서   론

CCS(Carbon Capture and Storage) 기술은 화력발전소, 제철소 등의 대량 배출원에서 CO₂를 대기로 방출하지 않고 분리·포집한 후 압축하여 파이프라인 혹은 선박을 이용, 폐유가스전 및 대염수층 등의 검증된 저장소로 수송하여 저장하는 기술로 기후변화 대응을 위한 효과적인 방법으로 전 세계적으로 많은 관심을 받고 있다(IPCC, 2005). CO₂를 지중저장하기 위해서는 저장이 가능한 지층(저장층)과 주입된 CO₂의 누출을 막아주는 지층(덮개층)이 필요하고 층서적 또는 구조적 밀폐구조를 형성하여야 한다. 주입된 CO₂는 구조 및 층서포획(structural and stratigraphic trapping), 용해포획(solubility trapping), 잔류포획(residual trapping), 광물포획(mineral trapping)의 네 가지 기작을 통해 저장되며, 저장기작 및 저장능력에 대한 다양한 시뮬레이션 연구가 수행되어 왔다(Pruess and Garcia, 2002; Kumar et al., 2005; Juanes et al., 2006; Hurter et al., 2007; Pruess and Spycher, 2007; Lee et al., 2008; LeNeve, 2008; Rutqvist et al., 2008; Zakrisson et al., 2008; Birkholzer et al., 2009; Nghiem et al., 2009a, 2009b). 현재 CO₂ 주입성 평가, 거동 예측, 저장 안정성 평가에 대한 연구를 위하여 노르웨이의 Sleipner와 Snohvit, 알제리의 In Salah 프로젝트가 수행되고 있다(Eiken et al., 2011).

국내에서도 CO₂ 지중저장을 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. Son 등(2006)은 심부 대수층에 CO₂를 주입하였을 때 유동이론해와 용해현상을 활용하여, 공극율과 용해도가 CO₂ 유동 및 분포 양상에 미치는 영향을 분석하였다. Bae 등(2013)은 CO₂ 지중저장 시뮬레이션에서 격자시스템의 외부경계에 연결하여 다양한 크기의 대수층을 모사할 수 있는 이론적 및 수치적 대수층 모델을 분석하였으며, 그 결과 대규모 격자모델을 대체할 수 있는 이론적 모델의 적용 기법을 제시하였다. Park 등(2014)은 모세관 격리가 반영된 대염수층의 불균질성에 따라 변하는 CO₂의 저장량과 누출량을 측정하기 위하여 CO₂ 지중저장 모델에 대한 수치 연구를 수행하였다. 이와 같이 선행 연구에서는 CO₂ 유동현상, 격리 메커니즘의 분석, 그리고 이론적 대수층 모델 분석 등의 연구들이 주로 수행되어 왔다.

이 연구에서는 캐나다 CCS 실증 사이트를 대상으로 CO₂ 지중저장 최적주입설계를 위한 CO₂ 거동 및 적정주입량을 예측하고자 하였다. 이를 위해 주입정 및 관측정으로부터 취득한 시추공 자료와 3D 탄성파 자료를 사용하여 지질모델을 구축하였고, 대염수층의 크기와 주입기간에 따른 적정 주입량 분석 시뮬레이션을 수행하였다.

대수층 모델구축

이 연구에서 고려하는 캐나다 CCS 프로젝트는 대상지역 인근에 있는 화력발전소에서 배출되는 CO₂를 30년간 대수층에 저장하는 것을 목적으로 하고 있으며, 최적 주입설계를 통해 실제 CO₂를 주입하는 실증 프로젝트를 진행하고 있다. 해당 프로젝트에서 CO₂ 저장지역으로 선정한 대염수층은 캐나다 남부에 위치한 윌리스톤 분지 내 해수면 기준 2,200 m 이상 심도에 위치하고 있는 위니페그-데드우드 층이다(Fig. 1). 데드우드 층은 실트-셰일의 협재층이 존재하는 사암층이고, 위니페그 층은 데드우드 층 상부의 분급이 양호한 사암층으로, 상부에는 덮개암 역할을 하는 아이스박스 셰일 층이 존재한다. 선정된 지역에 CO₂ 주입을 위해 2개의 시추공을 151 m 간격을 두고 시추하였으며 주입정과 관측정으로 각각 사용될 예정이다. 시추공의 물리검층을 자체 분석하여 대수층 구간을 결정하였으며 그 결과를 Fig. 2에 도시하였다. 또한, 3차원 탄성파 탐사 자료를 해석하여 저장 지층의 암상 및 물성을 특성화하였다.

지질모델 구축과정은 (1) 시추공 자료 해석 및 지층특성화, (2) 탄성파 해석 기반 지층구조 분석, (3) 속도모델 제작, (4) 구조모델링, 그리고 (5) 물성모델링 순서로 진행되었다. 먼저 2개의 시추공 물리검층 자료를 활용하여 각 퇴적층의 최상부를 확인하였으며 지질모델 구축에 필요한 퇴적층의 경계면(well top)을 선정하였다. 이 후 깊이단위(depth domain)의 시추공 자료와 시간단위(time domain)의 탄성파 자료를 대비하여 물리검층에서 확인된 각 퇴적층의 경계면을 탄성파 단면에 도시하였다.

속도모델을 구축하고 이를 바탕으로 탄성파 자료를 시간단위에서 깊이단위로 전환하는 탄성파 역산을 수행하였다. 물리검층과 탄성파 자료를 이용한 역산기법은 음향임피던스(AI; Acoustic Impedance), 탄성임피던스, LMR 등의 지구물리적 속성(geophysical property)을 예측하는데 유용하며, 이러한 속성들은 지층 내에 분포하는 암상 및 물성의 분포를 간접적으로 지시한다. 이 연구에서는 시추정이 2개 존재하지만 광역적인 저류층의 특성분포를 생성하는데 한계가 있어 광역적 특성정보를 간접적으로 확인할 수 있는 다른 방법을 적용하였다. 즉, 이 연구에서는 물리검층 분석결과로 도출된 유효공극률과 음향임피던스가 음의 상관관계를 보이는 것을 확인하고 공극률 모델링에 음향임피던스 정보를 반영하였다.

유효 공극률의 3D 모델링을 위해 지구통계학기법 중 하나인 SGS(Sequence Gaussian Simulation)기법을 적용하였다. 공극률의 공간적 분포 특성을 나타내는 베리오그램을 구하기 위해 상관관계를 보이는 음향임피던스를 사용하였으며, SGS 적용 시 음향임피던스를 2차 정보로 하는 공동 크리깅(co-kriging)법을 활용하였다. 유체투과도 분포를 생성하기 위해 코어분석에서 획득된 공극률과 유체투과도의 상관관계를 도출하였으며, 이를 통해 공극률에 따라 유체투과도를 결정하였다.

구축된 지질모델을 바탕으로 시뮬레이션을 위한 대수층 모델을 조정하였다. 대수층 모델은 X, Y, Z방향에 대해 5,600 m × 5,600 m × 230 m의 규모이며, 총 440,684개(x, y, z 격자수 = 58 × 58 × 131)의 격자로 구성되어 있다(Table 1). Fig. 3에 제시된 것과 같이 해당 시추공 코어샘플의 특수코어분석을 통해 CO₂와 염수의 상대투과도를 구하였으며, Fig. 4와 같이 해당 대수층의 중심에 주입정을 설치하고 주입정 주변의 상세한 기술을 위해 세밀격자 모델로 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 5(a)는 대수층의 공극률 분포를 나타낸 것으로 평균공극률은 4.4%이다. 또한 Fig. 5(b)와 같이 평균유체투과도는 0.94 md로 유체투과도가 매우 낮은 값을 보이고 있어 CO₂ 주입을 위한 대상층으로서는 품질이 매우 낮은 범주에 속한다. 주입정의 CO₂ 주입구간은 유체투과도 분포가 주변에 비해 양호한 지역을 선별하여 3 구간이 선정되었다(Fig. 5(b)). 대수층의 초기압력은 35,189 kPa이며, 상부층의 파쇄압력을 추정하기 위해 슐럼버져사의 MDT(Modular Dynamics Tester)를 사용하여 미세균열시험(micro-frac test)을 수행하였다. 미세균열시험은 시험영역 아래와 위쪽에 패커를 설치하고 파쇄유체를 주입함으로써 균열을 발생시키는 방법이다. 미세균열시험 자료에 대해 Barree 등(2009)이 제시한 해석법을 적용한 결과 파쇄를 위한 최소압력은 58,000 kPa로 도출되었으며, 이는 CO₂ 주입 시뮬레이션의 제한조건으로 사용되었다.

시뮬레이션을 위한 대수층 크기는 5.6 km × 5.6 km로 매우 크게 선정되었지만 대수층의 외부 연속성을 고려하기 위해 격자의 외부경계에 이론적 대수층 모델인 Carter-Tracy 모델을 적용하였다. Carter-Tracy 모델 적용 시 R_eD를 사용하여 이론적 대수층의 크기를 제어하였다. R_eD = R_e/R_o로 정의되며 R_o는 대수층 격자모델의 등가 반경을, R_e는 Carter-Tracy 모델의 외부경계까지의 반경을 의미한다(Bae et al., 2013).

CO₂ 주입 시나리오 분석

P_max = 58,000 kPa 경우의 주입시나리오

캐나다 CCS 프로젝트에서 초기 CO₂ 주입유량은 486,000 m³/d (= 904 ton/d)로 계획되었으나, 대수층 모델 구축 결과 공극률 및 유체투과도가 매우 낮아 당초의 계획이 어려울 것으로 판단되었다. 이를 확인하기 위해 모델의 외부경계에 이론적 대수층을 연결하고 R_eD = 30을 주어 CCS를 위한 충분히 큰 대수층을 구축하였다. 여기서, R_eD = 30은 대수층 평면적이 27,225 km²에 해당하는 것으로 거의 무한 대수층으로 간주될 수 있다.

CO₂ 최대주입량을 분석하기 위해 이 대수층 모델에 CO₂ 주입압력을 파쇄압력과 동일한 58,000 kPa로 고정시켜 일정압력 주입 조건하에 시뮬레이션을 수행하였다. 이는 생산정의 천공된 부분의 압력이 파쇄압력과 일치하여 이 부분에서는 파쇄가 일어나더라도 상부의 덮개층은 파쇄압력보다 약간 낮은 상태로 있는 경우이다. 실제에서는 안전율을 고려하여 더 낮은 압력하에서 운영될 예정이지만 이 절에서는 가능한 최대 주입유량을 파악하기 위해 위의 조건을 설정하여 분석을 수행하였다.

시뮬레이션을 수행한 결과가 Fig. 6에 제시되어 있다. CO₂ 주입유량은 최대 약 130,000 m³/d (= 242 ton/d)까지 상승한 후 서서히 감소하는 경향을 나타냈으며 30년 주입 후 유량은 약 100,000 m³/d (= 186 ton/d)로 나타났다. 따라서 초기 계획한 486,000 m³/d의 주입유량은 실행 가능한 시나리오가 아닌 것으로 판단되었다.

다음으로 대수층 크기에 따른 CO₂ 주입 시나리오를 분석하였다. Fig. 6의 결과를 바탕으로 CO₂ 주입유량을 100,000 m³/d로 설정한 후, 주입기간에 따른 최소 대수층의 크기를 규명하였다. CO₂를 대수층에 주입하면 주입된 CO₂는 주입정 주변에 저장되지만 압력은 그 보다 훨씬 멀리 전파되기 때문에 충분히 큰 대수층이 필요하다. CO₂를 100,000 m³/d로 일정기간 동안 주입할 경우 주입정의 압력은 시간이 지남에 따라 지속적으로 상승하게 된다. 이때 주입정 최대압력이 파쇄압력 이하로 유지될 수 있는 최소 대수층 규모를 결정할 수 있다. 이러한 최소 대수층 규모 이상으로 해당 대수층이 존재해야 CO₂ 주입이 성공적으로 수행될 것이다. Table 2는 이와 같은 조건하에 주입기간에 따른 최소 대수층의 크기를 요약한 것이다. 100,000 m³/d의 주입유량으로 10년 동안 주입할 경우 필요한 대수층의 최소면적은 30 km²이며, 공극부피는 0.226 km³이 요구된다. CO₂를 30년 동안 주입하기 위해서는 최소 대수층 면적 18,906 km²이 필요하며 이에 해당하는 공극부피는 141.5 km³이다. Fig. 7은 주입기간에 따른 최소 대수층 면적 및 공극부피를 도시한 것으로 주입기간이 길어질수록 대수층 면적 및 공극부피 또한 증가하는 형태를 보인다.

CO₂를 30년 간 주입하는 경우 30년째 CO₂ 포화율 분포 및 대수층 압력 분포가 Fig. 8에 나타나 있다. 30년간 주입한 경우에도 주입정에서 약 1 km 이내 영역에 CO₂가 분포하고 있는 반면 압력전파는 대수층 경계를 넘어 이론적 대수층 모델의 영역까지 영향을 주었다. 이와 같이 모델 경계에 Carter-Tracy와 같은 이론적 대수층이 필요한 것은 CO₂의 직접적 전파의 영향이 아니라 압력이 매우 빠른 속도로 외부로 전파되기 때문이다. 주입정에서 주입된 CO₂는 밀도 차에도 불구하고 수직 투과도가 매우 낮기 때문에 상부로 이동하지 않고 수평 구간에 남아 있는 것을 볼 수 있다.

Fig. 9는 BHP의 변화양상을 나타내는 것으로 30년 주입시점에 58,000 kPa에 도달하게 된다. 또한 초기 CO₂를 주입하기 어렵기 때문에 1년의 시간동안 주입유량을 서서히 증가시켜 압력의 급격한 증가를 방지하였다.

Table 3은 주입유량이 100,000 m³/d보다 클때 최대 주입기간에 대한 분석을 요약한 것이다. 이때 R_eD=30인 대수층을 사용하여 대수층 크기에 의한 영향은 제외하였으며, 최대 주입압력은 파쇄압력과 동일하게 설정하였다. 주입유량이 110,000 m³/d인 경우 지속 가능한 최대 주입기간은 14년으로 분석되었다. 그러나 주입유량이 120,000과 130,000 m³/d인 경우 최대 주입기간은 각각 6.8년과 2.5년으로 급격하게 감소하였다(Fig. 10).

안전율을 고려한 최적 주입설계

앞 절의 연구에서 주입압력의 최대 허용값을 파쇄압력과 동일한 압력으로 설정하였다. 그러나 실제 CO₂ 주입 운영시 최대 주입압력은 파쇄압력보다 낮게 설정하여 안전성을 높이는 것이 일반적이다. 따라서, 이 절에서는 안전율을 고려하여 주입정의 최대압력을 파쇄압력의 90%로 고려하여 분석하였다.

Table 4는 다양한 주입압력에 대해 지속가능한 최대 주입기간을 요약한 표이다. 이때 대수층은 R_eD = 30으로 설정하여 대수층의 경계에 의한 영향은 나타나지 않게 하였다. 주입유량을 80,000 m³/d로 할 경우 지속 주입 최대기간은 18.6년이며, 90,000과 100,000 m³/d인 경우 주입기간은 각각 6.6년과 1년으로 급감하는 것을 알 수 있다(Fig. 11).

CO₂ 최적 주입설계를 위해 다양한 대수층의 크기와 주입기간에 따른 최적 주입유량을 분석하였으며, 그 결과가 Table 5와 Fig. 12에 제시되어 있다. 예를 들어 대수층의 면적이 3,025 km²이고 10년 주입기간인 경우, 최적 주입 유량은 85,103 m³/d로 결정된다. 이는 압력에 대한 안전율을 고려한 것이므로 10년간 주입 시 대수층의 안전성을 확보할 수 있다. 또한 76,000 m³/d로 30년간 CO₂를 주입하기 위해서는 27,225 km²의 대수층 면적이 필요한 것으로 분석되었다. Fig. 12와 같이 대수층의 크기, 주입기간, 최적 유입량의 관계를 통하여 저장소의 적정 주입량을 평가할 수 있다. Fig. 13은 30년 주입을 가정할 경우 대수층의 크기와 적정 주입량의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 대수층이 커질수록 적정 주입량이 증가하는 경향을 보이며 일정한 값으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 이것은 대수층이 아무리 커지더라도 주입량은 일정한 값 이상 증가하지 못하는 것을 의미한다. Fig. 14와 15는 CO₂를 76,000 m³/d로 30년 주입 시 10년, 20년, 그리고 30년 되는 시점의 CO₂ 분포와 압력 분포를 나타낸 것이다. 모든 기간 동안 CO₂는 반경 1 km 이내에 분포하고 있으며, 대수층 전체의 압력은 점차 증가하는 것으로 나타났다.

Table 6은 CO₂의 표준상태에서 밀도를 사용하여 누적 주입량을 톤 단위로 정리한 것이다. 10년 주입기간을 설정한 경우 대수층의 크기에 따라 최소 50만톤에서 최대 56만톤의 CO₂를 주입할 수 있으며, 30년 주입인 경우 최소 92만톤에서 최대 148만톤을 주입할 수 있다. 따라서 해당 CCS 주입 프로젝트 사이트의 CO₂ 주입규모는 대수층의 크기 및 주입기간에 따라 최소 50만톤에서 최대 148만톤의 범위를 갖는 것으로 분석되었다.

결   론

이 연구에서는 캐나다 CCS 프로젝트 예정 지역의 대수층에 대한 CO₂ 주입 시뮬레이션 및 시나리오 분석을 수행하였다. 현재 구축된 대수층 모델의 공극률과 유체투과도가 매우 낮은 상태이므로 목표 주입량인 486,000 m³/d의 CO₂ 주입은 불가능할 것으로 파악되었다. 주입정의 천공된 지점의 압력을 파쇄압으로 설정하여도 최대 100,000 m³/d 이상 주입하기는 힘들 것으로 분석되었다. 이는 매우 극단적인 주입조건이며 실제에서는 압력에 대해 안전율을 고려해야 한다.

최대주입압력을 파쇄압력의 90%로 제한하여 안전율을 고려한 경우 대수층의 크기와 주입기간에 따른 최적 주입유량을 파악하였다. 해당 주입기간은 10년, 20년, 그리고 30년이며, 대수층의 평면적은 약 30 km²에서 27,000 km²의 범위를 대상으로 하였다. 그 결과 10년 주입인 경우 50만톤에서 56만톤의 CO₂를 주입할 수 있는 것으로 분석되었으며, 20년 주입인 경우 77만톤에서 102만톤, 30년 주입인 경우 92만톤에서 148만톤이 적정한 것으로 분석되었다. 따라서 실제 대수층의 규모를 파악하고 주입기간을 설정하면 이에 적합한 최적 CO₂ 주입유량을 결정할 수 있다.

구축된 대수층 모델은 매우 제한적인 정보 즉, 2개의 시추정 및 3D 탄성파 자료를 결합으로 이루어진 것으로 주입정에서 멀어질수록 그 불확실성은 증가한다. 따라서 해당 지역의 모델 불확실성은 CO₂ 주입에 대한 불확실성으로 나타나기 때문에, 추후 주변에 평가정 또는 관측정의 추가 시추를 통해 대수층에 대한 정보를 더 많이 획득하여 보다 신뢰도 높은 모델을 구축해야 한다.