심부 대염수층내 CO2 격리를 위한 CO2-물 유동분석 시뮬레이션 연구

Abstract

지구온난화의 주요 요인 중 하나인 CO2는 지중격리 방법을 통해 방대한 양을 가장 안정적으로 격리할 수 있다. 지중격리 방법 중 심부 대염수층은 전 세계적으로 널리 분포되어 있고, 최대 10,000 Gton까지 대량의 CO2를 격리할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 뿐만 아니라, CO2 배출원으로부터 가까이 위치하는 경우가 많으므로 수송비용을 절감할 수도 있으므로 이에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 지하 심부 대염수층에의 CO2 주입가능성 및 누출성에 대한 평가를 위해 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 대수층에 주입된 CO2의 지층내 유동 및 격리메커니즘 양상을 파악하기 위해 대수층 특성에 대한 민감도 분석을 실시하였고, 이 결과에 기반하여 덮개암이 없는 대수층에 대한 누출성을 평가하였다. 또한 국내 대륙붕 제 Ⅵ-1 광구내 고래 V 구조의 피압대염수층 대한 CO2 격리 타당성을 조사하였다. 이들 작업을 수행하기 위해 CO2 격리용 상용전산시뮬레이터인 「GEM」모델을 활용하여 대수층내 주입된 CO2의 격리양상을 분석하였다. 대수층의 수직투과도나 잔류가스포화율 등과 같은 지층 특성은 CO2의 유동양상에 영향을 미쳐서 격리메커니즘에도 차이가 발생할 수 있으므로 이들에 대한 사전분석은 필수적이다. 먼저, 수직투과도는 주입된 CO2의 상부이동에 영향을 미치는 직접적인 요인이므로 이에 대한 분석을 실시하였다. 그 결과, 수직투과도가 큰 대수층의 경우, CO2는 보다 빠르게 상승하지만, 상승하면서 지층수와의 접촉면적이 넓어져서 용해트랩 및 잔류트랩으로 격리되는 양이 더 커지게 된다. 이로 인해 상승하는 CO2의 양도 그 만큼 줄어들게 되어 일정 깊이까지 상승한 후부터는 더 이상 상승하지 못하고 안정적으로 격리되는 것으로 나타났다. 또한 공극성 대수층의 특성인 잔류가스포화율에 대한 결과에서는 잔류가스포화율이 큰 대수층일수록 공극내 잔류량이 늘어나면서 상부로의 이동량이 적게 되고 이에 따라 누출가능성도 그 만큼 감소됨을 알 수 있었다. 여기서 잔류트랩으로 격리된 CO2는 지층내에서 유동하지 못하고 안정적으로 격리될 수 있으므로 잔류트랩 격리량을 증대하고자 하는 물주입 공법 등과 같은 다양한 공법이 연구되어야 한다. 상기의 민감도 분석결과에 기반하여, 덮개암이 없는 대수층의 상부지층이 균열이 없이 다공질 투과성 지층인 경우를 가정하여 누출성을 평가하였다. 이 경우, 주입된 CO2는 1000년과 5000년이 경과한 시점에서도 총 심도 1100 m로부터 240 m 상승한 심도 860 m까지밖에 상승하지 못하였으므로 본 시스템의 경우 덮개암이 없음에도 불구하고 누출가능성은 전혀 없음을 알 수 있었다. 또한 5000년이 지난 시점에서도 지층내에 존재하는 모든 CO2는 초임계 상태로서 용해트랩 및 잔류트랩에 의해 CO2가 모두 안정적으로 격리될 수 있음을 확인하였다. 이 시스템에 대해 수직투과도를 실제 심부 암반층보다 훨씬 크게 하여 분석해 보았다. 이 결과, 1000년이 지난 시점에서는 총 심도 1100 m 중 500 m 상승하였으나, 시간이 더욱 경과한 5000년에는 오히려 CO2가 지층수에 용해되어 하부로 내려가면서 결과적으로 460 m 상승한 것으로 나타났다. 게다가, CO2의 상이 초임계 상태이면 가스상일 때에 비해 안정적으로 격리될 수 있으므로 심도가 더 깊은 대수층의 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 통해 CO2 상승 높이가 더 낮은 것으로 산출됨을 확인하였다. 국내 대륙붕 제 Ⅵ-1 광구내 고래 V 구조 심부 피압대염수층에서 CO2의 유동양상을 파악하기 위해 주입타당성 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 먼저, 지층의 주입성 평가에서는 최대 암석파괴압력을 초과하지 않는 범위에서 B2 층과 B3/B4 층에는 수직정으로 2400 ton/day, 저투과성인 B5 층에 수평정으로 600 ton/day의 주입량이 적정한 것으로 산출되었다. 이 적정주입량으로 20년간 CO2를 주입한 후 1000년까지 주입된 CO2를 모니터링 하였다. 이 결과, 덮개암이 존재하는 배사구조 형태의 피압대수층의 경우에는 압력구배에 의해 이동하는 수평유동과 부력에 의한 수직유동으로 인해 800년까지는 덮개암에 의한 구조트랩이 주요메커니즘임을 알 수 있었다. 더욱 오랜 시간이 지나게 되면 잔류트랩으로 격리된 양이 줄어들고, 이 양만큼 지층수에 용해되어 본 시스템의 경우 오랜 시간이 지나면서는 용해트랩이 주요 격리메커니즘임을 확인할 수 있었다.