Prediction and Analysis of Behavior of Carbon Dioxide Injected into Target Geologic Formations in the Bukpyeong Basin, Korea

1. 서 론

이산화탄소 지중 저장(geologic carbon dioxide storage)은 최근 전 지구적인 기후 변화의 원인으로 주목받고 있는 이산화탄소의 배출량을 저감하는 가장 효과적인 방법 중의 하나로 고려되고 있다(Holloway, 1997; Metz et al., 2005). 이산화탄소 지중 저장은 대상 지층(예, 대염수층, 석유 및 가스층, 석탄층 등)에 주입된 이산화탄소가 여러 가지 포획 기작에 의해 고정되어 대기 환경과 완전하게 분리 및 처분되는 과정을 의미한다(Metz et al., 2005).

이산화탄소 지중 저장에는 다양한 기술들이 활용되며, 그 중에서 필수적으로 확보되어야 하는 6대 요소 기술은 다음과 같다(Metz et al., 2005): (1) 지층 특성화 및 평가 기술, (2) 시추 및 주입 기술, (3) 거동 예측 기술, (4) 거동 관측 기술, (5) 환경 영향 평가 기술, (6) 주입 후 부지 관리 및 활용 기술. 이 중에서 (3), (4), (5), (6)에 해당하는 기술들은 감시-저감-검증(Monitoring, Mitigation, and Verification, MMV) 또는 감시-검증-계산(Monitoring, Verification, and Accounting, MVA) 기술로 구분되기도 한다(Metz et al., 2005; Litynski et al., 2012). 최근 발리로드맵(Bali Roadmap)에서 측정, 보고 및 검증 가능한 감축 방안에 대한 개념이 등장함에 따라서 이와 같은 감시-저감-검증 또는 감시-검증-계산 기술들의 중요성이 더욱 부각되고 있는 실정이다.

거동 예측 기술은 여러 가지 단위 수치 모델링 기술을 포함하는데 그 중에서 거동 예측 모델링 기술은 일반적으로 다상 열-수리-역학적-화학적(multi-phase thermo-hydro-mechanical-chemical, T-H-M-C) 수치 모델링을 통하여 대상 분지 또는 부지의 이산화탄소의 거동 양상을 예측 및 분석하며, 이산화탄소의 포획 및 누출 기작을 규명하는 기술이다. 이러한 거동 예측 모델링 기술은 대상 분지 또는 부지 내 지층의 성능(주입, 저장 및 밀봉 성능) 평가와 누출 위험 분석에 직접적으로 또는 다른 모델링 기술과 연계하여 활용(Litynski et al., 2011)됨으로써 거동 예측 기술 전체에서 중심적인 역할을 수행한다. 따라서 이산화탄소 지중 저장 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 이러한 거동 예측 모델링 기술을 활용하는 것이 필수적이다.

국외에서는 GEM-GHG (CMG, 2009), STOMP (White and Oostrom, 2006), TOUGH2 (Pruess et al., 1999) 등의 다양한 거동 예측 모델링 기술 또는 수치 모델들이 개발되었으며, 이들이 대상 지층에 주입된 이산화탄소의 거동을 예측하고 이에 수반되는 다양한 현상들을 해석하는데 적용된 바 있다(e.g., Rutqvist et al., 2002; Johnson et al., 2004; White et al., 2005; Lindeberg et al., 2009; Zhang et al., 2009; SCCS, 2011; Smith et al., 2011; Xu et al., 2011).

국내에서도 최근 들어 거동 예측 모델링 기술을 이용한 이산화탄소 거동의 분석 및 평가가 활발하게 진행되고 있는 추세이다. 먼저 이산화탄소 지중 저장에 의한 다상 유체 유동 및 열 이동 현상을 규명하기 위하여 지질 구조와 지층의 분포를 간략화한 부지 규모의 이차원 단면상의 영역에서 일련의 열-수리학적 수치 모델링이 수행되었다(Kihm and Kim, 2007; Kim, 2008, 2009). 그리고 이산화탄소 지중 저장에 의한 다상 유체 유동과 열 이동 및 지반 변형을 통합적으로 평가하기 위하여 습곡과 단층 등의 지질구조를 고려한 부지 규모의 이차원 단면상 영역에서(Kihm and Kim, 2008), 그리고 사암과 셰일이 교호하는 층상 구조를 고려한 분지 규모의 이차원 방사상 축대칭 영역에서(Park, S.U. et al., 2011) 각각 열-수리-역학적 수치 모델링이 수행되었다. 또한 이산화탄소 주입에 의한 다상 유체 유동과 열 이동 및 지구화학적 반응성 용질 이동을 통합적으로 분석하고 이를 바탕으로 주입된 이산화탄소의 거동과 영향 범위를 평가하기 위하여 저장암 지층만이 고려된 이차원 방사상 축대칭 영역에서 열-수리-화학적 수치 모델링이 수행되었다(Kihm et al., 2012a; Kihm et al., 2012c). 이 연구들은 이산화탄소 거동 예측 모델링 기술이 국내에 처음 도입되기 시작한 시점부터 수행되어 온 것으로 주로 비교적 단순한 모델링 영역에 대하여 열-수리학적, 열-수리-역학적 및 열-수리-화학적 현상들을 각각에 적합한 수치 모델로 해석하고 그 적용성을 평가하였다. 즉 이산화탄소 지중 저장에 필요한 요소 기술(또는 단위 기술)의 확보라는 목적을 가지고 연구가 진행되어 왔다.

한편 이렇게 국내에 소개되고 확보된 거동 예측 모델링 기술을 바탕으로 대상 지층의 성능이나 누출 위험 평가를 수행한 연구들이 현재까지 다양하게 진행되어 왔다. 먼저 이산화탄소의 주입에 따른 대상 지층 및 그 주변에서 발생하는 복잡한 현상들을 예측하고 대상 지층의 주입 성능을 평가하기 위하여 저장암 지층만이 고려된 삼차원 영역에서의 수리학적(Kim et al., 2009; Oh et al., 2010, 2011), 열-수리학적(Kihm and Kim, 2010; Kihm et al., 2011), 열-수리-화학적(Kihm et al., 2012b) 수치 모델링과 주입정 주변을 간략화한 삼차원 영역에서의 수리-역학적(Kim et al., 2011) 수치 모델링이 수행되었다. 또한 이산화탄소 누출 기작의 분석과 누출 위험 및 밀봉 성능의 평가를 위하여 퇴적 구조를 단순화한 부지 규모의 이차원 단면에서 몬테카를로 기법을 적용한 수리학적 수치 모델링이 수행되었다(Park, E. et al., 2011). 그리고 저장암 지층만이 고려된 삼차원 영역에서 이산화탄소의 거동을 예측하는 열-수리학적 수치 모델링과 저장암 상부의 지층들에서 폐공 및 단층을 통한 누출 기작을 예측하는 수치 모델링이 통합된 시스템 수준(system-level)의 수치 모델링이 수행되었다(Kim, 2012). 이러한 다양한 연구 사례들 중에서 몇몇의 연구들은 특징적으로 각각의 연구 목적에 맞는 예측 및 분석을 수행하기 위하여 기존의 수치 모델에 다른 해석 방법 또는 수치 모델을 연계하는 방법을 사용하였다(Kihm and Kim, 2010; Park, E. et al., 2011; Kim, 2012). 하지만 이들 연구들 모두 제한된 삼차원의 또는 간략화된 이차원의 모델링 영역에서 수행되었으며, 부지 규모 이상의 대규모 삼차원 모델링 영역은 고려되지 못하였다.

국내에서는 Park et al. (2009)에 의해 처음으로 광역적 규모의 이산화탄소 거동 예측 모델링이 수행되었다. 이 연구에서는 삼차원 지층 모델을 이용하여 동해 울릉분지의 돌고래 구조에 대하여 이산화탄소 거동을 예측 및 분석하였고 주입된 이산화탄소의 총량에 근거하여 저장 용량을 평가하였다. 하지만 이 연구에서는 해당 저장암층 내에서의 이산화탄소 거동만이 예측 및 분석되었다. 한편 Kim (2011a)은 삼차원 지층 모델링 및 열-수리학적 수치 모델링을 연계한 이산화탄소 지중 저장 용량 평가 방법을 제시하였고 이를 북평분지에 적용하여 저장 성능을 평가하였다. 이 연구에서는 분지 규모에서 저장암뿐만 아니라 덮개암과 기반암 등의 모든 지층을 삼차원 지층 모델에 고려하였고 이를 이용하여 열-수리학적 수치 모델링을 수행하였다. 하지만 이 연구에서는 이산화탄소 주입 이전 정상 상태의 지중 유체 압력과 온도만이 산정되었고 이산화탄소의 주입에 따른 다상 유체 유동은 예측 및 분석되지 않았다. 이와 같이 국내에서는 분지나 부지 규모의 대규모 삼차원 모델링 영역에 대한 이산화탄소 거동 예측 수치 모델링의 연구 사례가 매우 적은 실정이다. 따라서 국내의 거동 예측 모델링 기술의 수준을 높이기 위해서는 분지나 부지 규모에서 지층의 공간적 분포뿐만 아니라 지질 구조를 현실적으로 반영하는 삼차원 지층 모델에 기반을 둔 이산화탄소 거동 예측 및 분석 수치 모델링 연구가 수행되어야만 한다.

본 연구의 목적은 국내 이산화탄소 지중 저장 유망 연안 퇴적분지 중 하나인 북평분지 내의 대상 지층에 주입된 이산화탄소의 거동을 예측 및 분석하는 것이다. 이를 위하여 먼저 선행 연구 결과들을 기반으로 하여 북평분지 내에 이산화탄소 주입을 위한 두 지역을 선정하고 이 지역들에 대한 삼차원 지층 모델링을 수행하였다. 그리고 다상 열-수리학적 수치 모델링을 수행하여 이산화탄소 주입에 의한 다상 유체 유동 및 열 이동 현상을 예측 및 분석하였다. 마지막으로 두 지역에 대하여 이산화탄소 주입량의 변화에 대한 민감도를 분석하였다.

2. 연구 지역 개요

북평분지는 한국 동해안의 동해시 및 삼척시 근처에 분포하며, 위경도 상으로 북위 37° 35’ 40”, 동경 129° 20’ 5” 인근에 위치한다(그림 1). 북평분지는 해안선을 따라서 북서에서 남동 방향으로 분포하고 대부분의 퇴적물이 바다 밑에 존재하며, 그중 일부가 육상에 노출되어 있다. 북평분지의 기반암은 선캠브리아기의 화강편마암과 이를 피복하는 하부 고생대의 석회암으로 구성된다(Won et al., 1994). 제3기 퇴적암은 이들 기반암 상위에 부정합 관계로 놓이며, 다시 제4기 현생 퇴적물에 의해 피복된다.

북평분지에 대한 탄성파 탐사와 코어 시료 채취가 2001년에서 2002년에 걸쳐서 KIGAM (2004)에 의해 수행된 바 있다. 이렇게 획득한 자료를 바탕으로 북평분지를 포함한 광역적인 지역에 대한 탄성파 층서(seismic stratigraphy) 및 지질 구조와 분지의 발달과정이 해석된 바 있다(Kwon, 2005; Kwon et al., 2009). 최근에는 북평분지가 이산화탄소 지중 저장 유망 연안 분지로 대두됨에 따라 분지의 특성화를 위하여 인근 육상 지역에 대한 지질 조사와 시료 채취, 그리고 추가적인 탄성파 자료 해석이 이루어졌다(Kwon, 2011; Kim, 2011a). Kwon (2011)은 이렇게 새로 취득된 자료와 이전에 축적된 자료를 종합적으로 해석하여 탄성파 구조와 지층 특성을 포함하는 분지 모델을 제시하였다. 제시된 북평분지의 모델에 의하면 퇴적암층들의 탄성파 층서는 크게 A층군(unit group), B층군 및 C층군의 세 층군으로 구분된다. 하부로부터 C층군 및 B층군은 제3기의 퇴적암이며, 각각 네 개와(C-4, C-3, C-2, C-1) 세 개의(B-3, B-2, B-1) 층으로 구분된다. 가장 상위의 A층군은 제4기의 퇴적암이며, 두 개의 층(A-2, A-1)으로 구분된다. 이들 각 층의 퇴적암석학적인 특성이 Kwon (2011)에 의해 규명되었으며, 표 1에 발췌되어 있다. 이러한 특성에 근거할 때 C-4, C-2 및 B-2층은 저장암으로 그리고 각 저장암의 상위에 위치하는 C-3, C-1과 B-3, B-1과 A-2는 각각 덮개암으로 사용될 수 있다(Kim, 2011a). 또한 북평분지 인근에는 2,000 MW급의 석탄화력발전소인 삼척 발전소가 현재 건설 중에 있으며, 이 발전소는 잠재적인 이산화탄소 공급원의 역할을 할 수 있는 300 MW급 이산화탄소 포집 시설을 포함하고 있다(그림 1). 따라서 이러한 지질학적 특성과 입지 조건을 고려할 때 북평분지는 국내의 연안 분지들 중에서 이산화탄소 지중 저장 유망 분지로 평가될 수 있다.

Table 1.

Lithology of seismic units in the Bukpyeong Basin (Kwon, 2011).

이러한 배경 하에 북평분지에 대한 저장 용량이 평가된 바 있으며, 이때 사용된 광역 모델링 영역이 그림 1에 표시되어 있다(Kim, 2011a). 이 연구에서는 삼차원 지층 모델링 및 열-수리학적 수치 모델링을 연계한 이산화탄소 지중 저장 용량 평가 방법을 제시하였으며, 이 방법을 북평분지에 적용하였다. 이산화탄소 유효 저장 용량은 이산화탄소가 초임계로 존재하는 영역에서는 약 141 Mton, 해저면 기준 심도 500 m 이상 영역에서는 약 877 Mton으로 각각 계산되었다. 또한 북평분지 내에 초임계 이산화탄소가 존재할 수 있는 영역을 중심으로 크게 네 곳의 후보 지역에 대한 정성적인 부지 선정 예비 평가가 수행된 바 있다(Kim, 2011a). 이 연구에서는 해안과의 거리 및 해수 심도, 자료의 신뢰도, 지질 분포, 퇴적층후, 이산화탄소 주입 능력, 이산화탄소 저장 능력, 이산화탄소 밀봉 능력의 일곱 가지 항목에 대한 정성 평가를 수행하였으며, 그 중에서 그림 1에 표시된 지역 A 및 지역 B가 다른 두 지역에 비해서 더 높은 우선순위를 가지는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 지역 A 및 지역 B를 이산화탄소 주입에 의한 열-수리학적 현상을 예측 및 분석하기 위한 연구 대상 지역으로 선정하고 기반암과 퇴적층의 삼차원 분포를 종합적으로 고려하여 각 지역의 수치 모델링 영역을 설정하였다(그림 1의 점선 및 일점쇄선 영역 참조).

Fig. 1.

Location and geologic maps of the Bukpyeong Basin with modeling domains. The geologic map is modified from Kwon (2011). The regional modeling domain was used for evaluating CO2 storage capacities by Kim (2011a).

3. 삼차원 지층 모델링

지역 A 및 B에 대하여 Visual COFAT3D (Kim, 2011b)의 GUI 전처리기를 이용하여 삼차원 지층 모델을 수립하였다(그림 2). 지역 A의 모델링 영역은 동서 방향으로 약 32 km, 남북 방향으로 약 24 km이며, 최대 심도는 약 1,100 m이다. 지역 B의 모델링 영역은 동서 방향으로 약 28 km, 남북 방향으로 약 24 km이며, 최대 심도는 약 2,200 m이다. 이 지층 모델에서는 기반암(선캠브리아기 화강암질 편마암 및 하부고생대 석회암)은 고려되지 않았고 퇴적암층(A층군, B층군 및 C층군)만이 고려되었다. 해저면(sea floor)의 고도(해수면 기준) 및 각 층 경계들의 고도는 Kwon (2011)에 의해 해석된 기본 자료를 이용하였으며, 이를 통계학적으로 처리하고 크리깅(kriging) (Isaaks and Srivastava, 1989) 기법을 이용하여 내삽(interpolation) 및 외삽(extrapolation)하였다. 이 지층 모델에서는 각 층의 공간적 분포뿐만 아니라 습곡, 정합 및 부정합 등의 지질구조가 합리적으로 고려되었다. 따라서 이 모델은 지층이 측방 변화 및 첨멸(lateral change and disappearing) 양상과 구조적인 기복(structural relief), 그리고 부정합 또는 배사 구조에 의해 상대적으로 오래된 지층들(B층군, C층군 및 기반암)이 해저면에 노출되는 양상 등을 매우 현실적으로 보여준다(그림 2a, 2b, 2c, 2d). 이렇게 작성된 지역 A 및 B에 대한 지층 모델을 각각 97,400개와 97,800개의 삼차원 육면체 격자 요소로 이산화하였다(그림 2a, 2b).

Fig. 2.

Three-dimensional geologic formation models with (a) and (b) grid elements and (c) and (d) fence diagrams, and (e) and (f) isopach maps (thickness contours) of whole sedimentary formations (units) for Area A (left column) and Area B (right column) in the Bukpyeong Basin.

퇴적암층별 열-수리학적 물성값은 기존의 문헌들을 수집 및 분석하여 그 대표값을 선정하였고 표 2에 정리되어 있다(Freeze and Cherry, 1979; van Genuchten, 1980; Carsel and Parrish, 1988; Fetter, 1994; KIGAM, 2004; KIGAM, 2005; Kim, 2009, 2011a; Kwon, 2011). 여기에서 지층의 고유투수계수는 수평 고유투수계수(horizontal intrinsic permeability)와 수직 고유투수계수(vertical intrinsic permeability) 두 가지를 고려하였다. 지층의 수평 고유투수계수와 수직 고유투수계수는 주상도(Kwon, 2011)를 활용하여 지층 내의 각 단위층(이암, 실트암, 사암 및 역암)들의 고유투수계수를 각 단위층의 두께로 가중하여 산술평균(arithmetic average)과 조화평균(harmonic average)을 구하는 방식(Domenico and Schwartz, 1990)으로 각각 업-스케일링(up-scaling)하여 산정되었다.

Table 2.

Thermo-hydrological properties of sedimentary units in the Bukpyeong Basin

4. 열-수리학적 수치 모델링

5. 열-수리학적 수치 모델링 결과

5.1 지역 A의 열-수리학적 수치 모델링 결과

지역 A 내에 지중 주입된 이산화탄소의 삼차원 거동과 주입량 변화에 따른 양상이 그림 3과 그림 4에 걸쳐서 도시되어 있다. 주입된 이산화탄소는 주입정을 중심으로 수직 방향보다는 수평 방향으로 넓게 퍼지면서 이동한다(그림 3, 4). 대부분의 이산화탄소는 저장암인 C-4층이 분포한 지역을 따라서 수평 이동하며, 일부분의 이산화탄소는 주입정 주변에서 오랜 시간에 걸쳐서 상부로 이동하여 덮개암인 C-3층의 하부까지 이른다(그림 3a, 3c, 3e, 3g). 초기에는 이산화탄소가 주입정과 주변 지층간의 압력차에 의해 이동하지만 주입 기간이 종료된 10년 후부터는 주로 부력에 의해 이동하며, 이때 상대적으로 낮은 수직 고유투수계수의 영향으로 해수면 기준 심도가 더 낮은 지역으로 수평 이동하는 양상이 우세하게 나타난다. 또한 지역 A 내에서는 이산화탄소가 서쪽과 남쪽 방향의 두 갈래로 나뉘어 이동하는 양상이 특징적으로 나타난다. 이러한 양상은 지역 A의 C-4층과 C-3층간 경계면의 공간적 분포의 영향에 의해 나타나는 것으로 해석된다. 한편 이산화탄소 포화도는 주입 기간 동안 주입정을 중심으로 상승하여 주입량이 가장 큰 경우(Case A-4) 0.35에 이르나 이후에 이산화탄소가 확산되고 지하수에 용해되는 용해 포획이 진전됨에 따라서 점차적으로 감소하여 1,000년 후에 모든 경우에서 0.06 이하가 된다(그림 3b, 3d, 3f, 3h).

Fig. 3.

Three-dimensional spatial distributions of CO2 plumes (left column) and CO2 saturations in two vertical sections (right column) after 1,000 years in Area A for (a) and (b) Case A-1, (c) and (d) Case A-2, (e) and (f) Case A-3, and (g) and (h) Case A-4.

이산화탄소 주입량이 가장 작은 경우(Case A-1) 이산화탄소는 동심원상으로 이동하며, 남서쪽으로 고도 -850 m까지 이동한다(그림 4a). 이산화탄소 주입량이 증가함에 따라서(Case A-1~Case A-4) 서쪽과 남쪽으로 더 높은 고도까지 이산화탄소가 이동하며, 주입량이 가장 큰 경우(Case A-4) 서쪽으로 고도 -600 m까지 이산화탄소가 이동한다(그림 4d). 즉 이산화탄소 주입량이 증가할수록 이산화탄소가 이동하는 범위가 증가하며, 앞에서 언급한 서쪽과 남쪽 방향의 두 갈래로 이동하는 양상이 더욱 심화된다(그림 4). 하지만 이산화탄소 주입량이 가장 큰 경우(Case A-4)에도 이산화탄소가 모델링 영역의 상부(해저면) 또는 측면 경계까지 이동하지는 않는다.

지역 A 내에 지중 주입된 이산화탄소의 포획 기작별 효율의 시간에 따른 변화 양상이 그림 5에 도시되어 있다. 수리동역학적으로 포획된 이산화탄소(자유 유체상)는 시간이 지남에 따라서 점차적으로 용해 포획된 이산화탄소(수용액상)로 전환되며, 1,000년 후에는 34.90~39.35% (Case A-1~Case A-4)가 수리동역학적으로 포획되고 60.65~65.10% (Case A-4~Case A-1)가 용해 포획된다(그림 5). 주입량이 증가할수록 수리동역학적 포획의 효율은 소폭 증가하고 용해 포획의 효율은 소폭 감소하지만 주입량에 따른 큰 차이를 보이지는 않는다.

Fig. 4.

Depth maps (elevation contours from the mean sea level) of top boundaries of CO2 plumes after 1,000 years in Area A for (a) Case A-1, (b) Case A-2, (c) Case A-3, and (d) Case A-4.

Fig. 5.

Temporal changes in masses of CO2 stored by hydrodynamic and solubility trapping mechanisms in Area A for (a) Case A-1, (b) Case A-2, (c) Case A-3, and (d) Case A-4.

5.2 지역 B의 열-수리학적 수치 모델링 결과

지역 B 내에 지중 주입된 이산화탄소의 삼차원 거동과 주입량 변화에 따른 양상이 그림 6과 그림 7에 걸쳐서 도시되어 있다. 지역 A와 유사하게 지역 B에 주입된 이산화탄소 역시 주입정을 중심으로 수직 방향보다는 수평 방향으로 넓게 퍼지면서 이동한다(그림 6, 7). 이산화탄소는 지역 A 경우와 유사하게 주로 C-4층이 분포한 지역을 따라서 이동하며, 이산화탄소가 덮개암인 C-3층의 하부까지 이르는 지역이 지역 A 경우 보다는 더 넓게 나타난다(그림 6a, 6c, 6e, 6g). 지역 A 경우와 마찬가지로 지역 B 경우에서도 이산화탄소가 오랜 시간에 걸쳐서 해수면 기준 심도가 더 낮은 지역으로 수평 이동하는 양상이 나타난다. 하지만 지역 A 경우와는 다르게 지역 B에서는 특징적으로 이산화탄소가 서쪽 방향으로 고도가 낮은 지역을 향하여 급격하게 이동하는 양상이 나타난다. 이러한 양상은 지역 B의 C-4층과 C-3층간 경계면의 공간적 분포의 영향에 의해 나타나는 것으로 해석된다. 한편 이산화탄소 포화도는 주입 기간 동안에는 주입정을 중심으로 상승하여 주입량이 가장 큰 경우(Case B-4) 0.48에 이르나 이후에 이산화탄소가 확산되고 지하수에 용해되는 용해 포획이 진전됨에 따라서 점차적으로 감소하여 1,000년 후에 모든 경우에서 0.07 이하가 된다(그림 6b, 6d, 6f, 6h).

이산화탄소 주입량이 가장 작은 경우(Case B-1) 이산화탄소는 동심원상으로 이동하며, 전반적으로 고도 -1,800 m까지 이동한다(그림 7a). 이산화탄소 주입량이 증가함에 따라서(Case B-1~Case B-4) 주입정을 중심으로 그 이동 범위가 동심원상으로 급격히 넓어지며, 앞에서 언급한 것과 같이 서쪽 방향으로 고도가 낮은 지역을 향하여 이동하는 양상이 더욱 심화된다(그림 7). 따라서 이산화탄소 주입량이 가장 큰 경우(Case B-4) 서쪽으로 고도 -1,200 m까지 이산화탄소가 이동하며, 모델링 영역의 측면 경계까지 이동한다(그림 6g, 7d). 하지만 이 경우(Case B-4)에 대해서도 이산화탄소가 모델링 영역의 상부(해저면)까지는 이동하지 않는다.

지역 B 내에 지중 주입된 이산화탄소의 포획 기작별 효율의 시간에 따른 변화 양상이 그림 8에 도시되어 있다. 지역 A의 경우와 마찬가지로 수리동역학적으로 포획된 이산화탄소(자유 유체상)는 시간이 지남에 따라서 점차적으로 용해 포획된 이산화탄소(수용액상)로 전환된다(그림 8). 하지만 1,000년 후에 41.62~44.25% (Case B-1~Case B-4)가 수리동역학적으로 포획되고 55.75~58.38% (Case B-4~Case B-1)가 용해 포획되어 지역 A의 경우보다 수리동역학적 포획에서 용해 포획으로 전환되는 비율이 감소하였다. 이것은 지역 A보다 3배 많은 이산탄소를 지역 B에 주입하였기 때문이다. 한편 지역 A 경우와 마찬가지로 주입량이 증가할수록 수리동역학적 포획의 효율은 소폭 증가하고 용해 포획의 효율은 소폭 감소하지만 주입량에 따른 큰 차이를 보이지는 않는다.

Fig. 6.

Three-dimensional spatial distributions of CO2 plumes (left column) and CO2 saturations in two vertical sections (right column) after 1,000 years in Area B for (a) and (b) Case B-1, (c) and (d) Case B-2, (e) and (f) Case B-3, and (g) and (h) Case B-4.

Fig. 7.

Depth maps (elevation contours from the mean sea level) of top boundaries of CO2 plumes after 1,000 years in Area B for (a) Case B-1, (b) Case B-2, (c) Case B-3, and (d) Case B-4.

Fig. 8.

Temporal changes in masses of CO2 stored by hydrodynamic and solubility trapping mechanisms in Area B for (a) Case B-1, (b) Case B-2, (c) Case B-3, and (d) Case B-4.

6. 결 론

본 연구에서는 국내 이산화탄소 지중 저장 유망 연안 퇴적분지 중 하나인 북평분지 내의 대상 지층에 주입된 이산화탄소의 거동을 예측 및 분석하기 위하여 일련의 열-수리학적 모델링을 수행하였다. 먼저 북평분지의 이산화탄소 지중 저장 용량 예비 평가와 정성적인 부지 선정 예비 평가를 수행한 선행 연구 결과를 바탕으로 지역 A 및 지역 B를 연구 대상 지역으로 선정하고 기반암과 퇴적층의 삼차원 분포를 종합적으로 고려하여 각 지역의 수치 모델링 영역을 결정하였다. 그리고 이 지역들에 대하여 지층의 공간적 분포뿐만 아니라 지질 구조를 현실적으로 반영하는 삼차원 지층 모델을 작성하였다. 이렇게 작성된 삼차원 지층 모델을 기반으로 다상 열-수리학적 수치 모델을 이용하여 이산화탄소 주입에 의한 대상 지층 내의 지하수 및 이산화탄소 유동과 열 이동 현상을 예측 및 분석하였으며, 이산화탄소 주입량의 변화에 따른 민감도를 분석하였다. 수치 모델링 결과들은 이산화탄소의 삼차원 거동 양상이 지층의 구조(층상 구조) 및 공간적 분포와 수리학적 물성(고유투수계수의 이방성 등)의 영향을 크게 받음을 보여준다. 먼저 주입된 이산화탄소는 두 지역 모두에서 저장암인 C-4층이 분포한 곳을 따라서 수평 이동하며, 일부분의 이산화탄소는 주입정 주변에서 오랜 시간에 걸쳐서 상부로 이동하여 덮개암인 C-3층의 하부까지 이른다. 지역 A에서는 이산화탄소가 서쪽과 남쪽 방향의 두 갈래로 나뉘어 이동하는 양상이 나타나는 반면 지역 B에서는 이산화탄소가 동심원상으로 이동하다가 서쪽 방향으로 고도가 낮은 지역을 향하여 급격하게 이동하는 양상이 나타난다. 두 지역 모두 이산화탄소 주입량이 증가할수록 이산화탄소의 영향 범위가 증가하며, 해수면 기준으로 좀 더 심도가 얕은 곳까지 이산화탄소가 이동한다. 지역 A에서는 40 Mton, 지역 B에서는 120 Mton을 각각 주입하여도 모델링 영역의 상부(해저면)로의 이산화탄소 누출은 발생하지 않는다. 이는 각 지역의 선행 연구 결과에서 제시된 자유 유체상의 이산화탄소 유효 저장 용량까지는 이산화탄소 지중 저장이 가능함을 의미한다. 한편 시간이 지남에 따라서 자유 유체상 이산화탄소는 지하수에 용해되어 수용액상 이산화탄소로 변화하며, 이에 따라서 수리동역학적 포획된 이산화탄소는 감소하고 용해 포획된 이산화탄소는 증가한다. 주입량이 증가할수록 수리동역학적 포획의 효율은 소폭 증가하고 용해 포획의 효율은 소폭 감소하지만 주입량에 따른 큰 차이가 나타나지는 않는다. 1,000년 이후에 지역 A에서는 60.65~65.10%, 지역 B에서는 55.75~ 58.38%의 이산화탄소가 수용액상으로 존재한다. 수치 모델링에서 산정된 용해 포획된 이산화탄소의 질량은 선행 연구 결과에서 제시된 수용액상의 이산화탄소 유효 저장 용량에 비해 매우 큰 값을 보여준다. 이것은 수용액상 이산화탄소의 저장 효율이 자유 유체상 이산화탄소 저장 효율에 비해서 더 높음을 의미한다. 따라서 분지 및 부지 규모의 이산화탄소 유효 저장 용량 평가 시에는 이러한 이산화탄소 상에 따른 저장 효율의 차이가 반드시 고려되어야 한다. 본 연구에서는 북평분지 내의 두 지역에 대하여 삼차원 지층 모델을 작성하고 이산화탄소 주입량의 변화에 따른 이산화탄소 거동 양상을 예측 및 분석하였으며, 이를 대상 지역들의 이산화탄소 저장 용량 평가와 연계하여 해석하였다. 이러한 해석 방법 및 연구 결과들은 향후 북평분지 또는 국내의 다른 육상 및 연안 퇴적분지에서 이산화탄소 지중 저장 프로젝트를 수행 시 대상 지층의 성능을 정량적으로 평가할 때에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 에너지자원융합원천기술개발사업 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구는 또한 부분적으로 미래창조과학부 산하 한국연구재단의 Brain Korea 21 사업 지원에 의해 수행되었습니다. 아울러 본 논문의 심사 과정에서 발전적인 조언과 비판을 해주신 구민호 교수님과 김태희 박사님께 깊은 감사를 드립니다.

References

• R.F. Carsel,, R.S. Parrish,, Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics, Water Resources Research, (1988), 24, p755-769. [https://doi.org/10.1029/WR024i005p00755]
• CMG (Computer Modelling Group), GEM-GHG user's guide: Advanced compositional and GHG reservoir simulator, version 2009. Technical Report, Computer Modelling Group (CMG), Calgary, Canada, (2009), p1123.
• P.A. Domenico,, F.W Schwartz,, Physical and Chemical Hydrogeology, John Wiley and Sons, New York, USA, (1990), p824.
• C.W Fetter,, Applied Hydrogeology, third edition, Prentice-Hall, Upper Saddle River, New Jersey, USA, (1994), p691.
• R.A. Freeze,, J.A Cherry,, Groundwater, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA, (1979), p604.
• S Holloway,, An overview of the underground disposal of carbon dioxide, Energy Conversion and Management, (1997), 38, p193-198. [https://doi.org/10.1016/S0196-8904(96)00268-3]
• E.H. Isaaks,, R.M Srivastava,, Applied Geostatistics, Oxford University Press, Oxford, UK, (1989), p561.
• J.W. Johnson,, J.J. Nitao,, K.G Knauss,, Reactive transport modeling of CO₂ storage in saline aquifers to elucidate fundamental processes, trapping mechanisms, and sequestration partitioning, In: Baines, S.J. and Worden, R.H. (eds.), Geological Storage of Carbon Dioxide, Special Publications, No. 233. Geological Society of London, UK, (2004), p107-128. [https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2004.233.01.08]
• KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), Study on the techniques for gas hydrate exploration and development. Final Report KR-04(c)-09, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, Korea, (2004), p525, (in Korean with English abstract).
• KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), Mid- and long-term planning of research and development on geothermal resources utilization technologies. Final Report 2004-R-NC02-P-01-0-000, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Daejeon, Korea, (2005), p104, (in Korean with English abstract).
• J.H. Kihm,, J.M Kim,, Numerical simulation of behavior characteristics and trapping mechanisms of carbon dioxide injected into a deep saline aquifer for geologic storage, Annual Conference of the Geological Society of Korea (Abstracts), Chuncheon, October 25-26, (2007), p69, (in Korean).
• J.H. Kihm,, J.M Kim,, Numerical simulation of thermo-hydro-mechanical stability evaluation of carbon dioxide geologic storage with various characteristics of geologic structures and injection locations, Annual Conference of the Korean Society of Economic and Environmental Geology (Abstracts), Seoul, April 23-25, (2008), p83, (in Korean).
• J.H. Kihm,, J.M Kim,, Evaluation of impacts of hydrological properties of geologic formations on injection efficiency of carbon dioxide, Annual Spring Conference of the Korean Society of Engineering Geology (Abstracts), Gyeongju, April 8-9, (2010), p161-167, (in Korean).
• J.H. Kihm,, S.U. Park,, J.M Kim,, Evaluation of injection efficiency of carbon dioxide using an integrated injection well and geologic formation numerical simulation scheme, Annual Fall Conference of the Korean Society of Engineering Geology (Abstracts), Jeongseon-Gun, November 10-11, (2011), p65-68, (in Korean).
• J.H. Kihm,, S.U. Park,, J.M Kim,, Evaluation of carbon dioxide plume injected in the Gyeongsang Basin, Korea, Second Korea CCS Conference (Abstracts), Jeju, March 14-16, (2012a), (in Korean).
• J.H. Kihm,, S.U. Park,, J.M Kim,, Impacts of geochemical characteristics of formation system on injection efficiency of carbon dioxide using numerical simulation, Annual Conference of the Korean Society of Economic and Environmental Geology (Abstracts), Goseong-Gun, April 18-20, (2012b), p65, (in Korean).
• J.H. Kihm,, J.M. Kim,, S. Wang,, T Xu,, Hydrogeochemical numerical simulation of impacts of mineralogical compositions and convective fluid flow on trapping mechanisms and efficiency of carbon dioxide injected into deep saline sandstone aquifers, Journal of Geophysical Research, 117, B06204, (2012c.). [https://doi.org/10.1029/2011JB008906]
• H.C. Kim,, Y Lee,, Heat flow in the Republic of Korea, Journal of Geophysical Research, 112, B05413, (2007.). [https://doi.org/10.1029/2006JB004266]
• H.M. Kim,, D.S. Cheon,, E.S. Park,, J.H. Shin,, D.G Huh,, Evaluation of injection pressure and interpretation of long-term mechanical stability of storage structure in the process of geologic storage of carbon dioxide, Annual Conference of the Korean Society of Economic and Environmental Geology (Abstracts), Mokpo, April 27-29, (2011), p271, (in Korean).
• J.M Kim,, Development and application of a fully coupled multiphase numerical model for thermo-hydro-mechanical analysis of optimal geologic sequestration of carbon dioxide, Final Report M102KP010017-07K1601-01710, Seoul National University, Seoul, Korea, (2008), p131, (in Korean with English summary).
• J.M Kim,, Development and field validation of characterization, drilling, injection, and prediction technologies for geologic sequestration of carbon dioxide, Annual Report 16-2008-08-001-00, Seoul National University, Seoul, Korea, (2009), p128, (in Korean with English summary).
• J.M Kim,, Integrated prediction and analysis of performance of target geologic formation systems for geologic storage of carbon dioxide, Annual Report 2010T100100500, Seoul National University, Seoul, Korea, (2011a), p72, (in Korean).
• J.M Kim,, Field application and practicalization of a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model, Final Report, Seoul National University, Seoul, Korea, (2011b), p132, (in Korean with English summary).
• J.M Kim,, Development of technologies for risk analysis of geologic storage of carbon dioxide and performance improvement of target geologic formation systems, Annual Report 16-2011-01-002-00, Seoul National University, Seoul, Korea, (2012), p163, (in Korean with English summary).
• K.Y. Kim,, T. Kim,, J.C. Kim,, W.S Han,, Numerical study on pressure variation due to subsurface CO₂ injection, Journal of the Geological Society of Korea, (2009), 45, p435-448, (in Korean with English abstract).
• Y.K Kwon,, Sequence stratigraphy of the Taebaek Group (Cambrian-Ordovician), Mideast Korea and seismic stratigraphy of the western South Korea Plateau, East Sea, Ph.D. Thesis, Seoul National University, Seoul, Korea, (2005), p205.
• Y.K Kwon,, Geological survey and assessment technology development of CO₂ storage formation adjacent to CO₂ capture facility, Annual Report 2010201020001C, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon, Korea, (2011), p73, (in Korean).
• Y.K. Kwon,, S.H. Yoon,, S.K Chough,, Seismic stratigraphy of the western South Korea Plateau, East Sea: Implications for tectonic history and sequence development during back-arc evolution, Geo-Marine Letters, (2009), 29, p181-189. [https://doi.org/10.1007/s00367-009-0133-y]
• Y. Lee,, S. Park,, J. Kim,, H.C. Kim,, M.H Koo,, Geothermal resource assessment in Korea, Renewable and Sustainable Energy Reviews, (2010), 14, p2392-2400. [https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.05.003]
• E. Lindeberg,, J.F. Vuillaume,, A Ghaderi,, Determination of the CO₂ storage capacity of the Utsira formation, Energy Procedia, (2009), 1, p2777-2784. [https://doi.org/10.1016/j.egypro.2009.02.049]
• J. Litynski,, T. Rodosta,, W. O'Dowd,, W Fernald,, Best practices for risk analysis and simulation for geologic storage of CO₂, version 1.0, Technical Report DOE/NETL-2011/1459, National Energy Technology Laboratory (NETL), Washington, DC, USA, (2011), p65.
• J. Litynski,, T. Rodosta,, B Brown,, Best practices for monitoring, verification, and accounting of CO₂ stored in deep geologic formations - 2012 update, second edition, Technical Report DOE/NETL-2012/1568, National Energy Technology Laboratory (NETL), Washington, DC, USA, (2012), p136.
• B. Metz,, O. Davison,, H. de Coninck,, M. Loos,, L.A. Mayer, (eds.), Intergovernmental Panel on Climate Change Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, Cambridge, UK, (2005), p431.
• T.N. Narasimhan,, P.A Witherspoon,, An integrated finite difference method for analyzing fluid flow in porous media, Water Resources Research, (1976), 12, p57-64. [https://doi.org/10.1029/WR012i001p00057]
• NETL (National Energy Technology Laboratory), Carbon sequestration atlas of the United States and Canada. Technical Report, National Energy Technology Laboratory (NETL), Pittsburgh, Pennsylvania, USA, (2007), p86.
• NETL (National Energy Technology Laboratory), Carbon sequestration atlas of the United States and Canada, third edition. Technical Report, National Energy Technology Laboratory (NETL), Pittsburgh, Pennsylvania, USA, (2010), p160.
• J.H. Oh,, K.Y. Kim,, T. Kim,, J.C Kim,, Simulation of salt precipitation characteristics due to carbon dioxide injection into geologic formation, Annual Conference of the Geological Society of Korea (Abstracts), Gyeongju, October 27-30, (2010), p311, (in Korean).
• J.H. Oh,, K.Y. Kim,, T. Kim,, J.C Kim,, Impacts of injection well arrangement on geologic storage of carbon dioxide, Annual Conference of the Korean Society of Economic and Environmental Geology (Abstracts), Mokpo, April 27-29, (2011), p248, (in Korean).
• E. Park,, W.S. Han,, J. Jeong,, C.P Jun,, Evaluation of leakage potential of carbon dioxide in the hypothetical site of geologic storage using Monte Carlo simulation, Annual Conference of the Geological Society of Korea (Abstracts), Seogwipo, October 26-29, (2011), p88, (in Korean).
• S.U. Park,, J.H. Kihm,, J.M Kim,, Evaluation of land deformation and stability changes due to geologic storage of carbon dioxide using thermo-hydro-mechanical numerical model, First Korea CCS Conference (Abstracts), Jeju, April 13-15, (2011), (in Korean).
• Y.C. Park,, D.G. Yoo,, W.H. Sung,, S.H. Hwang,, K.G Park,, Core technology development for sequestration of CO₂ in marine subsurface, Third Inter-Agency Workshop on Climate Change Response R&D Program (Abstracts), Seogwipo, January 14-17, (2009), (in Korean).
• K. Pruess,, C. Oldenburg,, G Moridis,, TOUGH2 user’s guide, version 2.0, Technical Report LBNL-43134, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California, USA, (1999), p198.
• J. Rutqvist,, Y.S. Wu,, C.F. Tsang,, G Bodvarsson,, A modeling approach for analysis of coupled multiphase fluid flow, heat transfer, and deformation in fractured porous rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, (2002), 39, p429-442. [https://doi.org/10.1016/S1365-1609(02)00022-9]
• SCCS (Scottish Carbon Capture and Storage), Progressing Scotland’s CO₂ storage opportunities. Technical Report, Scottish Carbon Capture and Storage (SCCS), Edinburgh, UK, (2011), p60.
• D.J. Smith,, D.J. Noy,, S. Holloway,, R.A Chadwick,, The impact of boundary conditions on CO₂ storage capacity estimation in aquifers, Energy Procedia, (2011), 4, p4828-4834. [https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.02.449]
• N. Spycher,, K Pruess,, CO₂-H2O mixtures in the geological sequestration of CO₂, II. Partitioning in chloride brines at 12-100℃ and up to 600 bar, Geochimica et Cosmochimica Acta, (2005), 69, p3309-3320. [https://doi.org/10.1016/j.gca.2005.01.015]
• M.Th van Genuchten,, A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils, Soil Science Society of America Journal, (1980), 44, p892-898. [https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x]
• M.D. White,, M Oostrom,, STOMP user's guide: Subsurface transport over multiple phases, version 4.0, Technical Report PNNL-15782, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, USA, (2006), p108.
• S.P. White,, R.G. Allis,, J. Moore,, T. Chidsey,, C. Morgan,, W. Gwynn,, M Adams,, Simulation of reactive transport of injected CO₂ on the Colorado Plateau, Utah, USA, Chemical Geology, (2005), 217, p387-405. [https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2004.12.020]
• C.K. Won,, B.K. Park,, S.H Lee,, Geological report of the Samchòk-Gosari sheets (1:50,000), Korea Institute of Geology, Mining and Materials, (1994), p21, (in Korean with English abstract).
• T. Xu,, L. Zheng,, H Tian,, Reactive transport modeling for CO₂ geological sequestration, Journal of Petroleum Science and Engineering, (2011), 78, p765-777. [https://doi.org/10.1016/j.petrol.2011.09.005]
• W. Zhang,, Y. Li,, T. Xu,, H. Cheng,, Y. Zheng,, P Xiong,, Long-term variations of CO₂ trapped in different mechanisms in deep saline formations: A case study of the Songliao Basin, China, International Journal of Greenhouse Gas Control, (2009), 3, p161-180. [https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2008.07.007]