서 론
다성분 탄성파 축소모형 실험 자료 취득
지층 내 천부가스 판별
탄화수소 직접 지시자(direct hydrocarbon indicator, DHI)
탄성파 속성분석(seismic attribute analysis)
결 론
서 론
천부가스(shallow gas)는 심도 1,000 m 이하에 부존하고 있는 천연가스이며, 박테리아에 의한 생물학적 기원 또는 열화학적 기원으로 인하여 생성된다(Davis, 1992; Floodgate and Juud, 1992). 천부가스는 아시아, 북아메리카, 유럽 등 전세계에서 개발되었으며(Moon et al., 2018), 천부가스 탐사를 위해서는 주로 탄성파 탐사가 활용되고 있다.
Judd and Hovland(1992)는 다중 채널 탄성파 단면에서 명점(bright spot), 가스 침니(gas chimney) 등을 해석하여 천부가스 판별을 수행하였으며, Ngo and Ferguson(2020)은 베트남 연안에서 취득한 시추공 자료와 2D, 3D 탄성파 자료에서 탄성파 속성 분석(seismic attribute analysis)을 수행하여 천부가스를 판별하였다. 국내에서 Jang et al. (2001)은 국내 대륙붕에서 취득한 다중 채널 탄성파 탐사 자료에서 탄성파 속성 분석, 탄화수소 직접 지시자 분석(direct hydrocarbon indicator, DHI), 벌림 대비 진폭변화(amplitude varition with offset, AVO)를 수행하여 천연가스 판별에 대한 연구를 수행하였으며, Kim et al.(2020)은 울릉분지에서 취득한 다중 및 단일 채널 탄성파 탐사 자료, 가변 주파수 해저면 기록(chirp sub-bottom profiler, SBP), 다중 빔 에코 사운더(multi-beam echo sounder, MBES) 등 다양한 자료를 활용하여 천부가스 판별에 관한 연구를 수행하였다. 취득한 자료의 단면에서 극성 역전 현상, 천부가스 누출로 나타난 플레어(flare), 가스 침니 등을 확인하였으며, AVO 분석을 통하여 천부가스 판별을 수행하였다.
다성분 탄성파 탐사(multicomponent seismic exploration)는 P파를 송신 및 수신하여 자료취득, 처리 및 해석 하는 전통적인 탄성파 탐사와 달리 P파와 S파를 송수신하여 P파 뿐만아니라 다성분인 P파와 S파 성분을 취득하여 더 많은 지층 정보를 획득할 수 있는 장점이 있으며, 음원과 수신기에서 송신 및 수신되는 성분에 따라 취득되는 성분 수가 결정된다. 다성분 탄성파 탐사에서 P파를 송신하는 음원을 사용하고 S파를 수신할 수 있는 수신기를 사용할 경우, 3 성분(P-P, P-SV, P-SH)을 취득할 수 있으며, P파와 S파를 송수신할 수 있는 음원 및 수신기를 사용할 경우에는 최대 9 성분(P-P, P-SV, P-SH, SV-P, SV-SV, SV-SH, SH-P, SH-SV, SH-SH)을 취득 할 수 있다(Hardage et al., 2011).
다성분 탄성파 탐사는 석유 ․ 가스 개발을 위한 목적으로 주로 활용하고 있으며, 지층 내 석유 ․ 가스 판별, 균열 분포 분석 및 규명, 암상 구분, 저류층 모니터링 등에 활용하고 있다(Farfour and Yoon, 2016). 외국에서는 지층 내 탄화수소 판별 및 분석(Hanitzsch et al., 2007; Reilly et al., 2010), 균열대 분포 및 규명(AI-Hawas et al., 2003; Jianming et al., 2009), 암상 구분(Dumitrescu et al., 2014), 저류층 모니터링(Van Gestel et al., 2008; Davis, 2015) 등 다양한 분야에서 연구를 수행하고 있다. 국내에서는 가스하이드레이트 유망지역인 울릉분지에서 해저면 탄성파 기록계(ocean bottom seismometer, OBS)를 통해 취득한 다성분 자료를 이용하여 P파와 모드변환 S파 속도분포를 구하는 연구를 수행하였으며(Kim and Byun, 2011), 다성분 탄성파 자료에서 P파와 PS파를 분리하기 위하여 회전 변환과 중합을 이용한 기법을 제안하였다(Jeong et al., 2013). 최근에는 포항 영일만 지역에서 이산화탄소 지중 저장을 위하여 다성분 탄성파탐사 자료와 시추 자료를 활용한 부지 평가 연구(Shinn et al., 2018), 이산화탄소 주입 및 지중저장 모니터링 관련 연구를 수행하였으며(Park et al., 2018; Park et al., 2021), 다성분 탐사 자료를 활용한 완전파형역산 관련 연구를 수행하였다(Hwang et al., 2020). 다성분 탄성파 탐사에 대한 연구는 주로 심부에 부존하고 있는 석유 및 가스 판별에 관한 연구가 주로 수행되었으며, Maitra et al.(2014)와 Chen(2016)이 다성분 탄성파 탐사 자료를 활용하여 천부가스층 하부 이미지 개선에 관한 연구를 수행하였으나 천부가스를 판별하기 위한 분석 및 해석에 관한 연구는 미비하였다.
천부가스 탐사 성공률을 높이기 위해서는 천부가스를 판별하고 특성을 분석하는 연구가 필요하나 다성분 탄성파 탐사 자료를 현장에서 다성분 탄성파 탐사를 수행하여 취득 자료를 확보하고 자료처리, 해석에 관한 연구를 수행하기에는 시간적, 경제적인 어려움이 존재한다. 탄성파 축소모형 실험(seismic physical modeling)은 실험실 규모로 탄성 매질에서 실제 전파하는 탄성파를 취득하기 때문에 현장성 반영이 가능하다는 장점이 있다(Stewart and Cheadle, 1989). 국외에서 탄성파 축소모형 실험을 활용한 다성분 탐사 관련 연구는 이방성 매질에서 모드변환된 PS파에 관한 연구(Dewangan et al., 2006), 매질 균열 밀도에 따른 S파 영향에 관한 연구(Wei et al., 2014), 돔(dome)을 모사한 지층모델에서 9 성분 자료를 취득하고 성분 별 특성 분석 연구 등이 있다(Ebrom et al., 1989). 국내에서는 탄성파 축소모형 실험을 활용하여 이방성 매질에서 이방성 특성 분석 연구(Ha and Shin, 2010; Ha and Shin, 2011), 유체가 존재하는 지층모델에서 9 성분 탄성파 자료를 취득하고 분석한 연구가 수행되었다(Lim et al., 2021).
이 연구에서는 탄성파 축소모형 실험을 활용하여 다성분 탄성파 탐사를 수행하고 천부가스 판별 연구를 수행하였다. 천부가스 판별을 위하여 지층모델에 공기를 주입하여 천부가스 부존환경을 모사하였으며, 취득한 다성분 탄성파 자료에서 천부가스 판별을 위하여 석유 ․ 가스 부존지역을 지시하는 특성인 탄화수소 직접 지시자와 탄성파 단면에서 탄성파 속성을 정량적으로 해석하는 분석 방법인 탄성파 속성분석을 통하여 천부가스 판별을 수행하였다.
다성분 탄성파 축소모형 실험 자료 취득
이 연구에서는 탄성파 축소모형 실험을 통하여 단층과 채널을 모사한 2층 복합 지층모델에서 영 옵셋(zero-offset) 다성분 탄성파 자료를 취득하였다(Fig. 1). 천부가스는 심도 1,000 m 이하에 부존하고 있는 천연가스이며, 이 연구에서 사용한 지층모델의 채널은 심도 40 mm 지점에 위치하고 있다. 탄성파 축소모형 실험은 현장 탐사를 실험실 규모로 축소한 실험으로 규모가 다르기 때문에 실험 설계 시, 축소비(scale factor)를 설정해야 한다. 축소비는 속도 변수(), 주파수 변수(), 모델 크기 변수()로 구성되며, 식 1과 같다(Vogel et al., 1985).
탄성파 축소모형 실험과 현장 탐사 축소비가 1:10,000인 경우에 탄성파 축소모형 실험에서 주파수 1 MHz는 현장 탐사에서 100 Hz 이며, 모델 크기 1 mm는 현장 탐사에서 10 m로 표현된다. 축소비를 1:10,000으로 설정하여 자료 취득을 수행하였으며, 탄성파 축소모형 실험에서의 채널 심도인 40 mm는 현장 규모에서 400 m를 의미하기 때문에 천부가스 부존 심도에 적합하다.
지층 내 천부가스 판별 모형실험을 위하여 채널 내에 공기를 주입하였으며, 실험에서 사용한 지층 모델의 채널은 공극률이 100 %로 실제 지층의 암석 공극 사이에 부존하고 있는 천부가스와 차이가 있다. 또한, 실제 메탄을 포함하고 있는 천연가스 주입은 폭발의 위험이 있기 때문에 공기를 주입하고 P파와 S파를 송수신하여 P-P 성분과 S-S 성분 자료를 취득하였다. 대기압 조건에서 천연가스의 밀도와 공기의 밀도가 동일하면 천연가스에서 탄성파 속도는 약 305~335 m/s이다(Thomas et al., 1970). 따라서 공기와 천연가스의 속도 및 밀도가 유사하기 때문에 채널 내에 공기로 대체하여 주입하였다. 2층 복합 지층 모델의 매질 P파, S파 속도와 밀도, 공기의 P파 속도, 밀도는 Table 1과 같다.
Table 1.
The velocity and density of geological model materials
| Material | Vp (m/s) | Vs (m/s) | Density (g/cm3) |
| Layer 1 (ABS) | 2,700 | 1,140 | 1.149 |
| Layer 2 (Acrylic) | 2,720 | 1,370 | 1.151 |
| Channel (Air) | 330 | - | 0.001 |
음원 생성 및 제어 장비로 Panametrics사의 pulser/receiver 5055PR, P파와 S파를 송수신하기 위한 음원 및 수신기로 OLYMPUS사의 1 MHz P파 트랜스듀서(transducer) V-103, S파 트랜스듀서 V-153을 사용하였으며, 다성분 자료 수신 및 저장을 위하여 Agilent Technologies사의 DSO-X 2012A 디지털 오실로스코프(digital oscilloscope)를 사용하였다.
영 옵셋 다성분 탄성파 자료를 취득 시, 측선 당 51 개 지점, 총 61 개 측선에서 3,111 개 자료를 취득하였으며, 취득 변수는 Table 2와 같다. 취득한 자료의 자료처리 및 분석을 위한 변수는 현장탐사 크기로 변환하여 적용하였다. 탄성파 축소모형 실험을 통하여 취득한 다성분 자료는 트리거(trigger)로 인한 전기적 잡음을 제거하기 위하여 자르기(muting)를 수행하였으며, P파와 S파는 첫 번째 반사파가 도달하기 전까지 적용하였고 P파 자료에서는 0~0.15 s, S파 자료에서는 0~0.4 s까지 자르기 적용하였다. 잡음 제거를 위해 띠 통과 필터(band-pass filter)를 수행하였으며, P파는 3-15-150-170 Hz 대역, S파는 3-7-100-130 Hz의 대역 통과 필터를 적용하였다. 자료처리 이후에 천부가스 판별 및 자료취득 검증을 위하여 탄성파 단면과 시간경과 탄성파 단면도를 생성하였다. Fig. 2는 자료처리 적용 전과 후를 비교한 그림으로, 빨간색 부분의 전기적 잡음이 제거된 것을 확인할 수 있으며, 지층 모델에서 모사한 단층과 채널이 나타났다. Fig. 3은 자료취득의 검증을 위하여 생성한 P파 및 S파의 시간경과 탄성파 단면도이며, 생성한 시간경과 탄성파 단면도와 지층 모델 평면을 비교해보면 채널 형상이 유사한 것을 확인 할 수 있다.
Table 2.
The parameters in the seismic physical modeling and field exploration parameters converted according to the scale factor
지층 내 천부가스 판별
탄화수소 직접 지시자(direct hydrocarbon indicator, DHI)
탄성파 직접 지시자는 탄성파 단면에서 탄화수소인 석유 및 가스 부존지역을 지시하는 특성으로 명점(bright spot), 탄성파 공백대(seismic wipeout), 속도 감소 효과(velocity pull-down) 등이 있다(Han et al., 2013; Nanda, 2016). 탄성파 단면에서 지층 내 천부가스 판별을 수행하기 위하여 탄화수소 직접 지시자를 이용하여 탄성파 단면을 해석하였다.
Fig. 4는 채널 내에 공기를 주입하였을 때의 S파 탄성파 단면이다. Fig. 4의 파란색 네모 부분에서 천부가스가 부존하고 있는 채널 부근인 약 0.7 s 지점에서 명점이 나타난 것을 확인할 수 있다. 다성분 탐사인 S파 단면에서도 천부가스로 인한 명점이 나타났다. 또한, Fig. 4의 검은색 네모 부분에서 탄화수소 부존 지역을 판별하는 지시자인 탄성파 공백대가 약 1.30 s 부근에서 나타는 것을 확인할 수 있다. 공기가 존재하는 채널의 하단 부분은 S파가 전파하지 못하기 때문에 탄성파 공백대가 발생하였다. Fig. 5는 P파 탄성파 단면이며, P파는 공기를 통과할 수 있기 때문에 탄성파 공백대가 아닌 채널 하부에 반사된 신호가 기록되었다. 탄성파 공백대가 존재하는 약 1.30 s에서 시간경과 탄성파 단면도를 생성하여 확인해본 결과, S파 자료에서 나타난 탄성파 공백대로 공기가 존재하는 채널의 형상을 확인할 수 있었다(Fig. 6).
탄성파 축소모형 실험의 경우, 지층 모델 각층의 심도 및 속도를 통하여 도달시간을 계산할 수 있기 때문에 탄성파 공백대를 검증하기 위하여 도달시간을 계산하였다(Table 3). Fig. 4의 검은색 네모 부분에서 초록색 선 부분이 지층모델의 최하부에서 반사된 신호인지 겹반사파(multiple)인지 확인을 위하여 계산한 도달시간과 탄성파 단면에서의 신호 시간을 비교하였다. 계산한 도달시간에서 지층모델의 최하부 부분에서 반사된 신호의 도달시간은 약 1.29 s이며, 첫 번째 층에서 발생한 겹반사파는 약 1.40 s로 계산되었다. 탄성파 축소모형 실험으로 취득한 단면에서의 도달시간과 비교해본 결과, 유사하게 도달시간이 나타난 것으로 보아 Fig. 4의 검은색 네모 부분에서 초록색 선 부분은 지층모델 최하부에서 반사된 신호이며, 해당 부분의 신호가 나타나지 않은 부분은 공기로 인한 탄성파 공백대가 발생한 것으로 생각된다. 또한, 공기가 주입된 채널 하부 지점인 약 1.43 s 부근의 신호는 첫 번째 층에서 발생한 겹반사파를 확인하였다. 추가적으로 Fig. 5의 채널 부근의 신호를 확인해본 결과, 수치 계산과 탄성파 축소모형 실험에서의 겹반사파 및 채널 하부에서 반사된 신호가 유사한 도달시간에 취득된 것을 확인하였다.
Table 3.
Comparison of travel time in seismic physical modeling and numerical method for verifying the seismic wipeout
탄성파 속성분석(seismic attribute analysis)
탄성파 속성분석은 석유 ․ 가스 탐사에서 주로 이용되는 해석 방법 중 하나로 탄성파의 속성을 정량적으로 해석할 수 있다. 지질 구조, 층서 및 암석의 특성, 지층 내 유체 판별 및 특성 등의 분야에서 활용되고 있으며, 물리적 속성(physical attribute), 기하하적 속성(geometrical attribute)으로 구분할 수 있다. 물리적 속성은 매질의 물리적인 속성과 관련된 진폭, 주파수, 위상, 감쇠 등과 같은 속성으로 저류층의 분포와 특성, 유체 판별 및 특성 등을 지시할 수 있다. 기하하적 속성은 방위각, 경사도, 곡률, 유사도 등과 같은 속성으로 단층, 균열대와 같은 구조 해석에 용이하다(Taner et al., 1994; Chopra and Marfurt, 2005). 이중에서 천부가스 판별에 이점이 있는 물리적 속성을 활용하여 탄성파 단면을 해석하였다.
물리적 속성인 진폭 속성과 주파수 속성을 활용하기 위하여 탄성파 복소 분석(complex seismic trace analysis)을 적용하였으며, 탄성파 복수 분석을 통해 다성분 탐사 자료로부터 트레이스 엔벨로프(trace envelope), 엔벨로프 1차 미분, 순간 주파수(instantaneous frequency)를 분석하였다. 트레이스 엔벨로프와 엔벨로프 1차 미분은 지층간의 반사파 에너지 변화를 분석할 수 있으며, 지층간의 에너지가 급변하는 부분인 가스가 존재하는 지점을 파악하는데 장점이 있다. 또한, 순간 주파수는 시간에 따른 순간 위상 변화율이며, 가스가 부존하는 지역에서의 고주파수 성분 감쇠로 인하여 가스 판별이 가능하다. 탄성파 복소 분석은 탄성파 트레이스를 복소 트레이스의 실수(real part)로 간주하고 트레이스의 힐버트 변환(Hilbert transform)을 허수부(imaginary part)로 간주하여 복소 트레이스를 생성하고 순간 특성 값을 구하는 방법이다(Taner et al., 1979; Taner, 2001; Chopra and Marfurt, 2005).
Fig. 7은 채널 내 공기를 주입하여 취득한 S파 단면도로부터 트레이스 엔벨로프를 분석한 그림으로 공기가 존재하는 채널 부분에서 명점을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 지층 모델 내에 공기가 존재할 때, 취득한 S파 단면으로부터 엔벨로프 1차 미분을 분석한 그림이며, 트레이스 엔벨로프와 동일하게 공기 부존 지역에서 명점이 나타났다. 탄성파 속성분석은 정량적인 분석이 가능한 장점이 있기 때문에 채널이 위치한 부근의 진폭 변화를 분석하기 위하여 0.6~0.8 s의 신호를 분석하였다. Fig. 9는 0.6~0.8 s에서 최대 진폭 값을 추출하여 거리에 따라 나타낸 그림으로 공기가 존재하는 1 km 인근에서 진폭 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 10은 채널 내에 공기가 존재할 때, 24번 라인에서 취득한 P파 단면으로부터 순간 주파수를 분석한 그림이다. Fig. 10의 흰색으로 표시한 부분은 채널 하부에 반사된 신호 부근이며, 25 Hz 이하의 저주파 음영대(low frequency shadow)가 발견되었다. 해당 부분은 공기가 존재하는 채널의 하부에서 반사된 부분이며, 유체인 공기로 인하여 고주파 에너지가 감쇠하면서 저주파 음영대가 발생한 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 탄성파 축소모형 실험을 통하여 P-P, S-S 자료를 취득하였으며, 단층과 채널을 모사한 지층 모델에 공기를 주입하여 천부가스를 모사하였다. 천부가스 판별을 위하여 탄성파 단면에서 진폭을 분석하였으며, 탄성파 속성 분석을 수행하였다.
첫째, 탄성파 단면에서 탄화수소 지시자 중 하나인 명점이 공기 부존 지역에서 나타나는 것을 확인하였으며, 지층과 공기의 임피던스 차이로 인하여 명점이 나타났다.
둘째, 유체 내에서 전파가 불가능한 S파의 경우, 공기가 주입되어 있는 채널 하부에서 탄성파 공백대가 나타난 것을 확인하였으며, 일반적인 탄성파 탐사와 달리 S파를 취득하는 다성분 탐사를 수행하였기 때문에 탄성파 공백대를 명확하게 판단할 수 있었다. 또한, 채널에서 반사된 신호 외에 탄성파 공백대 부근의 시간경과 탄성파 단면도에서 추가적으로 채널 형상을 확인할 수 있었다.
셋째, 탄성파 속성 분석을 통하여 지층 내 천부가스 판별을 하였으며, 진폭 속성인 트레이스 엔벨로프와 엔벨로프 1차 미분 결과에서 명점을 확인하였다. 공기가 주입된 경우에 급격한 진폭 변화가 나타났으며, 최대 진폭 값 변화를 통하여 채널 부근 진폭 변화를 확인하였다.
넷째, 순간 주파수 분석을 통하여 P파 자료에서 채널 하부의 저주파수 음영대를 발견하였으며, 유체의 영향으로 인하여 고주파수 에너지가 감쇠하면서 저주파수 음영대가 나타났다.
취득한 P-P, S-S 자료를 탄화수소 직접 지시자와 탄성파 속성 분석을 통하여 지층 내 천부가스 판별을 수행하였으며, 탄성파 축소모형 실험을 통해 취득한 P-P, S-S 자료에 진폭분석, 순간 주파수 분석, 자료해석을 적용할 수 있음을 확인하였다. 특히, 채널 부근 명점으로 인한 채널 형상뿐만 아니라 P파 자료에서 확인하기 어려운 탄성파 공백대를 통하여 천부가스가 부존하고 있는 채널 형상을 확인하였다. 이 연구에서는 다성분 탄성파 탐사 자료에서 천부가스 판별을 위한 방법으로 탄화수소 직접 지시자 및 탄성파 속성 분석 적용성을 확인하기 위하여 비교적 자료취득이 간편한 영 옵셋 탐사를 모사하여 탄성파 자료를 취득하다. 향후 연구에서는 다중채널 탄성파 탐사, 3차원 탐사로 확대하여 수행할 필요가 있다고 생각한다. 이 연구에서는 탄성파 축소모형 실험에서 천부가스 부존을 모사한 채널 부분 공극률은 100 %로 되어있어 속도 감소 효과(velocity pull-down)가 나타나지 않았지만 실제 천부가스 부존 지역과 유사하게 암석 내 공극에 천부가스를 모사한다면 탄화수소 직접 지시자 중 하나인 속도 감소 효과도 나타날 것으로 생각한다.
