 영상쌍(레이더 간섭쌍)들의 수직 기선거리(perpendicular baseline)와 시간 기선거리(temporal baseline)가 짧아 시계열 InSAR 긴밀도가 높게 계산될 수 있는 영상으로 선정한다. 이 연구에서는 2020년 6월 12일에 획득된 영상을 주영상으로 선정하였으며, 이를 통해 생성된 간섭쌍들의 수직 및 시간 기선거리 네트워크는 Fig. 3과 같다. 연구에 사용된 간섭쌍들의 수직 기선거리는 330 m 이내, 시간 기선거리는 1,464일 이내이다(Fig. 3).
ISCE 소프트웨어로부터 간섭도들을 생성한 후 GLO-30 DEM을 통해 지형 고도에 의한 위상을 제거하였고, StaMPS 소프트웨어 패키지를 이용하여 다음과 같은 과정으로 PSInSAR 분석을 수행하였다. 먼저, 진폭 분산지수(amplitude dispersion index)가 0.4 이하인 픽셀들을 안정적인 산란 특성을 보이는 고정산란체 후보(PS candidate, PSC)로 선정하였다(Hooper et al., 2004). 인접한 PSC 사이의 위상차로부터 공간적으로 상관된 위상(spatially correlated phase)을 추정하여 제거한 후, 공간적으로 상관되지 않는 DEM 오차에 의한 위상(spatially-uncorrelated DEM error phase) 성분을 수직 기선거리 정보에 기반하여 추정 및 제거하여 PSC들의 잔여 위상(residual phase)을 구하였다. 잔여 위상에 대한 PSC의 시간적 긴밀도(temporal coherence)를 산출하고 확률 밀도 분포 분석을 통해 통계적으로 신뢰할 수 있는 위상을 가진다고 판단되는 PS들을 선별하였고, 이 중에서 시계열 위상 분산이 1 rad보다 큰 PS들은 제거하였다. 남아 있는 PS들을 최종 PS로 선정하고 DEM 오차에 의한 위상을 보정한 후, 3차원 절대위상복원(phase unwrapping)을 수행하였다. 불완전한 궤도 보정 및 DEM 오차 보정의 영향은 레이더 관측각에 따라 공간적으로 상관된 위상 오차의 형태로 나타날 수 있으며, 이를 각각의 간섭도에서 모사하여 제거하였다. 마지막으로 PS들의 시계열 위상에 대하여 공간 및 시간적으로 low-pass 필터링을 적용하여 광역적이고 장주기적인 대기 특성에 의한 위상 지연 효과를 보정하였다. 이때 공간 및 시간 필터의 컷오프(cutoff) 값은 각각 100 m와 180일로 설정하여 국지적이거나 단기적으로 발생하는 지표변위 성분은 보존될 수 있도록 하였다. 이를 통해 최종적으로 선정된 PS들에 대한 레이더 관측 방향의 시계열 지표변위를 산출하였다.
PSInSAR를 통해 산출된 지표변위는 Global Navigation Satellite System(GNSS) 등으로 측정된 현장 관측 기반 변위 자료를 이용하여 그 정확성과 신뢰도가 평가될 수 있다. SACROC 유전 내에서는 연구에 활용할 수 있는 현장 관측 변위 자료가 부재하였으나, 인근 도시 Snyder에 설치된 1개의 GNSS 관측소에서 Sentinel-1 SAR 관측 기간 동안 측정된 시계열 지표변위(https://geodesy.unr.edu/NGLStationPages/stations/TXSD.sta)를 활용할 수 있었다. 이 연구에서는 해당 GNSS 관측소에서 측정된 시계열 지표변위를 가장 인접해 있는 PS로부터 산출된 시계열 지표변위와 비교하였다. 이때 GNSS 관측 변위는 Sentinel-1 SAR의 관측 방향(LOS)으로 투영하여 사용하였다. GNSS 관측 LOS 변위와 PSInSAR 관측 LOS 변위 사이의 평균제곱근편차(root mean square deviation, RMSD)와 각각의 관측에서 산출된 선형 변위속도의 차이를 계산하였고, 이를 통해 PSInSAR 기반 시계열 변위의 신뢰도를 평가하였다.
연구결과
Sentinel-1 SAR 영상의 PSInSAR 분석을 통해 산출된 2016년 10월부터 2024년 6월까지 SACROC 유전 및 그 주변 지역의 LOS 방향에 대한 선형 지표변위 속도는 Fig. 4a와 같다. 양의 변위속도는 레이더로 가까워지는 변위의 속도이며, 반대로 음의 변위속도는 레이더에서 멀어지는 변위의 속도를 의미한다. 연구지역에서는 총 28,009개의 PS가 선정되었다. 이산화탄소 또는 물 주입정 주변의 송전탑, 파이프라인, 건물 등의 구조물들이 대부분 PS로 선정되었으며, 나지 또는 식생으로 피복된 영역에서는 PS가 선정되지 않아 지표변위 관측이 불가능하였다(Fig. 4b). 그러나 가장 고품질의 원유 저류층이 존재하여 현재까지 가장 많은 이산화탄소 주입과 원유 추출이 이루어진 유전의 북부 및 북동부 영역, CO2-EOR 프로젝트로 원유 생산이 확인된 바 있는 중부 영역, 그리고 유전에 인접한 도시인 Snyder에서 다수의 PS들이 도출되었으며, 이를 통해 지하 유체 주입에 따른 시계열 지표변위 분석이 충분히 가능할 것으로 판단되었다.
SACROC 유전의 북부 및 북동부 저류층은 고투수성 석회암과 셰일층으로 구성되어 유전 내에서 가장 고품질의 원유 부존 영역에 해당하며, 다수의 유체 주입정이 밀집되어 있고 매우 활발한 유체 주입 및 원유 생산 활동이 수행되고 있다. 이 영역에서 PSInSAR를 통해 산출된 LOS 방향의 지표변위 속도는 -4.7 mm/yr에서 4.9 mm/yr의 범위를 가진다. 지하 유체 주입 지역에서 지표변위는 수직 방향에 대해 지배적으로 나타남을 고려할 때(Yang et al., 2015; Kalteyer, 2020), 이 영역에서는 국소 규모의 지반 침하 및 융기가 발생함을 추정할 수 있다. Fig. 5a~c는 SACROC 유전 북동부 영역에 위치한 유체 주입정 주변 PS(Fig. 4a의 P1, P2, P3)에서 산출된 시계열 LOS 변위를 보여준다. P1은 4.5 mm/yr의 평균 변위속도를 보였으며, 관측 기간 동안 총 34.6 mm의 LOS 방향 변위를 나타냈다(Fig. 5a). 해당 변위가 수직 방향임을 가정하면 44.7 mm의 지반 융기에 해당하며, 이는 이산화탄소의 주입에 의해 발생했을 가능성이 매우 높다.
P2 지점에서는 관측 기간 동안 지속적인 지반 침하가 발생하였으며 -1.5 mm/yr 속도로 총 -11.2 mm의 LOS 누적변위(14.5 mm의 수직 방향 침하)가 관측되었다(Fig. 5b). P2 지점은 2016년 10월부터 2023년 9월까지 지속적으로 음의 LOS 변위속도(-1.55 mm/yr)를 보이다가 2023년 9월 이후 양의 LOS 변위속도(1.8 mm/yr)를 나타내 이산화탄소의 주입 및 원유 생산의 추세가 변화했을 가능성을 시사하였다. P3는 SACROC 유전 내에서 주입정이 가장 밀집된 영역에서 선정된 PS로, 전체 관측 기간에 대해 1.8 mm/yr의 평균 변위속도를 보였다(Fig. 5c). P3의 LOS 변위는 2019년 6월부터 2020년 3월까지 10.2 mm/yr의 빠른 속도를 보인 것을 제외하면 1.7 mm/yr 이내의 LOS 변위속도를 보이며 지반이 비교적 안정적인 상태에 있었음을 확인할 수 있다.
Fig. 4의 P4-P6이 위치한 유전의 중북부 지역은 CO2-EOR을 통해 원유 생산성이 크게 증대된 곳으로(Ghahfarokhi et al., 2016), 이 지역의 서부에 위치한 P4는 변위 방향의 변동성은 있으나 장기적으로 -1.7 mm/yr의 LOS 변위속도를 보였고(Fig. 5d), 본 연구의 관측 기간 동안 16.9 mm의 지반침하가 있었음을 나타낸다. P4를 기준으로 동쪽에 위치한 PS인 P5와 P6은 각각 1.8 mm/yr와 3.1 mm/yr의 LOS 변위속도를 보였고(Fig. 5e and f), 2016년 10월부터 2024년 6월까지 각각 18.1 mm와 30.5 mm의 지반 융기가 있었음을 나타낸다.
P7이 위치한 SACROC 유전의 중부 지역은 물을 주입하여 저류층의 압력을 유지함과 동시에 원유 생산성을 높인 Center Line 프로젝트(1954년)가 수행된 영역에 해당한다(Ghahfarokhi et al., 2016). 이 지역의 물 주입정 인근에서 선정된 P7은 0.5 mm/yr의 매우 작은 LOS 변위속도를 보였고(Fig. 5g), 주변의 PS들도 대부분 ±1 mm/yr 이내의 시계열 변위속도를 보였다. 이들은 현재 이산화탄소 주입과 원유 생산이 활발한 유전의 북부 및 북동부, 중북부에서 선정된 PS들에 비해 훨씬 작은 시계열 변위를 보였다. SACROC 유전의 동부에 접한 도시 Snyder에서는 대부분 ±0.5 mm/yr 이내 수준의 LOS 변위속도가 관측되었고(Fig. 5h), 인접한 유전에서의 유체 주입 및 원유 생산에 의해 발생하는 지반 거동이 크지 않음을 나타낸다.
Fig. 5.
Time-series of LOS displacement at the selected sites. (a) P1, (b) P2, (c) P3, (d) P4, (e) P5, (f) P6, (g) P7, and (h) P8. The locations of sites are shown in Fig. 4a. The red line indicates the linear trend representing the estimated displacement velocity over time.
Snyder 시에 위치한 GNSS 관측소(Fig. 6a)에서 측정된 시계열 LOS 변위와 GNSS 관측소로부터 약 10 m 거리에 위치한 PS(Fig. 6a의 빨간색 원)에서 PSInSAR로 측정된 시계열 LOS 변위는 5.1 mm의 RMSD를 보였다(Fig. 6b). GNSS 관측 변위의 변동성이 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 실제 지표변위의 변동보다는 GNSS 관측의 오차에 기인할 가능성이 높다. 그러나 GNSS와 PSInSAR로 측정된 변위는 유사한 추세를 보였으며, 전체 연구 기간 동안의 선형 변위속도는 각각 -0.25 mm/yr와 0.35 mm/yr로 편차는 0.6 mm/yr이다. 이와 같이 작은 변위속도 편차는 PSInSAR 기법으로 측정된 장기적인 시계열 지표변위가 충분히 신뢰할 수 있음을 설명한다.
토 의
CO2-EOR 방식을 적용하여 1954년 이래 가장 많은 이산화탄소 주입 및 원유 생산 활동이 이루어진 SACROC 유전의 북부 및 북동부에서는 국지 규모의 지반 융기(~4.9 mm/yr)와 침하(~4.7 mm/yr)가 관측되었다(Figs. 4 and 5a~c). 2007년부터 2011년 사이에 SACROC 유전에서 약 24 Mt의 이산화탄소 주입으로 주입정 주변 지역에서 10 cm 이상의 지표 융기가 발생한 사례(Yang et al., 2015)를 고려하면, 본 연구에서 관측된 유전 북부 및 북동부의 지반 융기는 다량의 이산화탄소의 주입에 의한 결과로 추정할 수 있다. 반면 지반침하는 이산화탄소 주입에 의한 변위보다 원유의 추출로 인한 저류층 압력 감소로 발생하는 지반의 침하량이 훨씬 크기 때문인 것으로 파악된다. 이 지역에서는 SACROC 유전 내의 다른 지역에 비해 높은 LOS 변위속도가 산출되었으며, 이는 SACROC 유전의 북부 및 북동부에서 최근까지도 활발한 유체 주입 및 원유 생산 활동이 이루어지고 있음을 설명한다. 이 지역에서 선정된 일부 PS들은 2024년 하반기 이후 지반의 융기를 나타내는 변위를 뚜렷하게 보였는데(Fig. 5a and b), 이는 2024년 하반기를 기점으로 이산화탄소 주입량이 증가하였을 가능성을 나타낸다. 주입정의 밀집도가 가장 높은 지역(Fig. 4의 P3 및 그 주변)에서는 2019년 6월부터 2020년 3월까지 약 9개월간 13.1 mm/yr의 수직 방향 변위속도를 보이며 지반이 빠르게 융기하였으며(Fig. 5c), 이 기간에 대량의 이산화탄소 주입이 이루어졌을 것으로 추정된다.
SACROC 유전의 중북부 지역(Fig. 4의 P4-P6 주변)에서는 CO2-EOR을 통해 원유 생산량의 뚜렷한 증대가 보고된 지역이다(Ghahfarokhi et al., 2016). 이 지역의 서부에서 관측된 지속적인 지반침하(Fig. 5d)는 많은 양의 원유 생산에 기인하는 것으로 판단되며, 중부에서 동부로 갈수록 원유 회수 증대를 위한 이산화탄소 주입량이 많아져 지반의 융기 속도가 빠른 것으로 해석되었다(Fig. 5e~f). 1954년 Center Line 프로젝트가 수행된 SACROC 유전의 중부 지역(Fig. 4의 P7 주변)에서는 ~1 mm/yr 수준의 변위속도가 관측되었다. Center Line 프로젝트에서는 원유 생산 초창기에 물을 주입하였으나, 해당 지역에서는 1972년부터 물 대신 이산화탄소를 주입하는 방식으로 원유를 생산해 오고 있다. 따라서 유전의 중부 지역에서 관측되는 변위는 이산화탄소의 주입으로 인한 것으로 판단되며, 유전의 북부 및 중북부에 비해 작은 변위임을 고려하면 이 지역에서는 이산화탄소에 의한 지반 융기와 원유 채취에 의한 지반 침하가 다른 지역보다는 비교적 평형 상태에 있다고 해석할 수 있다.
PSInSAR 기반의 시계열 지표변위 분석을 통해 SACROC 유전 지역에서 발생한 지표변위의 원인과 이산화탄소의 주입과 원유 생산의 시공간적 차이를 추정할 수 있었다. 그러나 관측된 지표변위만으로는 이산화탄소 주입량을 정량적으로 파악하기는 어렵다는 한계도 존재한다. 이산화탄소 주입과 원유 생산 정보 및 변위 분석에 대한 평가 자료가 확보될 수 있다면(Yang et al., 2015), 인공위성 시계열 InSAR를 통한 이산화탄소 저장의 안정성 해석과 그에 따른 대응 방안의 수립이 효과적으로 수행될 수 있으리라 기대한다.
결 론
이 연구에서는 Sentinel-1 위성의 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하여 미국 텍사스주 SACROC 유전 지역의 2016년 10월부터 2024년 6월까지 시계열 지표변위를 산출하고, 변위의 발생 기작을 해석하였다. SACROC 유전 내에서 시공간적으로 이질적인 지표변위가 지속적으로 발생하고 있음이 확인되었으며, 이는 이산화탄소의 주입과 원유 생산의 시공간적 변동과 밀접한 관련이 있는 것으로 해석되었다. 특히 SACROC 유전의 북부 및 북동부 지역에서는 이산화탄소 주입정의 높은 밀집도와 함께 변위속도도 크게 나타났으며, 국소적 지반 융기와 침하가 관측되었다. 이는 해당 지역에서 이산화탄소 주입과 원유 생산이 모두 활발히 이루어졌으며, 이들 활동 간의 압력 평형이 국지적으로 깨져 있음을 시사한다. 유전의 중북부 지역에서는 변위속도가 상대적으로 작아, 이산화탄소 주입에 따른 지반 융기와 원유 채취에 따른 침하 간의 평형이 일정 수준 유지되고 있는 것으로 보인다.
본 연구는 유체 주입량과 주입정 운영 정보가 제한된 SACROC 유전에서 PSInSAR 기법이 이산화탄소 저장 및 원유 회수 활동에 따른 지반 거동 메커니즘을 추론할 수 있는 효과적인 도구이며, 변위의 시공간적 패턴을 통해 이산화탄소 주입 및 원유 생산의 상대적 활동성과 시점을 추정할 수 있음을 보였다. 그러나 PSInSAR 기법은 CO2-EOR이 적용된 CCS 지역의 시계열 지표변위 모니터링에는 유용하나, 지하 유체의 흐름이나 체적 변화 등 지반 안정성에 직접적인 영향을 미치는 요인을 해석하는 데에는 한계가 있다. 따라서 CCS 운영 정보, CO2-EOR 적용 지역의 지질 구조와 환경 특성 등 현장 기반 자료와의 통합 분석이 필수적이다. 향후 이러한 현장 기반 자료들이 확보된다면, 시계열 InSAR 기법과의 융합을 통해 지하 유체 거동에 대한 보다 정밀한 해석과 저장 안정성 평가 및 지반 안정성 변화의 조기 감지가 가능할 것으로 기대된다.
