KR102468397B1 - 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법에 관한 것이다. 본 발명은 공극률값을 알고 있는 교정용 표준블럭을 공극률값에 따라 복수 개 마련하고, 표준블럭에 시추공을 형성하는 단계; 하나의 검출기가 구비된 중성자검층 존데를 표준블럭의 시추공에 삽입하여 중성자검층을 수행하여 중성자검층값을 확보하는 단계; 중성자검층값을 X축으로, 표준블럭의 실제 공극률값을 Y축으로 하여 중성자검층값과 실제 공극률값을 상호 대응시키는 단계; 및 중성자검층값과 실제 공극률값 사이의 관계식을 도출하는 단계;를 구비한다.

Description

지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법{CALIBRATION METHOD OF SINGLE-DETECTOR NEUTRON LOGGING TOOL TO DETERMINE SUBSURFACE POROSITY}
본 발명은 지하의 물리적, 화학적 성질을 탐지하기 위한 물리탐사 및 물리검층 기술에 관한 것으로서, 특히 중성자검층을 이용하여 지층의 공극률을 탐지하는 기술에 관한 것이다.
물리검층(geophysical well logging)은 조사 대상이 되는 지층에 굴착한 시추공에 검층기(존데, sonde)를 삽입하여 온도, 압력, 밀도, 공극률, 수포화도, 전기비저항 등 암석의 물리적 성질을 파악하여 지층의 상태를 탐지하는 기술을 말한다. 물리검층은 석유, 가스 등 에너지 자원의 매장량, 생산성 등을 파악하기 위한 것으로부터 출발하였지만, 현재에는 지하수, 이산화탄소 처분, 광물자원 탐사, 엔지니어링 분야 등으로 그 적용범위가 계속 확대되고 있다.
지층의 공극률은 지층의 단위 부피에 대한 공극의 부피 비로 정의되며, 석유, 가스, 지하수는 지층의 공극 내에 저류되어 있으므로 지층의 공극률 조사는 물리검층에서 매우 중요하다. 지층의 공극률 범위는 매우 넓으며 석회암과 돌로마이트와 같은 치밀한 탄산염, 암염, 석고 등에는 공극이 거의 없는 반면, 사암의 공극률은 10~15%, 세일이나 점토의 공극률은 40% 이상이다.
지층의 공극률을 조사하기 위한 물리검층은 음파검층(sonic log), 밀도검층(density log), 중성자검층(neutron log)이 대표적이며, 유효 공극률 측정에는 자기공명법(Nuclear magnetic resonance)이 사용되기도 한다.
도 1에는 중성자검층에 사용하는 존데가 도시되어 있다.
도 1을 참고하면 일반적으로 중성자검층용 존데는 중성자를 지층으로 방출하는 선원으로 화학선원인 241Am-Be(Americium-Beryllium)을 사용한다. 중성자는 지층을 통과하면서 에너지 감쇠(slowing down)되어 평균적으로 0.025 eV의 열중성자(thermal neutron)로 바뀌고 최종적으로는 다른 원자핵에 포섭된다. 중성자검층에서는 열중성자를 검출하여 공극률을 추정하는 것인데, 존데에는 보통 2개의 열중성자 검출기(detector)를 구비한다. 그러나 2개의 검출기를 이용하는 이중중성자검층(dual detector neutron logging)은 선원의 세기도 크고 존데의 지름도 60 mm로 현장 적용성에 제한이 있는 경우가 많다.
하나의 검출기만 이용하는 존데는 2개 이상의 검출기를 가진 존데 보다 지름이 작아 현장 적용성에서 장점이 크지만, 검출 결과를 공극률로 환산하는데 있어서 어려움이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 단일중성자검층기의 검층 결과를 지층의 공극률로 환산하여 제시하기 위한 일련의 방법을 제공하기 위한 것이며, 특히 단일 중성자검층기를 교정하는 방법을 제시하는데 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법은, (a)공극률값을 알고 있는 교정용 표준블럭을 공극률값에 따라 복수 개 마련하고, 상기 표준블럭에 시추공을 형성하는 단계; (b)하나의 검출기가 구비된 중성자검층 존데를 상기 표준블럭의 시추공에 삽입하여 중성자검층을 수행하여 중성자검층값을 확보하는 단계; (c)상기 중성자검층값을 X축으로, 상기 표준블럭의 실제 공극률값을 Y축으로 하여 상기 중성자검층값과 실제 공극률값을 상호 대응시키는 단계; 및 (d)상기 중성자검층값이 실제 공극률값 사이의 관계식을 도출하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.
상기 교정용 표준블럭은 공극률이 0%인 블럭으로서 알루미늄블럭을 포함하며, 공극률이 100%인 블럭으로 물로 채워진 탱크를 사용할 수 있다. 또한 상기 교정용 표준블럭은 골재와 시멘트를 배합하여 공극률을 임의로 조절한 투수블럭(porous media)을 사용할 수 있으며, 특히 공극률을 35% 이상으로 형성한 투수블럭을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 예에서, 상기 교정용 표준블럭의 실제 공극률값은 상기 표준블럭으로부터 코어를 취득하여 코어 시험을 통해 획득할 수 있다.
본 발명에서는 단일중성자검층을 통해 획득한 계수율값과 실제 공극률 사이의 대응 관계를 도출하기 위한 방법을 제공한다. 즉 단일중성자검층값을 실제 공극률에 대응시키기 위한 교정방법을 제공한다. 실제 암석은 물론 인위적으로 공극률을 조절한 표준블럭을 이용하여 실제 공극률과 중성자검층값 사이의 대응관계를 도출함으로써, 단일중성자검층을 통한 공극률 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 중성자검층을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법의 개략적 흐름도이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 실제 표준블럭들에 대한 사진이다.
도 4는 교정블럭을 설치하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 5는 시멘트, 골재 및 물을 배합하여 투수블럭을 설치하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 6은 중성자검층값과 실제 공극률 사이의 관계식을 도출하기 위한 그래프를 나타낸 것이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법(이하 '단일중성자검층장비 교정방법'이라 함)에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위하여, 중성자검층의 원리에 대하여 먼저 설명한다.
도 1을 참고하면, 시추공(borehole)에서 수행하는 중성자검층은 존데(sonde(tool))를 케이블(미도시)에 매달아서 시추공에 삽입하여 하강시킨다. 존데의 하단에 배치된 중성자선원(neutron source)에서는 높은 에너지의 고속중성자(fast neutron)가 방사된다.
고속중성자가 매질을 통과할 때 매질 내 원자핵과 탄성 충돌하면서 에너지를 잃게 되어 고온열중성자(epi-thermal neutron, 0.1~100eV)가 되며 에너지를 좀 더 잃게 되면 열중성자(thermal neutron, 0.001~0.1eV)가 된다. 이 열중성자는 원자핵에 포획될 수 있으며, 이 열중성자를 포획한 원자는 원자 고유의 감마선을 방출하게 된다.
중성자는 수소 원자와 같은 중량을 갖는 전기적으로 중성 입자로서 위에서 설명한 바와 같이 지층 물질의 핵종과 충돌하여 에너지를 잃게 된다. 여기서 중요한 점은 충돌 당 에너지 손실 양은 중성자가 충돌하는 핵의 상대적 질량에 따라 좌우된다는 점이다. 즉 중성자와 같은 질량의 핵(수소의 핵)과 충돌할 때 에너지를 중ㅎ서가장 많이 잃게 되며, 무거운 원소의 핵과 충돌할 때에는 중성자의 에너지 감소에 영향을 주지 않는다. 따라서 중성자가 방출된 지층(중성자검층 영역)에 수소가 많이 포함될수록 고속중성자는 빠르게 열중성자로 변한 후 다른 지층물질의 핵종에 포섭되어 버리고, 수소를 포함하지 않는 지층에서는 고속중성자 상태로 계속 이동하게 된다.
중성자검층을 통한 공극률 측정의 원리는 아래와 같다.
중성자검층의 검출기(detector)에서는 열중성자(0.025eV)보다 높은 에너지를 가지는 고열중성자(0.4eV 이상)의 개수를 검출하여 계수율(CPS, count per second)로 나타낸다. 수소가 많이 포함된 지층에서는 검출기에서 고열중성자의 검출율(계수율)이 낮고, 수소가 많이 포함되지 않은 지층에서는 고열중성자 검출율이 높다. 지층의 공극은 비어 있는 것이 아니라, 물(H2O)이나 탄화수소(CnHn) 등 수소를 포함하는 물질이 채워져 있다. 따라서 공극이 많이 발달한 영역에서는 고속중성자가 자신과 질량이 비슷한 수소와 충돌하면서 빠르게 열중성자(0.025eV)로 바뀌기 때문에 검출기로 돌아오는 고열중성자(0.4eV)의 개수가 적어서 계수율이 낮다. 반면에 검층 영역에 공극이 없으면 고속중성자는 열중성자로 변화하지 않고 고열중성자 상태를 오래 유지하기 때문에 검출기에서 계수율이 높다.
앞에서도 설명하였듯이, 하나의 검출기를 가진 중성자검층기가 사이즈가 작기 때문에 현장 적용에 매우 유리하다. 그러나 단일 중성자검층기에서 측정된 계수율을 공극률로 환산하는데 어려움이 있었다. 중성자검층을 통한 공극률 측정은 주로복수의 검출기를 가진 형태의 검층기를 사용하였기 때문이다. 더욱이 검층기에서 사용하는 선원의 종류, 검출기의 종류에 따라 계수율과 공극률 사이의 관계가 다르게 나타날 수 있다. 같은 검층기라고 해도 사용 시간이 지남에 따라 선원의 세기도 약해지고, 검출기도 열화되기 때문에 검층기에서 측정된 계수율과 실제 공극률 사이의 대응 관계식도 교정해줄 필요가 있다.
본 발명에서는 상기한 문제를 해결하고자 검층기에서 측정된 계수율과 실제 공극률 사이의 관계식을 교정할 수 있는 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법의 개략적 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에서는 먼저 공극률을 알고 있는 교정용 표준블럭을 마련한다. 공극률이 0%인 블럭부터 100%인 블럭까지 공극률에 따라 복수의 표준블럭을 구비하는 것이 바람직하다. 본 예에서는 공극률 0%인 표준블럭으로서 순수하게 알루미늄으로만 이루어진 블럭을 구비한다. 암석 조직은 공극률이 0%가 없기 때문에 치밀한 금속 조직을 이용하여 공극률 0% 표준블럭을 만들었다. 마찬가지로 공극률이 100%인 암석도 있을 수 없으므로, 본 예에서는 탱크에 물을 채워서 블럭으로 사용하였다. 즉 물탱크를 공극률 100%인 표준블럭으로 사용하였다.
공극률이 0%와 100%인 실제 지층은 없지만 검층 장비에서 측정되는 계수율과 실제 공극률 사이의 관계식을 정교하게 만들기 위해서는 양극점에 대한 데이터가 필요하다.
0%와 100% 사이의 공극률은 지질 환경에 따라 다양한 실제 암석이 존재한다. 본 예에서는 대한민국에서 가장 많이 나타나는 지질 조건을 중심으로 표준블럭을 제작한다. 예컨대 화강암, 석회암, 현무암 등을 이용하여 표준블럭을 만든다. 다만 이러한 주요 암석 블럭들은 공극률이 1~10% 수준이다. 공극률이 10~30% 수준에서는 실제 암석이 별로 없기 때문에 본 예에서는 임의로 공극률을 조절한 표준블럭을 제조한다. 특히 공극률 35% 이상의 블럭은 자연 상태의 암석은 물론 인공적인 비드를 이용해도 제조가 어렵다. 이에 본 예에서는 시멘트, 골재(모래, 자갈) 및 물을 배합 및 경화시켜 가로와 세로를 각각 1.5m, 높이 3m 정도의 투수블럭을 형성하였다. 물, 시멘트, 골재의 배합비율과 형틀의 부피를 조절하여 투수율을 결정하는 방법을 이용하여 공극률 35% 이상으로 형성하였다. 콘크리트 투수블럭 이외에 입자사이즈가 균일한 모래와 글라스비드를 모형 시추공에 채워 넣어서 공극률을 조절할 수도 있다. 참고로, 도 3 내지 도 5에는 표준블럭을 실제 제조한 사진을 나타내었다.
상기한 바와 같이 표준블럭을 만든 후에는 표준블럭의 실제 공극률을 파악하여야 한다. 물론 알루미늄블럭이나 물탱크의 경우 공극률이 0%, 100%로 명확하다. 그러나 화강암, 석회암과 같이 실제 암석블럭은 공극률은 정확하게 파악하여야 한다. 또한 인위적으로 만들었어도 콘크리트 투수블럭의 경우 실제 공극률을 측정할 필요가 있다. 이에 실제 암석블럭이나 투수블럭의 경우 블럭 중앙을 시추하여 샘플 코어를 획득한다. 코어를 획득하기 위한 시추공은 추후 중성자검층기를 삽입하여 측정하는데 사용한다. 참고로 알루미늄블럭이나 비드블럭의 경우에도 중간에 중성자검층기가 삽입될 수 있는 삽입공(시추공)을 형성해 놓는다.
코어를 획득하면 실내 시험(코어시험)을 통해 공극률을 파악한다. 코어시험을 통한 공극률 실측은 다양한 방법이 있는데 이는 공지의 기술인 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이제 단일중성자검층기를 이용하여 표준블럭에 대한 중성자검층을 실시한다. 단일중성자검층기(존데)는 공지의 장비로서 중성자 선원과 하나의 검출기를 구비한다. 존데를 표준블럭의 시추공(물탱크에는 별도의 시추공은 없음)에 삽입하여 중성자검층을 실시하며, 표준블럭별로 계수율값을 확보한다.
상기한 바와 같이, 표준블럭별로 중성자검층을 통한 계수율값과, 실제 공극률값을 확보하면, 도 6의 그래프와 같이 대응 관계를 나타낸다. 즉 X축은 중성자검층값(계수율)으로, Y축은 표준블럭의 실제 공극률값으로 하여 중성자검층값과 실제 공극률값을 상호 대응시킨다. 표준블럭의 개수가 많으면 많을수록 데이터가 많아지기 때문에 중성자검층값과 실제 공극률 사이의 관계를 수학적으로 보다 신뢰도 있게 파악할 수 있다. 따라서 표준블럭이 아니라고 해도, 실제 중성자검층 존데를 이용한 검층 값과 실제 공극률값이 파악되어 있는 데이터가 있다면, 해당 그래프에 함께 나타낸다. 도 6은 표준블럭에 대한 데이터와 함께, 표준블럭은 아니지만 동일한 장비를 이용하여 실제 암석에 대해서 공극률 검층을 하고 실제 공극률을 알고 있는 데이터를 취합한 것이다.
도 6과 같이 데이터를 그래프상에 표시한 후에는 X축 값인 중성자검층값과 Y축 값인 실제 공극률 사이의 경향을 이용하여 관계식을 수학적으로 만들어낸다. 예컨대 최소자승법을 이용하는 등 다양한 방식으로 관계식(도 6의 빨간색 라인)을 만들 수 있다.
관계식이 만들어지면 다양한 암석과 지층에 대한 중성자검층을 수행하여 계수율을 획득하고, 관계식을 이용하여 공극률값으로 환산할 수 있다.
다만, 중성자 검층기의 사용 기간이 길어지면 위와 동일한 방식의 교정을 주기적으로 수행하는 것이 바람직하다. 장비의 상태가 변화하기 때문이다. 표준블럭이 만들어져 있기 때문에 주기적인 교정을 통해 중성자검층을 통한 지층의 공극률 파악의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (6)

  1. (a)공극률값을 알고 있는 교정용 표준블럭을 공극률값에 따라 복수 개 마련하고, 상기 표준블럭에 시추공을 형성하는 단계;
    (b)하나의 검출기가 구비된 중성자검층 존데를 상기 표준블럭의 시추공에 삽입하여 중성자검층을 수행하여 중성자검층값을 확보하는 단계;
    (c)상기 중성자검층값을 X축으로, 상기 표준블럭의 실제 공극률값을 Y축으로 하여 상기 중성자검층값과 실제 공극률값을 상호 대응시키는 단계; 및
    (d)상기 중성자검층값이 실제 공극률값 사이의 관계식을 도출하는 단계;를 구비하며,
    상기 교정용 표준블럭은 골재와 시멘트를 배합하여 공극률을 조절한 투수블럭을 포함하고,
    상기 투수블럭은 공극률이 35% 이상이며,
    상기 교정용 표준블럭의 실제 공극률값은 상기 표준블럭으로부터 코어를 취득하여 코어 시험을 통해 획득하는 것을 특징으로 하는 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교정용 표준블럭은 공극률이 0%인 블럭으로서 알루미늄블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    물이 담겨 있는 탱크를 공극률이 100%인 상기 교정용 표준블럭으로 사용하는 것을 특징으로 하는 지층 공극률 측정을 위한 단일중성자검층 장비의 교정방법.
  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5343041A (en) * 1992-06-25 1994-08-30 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for determining the physical characteristics of a water flow
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