서론

가스하이드레이트(gas hydrate; GH)는 천연가스가 저온, 고압 하에서 물과 결합하여 형성되는 고체 상태 화합물이다. GH는 전 세계적으로 10조 톤에 이르는 양이 영구동토층 및 심해 퇴적층에 부존되어 있을 것으로 추정되며, 국내의 경우 동해 울릉분지에 약 6억 톤 이상이 부존 되어 있다(Collett, 2002; Huh, 2005; Shin et al., 2012; Huh and Lee, 2017). 고체 상태의 GH는 주변 온도 및 압력 조건 변화를 통해 해리시켜 가스 상태로 생산이 가능하며, 생산 기법으로는 감압법, 열수주입법, 억제제주입법 등이 있다(Cha and Min, 2018; Suk et al., 2018). 이 중 감압법은 저류층 내 압력을 감소시켜 해리된 가스를 생산하는 기법으로 적용 원리가 간단하고 경제적인 생산기법으로 알려져 있다(Boswell and Collett, 2011; Gil et al., 2017). 하지만 GH 해리에 따른 천연가스 생산은 하이드레이트 함유 지층(hydrate bearing sediments; HBS)의 강도와 강성도 저하를 수반하여 지반 침하를 유발하며(Masui et al., 2005; Park, 2008; Kim, 2015), 감압법 적용 시에는 Fig. 1과 같이 공극압력이 감소함에 따라 유효응력이 증가하고 상부지층의 하중에 의한 지반 침하가 발생할 수 있다(Sakamoto et al., 2008; Rutqvist et al., 2012; Kim and Kim, 2016). 또한, 지반 침하는 부존층 상부 생산 시설과 생산정에 심각한 피해를 일으킬 수 있으며, 대기로의 가스 누출로 이어져 생산성 저하와 환경오염의 원인이 될 수 있다(Kim, 2015). 따라서 GH 생산 시 지반 거동 예측 연구는 필수적이며, 다양한 연구지역을 대상으로 관련 연구가 수행되어 왔다(Rutqvist and Moridis, 2007; Rutqvist et al., 2008; Rutqvist et al., 2009; Chin et al., 2011; Masayuki et al., 2013).

Fig. 1.

Illustration of consolidation during GH dissociation.

국내의 경우 동해 울릉분지에서의 GH 시험생산을 위해 Table 1과 같은 초기조건 및 입력물성을 적용하여 감압법 적용 시 발생하는 지반 거동 예측에 대한 연구들이 수행되었다(Lim, 2013; Kim et al., 2014; Moridis et al., 2014; Kim, 2015). Lim(2013)은 감압시작과 동시에 목표 공저압까지 감압시키는 방법과 0.24 MPa/hr의 속도로 감압시키는 방법을 적용하여 GH 생산 시 감압속도에 따라 최종침하량이 변화하는 경향을 파악하였다. 또한, 감압법 적용 침하실험 결과와 FLAC 시뮬레이터를 이용한 해석 결과를 비교하여 GH 생산 시 지반 거동 예측에 대한 FLAC 시뮬레이터 해석방법의 적용타당성을 확인하였다. Kim et al.(2014)은 감압법 적용 시 지반 내 유효응력이 증가하며, HBS의 심도가 깊어질수록 해리가 시작되는 시점이 빨라지는 것을 파악하였다. Moridis et al.(2014)과 Kim(2015)은 동해 울릉분지 현장시험생산 후보지역의 물성을 반영한 열-수리-역학적 연계 해석을 통해 감압법 적용 시 공저압의 영향을 분석하였다. 이와 같은 선행연구들을 통해 감압법 적용 시 감압조건(공저압, 감압속도)에 따른 지반 침하량을 파악하였다(Table 2).

Table 1. Initial conditions and properties used in previous researches

Table 2. Depressurization conditions and vertical displacements in previous researches

이처럼 공저압과 감압속도는 GH 생산 시 지반 침하량에 영향을 미칠 수 있으므로 신뢰성 있는 지반 거동 예측 결과를 얻기 위해서는 감압조건의 영향을 비교‧분석하는 것이 중요하다. 따라서 이 연구에서는 동해 울릉분지 현장시험생산 후보지역의 물성을 반영하여 HBS에서의 지반 거동을 예측하고자 하였으며, 다양한 감압조건을 적용하여 공저압과 감압속도가 지반 안정성에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이를 위해 일반적으로 지반 거동 분석에 활용되는 침하량 및 침하속도를 감압조건에 따라 분석하고자 하였다.

전산수치 모델 구축

이 연구에서 GH 생산 시 발생하는 지반 거동 예측은 지반의 역학적 해석 시뮬레이터인 FLAC3D를 사용하였다. FLAC3D는 퇴적층 내 공극압력의 변화, 지반 침하량 예측이 가능하나 해리과정에서의 가스 유동 및 상변화(phase change) 구현이 어려워 감압법 적용원리와 가정들을 통해 GH 해리를 모사하였다. 감압법은 HBS 내 공극압력을 감소시켜 GH 해리를 유발하여 가스를 생산하는 원리이며, 이러한 원리를 적용하기 위해 선행연구(Lim, 2013)를 참고하여 감압 시 공극압력이 평형압력 이하가 되는 경우의 HBS에 대하여 GH 해리 후 물성(유체투과도, 공극률)으로 변경하였다. 공극률은 GH 해리 전‧후의 공극률을 측정한 실험자료를 참고하였으며, 유체투과도는 해리 전‧후 공극률의 변화율($\varnothing /{\varnothing }_0$), GH포화율(S_h), 공극률 감소인자($N_{\varnothing }$) 등을 통해 해리에 의한 압밀현상을 고려하여 제안된 식 (1)을 이용하여 계산하였다(Sakamoto et al., 2008). 이때, 흡열반응에 따른 온도 감소의 영향, 공극 내 유체의 다상‧다성분 유동 및 해리가스 팽창은 고려하지 않았다. 또한 압축률의 경우 암석 압축률만을 고려하였으며, 유체 압축률은 해리 전‧후 물성변화를 통해 간접적으로 모사하였다.

연구대상은 동해 울릉분지에 위치한 GH 현장시험생산 후보지역(UBGH2-6)이며, 전산분석모델 및 분석조건은 Moridis et al.(2014)과 동일하게 설정하였다(Fig. 2(a)). 분석모델은 원통형 모델을 적용하였으며, 해저면으로부터 140 m 두께의 상부지층, HBS, 22 m 두께의 하부지층으로 구성하였다. 분석모델의 격자개수는 r방향 60개, z방향 70개로 총 4200개이며, 구심방향의 격자(r) 크기는 생산정에서 100 m까지 대수적으로 증가하도록 설정하였다(Fig. 2(b)). 또한 해저면 하부 140 mbsf(meter below sea floor) 아래에 위치한 HBS는 점토층과 모래층이 교호하는 약 13m 두께의 저탁류 형태를 가지고 있으며, 상부지층과 하부지층은 점토층으로 설정하였다. GH 생산은 해저면 하부 140∼153 mbsf 구간의 생산정 주변에 감압법을 적용하여 해리된 가스를 생산하는 것으로 가정하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of numerical simulation at the UBGH2-6 site.

분석모델의 초기조건 및 입력물성은 UBGH2-6의 탐사자료와 채취된 코어의 실험자료를 참고하여 설정하였다(Table 3). 해저면의 압력 및 온도는 22.261 MPa, 0.482°C이며, 해저 지반 내 온도구배는 UBGH2-6 지역의 측정값을 고려하여 0.112°C/m로 하였다(Moridis et al., 2014). 또한, HBS 상‧하부지층의 유체투과도를 매우 낮게 설정하여 지층 사이 경계면에서 유체의 유동이 거의 일어나지 않음을 모사하였다.

Table 3. Initial conditions and properties used in the analysis (Moridis et al., 2014)

지반 거동 분석을 위한 해석모델은 탄성체(elastic model)이며, HBS의 영률(Young’s modulus)은 GH포화율에 따라 선형적으로 나타나고 포아송 비(Poisson’s ratio)가 일정하다는 가정을 하였다(Moridis et al., 2009; Rutqvist et al., 2009; Moridis et al., 2014). 지반 거동은 축대칭 해석을 통해 분석하였으며, 이를 위해 생산정 부근 및 바깥경계면의 수평방향 변위와 하부 경계면의 수직방향 변위를 구속하고 상부에는 수심에 의한 압력이 일정하게 작용하는 것으로 설정하였다(Kim, 2015). 초기 응력조건은 해저면의 전수직 응력과 각 지층의 밀도에 따라 상이한 응력구배를 이용하였으며, 지층의 심도가 깊어짐에 따라 수직응력은 26.97 kPa/m(상‧하부지층), 25.99 kPa/m(HBS)로 감소하고 수평응력은 21.99 kPa/m(상‧하부지층), 26.90 kPa/m(HBS)로 감소하게 설정하였다(Moridis et al., 2014).

공저압 및 감압속도는 지반 거동에 대한 민감도 분석을 위하여 Moridis et al.(2014)의 감압조건을 참고하여 범위를 설정하였다. 공저압은 해리 과정에서의 GH 재형성을 방지할 수 있는 최저압력인 3 MPa을 제외하였으며(Moridis et al., 2013), 9 MPa을 기준으로 하여 6~12 MPa 범위로 하였다. 감압속도의 경우 Moridis et al.(2014)의 조건인 0.5 MPa/hr를 기준으로 하여 0.3~0.7 MPa/hr로 설정하였다(Table 4). 또한 감압조건에 따라 공저압을 목표 압력까지 감소시킨 후에 일정하게 유지시키는 방법을 적용하였다.

Table 4. Depressurization conditions used in the analysis

전산수치 해석 결과 비교 분석

생산 기간에 따른 지반 거동 분석 결과

Base case 조건으로 14일간 생산 시 지반 거동을 분석하였으며(Fig. 3), 이를 통해 지반 침하는 HBS 상부지층에서 대부분 발생하고 최대 침하량(0.95 m)은 생산정 주변의 HBS 직상부(140 mbsf) 부근에서 발생함을 파악하였다. 이러한 침하 경향은 Moridis et al.(2014)의 경향과 유사하나 최대 침하량에서 약 0.15 m정도의 차이를 보였다. 이는 흡열반응에 따른 온도 감소의 영향, 공극 내 유체의 다상‧다성분 유동 및 해리가스 팽창의 고려 유무 등 복합적인 요인이 작용한 것으로 사료된다.

Fig. 3.

Vertical displacement contour during GH development (after 14 days).

Fig. 4(a)는 생산정 주변 140 mbsf 지점의 유효응력 및 공극압력 변화를 나타낸 것으로 감압이 적용됨에 따라 지반 내 공극압력이 감소하고 유효응력이 증가하는 것을 파악할 수 있다. 공극압력과 유효응력은 생산 초기 급격히 변화하지만 생산이 지속됨에 따라 비교적 일정한 값을 유지하는 경향이 나타나며, 이는 공저압을 일정하게 유지하면서 공극압력과 유효응력이 평형상태에 도달하기 때문인 것으로 사료된다. Fig. 4(b)는 생산정 주변의 두 지점(0 mbsf, 140 mbsf)의 지반 침하량 예측 결과로 HBS에서 해저면으로 갈수록 지반 침하량이 감소하며, 이는 감압 영향에 의한 것이 아닌 점토로 이루어진 상부지층에서 발생하는 침하 누적의 영향으로 사료된다. 또한, 생산 시작 후 3일 이내에 최종 침하량의 50% 이상 침하가 발생하는 것을 파악하였다. 140 mbsf에서 생산정으로부터 수평거리가 증가할수록 감압의 영향이 감소하여 공극압력 변화가 줄어들었으며, 이로 인해 침하량이 감소하는 것을 확인하였다(Fig. 5).

Fig. 4.

Evolution of effective stress/pore pressure and vertical displacement.

Fig. 5.

Evolution of pore pressure and vertical displacement in accordance with horizontal distance from production well (140 mbsf).

생산 기간동안 수평‧수직거리에 따른 침하속도 변화는 Fig. 6과 같다. 침하속도는 지반 내 공극압력과 유효응력이 급격히 변화하는 생산 초기에 지속적으로 증가하다가 26시간 이후 부터 감소하는 경향을 보였으며, 이러한 경향은 목표 공저압에 도달한 이후 공저압을 유지하기 시작하는 시점(28.8시간)보다 약 2.8시간 정도 빠르게 나타나는 것을 파악하였다. 또한, 지반 내 압력전파의 영향이 감소하여 생산정으로부터 수평거리가 증가하고 HBS에서 해저면으로 심도가 얕아질수록 최대 침하속도가 낮게 산출되었다.

Fig. 6.

Evolution of displacement velocity in accordance with horizontal distance from production well and depth.

감압조건에 따른 지반 거동 분석 결과

지반 거동에 대한 감압조건의 영향을 분석하기 위해 Base case에서 공저압과 감압속도를 달리하여 지반 거동을 예측하였으며, 그 결과 감압조건에 따라 최종 침하량과 최대 침하속도가 상이하게 나타나는 것을 파악하였다(Table 5). 공저압이 감소할수록 최종 침하량이 증가하며, 공저압에 따라 최종 침하량이 최대 0.57 m 이상 차이나는 것을 확인하였다(Fig. 7(a)). 이러한 공저압의 영향은 생산이 지속될수록 커지는 경향을 보였다. 감압속도의 경우 감압을 빠르게 진행할수록 최종 침하량이 0.02 m씩 증가하며(Fig. 7(b), 이는 공저압에 따른 최종 침하량 간 차이의 3%에 해당하는 값으로 지반 침하량에는 감압속도보다 공저압의 영향이 크게 작용하는 것을 파악하였다. 또한, 감압속도의 영향은 공저압의 영향과 달리 생산초기에 나타났으며, 생산이 지속됨에 따라 감소하였다.

Table 5. Vertical displacement and maximum displacement velocity in accordance with depressurization conditions

Fig. 7.

Evolution of vertical displacement in accordance with depressurization condition (140 mbsf).

GH 생산 시 발생하는 침하속도는 감압조건에 따라 최대 침하속도와 이에 도달하는 시점이 상이하게 나타났으며, 모든 조건에서 생산 개시 2일 이내에 최대 침하속도에 도달한 후에 급격히 감소하는 경향을 보였다(Fig. 8). 또한 최대 침하속도는 공저압에 따라 최대 0.019 m/hr, 감압속도로 인하여 최대 0.013 m/hr 변화하였으며, 이러한 경향은 생산이 지속됨에 따라 95% 이상 감소하였다.

Fig. 8.

Evolution of displacement velocity in accordance with depressurization condition (140 mbsf).

결론

이 연구에서는 동해 울릉분지 현장시험생산 후보지역의 물성을 반영하여 HBS에서의 지반 거동을 예측하였으며, 다양한 감압조건에서 전산수치해석을 수행하여 공저압과 감압속도가 지반 거동에 미치는 영향을 파악하였다.

그 결과, GH 생산 시 유효응력 및 공극압력 변화로 인하여 지반 침하가 발생하며, 대부분 HBS 상부지층에서 일어나고 생산정 주변의 HBS 직상부(140 mbsf) 부근에서 최대 침하가 발생함을 예측하였다. 또한 생산정으로부터 수평거리가 증가하고 HBS에서 해저면으로 심도가 얕아질수록 최종 침하량이 감소하는 경향이 나타나는 것을 파악하였다. 침하속도는 감압이 주로 이루어지는 생산 초기에 지속적으로 증가하여 최대 침하속도에 이르고 이 시점 이후부터는 감소하는 경향을 보였으며, 이로 인해 최종 지반 침하량 중 50% 이상이 생산 개시 3일 이내에 발생하였다. GH 생산 시 지반 거동에 대한 감압조건의 영향은 감압조건에 따른 최종 침하량 및 최대 침하속도 차이를 비교하여 분석하였으며, 이를 통해 지반 거동에는 감압속도보다 공저압의 영향이 크게 작용하는 것을 파악하였다.

이 연구는 지반 침하량 및 침하속도에 미치는 감압조건의 영향을 비교‧분석하여 선행연구와 달리 감압조건에 대한 민감도 분석, 침하속도에 대한 감압조건의 영향을 파악하였다. 다만, 동해 울릉분지 GH 시험생산과정에서의 안정성 향상을 위해서는 현장자료를 기반으로 하여 생산설비 하중과 같은 추가적인 조건, 다상‧다성분 유동 및 온도 변화, 유체 압축률 등을 고려한 추가 연구가 필요할 것이다. 이 연구결과는 동해 울릉분지 GH 생산 시 지반 안정성을 고려한 생산 계획 수립에 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.