CO2 지중 격리 모니터링을 위한 가상 송신원 자료 생성

Abstract

CO2의 지중격리 모니터링은 저류층에 CO2 주입 후 저류층 내의 거동을 확인하고 외부로의 누출을 확인하기 위하여 반드시 필요한 작업이다. 모니터링의 방법에는 여러 가지가 있지만 그 중에서 시간차 시추공간 탄성파 토모그래피 방법은 격리된 CO2의 모니터링에 효율적인 방법으로 이미 해외 여러 지역에서 수행된 바가 있다. 한편, 최근 큰 주목을 받고 있는 가상 송신원 방법은 상반성원리와 시간역전원리를 이용하여 지표상에 설치한 송신원을 이용해서 획득한 자료를 수신기 위치에 가상으로 송신원이 존재할 경우의 탐사 자료로 변환시키는 방법이다. 가상 송신원 방법은 관심 저류층의 상부층에 의한 영향을 배제할 수 있고 송･ 수신기의 위치를 고정시키는 효과를 얻을 수 있어 모니터링에 매우 유리하다. 하지만 모니터링에서 일반적으로 사용되는 수직 시추공간 탐사자료에 적용 시 속도 토모그램에서 시추공 방향과 평행한 CO2의 경계면을 찾기 어려우며, 토모그래피 방법을 수행하기 위한 파선의 커버리지가 부족한 단점이 있다. 본 논문에서는 가상 송신원 개념과 CO2 저장 저류층의 상･ 하부에 설치된 두 개의 수평정들을 함께 이용하여 CO2 경계면의 위치를 찾을 수 있는 효과적인 모니터링 방법을 개발하였다. 이 방법은 지표의 송신원과 CO2 주입층 상부와 하부에 설치된 수평정들 안에 반영구적으로 고정시킨 수신기를 이용하여 탄성파 자료를 획득하고, 가상 송신원 방법을 이용하여 가상의 송신원을 상부 시추공에 생성하고 하부 시추공에 있는 수신기에서 신호를 획득한 탐사자료로 변환시키는 것이다. 우선 개발한 모니터링 방법의 적용성 및 타당성을 살펴보기 위해 P파 송신원에 의해 획득된 시추공 탐사자료에서 P파 자료와 모드 변환된 S파 자료를 이용한 가상 P파와 가상 S파 송신원을 수치 모형으로 통해 구현하였다. 그리고 시추공 상부에 산란층이 존재할 경우, 지하수위의 변동, 반복탐사 시 송신원의 위치 변화가 존재할 경우 탐사자료에 미치는 영향을 각각 모사한 후 기존의 탐사자료에 가상 송신원 방법을 적용하여 그 영향을 효과적으로 배제하였다. 또한 본 연구에서 개발한 모니터링 방법을 이용하여 생성한 합성탄성파탐사 자료에 주시 토모그래피를 적용한 결과 저류층 내 CO2의 경계면과 저류층 내에서의 CO2의 확산에 따른 경계면의 변화를 정확히 찾아내었다. 그리고 이를 시추공 내에 실제 송신원을 사용한 수직시추공간 토모그래피 자료와 비교하였을 때 개발된 방법을 통한 속도 토모그램이 수직시추공간 토모그램보다 저류층 내 CO2의 위치와 확산 경계면을 더욱 정확히 찾아냄을 확인하였다. 기존의 가상 P파 속도만을 이용할 경우에는 공극수가 CO2로 치환된 경우나 CO2 주입 시 발생한 수압파쇄대 등 지질학적인 변화가 있을 경우 모두 P파 속도가 변하기 때문에 지하 매질의 속도 변화의 정확한 원인을 구분할 수 없었다. 하지만 가상 P파 송신원 자료와 가상 S파 송신원 자료를 함께 생성하여 추출한 매질의 P파와 S파 속도의 비를 적용한 모니터링 결과, 지질학적 변화 시에는 속도비 모니터링 시 Vp/Vs 비에 별다른 변화가 일어나지 않지만, CO2 주입 후에는 P파는 변하게 되고 S파는 거의 변하지 않으므로 Vp/Vs 속도비의 변화가 확연이 나타나기 때문에 지하 매질의 속도 변화의 원인이 CO2에 의한 것임을 알아낼 수 있어 보다 신뢰성 높은 모니터링이 가능하였다.