서 론

각국의 탄소중립 추진 정책이 급속하게 수립·이행되고 있는 가운데, 이산화탄소 저장 및 활용(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) 사업이 적극적으로 도입되고 있으며 2050년 탄소중립을 위한 CCUS의 이산화탄소 감축 기여도가 18.4%로 주요 감축 수단이 될 것으로 전망하고 있다(IEA, 2021). 대한민국도 온실가스 저감에 대한 구체적인 목표(NDC, Nationally Determined Contribution)를 수립하여 2030년까지 2018년 배출량 대비 40%에 해당하는 2.9억 톤을 감축하고 이 중 CCS를 통해 연간 480만 톤의 이산화탄소를 저감하는 목표를 공표한 바 있다.

다양한 이산화탄소 저장 방법 중 대염수층의 경우 전세계적으로 1,000~10,000기가톤의 이산화탄소를 저장할 수 있으며 고갈 유가스전의 경우 약 900기가톤의 이산화탄소를 저장할 수 있는 것으로 조사되어(Bourg et al., 2015), 대염수층이 고갈 유가스전 대비 10배 이상의 저장량을 가지고 있지만, 고갈 유가스전의 경우 CCS 대상부지 선정 및 저장량 평가의 측면에서 기존의 평가자료나 생산설비를 재활용할 수 있으므로 더욱 경제적으로 개발할 수 있고 개발기간을 단축할 수 있다는 이점을 가진다. 또한 이산화탄소 주입 시뮬레이션 결과의 신뢰도는 저장소 모델 구축에 활용된 자료의 양과 그 자료의 취득 절차 및 정확도, 대상 저장층 특성과 그 특성에 근거한 주요 저장 기작의 구현에 따라 크게 좌우될 수 있다(Singh et al., 2014). 이런 측면에서 동해-1 가스전의 경우 탐사단계부터 축적된 탄성파 자료, 다수의 탐사정 및 평가정에서 취득한 시추공 자료를 비롯해 약 20년의 생산기간 동안의 축적된 생산 이력 등이 기확보되어 있어 정밀한 이산화탄소 주입 시뮬레이션 모델의 구축이 가능하다.

또한 저류층 내 천연가스는 고압의 상태에서 수백만 년간 덮개암 하부에 밀봉되어 트랩을 형성한 상태로 존재하였으므로 고갈가스전 대상의 CCS 적용 시 환경적으로 안정적이며 영구적인 이산화탄소 저장이 가능하다는 것이 증명된 바 있다(Gupta, 2010). 동해-1 가스전은 육상으로부터 약 60 km 떨어져 있으며 울산지역이 제조업과 화학업 등이 발달한 산업지역이라는 점에서 주민 수용성 측면에서 유리한 상황에 있다(Witte, 2021). 상기된 다양한 이점들에 근거하여 정부의 이산화탄소 저감 목표 달성을 위한 국내 최초의 CCS 사업을 적용할 최적지로 2021년말 생산이 종료된 동해-1 가스전이 선정되어 실증사업이 추진되고 있다.

이 연구의 대상인 동해-1 가스전을 활용한 CCS 실증 프로젝트는 울산지역 인근 사업체로부터 배출되는 이산화탄소를 포집·수송하여 생산이 종료된 동해-1 가스전 저류층에 주입·저장하는 것을 목표로 하고 있으며 포집·수송·저장 전 단계에 대한 시설물 구축, 이산화탄소 주입 및 저장소 운영을 포함하는 실증사업으로 진행되고 있다.

동해-1 가스전은 1, 2, 3, 4의 총 4개 저류층이 해수면 기준으로 2,320 m~2,480 m 사이에 위치하며 각 저류층 사이에는 약 10 m의 셰일층들로 분리되어 있으며, A, B, C, D 총 4공의 생산정을 통해 약 20년 동안 천연가스 및 콘덴세이트를 생산한 바 있다. 동해-1 가스전을 활용한 CCS 실증사업의 초기 개발 목표는 기존의 가스 생산정을 재활용하여 연간 40만 톤을 주입하는 것이다.

본 연구에서는 동해-1 가스전 4개의 저류층을 대상으로 다양한 주입 시나리오를 수립, Schlumberger 사의 Eclipse E300 시뮬레이터를 활용하여 동해-1 가스전의 이산화탄소 잠재저장자원량 도출은 물론, 주입 종료 조건인 저장층 평균압력과 주입정 위치 변화에 따른 잠재저장자원량을 비교·검토하였다.

현재까지 고갈가스전을 대상으로 CCS를 적용하기 위한 다양한 시뮬레이션 연구가 선행되어 왔다(Galic et al., 2009, Azuddin and Azahree, 2020). 고갈가스전의 천연가스 생산량을 통해 이산화탄소 주입량을 예측하는 분석식을 시뮬레이션을 통해 검증하였으며(Lekic et al., 2019), 생산이 종료된 가스 저류층 내 잔존 가스 포화도(Residual gas saturation)에 따른 저장용량 변화에 관한 시뮬레이션 연구가 수행되었다(Raza et al., 2018). 또한 생산 중인 가스전에 이산화탄소를 주입했을 경우 가스 생산량 및 이산화탄소 저장용량 변화에 관한 시뮬레이션 연구가 진행되어 왔다(Ӧzkiliҫ and Gumrah, 2009, Amer et al., 2018, Hamza et al., 2020, Sun et al., 2021).

동해-1 가스전을 활용한 CCS 실증사업은 충분한 자료가 축적된 기발견 구조에 이산화탄소를 주입하는 프로젝트이지만 현재까지 경제성을 입증하지 못하였고 개발계획이 수립되지 않은 상태이므로 SPE의 SRMS(CO₂ Storage Resources Managemenrt System)의 분류상 Contingent Storage Resources로 분류될 수 있다(SPE, 2017). 다만 국내에서는 아직 SRMS 내 이산화탄소 저장용량 분류의 한글 표현에 관한 연구가 수행된 바 없어 본 연구에서는 이를 잠재저장자원량으로 표현하였다.

동해-1 가스전 저류층 모델 신규 구축

기존의 동해-1 가스전 저류층 모델의 경우, 저류층 물성이 층별 등방성을 갖고 복수 층 격자의 끝단이 한 점에서 모이는 쐐기 형태로 되어 있어 시뮬레이션의 정확도에 영향을 미치는 등 이산화탄소 주입 후 저류층 내 이산화탄소 유동을 정확히 예측하는데 부적합한 측면이 있었다. 이산화탄소 주입 모델의 신뢰도 향상, 이산화탄소 주입 후 저류층 내에서의 화학적 반응 모사, 이산화탄소 주입 안정성 평가를 위한 지구역학 시뮬레이션 수행 및 향후 동해-1 가스전의 확장 가능성 평가를 위한 하부 대염수층 모델링 등을 위해 동해-1 가스전의 탄성파 자료, 시추공 자료, 생산자료 등의 취득 자료를 활용, 저류층 모델을 신규 구축하였다.

저류층 모델의 업데이트 과정은 (1) 암석 물리학적 분석, (2) 탄성파 자료 해석 및 지구물리 분석, (3) 지질 모델링, 그리고 (4) Model Initialization, (5) History matching의 순서로 수행하였다. (1) 암석 물리학적 분석에서는 동해-1 가스전과 연장대수층에 존재하는 총 9개 공의 저류층 물성 산정, HU(Hydraulic Units) 분류, 투수율 산정식 및 SHF (Saturation Height Function)를 도출하였으며, (2) 3D 탄성파 자료 해석 및 지구물리 분석에서는 탄성파 자료, 10개의 시추공 물리검층 자료 및 신규 층서 정립 결과를 이용하여 대륙붕, 대륙붕 사면에 대하여 탄성파 층준 확장 해석 및 속도 모델을 구축하였다. 이를 활용해 중합 전 역산을 수행하였으며 역산을 통해 도출된 P-impedance, S-impedance, Density 볼륨과 시추공 물리검층 해석을 통해 산정된 Total Porosity의 MLR(Multilinear Regression) 관계를 이용해 Pseudo Porosity 볼륨을 도출하였고, 이를 유체치환 모델링에 사용하여 하부 대염수층의 물성 예측에 활용하였다. (3) 지질 모델링 부분에서는 기존 모델의 문제점(침식면 인근의 쐐기 형태 격자)을 동해-1 가스전 및 연장대수층의 구조/층서적 특징이 반영된 구조모델 구축을 통해 개선하였으며, 암석물리, 지구물리 분야 평가 결과물을 반영할 수 있는 물성 모델링을 통해 공극률, 투수율, 수포화도, HU 모델을 작성하였다(Fig. 1). 구축된 지질모델의 평균 물성은 Table 1과 같고 격자는 50 m × 50 m × 3.6 m로 구성하여 총 9,384,816개이며 업스케일링 없이 시뮬레이션을 수행하였다. 지질모델에서 도출된 원시가스부존량(GIIP, Gas Initial In Place)과 기존 가스전 생산 과정에서 취득한 생산자료(유량 및 저류층 압력)를 활용한 물질수지분석(Material balance) 결과를 비교하였으며(Fig. 2) 유사한 결과를 확인하였다(Table 2).

Fig. 1.

Geological model of DH-1 gas field (in red) and lower aquifer (in blue).

Fig. 2.

Estimation result of GIIP of reservoir no.4 using material balance analysis.

(4) 구축된 지질모델을 활용하여 물성 모델링(Property modeling) 및 모델 초기화(Model Initialization) 작업을 수행하였다. 유체의 PVT 자료는 채취한 4개 샘플의 PVT 분석 자료 중 동해-1 가스전 대상 CCS 사업의 주 저장층인 2, 3번 저류층 중 2번 저류층에서 채취된 분석 자료를 활용하였다. 이산화탄소 주입 시뮬레이션을 위해 유체 구성물에 이산화탄소를 추가하고 Compositional 시뮬레이션 타임을 고려하여 총 12개의 유체 구성물을 4개로 줄이는 Lumping 작업을 수행 후 기존 유체 구성물의 Phase envelop과 비교 후 적용하였다(Table 3, Fig. 3). 그 결과 이산화탄소 주입 이후의 동해-1 가스전 저류층 조건(400~3,600 psi, 226 ℉)에서 동일한 값을 나타냈으며 Well test를 통해 취득한 기존 생산물의 CGR(Condensate-Gas Ratio) 값과도 유사한 결과를 나타내었다. 또한 MDT 자료 분석 결과 4개 저류층의 Gas gradient가 동일하게 나타나 4개 층에 대해 모두 같은 유체 상태방정식 모델을 적용하였으며, CCS 시뮬레이션에 일반적으로 사용하는 Peng-Robinson Equation을 사용하였다.

Fig. 3.

Phase envelop of lumped sample: original (red) and lumped (blue).

상대유체투과도 모델은 기존 동해-1 가스전 자료 중 6개의 Gas-water SCAL(Special Core Analysis) 자료에 Corey equation을 적용, 각각의 HU(Hydraulic Unit)에 대한 상대유체투과도 모델을 구축하였으며, 암석 압축률 및 생산정 자료도 기존 동해-1 가스전 자료를 활용하였다. 수직 투과도의 경우 각 저류층 별 물리검층 자료 해석을 통해 취득하였으며 수직 투과도의 조화평균 값을 수평 투과도의 산술평균으로 나눈 kv/kh 값을 활용하여 시뮬레이션 그리드에 수직 투과도를 계산하였다(Benson, 2015). MDT 자료로부터 가스-물 경계(Gas-Water Contact) 및 저류층 초기 압력을 Table 4와 같이 설정하였다.

각 저류층 별 초기 수포화도는 저류층 별 P/Z plot 분석을 통해 도출된 GIIP와 전체 공극 부피 및 가스 부피를 활용하여 도출하였으며, 각 저류층 별로 연장되어 있는 하부 대염수층의 경우 주입 시뮬레이션 중 1) 이산화탄소 주입기간 중 압력 영향, 2) 주입된 이산화탄소가 Gas-Water Contact 하부 대염수층으로 이동할 경우 대염수층의 구조에서 가장 낮은 위치인 Spill point를(Table 5) 벗어나 시스템 외부로 누출되는지 여부 및 이산화탄소의 용해량 산출, 3) 대염수층의 이산화탄소 저장 유망성 예측 등의 세가지 측면에서 중요한 의미가 있으므로 저류층과 함께 모델링하였다.

(5) 2004년부터 2021년까지 생산된 동해-1 가스전의 가스 생산 이력, 공저압력(Bottomhole Pressure) 및 정두압력(Tubing Head Pressure), 물 생산 이력을 토대로 History matching을 수행하였다. 다만 공저압력을 측정하는 공저 게이지가 초기에 설치되었으나 각각 3~5년 후부터 작동이 중단되어 공저압력을 구하기 위해 VFP(Vertical Flow Performance) 테이블을 이용하여 정두압력을 변환하여 적용하였다. 주요 매칭 변수로는 저류층 1, 2, 3의 경우 저류층 투과도, 대염수층 투과도, SWL(Connate Water Saturation)를 사용하였고 저류층 4의 경우 저류층 투과도, 대염수층 공극룰 및 투과도, SWL, GWC를 사용하였다(Table 6). 또한 저류층 4에서 대염수층으로부터 물생산이 이루어졌으며 저류층 1, 2, 3에서는 소량의 응축수(Connated water)만이 생산되어 물생산에 대한 히스토리 매칭은 저류층 4에 대해서만 수행하였다.

히스토리 매칭 결과 정적 모델에서 추정된 생산량이 동해-1 가스전의 생산 이력 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 생산종료 이후의 저류층 압력을 예측하였다(Table 7, Fig. 4).

Fig. 4.

History matched results of the field, Gas Production Rate (MSCF/day).

동해-1 가스전 이산화탄소 주입 시뮬레이션

신규 구축된 동해-1 가스전 저류층 모델을 활용하여 이산화탄소 주입 시뮬레이션을 수행하였다. 동해-1 가스전의 생산기간 중 생산정 A는 저류층 1의 천연가스를 생산하는 데 활용되었고, 생산정 D는 저류층 4의 천연가스 생산에 활용되었다. 기존 생산정을 주입정으로 재활용하는 본 연구의 기본 개념 상 동일하게 생산정 A는 저류층 1에, 생산정 D는 저류층 4에 이산화탄소를 주입하는 주입정으로 설정하였다. 기존의 생산정 B와 C는 저류층 2, 3에서 교차 유동으로 생산하도록 완결되어 있으므로(Ki et al., 2022) 생산정 B, C를 이용하여 저류층 2, 3에 동시 주입하는 개념을 적용하였다.

동해-1 가스전에 연간 40만 톤의 이산화탄소를 주입하기 위한 기본 주입 시나리오(Base case)를 Table 8과 같이 설정하였으며 2025년부터 연간 40만 톤(25 mmscf/d)의 이산화탄소(순도 100%)를 30년간 주입하며 기존 동해가스전의 운영 방식과 동일하게 연간 65일의 가동 중지 시간과 300일의 운영 기간을 설정하였다. Base case 1은 생산정 B를 통해 저류층 2 및 3에 주입하는 케이스, Base case 2는 생산정 B, D를 통해 저류층 2, 3 및 4에 주입하는 케이스로 설정하였다. Base case 3는 동해-1 가스전의 연간 100만 톤 수준의 이산화탄소 주입 가능성을 확인하기 위해 생산정 A, B, D를 통해 저류층 1, 2, 3 및 4에 연간 96만 톤(60 mmscf/d)를 주입하는 케이스로 설정하였으며, 복수의 주입정을 활용하는 케이스의 경우 주입량 조절은 Group control로 설정하였다.

이산화탄소 주입이 지층 압력을 증가시키면 목표 주입량을 유지하기 위해 주입 시 더 높은 압력이 필요하며 본 연구에서 적용할 수 있는 주입정의 최대 공저압력 제한 조건을 도출하기 위해 생산정 시추 시 수행한 누출 테스트(Leak- off test) 결과를 활용하였다. 누출 테스트는 시추공 내 시험 영역 상하부에 패커를 설치한 후 유체를 주입하여 가압, 인공 균열을 발생시켜 암석의 파쇄압력을 구하는 시험으로 해당 누출 테스트 자료에 대해 Barree et al.(2009)이 제시한 해석법과 균열압력구배(Fracture gradient) 0.728 psi/ft를 적용하여 도출하였으며 이를 통해 저장층의 최대 주입정 공저압력을 4,800 psi로 설정하여 이산화탄소 주입 시뮬레이션의 제한 조건으로 사용하였다. 또한, 주입 종료 조건을 각 저장층의 평균 압력이 동해-1 가스전 저류층 생산 전 초기 압력인 3,600 psi에 도달했을 경우로 설정하여 본 실증사업의 안전성을 고려한 보수적인 주입 조건을 설정하였다.

Base case 1의 시뮬레이션 수행 결과, 2043년 저류층 3의 평균압력이 3,600 psi에 도달하여 주입이 종료될 때까지 저류층 2, 3에 총 6.9백만 톤의 이산화탄소가 저장되는 것으로 나타났으며 저류층 3의 층후가 저류층 2에 비해 두꺼운 이유로 2배 이상의 이산화탄소가 저류층 3에 주입되었으며 이에 따라 저류층 압력 상승도 더 빠르게 나타났다(Table 9, Fig. 5). 공저압력의 경우, 생산 과정에서 취득한 Well 별 PI(Productivity Index) 값을 Injectivity 값으로 설정함에 따라 일정 주입 유량 조건을 만족하도록 저류층 압력과 공저압력의 차를 일정하게 유지하게 되고 이때 주어진 구간에서 시간에 따라 공저압력이 선형적으로 증가하는 양상을 나타냈다(Fig. 5). 적용된 Injectivity 값은 이산화탄소 주입에 대한 저류층의 특성을 나타낸다고 할 수 있으나 보다 정확한 운영조건을 얻기 위해서는 다양한 주입량에 대한 Injectivity test 수행 및 그 결과를 반영한 추가 시뮬레이션 작업이 필요하다. Fig. 6은 저류층 2, 3의 시간에 따른 이산화탄소 플럼(CO₂ plume)의 확산 양상을 보여주며 2043년 주입이 종료된 이후 2100년에 이르기까지 이산화탄소가 하부 대염수층의 Spill point(저류층 2 : 2,820 m, 저류층 3 : 2,840 m)까지 도달하지 않아 안전하게 저장되는 것을 확인하였다. 저류층 2, 3의 시간에 따른 이산화탄소 플럼의 확산은 Base case 2, 3에서도 같은 양상을 나타내었다.

Fig. 5.

Reservoir pressure, bottomhole pressure, cum. injection, injection rate of base case 1.

Fig. 6.

Net map of CO₂ plume on reservoir 2 (Upper) and Reservoir 3 (Lower) for base case 1.

Base case 2의 시뮬레이션 수행 결과, 2049년 저류층 4와 2051년 저류층 3의 평균압력이 3,600 psi에 도달하여 주입이 종료될 때까지 저류층 2, 3, 4에 총 1천만 톤의 이산화탄소가 저장되는 것으로 나타났다(Table 9, Fig. 7). Fig. 8은 저류층 4의 시간에 따른 이산화탄소 플럼의 확산 양상을 보여주며 전술하였다시피 저류층 4의 경우 가스 생산기간 중 물생산이 발생하였으며 이산화탄소 주입 시에도 이산화탄소가 GWC 아래쪽으로 빠르게 이동하는 것을 보여준다. 다만 2049년 주입이 종료된 이후 2100년에 이르기까지 이산화탄소가 하부 대염수층의 Spill point(2,905m)까지 도달하지 않아 안전하게 저장되는 것을 확인하였다. 저류층 4의 시간에 따른 이산화탄소 플럼의 확산은 Base case 3에서도 같은 양상을 나타내었다.

Fig. 7.

Reservoir pressure, bottomhole pressure, cum. injection, injection rate of base case 2.

Fig. 8.

Net map of CO₂ plume on reservoir 4 for base case 2.

Base case 3의 시뮬레이션 수행 결과, 2034년 저류층 1과 4, 2043년 저류층 3의 평균압력이 3,600 psi에 도달하여 주입이 종료될 때까지 저류층 1, 2, 3, 4에 총 11.5백만 톤의 이산화탄소가 저장되는 것으로 나타났다(Table 9, Fig. 9). 저류층 1의 시간에 따른 이산화탄소 플럼의 수평 확산 양상(Fig. 10) 및 이산화탄소 플럼의 수직 확산 양상(Fig. 11)에서 볼 수 있듯이 이 경우에도 2049년 주입이 종료된 이후 2100년에 이르기까지 이산화탄소가 하부 대염수층의 Spill point(2,800 m)까지 도달하지 않아 안전하게 저장되는 것을 확인하였다.

Fig. 9.

Reservoir pressure, bottomhole pressure, cum. injection, injection rate of base case 3.

Fig. 10.

Net map of CO₂ plume on reservoir 1 for base case 3.

Fig. 11.

Migration of CO₂ plume for base case 3.

3개 Base case의 이산화탄소 주입 시뮬레이션 결과에 따른 잠재저장자원량을 Table 9와 같이 정리하였다. 3개 Case 모두 주입 종료 조건인 저류층 평균압력이 3,600 psi에 도달할 때까지 공저압력이 저류층 파쇄 조건인 4,800 psi에 도달하지 않는 것으로 나타나 목표 주입량 수준에서 안전한 주입이 가능한 것으로 나타났다. 다만 복수 저류층 대상의 주입 케이스 등을 고려하여 더욱 정교한 저장 안정성 평가를 위한 지구역학 시뮬레이션 등의 추가 연구를 수행할 예정이다.

이산화탄소 주입 종료 조건인 평균 저류층 압력 조건에 따른 잠재저장자원량 평가

본 연구에서는 실증사업의 안전한 운영을 목표로 주입 종료 조건을 저류층 평균압력이 생산 이전 초기 저류층 압력(3,600 psi)에 도달할 경우로 설정하였으나, 미국의 경우 주입압력이 주입 대상층 파쇄압력(Fracturing pressure)의 90%를 넘지 않도록 규정하고 있어(EPA, 2023) 더 높은 저류층 평균압력에서도 안전한 주입·운영이 가능할 경우를 가정하여 저류층 평균압력 종료 조건을 임의로 4,100, 4,600 psi로 설정하여 이에 대한 추가 연구를 수행하였다.

그 결과, Table 10에서 보듯이 저류층 압력 제한 조건이 증가할수록 잠재저장자원량도 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 가장 많은 이산화탄소가 주입되는 4,600 psi의 3가지 케이스 모두 이산화탄소가 동해-1 가스전 하부 대염수층의 Spill point에 도달하지 못한 것으로 나타나 이산화탄소 플럼의 이동 측면에서 구조 외부로의 누출이 없는 것으로 나타났다. 다만, Base case 2의 4,100 psi와 4,600 psi 케이스의 경우, 연간 40만 톤 주입 시 저류층 압력이 각각 4,100 psi와 4,600 psi에 이르지 못하고 30년 주입기간 종료 조건에 의해 주입이 종료되어 동일한 잠재저장자원량을 나타냈다.

또한 4,100 psi와 4,600 psi 케이스 모두 주입기간 내 주입정의 공저압력이 저류층 파쇄압력으로 설정한 4,800 psi 이상 상승하지 않아 안전한 주입이 가능한 것으로 나타났다(Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14). 다만 실증사업에 해당 결과를 적용하기 위해서는 더욱 정교한 저장 안정성 평가를 위한 지구역학 시뮬레이션 등의 추가 연구가 필요하다.

Fig. 12.

Bottomhole pressure, gas injection cumulative, gas injection rate of Producer A for each case.

Fig. 13.

Bottomhole pressure, gas injection cumulative, gas injection rate of Producer B for each case.

Fig. 14.

Bottomhole pressure, gas injection cumulative, gas injection rate of Producer D for each case.

주입정 위치에 따른 잠재저장자원량 평가

현재 동해-1 가스전을 활용한 CCS 실증사업에서는 기존 가스 생산정을 주입정으로 재활용할 계획을 세우고 있지만 생산정의 재활용이 불가능할 경우, 신규 주입정 시추 시 주입성 및 주입량을 개선할 수 있는 경우, 신규 주입정 설치 비용이 생산정 재활용 비용과 차이가 없는 경우 등 신규 주입정을 시추하게 될 경우를 대비하여 주 저장층인 저류층 2, 3에 대해 신규 주입정 위치에 따른 잠재저장자원량을 비교하였다. 신규 주입정 위치는 다양한 위치에서의 차이점을 비교하기 위해 기존의 생산정 C, 저류층 중앙 하부의 NW-1, 저류층 우측 경계부의 NW-2, 저류층 좌측 경계부의 NW-3 등 임의의 4개 주입정을 설정하였고(Fig. 15), 주입량 및 주입조건은 기존 Base case 1과 동일하게 설정하였다.

Fig. 15.

Well location of new injectors.

Base case 1의 주입정인 생산정 B와 신규 주입정인 생산정 C, NW-1, NW-2, NW-3의 누적 잠재저장자원량을 비교한 결과 최대 4% 이내의 유사한 결과를 나타내어 신규 주입정 시추 위치에 따른 민감도는 크지 않은 것을 확인하였다(Table 11). 이는 저류층 2, 3의 물성이 균일하고 투과도가 높은 특성, 소규모 저류층 크기, 닫힌 구조(Closed system) 특성 등에 기인하는 것으로 판단된다. 다만, 이산화탄소 플럼의 확산 양상은 주입정 위치에 따라 상이하며(Fig. 16) NW-2, 3(저류층 외곽 주입정)의 경우, 다른 주입정 대비 공저압력이 빠르게 상승하는 것으로 나타나(Fig. 17) 주입 운영 시 상대적으로 높은 에너지가 필요할 것으로 예상된다.

Fig. 16.

CO₂ plume migration for new injector cases at 2030-10-01 (CO₂ mole fraction (vapor)).

Fig. 17.

Cumulative CO₂ injected, CO₂ injection rate and bottomhole pressure of new injectors.

상기한 바와 같이 주입정 위치에 따른 잠재자원량 평가 결과 그 위치에 따른 민감도가 크지 않으므로 케이싱, 시멘팅의 불량 등으로 기존 생산정의 재활용이 어려워 신규 주입정 시추가 필요한 경우 주입 효율성보다 경제성, 시추 용이성 등을 고려하여 기존 생산정 경로를 활용한 시추(Sidetrack drilling) 등을 수행할 수 있을 것으로 보인다. 다만 동해-1 가스전의 주저장층인 저류층 2, 3 외 저류층 1, 4에 대해서도 주입정 위치에 따른 잠재자원량 평가가 필요하다.

결 론

본 연구에서는 생산이 종료된 동해-1 가스전 저류층을 대상으로 저류층 모델 신규 구축, 이산화탄소 주입 시뮬레이션 및 주입 시나리오 분석을 통한 잠재저장자원량 평가를 수행하였다.

탄성파 및 시추공 자료를 활용하여 지질 모델을 구축하였고 이에 대한 History matching을 수행하여 최신의 동해-1 가스전 저류층 모델을 구축하였다. 이를 활용하여 다양한 주입 시나리오에 따른 이산화탄소 주입 시뮬레이션을 수행하였으며, 안전을 고려한 보수적인 주입 조건을 적용하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 저류층 2, 3을 활용할 경우 6.9백만 톤, 저류층 2, 3, 4를 활용할 경우 10.0백만 톤, 저류층 1, 2, 3, 4를 활용할 경우 11.5백만 톤을 저장할 수 있는 것으로 나타났으며 연간 40만 톤 주입 조건에서 각각 약 17년, 25년, 28년을 주입할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 초기 저류층 압력에 기반한 저류층 종료 압력에 도달하지 않고 Spill point까지 이산화탄소가 유동하지 않아 안정적인 연간 40만 톤급 저장소 운영이 가능한 것으로 평가되었다.

주입 종료 조건인 저류층 평균압력 도달 시 종료 조건에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 저류층 평균압력 종료 조건을 4,100, 4,600 psi로 증가시킬 경우 모든 케이스의 잠재저장자원량이 증가하는 것을 확인하였다. 저류층 평균압력 종료 조건은 이산화탄소 잠재저장자원량에 큰 영향을 미치므로 안전한 운영을 위한 적정한 저류층 평균압력 종료 조건을 설정하기 위해 암석역학 실험 및 지구역학 시뮬레이션 등의 추가 연구를 수행할 예정이다.

추가로 본 연구의 주요 저장 대상층인 저류층 2, 3에 대해 5개의 주입정 위치에 따른 잠재저장자원량을 도출하였으며 그 차이가 최대 4% 이하로 나타나 주입정 위치에 대한 잠재저장자원량의 민감도는 크지 않은 것으로 나타났다.

본 연구를 통해 국내 최초의 CCS 실증사업 수행을 위한 기초자료를 획득하였으며 실증사업 전체 시스템에 대한 유체 유동 분석 및 시설물 설계 등에 활용될 예정이다. 또한 국내 E&P 분야에서 수행된 연구 중 가장 많은 실측자료를 활용하여 최고의 신뢰도 있는 모델링 결과 중 하나라는 점, 그리고 그 결과를 실제 프로젝트에 적용하여 향후 실증사업에서도 지속적으로 사용될 예정이라는 점에서 연구의 의미가 크다고 할 수 있다.