KR100999030B1

KR100999030B1 - 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법 및 지중 가스 저장시스템

Info

Publication number: KR100999030B1
Application number: KR1020100076979A
Authority: KR
Inventors: 박용찬; 허대기
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2010-12-10
Also published as: EP2605049A4; EP2605049A1; US20120039668A1; JP5723988B2; JP2013539535A; WO2012020891A1

Abstract

본 발명은 지중 가스 저장시스템 및 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지중 가스 저장시스템은 육상 또는 해양의 지중에 투수성의 암질로 형성된 저장층과, 저장층 상부에 형성된 불투수성의 덮개암층 및 덮개암층의 상부에 투수성 암질로 형성된 상부투수층을 가지는 지층구조, 지상으로부터 저장층까지 시추된 가스주입정의 내면에 끼워지며, 저장층과 동일한 심도에 배치된 부분에는 둘레방향을 따라 다수의 가스주입공이 천공되어 있는 중공형의 케이싱 및 상부투수층과 동일한 심도에 배치되어 상부투수층의 압력을 탐지하는 압력센서를 구비한다. 그리고 본 발명에 따른 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법은 위와 같은 구성의 지중 가스 저장시스템에서 상부투수층에 설치한 압력센서를 통해 상부투수층의 압력의 변화를 측정하여 저장층으로부터의 가스 유출을 탐지한다.

Description

압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법 및 지중 가스 저장시스템{Method for detecting leakage of gas from underground gas storage by pressure monitoring and Underground gas storage system}

본 발명은 지중 가스 저장시스템 및 이 가스 저장시스템으로부터의 가스유출을 탐지하는 방법에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소 또는 천연가스 등을 육상 또는 해저 지하 심부의 유전, 가스전, 대수층 등을 이용하여 저장하는 지중 가스 저장시스템 및 이 지중 가스 저장시스템부터 가스가 유출되는지 여부를 탐지하기 위한 방법에 관한 것이다.

산업화 이후 꾸준하게 배출된 온실가스로 인하여 지구 온난화 문제가 심각하게 대두되고 있다. 예컨대, 지난 100년간 해수면의 높이가 10~25Cm 상승함으로써 파푸아뉴기니 등 남태평양의 섬들이 바다에 잠기고, 북반구의 빙산이 거의 20% 이상 감소되었으며, 사막화, 기상이변 등 많은 문제가 발생되고 있다.

지구온난화를 일으키는 온실가스는 메탄, 프레온가스, 이산화탄소 등 그 종류가 다양하지만, 이들 중 이산화탄소가 규제가능한 가스(controlable gas)로서 전체에서 차지하는 비중이 80%로 가장 크므로 온실가스 문제는 주로 이산화탄소에 초점이 맞춰져 있다.

이산화탄소 감축기술의 하나로서 최근 CCS(Carbon Capture & Storage)에 대한 기대가 증대되고 있다. 특히 국제에너지기구(IEA)에 의하면 2050년에는 이산화탄소 감축량 중 19%인 년간 약 92억톤의 이산화탄소를 CCS 기술이 담당해야 하는 것으로 분석되었다. 현재 실증 또는 상용화 규모라 부를 수 있는 CCS프로젝트가 전세계에서 4개 정도만 가동되고 있는 상태지만 현재 계획 중인 프로젝트가 약 300개 정도이며, 2050년에는 3500개 이상의 프로젝트가 필요하다는 예측도 나와 있다.

CCS의 저장분야인 지중저장기술은 발전소 등에서 포집된 이산화탄소를 육상 또는 해저 지하의 심부에 반영구적으로 저장시키는 기술로서 지질학적 환경에 따라 유전, 가스전, 대수층, 석탄층 등이 주요 저장소이다. 저장소를 결정할 때 가장 중요한 조건으로는 적어도 800미터 이상 심부 지역이어야 하며, 저류암(저장층)은 공극률과 투수율이 커야하고 그 상부에는 주입된 이산화탄소가 지상으로 누출되지 않는 불투수층(상부 덮개암)이 존재해야 한다.

지중저장기술을 구현하기 위해서는 적절한 사이트 선정과 함께 누출 위험을 최소화하기 위한 주입계획 수립이 중요하며, 이산화탄소의 주입 후에는 이산화탄소가 계획된 지층에 저장되어 통제가능한 위치에 머무르고 있다는 점, 즉 누출 여부를 모니터링하는 것이 매우 중요하다.

노르웨이의 Sleipner, Snohvit, 캐나다의 Weyburn, 알제리의 In Salah 등 다수의 지중저장 프로젝트가 실행 또는 계획되고 있으나 주입 이후 누출여부를 확인할 수 있는 신뢰성 있고 경제적인 모니터링 방법은 제시되고 있지 않을 뿐만 아니라, 국제적 기준의 모니터링 프로토콜이 마련되지 않은 데에도 문제가 있다.

그러나 이산화탄소 지중저장 기술의 목표가 이산화탄소 지중저장을 통한 탄소배출권(carbon credit) 획득이라는 점을 감안하면 주입된 이산화탄소가 다시 유출되지 않고 저장되어 있다는 것을 입증하는 것은 매우 중요한 문제라고 할 것이다. 이러한 관점에서 기존의 석유나 천연가스 개발 또는 석유회수증진 과정에서 중요하게 고려되지 않았던 지층 내 모니터링 기술이 매우 중요하게 떠오르고 있다.

현재 적용가능한 모니터링 기술에는 탄성파 탐사, 전기탐사, 중력탐사, 주입지층내 온도 측정 등의 지구물리학적 모니터링과, 지표 또는 지하수 내의 이산화탄소의 농도측정 등의 지화학적 모니터링, 시추공내 모니터링 기술 등이 있다. 그러나 이러한 기술들 중 일부는 개별적으로 적용하기에 신뢰성이 떨어지며, 그렇다고 가능한 모니터링 기술들을 전체적으로 사용하면 과다한 비용이 소모된다는 문제점이 있다.

또한 가장 기본적인 모니터링 수단으로 사용하고 있는 탄성파를 이용할 경우 육상에서는 계절이나 날씨, 송/수신원의 위치 변화 등의 영향으로 조사의 환경과 조건이 매번 달라지므로 그 결과를 신뢰할 수 없다는 문제점이 있다. 해양의 경우에는 또 다른 문제에 봉착하게 된다. 육상의 경우 관측정 (observation well)을 활용하거나 지하수, 토양, 대기 모니터링을 통해 CO₂ 누출을 탐지하게 되지만, 해양의 경우 비용 문제로 관측정 적용이 어려우며 탄성파 탐사 이외의 여타 토양 또는 대기 모니터링도 적용하기 곤란하므로, 직접적 탐지 수단 자체가 극히 제한되어 있다.

도 1 및 도 2는 호주 Otway 프로젝트에서 실제 사용된 모니터링 기법이다. Otway의 경우 가장 폭넓은 모니터링 수단이 사용된 프로젝트로서, 도 1과 도 2의 도표를 참조하면, 저장소 및 상부 덮개암의 무결성(integrity)과 관련된 지화학적 모니터링과 지구물리학적 모니터링과 가스가 누출되지 않았음을 증명하기 위한 Assurance 모니터링을 위하여 대기, 토양, 물리검층 등의 기술을 사용하였다.

즉, 저장소 주변의 대기 또는 지하수 중 이산화탄소의 농도, 지면에서의 이산화탄소의 농도 등을 조사하여 이산화탄소의 유출을 확인하거나, 탄성파 탐사 등을 이용하여 광범위하게 이산화탄소의 유출을 조사하였다. 이러한 광범위한 모니터링 수단의 적용은 비용과는 상관이 없는 연구용 프로젝트이기 때문에 가능한 것이며, 천문학적 비용이 소요되는 실제 상업용 프로젝트에서는 불가능한 일이다.

또한 노르웨이의 Sleipner에서는 가스를 주입하기 전의 지질 상태(baseline)에 대한 조사와 함께 주기적인 3d seismic을 의미하는 4D 탄성파 탐사를 수행하였다. 이들 방법을 함께 수행하는 경우 가스 누출 여부에 대하여 일정 정도 신뢰성있는 조사가 가능하다는 것을 확인하였으나, 이 역시 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 지중 CO₂를 정량화하기에는 기술적 성숙도가 떨어진다는 한계점을 노출하였다.

특히 탄성파 탐사는 일정 주기(노르웨이 Sleipner의 경우 매 1년)로 수행되기 때문에 그 사이의 누출에는 대처할 수 없으며 탄성파 탐사 결과의 처리에 시간이 많이 걸리는 점도 단점으로 지적되고 있다. 도 3은 노르웨이의 Sleipner의 time-lapse 3d seismic survey를 표시한 것으로 1994년 가스를 주입하기 전의 탄성파 탐사 결과와, 1996년부터 이산화탄소를 주입한 이래 2001년 부터의 탐사 결과가 표시되어 있다. 2001년부터의 결과를 보면 이산화탄소가 충전된 영역이 약간씩 넓어지고 있긴 하지만, 96년부터 연간 100만톤씩 주입한 것을 고려하면 주입량에 따른 차이를 구분하기 쉽지 않다. 즉, 탄성파 탐사가 실제 주입량에 따른 변화를 정량화하기 어렵다는 점을 확인할 수 있다.

향후 최소 단위의 지중저장 기술 프로젝트가 연간 300만톤 정도로 가정할 때 매년 실시하는 4D 탄성파 탐사 기술에만 의존할 경우 결과 해석까지 고려할 때 최소 300만톤의 CO₂ 누출이 가능하다는 이야기가 된다. 대량의 CO₂ 누출시 이에 따른 대응은 모니터링과 별도의 천문학적 비용이 소요될 것이다.

즉, 현재의 모니터링 만으로는 CO₂ 누출 파악에는 기술적으로 또한 시간, 비용적으로도 큰 어려움이 있는 바, 경제적이고 신뢰성이 있으며 실시간으로 가스 누출 가능성을 탐지할 수 있는 기술의 개발이 절실하다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소 또는 천연가스 등이 저장되어 있는 저장소로부터 가스의 유출 가능성을 실시간으로 신뢰성있게 탐지할 수 있는 경제적인 방법 및 이러한 방법이 구현되어 있는 지중 가스 저장시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지중 가스 저장시스템은 육지 또는 해저 지하의 심부에 투수성의 암질로 형성된 저장층과, 상기 저장층 상부에 형성된 불투수성의 덮개암층 및 상기 덮개암층의 상부에 투수성 암질로 형성된 상부투수층을 가지는 지층구조; 지상으로부터 상기 저장층까지 시추하여 형성된 가스주입정의 내면에 끼워지며, 상기 저장층과 동일한 심도에 배치된 부분에는 둘레방향을 따라 다수의 가스주입공이 천공되어 있는 중공형의 케이싱; 및 상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치되어 상기 상부투수층의 압력을 탐지하는 압력센서;를 구비한다.

그리고 상기 압력센서는 상기 케이싱의 내부를 통해 상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치되며, 상기 케이싱에는 상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치된 부분에 둘레방향을 따라 다수의 관측공이 천공되어 상기 압력센서와 상기 상부투수층이 연통되도록 할 수 있다.

또한 별도의 관측정을 상기 상부투수층까지 천공하여 상기 압력센서를 이 관측정을 통해 상기 상부투수층과 통일한 심도에 배치할 수도 있다.

한편 본 발명에 따른 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법은 상기한 지중 가스 저장시스템에서 상기 상부투수층에 설치한 압력센서를 통해 상기 상부투수층의 압력의 변화를 측정하여 상기 저장층으로부터의 가스 유출을 탐지한다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 저장층에 가스를 주입한 후 기설정된 시간 내에 상기 상부투수층의 압력이 상승하는 경우 또는 상기 저장층에 가스의 주입을 중단한 후 기설정된 시간 내에 상기 상부투수층의 압력이 하강하는 경우 상기 가스주입정의 케이싱 외벽을 통해 상기 저장층의 가스가 상부로 유출되는 것으로 판단할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 저장층에 가스를 주입한 후 상기 상부투수층의 압력이 상승하는 경우 또는 상기 저장층으로의 가스주입을 중단한 후 상기 상부투수층의 압력이 하강하는 경우 상기 저장층에 가스를 주입 또는 중단한 시점으로부터 상기 상부투수층의 압력이 변화(상승 또는 하강)한 시점까지의 시간을 이용하여 가스가 유출되는 영역을 추정할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법은 상기 저장층에 가스를 주입하는 도중에 상기 상부투수층의 압력이 기설정된 범위 이상으로 변화되는 경우 상기 덮개암층에 새롭게 균열이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 상부투수층의 압력변화의 크기를 이용하여 상기 압력센서로부터 가스가 유출되는 영역까지의 거리를 탐지할 수 있다.

본 발명을 통해 지중의 저류암에 주입된 가스가 외부로 유출되는지 여부를 상부투수층의 압력변화를 측정함으로써 매우 경제적이면서도 신뢰성있게 탐지할 수 있으며, 가스 유출에 대해 실시간으로 대응할 수 있게 되었다.

또한 본 발명에서는 압력센서에서 압력값을 실시간으로 측정하여 전송함으로써 가스유출이 탐지된 경우 즉각적인 대응이 가능하다는 이점이 있다.

더욱이, 가스주입시점 또는 가스주입의 중단시점으로부터 상부투수층에서 압력변화가 나타나는 시간 간격을 이용하거나, 상부투수층의 압력변화 크기를 이용하여 가스유출이 발생된 영역을 추정할 수 있다는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 호주의 Otway 프로젝트에 사용된 모니터링 기법이 나타나 있는 도표이다.
도 3은 노르웨이의 Sleipner 프로젝트에서의 3D 탄성파 탐사 결과로서, 좌측 끝은 주입 전의 탄성파 탐사 결과이며, 위 쪽은 탄성파 탐사의 2D의 단면(crosssection view)이고, 아래 쪽은 탄성파 탐사의 평면(plane view)을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장시스템의 개략적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법의 실효성을 시험하기 위한 3D 시뮬레이션의 기본 조건을 나타낸 표이다.
도 6은 도 5의 조건에 따른 3D 시뮬레이션의 격자시스템(grid system)과 경계 조건(boundary conditon)을 보여주는 도면이다.
도 7은 가스 유출이 없을 경우의 3D 시뮬레이션에서 20년간 가스를 주입하고 100년간 유지하였을 때의 시간에 따른 가스주입정의 압력변화와 가스주입 누적량을 보여주는 그래프이다.
도 8은 가스유출이 없는 경우(case1), 케이싱의 외벽을 따라 유출이 있는 경우(case2) 및 덮개암층에서의 균열 또는 단층을 통해 유출이 있는 경우(case3)의 3D 시뮬레이션에서 시간에 따른 가스주입정의 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 가스유출이 없는 경우(case1)의 3D 시뮬레이션에서 시간에 따른 가스주입정 및 상부투수층의 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 케이싱의 외벽을 따라 가스유출이 있는 경우(case2)의 3D 시뮬레이션에서 시간에 따른 가스주입정 및 상부투수층의 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 case 3의 3D 시뮬레이션에서 덮개암층에 발생된 균열의 위치와, 수직투과도를 보여주는 도면이다.
도 12는 덮개암층의 균열을 통한 가스유출이 있는 경우(case3)의 3D 시뮬레이션에서 시간에 따른 가스주입정 및 상부투수층의 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 가스유출이 없는 경우(case1), 케이싱의 외벽을 따라 유출이 있는 경우(case2) 및 덮개암층에서의 균열을 통해 유출이 있는 경우(case3)의 3D 시뮬레이션에서 시간에 따른 상부투수층의 압력변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 가스 유출이 발생되는 지역의 거리차와 압력변화가 나타나는 시간 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 가스 저장시스템(200)의 개략적 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장시스템 및 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장시스템의 개략적 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 가스 저장시스템(100)은 기본적으로 육상 또는 해양 지중에 이산화탄소 등의 가스를 저장하기 위한 것으로서, 가스의 저장을 위해서는 특수한 지질구조가 요구된다.

즉, 가스 저장을 위해서는 저장층(10)과 덮개암층(20)이 필요하다. 저장층(10)은 가스가 주입 및 저장되는 곳으로서, 다공성 및 투수성을 가지는 암질로 이루어져야 하며, 모래, 사암, 장석질 사암 등의 퇴적암층이 이에 해당된다. 석유나 천연가스가 매장되어 있는 저류암이 저장층과 동일한 조건을 가지고 있는 바, 개발이 완료된 유전이나 가스전을 저장층으로 사용한다. 마찬가지의 구조로 지하수가 암석의 공극에 포화되어 있는 대수층도 저장층으로 사용된다.

가스 저장의 원리를 보다 구체적으로 설명하면, 다공성 암질로 이루어진 저장층(10) 내의 미세한 공극들은 석유나 천연가스 같은 탄화수소 EH는 물과 같은 유체로 포화되어 있는데, 이산화탄소 등의 가스를 고압으로 저장층(10)에 주입하면 가스가 공극 내의 유체를 밀어내면서 저장층의 공극에 충전되면서 저장되는 것이다. 또한 저장층(10)은 지하의 심부, 대략 800m 정도의 심도를 가지고 있어야 고압으로 가스를 주입 및 저장할 수 있다.

그리고, 저장층(10)에 저장된 가스가 저장층(10)으로부터 유출되는 것을 방지하기 위해서는, 유전이나 가스전과 마찬가지로 저장층(10)의 상부에 불투수성(공극률과 투수율이 극히 낮음)의 암질로 이루어진 덮개암층(20, cap rock)이 존재하여야 한다. 유전이나 가스전의 덮개암층은 대부분이 셰일층으로 형성되어 있다.

상기한 바와 같이, 가스를 저장하기 위해서는 투수성의 저장층(10)과 저장층(10) 상부에 불투수성의 덮개암층(20)이 존재하면 되지만, 본 발명에서는 저장층(10)에 주입된 가스가 덮개암층(20)의 균열 또는 가스주입정(w)의 케이싱(50) 외벽을 따라 상부로 유출되는지 여부를 확인하는 것을 주요 목적으로 하는 바 별도의 지층구조가 요청된다. 즉, 덮개암층(20) 상부에 다시 사암과 같은 다공성 및 투수성 암질로된 상부투수층(30)이 존재해야 한다.

구체적으로 설명하면 덮개암층(20)에 균열이 발생했거나, 후술할 가스주입정(w)의 케이싱(50) 외벽과 덮개암층(20) 사이에 틈새가 생긴 경우, 가스 또는 가스에 의하여 밀려난 유체가 이동하면서 상부투수층(30)의 압력을 변화시킨다.

본 발명에서는 상부투수층(30)의 압력을 측정하여 저장층(10)으로부터 상부투수층으로의 가스 유출 가능성을 탐지할 수 있다는 데에 기술적으로 착안하였다.

상기한 구성의 지질구조를 조건으로 가스를 주입하기 위한 가스주입정(w)을 형성한다. 가스주입정(w)은 지상에서부터 저장층(10)까지 시추하여 형성한다. 가스주입정(w)에는 케이싱(50)을 삽입한다. 케이싱(50)은 중공형의 관상으로 가스주입정(w)에 삽입한 후, 케이싱(50)의 외벽과 가스주입정(w)의 내벽 사이에는 몰탈 등 실링재(51)로 충전하여 저장층(10)과 덮개암층(20) 사이 및 덮개암층(20)과 상부투수층(30) 사이가 완전히 밀폐되도록 한다. 개발완료된 유전이나 가스전의 경우 이미 시추공이 형성되어 있으므로, 시추공을 가스주입정(w)로 재활용할 수도 있다.

그리고 가스주입정(w)에는 이산화탄소 등 가스를 가이드하기 위한 튜빙(52)이 마련된다. 튜빙(52)은 지상으로부터 가스주입정(w)을 따라 삽입되며, 튜빙(52)의 하단부는 저장층(10)이 위치한 심도에 배치된다. 케이싱(50)의 하단부에는 둘레방향을 따라 복수의 가스주입공(55)이 형성된다. 튜빙(52)에서 배출된 고압의 가스는 케이싱(50) 및 실링재(51)를 관통하여 형성되는 가스주입공(55)을 통해 저장층(10)으로 주입된다.

그리고 튜빙(52)의 하단부와 케이싱(50) 사이에는 팩커(53,packer)가 끼워짐으로써 케이싱(50)의 하단부의 가스가 주입되는 영역과 그 위쪽의 상부영역을 상호 분리, 밀폐시킨다.

한편, 케이싱(50)의 전체 영역 중 상부투수층(30)과 동일한 심도에 배치된 영역에는 케이싱(50)의 둘레방향을 따라 복수의 관측공(57)이 천공된다. 이 관측공(57)은 케이싱(50)과 실링재(51)를 관통하여 형성됨으로써, 상부투수층(30)과 케이싱(50)의 내측을 상호 연통되게 한다. 그리고 관측공(57)의 상하 양측으로는 케이싱(50)의 내벽과 튜빙(52)의 외면 사이에 고리형의 팩커(58,59)가 끼워짐으로써 관측공(57)이 형성된 영역의 케이싱(50) 내부가 격리 및 밀폐되도록 한다. 이 밀폐된 영역은 상부투수층(30)의 심도 범위 내에 배치된다.

팩커(58,59)에 의하여 밀폐된 영역에는 압력센서(60)가 배치된다. 압력센서(60)은 유선 또는 무선을 통해 지상의 콘트롤러와 교신할 수 있도록 설치된다. 이 압력센서(60)는 관측공(57)을 통해 전달되는 상부투수층(30)의 압력을 탐지하는 역할을 한다. 즉, 압력센서(60)가 배치된 공간은 팩커(58,59)들에 의하여 밀폐되고, 단지 관측공(57)을 통해 상부투수층(30)하고만 연통되어 있으므로, 압력센서(60)는 상부투수층(30)의 압력변화를 탐지할 수 있다.

저장층(10)으로부터 유출된 가스는 덮개암층(20)을 거쳐 상부투수층(30)의 공극(물로 채워져 있음)으로 유입되면, 가스의 유입에 의한 압력이 공극 내의 매질을 통해 상부투수층(30) 전체로 전달되게 된다. 압력센서(60)는 상부투수층(30)의 압력변화를 탐지하게 되고 이를 통해 저장층(10)의 가스가 유출되고 있다는 것을 알 수 있다.

특히 압력은 유체(주입된 가스 또는 공극 내 포화되어 있던 탄화수소나 물 등의 유체)의 실질적 이동 없이도 상부투수층(30) 전체에 빠른 속도로 전파되는 특성이 있다. 즉, 유체의 유입에 따른 상부투수층의 압력변화는 유체의 실질적 이동 시간에 비하면 거의 즉각적으로 탐지가 가능하므로 가스 유출 모니터링 수단으로 매우 우수하게 기능할 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 지중 가스 저장시스템(100)과 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법의 운용예에 대하여 설명한다.

우선, 가스가 유출되는 위치에 따른 상부투수층(30)에서의 압력변화 사이의 상관성을 통해 본 발명에서는 가스가 유출되는 영역을 측정할 수 있다. 즉, 가스가 유출된 영역이 압력센서(60)와 근거리에 있는 경우 원거리에 있는 경우에 비하여 압력전달시간이 짧다. 역으로 가스유출영역이 압력센서로부터 원거리에 있으면 압력전달시간이 상대적으로 길다.

이러한 점에 착안하여, 본 발명에서는 가스를 저장층(10)에 주입하는 시점으로부터 상부투수층(30)의 압력이 상승하는 시점까지의 시간을 측정하여 이 시간을 이용하여 유출이 발생된 거리를 역추할 수 있다. 대략 압력센서(60)을 중심점으로 동심원을 따라 유출발생지역을 추정할 수 있다.

특히, 지중 가스 저장시스템(100)에서는 케이싱(50)의 외벽을 통한 유출이 예측된다. 여기서, 케이싱(50)의 외벽을 따라 가스가 유출된다고 하는 것의 의미는, 실링재(51)의 외벽과 가스주입정(w)의 내면 사이를 통한 유출을 의미하는 것이 일반적이지만, 케이싱(50)의 외벽과 실링재(51)의 내면 사이와 실링재(52)의 균열을 통해 상부투수층으로 유출되는 경우와, 케이싱(50)과 실링재(52)에 모두 균열이 있어 상부투수층(30)으로 유출되는 경우도 포함될 수 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 케이싱(50)의 외벽을 통해 유출이 있는 경우 압력센서(60)와 최근거리에 있기 때문에 상부투수층(30)의 압력은 거의 즉각적으로 상승한다. 이에 본 발명에서는 저장층(10)으로 가스를 주입한 시점부터 기설정된 시간 이내에 상부투수층(30)의 압력이 상승하는 경우 케이싱(50)의 외벽을 따라 유출이 발생했다고 판단할 수 있다.

그리고 일반적으로는 가스주입시점으로부터 상부투수층(30)의 압력이 상승하는 시점까지의 시간을 통해 가스유출지역을 예측한다. 거리와 압력변화시점 사이의 상관성을 정량화하기에는 많은 변수가 있다. 상부투수층(30)의 공극률, 투수율, 그리고 저장층과 상부투수층의 경계조건, 가스주입압력 등에 따라 압력변화시점이 달라질 수 있다.

한편, 가스를 주입하기 시작한 후 일정 시간이 경과하면 시간에 따라 압력의 변화가 없는 정상상태에 이르게 된다. 즉, 가스유출이 있는 경우라고 하더라도 가스를 주입하기 시작한 시점에 상부투수층(30)의 압력상승이 발생하고 나면 시간의 경과에 따라 압력변화가 없이 일정하게 유지된다.

이렇게 정상상태를 유지하는 가운데에 갑자기 상부투수층(30)의 압력이 상승한다면 이는 새롭게 가스유출이 발생되었다는 것으로 판단할 수 있다. 정상상태가 해제되는 것은 덮개암층(20) 등에 새롭게 균열이 발생하였거나 케이싱(50) 외벽을 따라 가스유출이 발생하여 상부투수층(30)으로 저장층 내의 유체가 유입되었다고 볼 수 있기 때문이다.

다만, 가스 주입을 시작한 후 정상상태를 유지하고 있는 경우라도 일정 범위 내에서는 압력변화가 있을 수 있으므로, 본 발명에서는 일정한 범위 내에서의 압력변화는 필터링하고 일정 범위를 초과하는 압력상승시에만 새롭게 균열이 발생한 것으로 판단한다.

또한, 상기 저장층(10)에 가스주입을 중단하게 되면 정상상태가 해제되면서 상부투수층(30)으로의 유체유입도 줄어들게 된다. 이에 가스주입을 중단한 시점으로부터 상부투수층(30)의 압력이 하강한 시점까지의 시간 사이의 상관성을 이용하여 가스유출 발생지역을 유추할 수 있다.

이 경우에도 가스를 주입하는 경우와 마찬가지로 가스주입을 중단한 시점으로부터 상부투수층(30)의 압력하강이 기설정된 시간 내에 일어나는 경우 케이싱(50) 외벽을 따라 가스유출이 발생하고 있는 것으로 판단할 수 있을 것이다. 그리고, 일반적으로는 압력하강이 탐지된 시간과 압력센서(60)로부터 가스유출이 발생한 지점까지의 거리는 비례관계에 있으므로, 시간이 길어짐에 따라 압력센서(60)를 중심점으로하여 반경을 넓혀가며 동심원 영역으로 유출지역을 예측할 수 있다.

한편, 압력변화가 탐지되는 시점이 아니라 압력변화의 크기로도 가스유출 지역을 예측할 수 있다. 즉, 동일한 압력으로 가스를 주입함에도 가스유출 발생지역이 압력센서(60)로부터 근거리인 경우가 원거리인 경우에 비해서 상부투수층(30)의 압력변화가 크게 일어난다. 압력은 전방위적으로 전달되므로 원거리에서 압력이 전달되면 근거리인 경우에 비하여 압력의 손실이 커지며, 그 전달 경로상에서 주변의 조건에 영향을 받아 압력의 손실이 수반되기 때문이다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 상부투수층(30)에서 압력변화가 탐지되는 시간 및 압력변화의 크기를 이용하여 가스유출이 발생된 지점을 예측 및 판단할 수 있다. 다만, 정확히 정량적으로 위치와 거리를 판단하는 것은 주변의 조건들이 고려되어야 가능하겠지만, 본 발명을 통해 정량적 측정의 기초가 마련될 수 있다.

본 발명에서 케이싱의 외벽을 통한 유츨이나 덮개암층의 균열 또는 단층에 의하여 가스가 유출된다고 설명하였는데, 여기서 가스가 유출된다는 의미는 저장을 위해 주입된 가스가 저장층으로부터 덮개암층을 거쳐 상부투수층으로 직접적으로 유출되는 것을 의미하기도 하지만, 주입된 가스가 균열이 발생된 영역까지 도달되는 데에는 일정 기간이 소모되기 때문에 저장층의 공극에 채워져 있던 기존의 유체(천연가스, 석유, 물 등의 유체)가 덮개암을 거쳐 상부투수층으로 유출되는 것을 의미하기도 한다.

저류층 시뮬레이션을 통해 본 발명의 타당성을 확인하였다. CO₂ 격리 시뮬레이션은 캐나다 CMG(Computer Modeling Group) 회사에서 개발한 다상 다성분 모델인 GEM을 활용하였다. 대염수층 시스템의 입력자료 및 격자 시스템은 도 5의 표에 정리된 바와 같다. 기본적인 지질조건은 Lee et al.(2010)이 발표(Lee, J. H. , Park, Y. C. , Sung, W. M. and Lee, Y. S.(2010) 'A Simulation of a Trap Mechanism for the Sequestration of CO2 into Gorae V Aquifer, Korea', Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 32: 9, pp796-808)한 저류층(저장층)을 기본으로 격자수는 70×70×24개로 총 117,660개이며, 가스주입정의 숫자는 1개로 설정하였다. Lee의 연구는 실제 저류층을 대상으로 하였으나 대상 저류층이 CO₂ 저장에 좋지 않은 특징을 가지므로 대상 지층의 공극률과 투수율을 각각 20%와 100 md로 설정하였다. 상부투수층으로의 누출에 결정적 영향을 미치는 수직 투과도는 수평투과도의 1/10인 10 md(millidracy)로 하였으며 상대투수율(relative permeability)의 이력현상은 무시하였다.

도 6은 본 시뮬레이션에서 사용한 격자시스템(grid system)으로 숫자는 각 셀의 Top depth(지표면으로부터의 심도)를 나타내고 있다. 경계조건(boundary condition)은 하단부 및 우측면에 단층이 존재하여 주입된 CO₂가 단층방향으로 유출되지 않도록 닫힌 경계조건으로 설정하였고, 이 외의 경계면은 대 염수층과 접해 있는 조건으로 설정하여 유출이 가능한 조건으로 설정하였다.

압력 모니터링의 효용성을 살펴보기 위한 CO₂ 저장 시뮬레이션은 다음의 3가지 시나리오로 수행하였다. 먼저 기준조건으로 상부층으로의 누출이 없는 경우를 case1로 선정하였다. case1에서의 가스주입정의 압력과 가스주입률(injection rate) 등을 결정하고 상부투수층에서의 압력을 관측하였다.

case 2는 주입위치에서 상부층으로 이동하는 가장 짧은 경로인 케이싱의 외벽을 통한 누출을 가정하여 덮개암층 격자들 중 하나가(35, 37, 13) 투수성이라고 가정하였다.

case 3은 가스주입정에서 비교적 원거리에 있는 덮개암층 균열을 통한 누출을 가정하였다. 즉 수평방향으로 3.2 km, 수직방향으로 391 m 떨어진 위치에 균열(35, 69, 13)를 통해 누출이 일어나는 경우이다. 가스주입정에서 압력센서가 있는 상부투수층 모니터링 위치까지의 거리는 6km 이상 떨어진 것이다. 이에 비해 case 2는 수직방향으로 50 m 정도 거리차이만 있다.

CO₂ 주입량은 하루 652,214m³(1233톤)으로 20년간 총 900만 톤을 주입하는 경우를 가정하였다. 500 MWe급 화력발전소에서 연간 배출하는 CO₂의 양이 약 300만 톤 정도임을 가정할 때 매우 작은 양이라 할 수 있다. 그러나 본 시뮬레이션의 목적이 상부투수층으로의 누출을 압력으로 모니터링 할 수 있는지를 확인하는 것이므로 양의 대소는 문제가 되지 않는다. 오히려 적은 양의 가스를 주입하는 경우에도 압력변화 탐지가 가능한지를 살펴볼 필요가 있다.

도 7은 case1에서의 가스주입정의 저장층에서의 압력(이하 'BHP'라 함, bottom hole pressure)과 누적 주입량을 나타낸 것이다.

상부투수층으로의 누출 가능 여부에 따른 가스주입정에서의 BHP를 도 8에 도시하였다. 상부투수층으로의 누출이 전혀 없는 case1이 가장 높게 나타났으며 케이싱을 통한 누출이 있는 case2가 가장 낮게 나타났다. 덮개암층 균열을 통한 누출이 있는 case3은 그 중간 정도로 나타났는데 주입위치 바로 수직 상부로 누출되는 경우에는 누출경로가 약 50 m 정도인데 비해 case3의 덮개암층 균열은 가스주입정으로부터 6킬로 정도 떨어진 원거리에 위치하고 있기 때문으로 판단된다.

케이싱 또는 균열을 통한 CO₂의 정량적 누출량에 대한 참고자료가 거의 없는 실정으로 본 시뮬레이션에서는 케이싱과 원거리 균열 모두 해당 격자의 수직 투과도를 10 md로 설정하는 것으로 누출을 모사하였다.

도 9와 도 10의 그래프는 case 1과 case 2에서 가스주입전의 BHP의 변화량 및 상부투수층(압력센서가 위치된 지점에서 측정)의 압력변화량이 나타나 있다.

누출이 없는 경우인 case1은 CO₂ 주입이 상부투수층 압력에 미치는 영향이 거의 없다는 것을 보여주고 있다. 이에 비해 케이싱을 통한 누출이 있는 case2에서는 가스주입과 동시에 상부투수층에서의 압력도 크게 높아지는 것을 확인할 수 있다. 도 10에서 가스주입 초기 이후 주입 중단까지 가스주입정에서의 최고 압력 차이는 폐정 시점인 7300일로 981.2 kPa이며, 이때 상부투수층에서의 압력 차이는 495.3 kPa로 가스주입정 바닥부의 압력차이의 50% 수준에 이르렀다.

위 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 가스누출이 있는 경우와 없는 경우에서 상부투수층에서의 압력차이가 확연히 나타남을 확인하였으며, 이는 상부투수층에서의 압력측정이 가스 누출 탐지 또는 누출 표지인자로써의 역할을 충분히 수행할 수 있다는 것을 입증했다고 할 것이다.

case2에서 실제 상부투수층으로 CO₂가 이동되는 것은 가스주입 이후 40일 경과한 시점으로 예상되지만, 압력은 주입과 거의 동시에 증가하였으며, 상부투수층에서 그 변화를 쉽게 탐지할 수 있었다.

앞에서 설명한 바와 같이 case3은 원거리 덮개암층 균열 또는 단층을 통한 누출을 가정하였다. 도 11과 같이 가스주입정으로부터 수평으로 3200m, 수직방향으로는 391m 상부의 덮개암층에 균열이 있다고 가정하였다. 또한 도 11에는 저장층과 덮개암층 및 상부투수층의 수직투과도가 표시되어 있다. 덮개암층은 파란색으로 표시되어 투수율이 0인 상태이며, 저장층과 상부투수층은 빨간색으로 표시되어 투수율이 매우 높다. 유출이 발생된 지점에서는 덮개암층의 투과도가 파란색이 아닌 빨간색으로 표시되어 균열이 발생했다는 것을 보여준다.

도 12에는 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. BHP의 압력차는 699.2kPa로 나타나 case2에 비해 높게 나타났으나 case1에 비해서는 낮게 나타났다. 상부투수층에서의 압력차는 최대 130.6 kPa로 나타나 case2에 비해서는 낮은 값을 나타냈다.

또한 도 12를 참조하면, case3에서 CO₂가 실제 이동하여 상부투수층에 도달하는 시기는 12,400일이 흐른 34년 후로 판단되지만, 압력은 이미 그 전에 반응하고 있음을 알 수 있고 그 정점도 주입이 종료되는 7300일 근처로 상부투수층에서의 압력 측정을 통해 누출 가능성을 탐지할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 13과 같이, case1~case3의 상부투수층에서의 압력측정치를 동시에 도시하면 더욱 분명해 진다. 즉 거리에 따라 압력반응이 달라지지만 가스주입정을 활용하여 상부투수층에서 압력 모니터링을 수행할 경우 CO₂ 누출 가능성을 사전에 차단할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 case3의 유출경로는 case2에 비해 3킬로 이상 멀리 떨어져 있다. 도 14는 이러한 거리 차이가 압력 변화의 크기뿐만 아니라 도달 시간에도 영향을 미치고 있음을 보여주고 있다. 도 14의 그래프를 참조하면, 가스주입정 케이싱을 통한 유출인 경우 주입 이후 매우 빠르게 압력상승이 확인되지만, case 3과 같이 원거리 유출인 경우에는 상대적으로 뒤늦게 압력이 상승하고 있다. 즉, 정량적인 위치파악은 현 단계에서는 한계가 있지만, history matching 등을 활용하면 본 발명을 통해 개략적 가스유출 위치 파악 또는 정성적 위치 추정에 가능하다는 것을 확인하였다.

상기한 시뮬레이션 결과에서 확인한 바와 같이, 가스 지중 저장시스템에서 저장층으로부터 가스가 누출되는지 여부는 덮개암층 상부에 배치된 상부투수층의 압력변화를 통해 탐지할 수 있다는 것을 확인하였다.

즉 본 발명에 따른 방법을 통해, 가스유출 여부가 직접적으로 탐지되며, 압력센서에서는 압력값을 실시간으로 측정하여 전송함으로써 가스유출이 탐지된 경우 즉각적인 대응이 가능하다.

더욱이, 가스주입시점 또는 가스주입의 중단시점으로부터 상부투수층에서 압력변화가 나타나는 시간 간격을 이용하거나, 상부투수층의 압력변화 크기를 이용하여 가스유출이 발생된 영역을 추정할 수 있다.

즉 본 발명을 통해 가스가 통제가능한 위치에 머물러 있으며 외부로 유출되는지 여부를 경제적이면서도 신뢰성있게 탐지할 수 있는 기초가 마련되었다고 할 수 있으며, 가스 유출에 대해 실시간으로 대응할 수 있게 되었다는데 큰 의미가 있다고 할 것이다.

이상에서 압력센서는 가스주입정을 통해서 설치되는 것으로 설명 및 도시하였지만, 반드시 가스주입정을 통해서 설치할 필요는 없으며 도 15에 도시한 실시예(200)와 같이 가스주입정과는 별도의 관측정을 천공하여 상부투수층의 압력변화를 측정할 수도 있다. 도 15에 도시된 실시예에서는 가스주입정과는 별도 관측정(90)을 별도로 시추하고 이 관측정(90)에 압력센서(60)를 설치하였다는 점 이외에 다른 모든 구성요소는 앞에서 설명한 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100,200 ... 지중 가스 저장시스템 10 ... 저장층
20 ... 덮개암층 30 ... 상부투수층
50 ... 케이싱 51 ... 실링재
52 ... 튜빙 53,58,59 ... 팩커
55 ... 가스주입공 57 ... 관측공
60 ... 압력센서 90 ... 관측정
w ... 가스주입정

Claims

육지 또는 해양 지중에 투수성의 암질로 형성된 저장층과, 상기 저장층 상부에 형성된 불투수성의 덮개암층 및 상기 덮개암층의 상부에 투수성 암질로 형성된 상부투수층을 가지는 지질구조에서,
지상으로부터 상기 저장층까지 가스주입정을 시추하여 상기 가스주입정을 통해 상기 저장층에 가스를 주입 및 저장하는 지중 가스 저장시스템의 저장층으로부터 가스가 유출되는지를 탐지하기 위한 방법으로서,
상기 상부투수층에 설치한 압력센서를 통해 상기 상부투수층의 압력의 변화를 측정하여 상기 저장층으로부터의 가스 유출을 탐지하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 가스주입정 내에서 상기 상부투수층과 동일한 심도에 상기 상부투수층의 압력을 측정하는 압력센서를 설치하고,
상기 가스주입정에서 상기 압력센서가 설치된 영역의 상측과 하측은 각각 밀폐시켜 상기 압력센서는 상기 상부투수층과만 연통되도록 실링하여 상기 상부투수층의 압력변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 가스주입정과는 별도로 지상으로부터 상기 상부투수층까지 관측정을 천공하여 상기 압력센서를 설치하여 상기 상부투수층의 압력변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 저장층에 가스를 주입한 후 기설정된 시간 내에 상기 상부투수층의 압력이 상승하는 경우 상기 가스주입정의 케이싱 외벽을 통해 상기 저장층의 가스가 상부로 유출되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 저장층에 가스를 주입한 후 상기 상부투수층의 압력이 상승하는 경우 상기 저장층에 가스가 주입되기 시작한 시점으로부터 상기 상부투수층의 압력이 상승한 시점까지의 시간을 이용하여 가스가 유출되는 영역을 탐지하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 저장층에 가스를 주입하는 도중에 상기 상부투수층의 압력이 기설정된 범위 이상으로 변화되는 경우 상기 덮개암층에 새롭게 균열이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 저장층에 가스의 주입을 중단한 후 기설정된 시간 내에 상기 상부투수층의 압력이 하강하는 경우 상기 가스주입정의 케이싱 외벽을 통해 상기 저장층의 가스가 상부로 유출되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 저장층에 가스의 주입을 중단한 후 상기 상부투수층의 압력이 하강하는 경우 상기 저장층에 가스의 주입을 중단한 시점으로부터 상기 상부투수층의 압력이 하강한 시점까지의 시간을 이용하여 가스가 유출되는 영역을 탐지하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
제1항에 있어서,
상기 상부투수층의 압력변화의 크기를 이용하여 상기 압력센서로부터 가스가 유출되는 영역까지의 거리를 탐지하는 것을 특징으로 하는 압력 모니터링에 의한 지중 가스 저장층에서의 가스유출 탐지방법.
육상 또는 해양 지중에 투수성의 암질로 형성된 저장층과, 상기 저장층 상부에 형성된 불투수성의 덮개암층 및 상기 덮개암층의 상부에 투수성 암질로 형성된 상부투수층을 가지는 지층구조;
지상으로부터 상기 저장층까지 시추된 가스주입정의 내벽에 끼워지며, 상기 저장층과 동일한 심도에 배치된 부분에는 둘레방향을 따라 다수의 가스주입공이 천공되어 있는 중공형의 케이싱; 및
상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치되어 상기 상부투수층의 압력을 탐지하는 압력센서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 지중 가스 저장시스템.
제10항에 있어서,
상기 압력센서는 상기 케이싱의 내부를 통해 상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치되며,
상기 케이싱에는 상기 상부투수층과 동일한 심도에 배치된 부분에 둘레방향을 따라 다수의 관측공이 천공되어 상기 압력센서와 상기 상부투수층이 연통되는 것을 특징으로 하는 지중 가스 저장시스템.