KR20230066683A - 이산화탄소 지중 저장을 위한 주입정 위치선정 및 주입방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 지중 저장 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 지중 저장 방법은 투수계수가 상대적으로 낮은 저류층을 이산화탄소 저장소로 활용할 수 있는 방법을 제공하는데 특징이 있다.
본 발명은 (a)투수율 0.008 ~ 50 mD, 공극률 1.73 ~ 18.97 % 범위를 가지는 저류층과, 저류층 위에 덮개층이 형성되어 있는 지층을 이산화탄소 저장소로 결정하는 단계; 저류층에서 일정 영역을 설정하고 영역에서 저류층의 경사방향 파악을 통해 가장 낮은 지점을 탐지하여 이산화탄소 주입 위치로 선정하는 단계; (c)지상으로부터 주입 위치까지 천공하여 주입정을 형성하는 단계; (d)이산화탄소의 주입성이 향상되도록 저류층이 형성된 방향을 따라 연속적으로 수압파쇄를 실시하여 균열망을 형성하는 단계; 및 (e)주입정을 통해 이산화탄소를 상기 저류층에 주입 및 저장하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

이산화탄소 지중 저장을 위한 주입정 위치선정 및 주입방법{METHOD FOR SELECTING LOCATION OF INJECTION WELL FOR CO2 GEOLOGICAL STORAGE AND INJECTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 온실가스인 이산화탄소를 처리하기 위한 환경기술에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소를 지중의 저류층에 저장하는 기술에 관한 것이다.

지구온난화를 일으키는 온실가스는 메탄, 프레온, 이산화탄소 등 그 종류가 다양하지만, 이산화탄소가 전체 온실가스에서 차지하는 비중이 80%로 가장 크며 유일하게 규제 가능한 가스(controlable gas)이다. 결국 온실가스의 문제는 이산화탄소의 저감에 초점이 맞춰져 있다.

이산화탄소 감축을 위하여 전세계적으로 CCS(Carbon Capture & Storage)에 대한 연구가 활발하게 일어나고 있다. 특히 국제에너지기구(IEA)에 의하면 2050년에는 이산화탄소 감축량 중 19%인 년간 약 92억톤의 이산화탄소를 CCS 기술이 담당해야 하는 것으로 분석되었다. 실증 또는 상용화 규모의 CCS 프로젝트는 현재 전 세계에서 10개 미만이지만, 계획 중인 프로젝트는 약 300개 정도이며, 2050년에는 3500개 이상의 프로젝트가 필요하다는 예측이다.

CCS의 저장분야인 지중저장기술은 발전소 등에서 포집된 이산화탄소를 육상 또는 해저 지하의 심부에 반영구적으로 저장시키는 기술로서 지질학적 환경에 따라 유전, 가스전, 대수층 등이 주요 저장 영역이다. 저장 영역을 결정할 때 가장 중요한 조건으로는 적어도 800m 이상 심부 지역이어야 하며, 저류암(저장층)은 공극률과 투과율이 커야하고 그 상부에는 주입된 이산화탄소가 지상으로 누출되지 않는 불투수층(상부 덮개암)이 존재해야 한다. 저류암으로는 사암층이 가장 적합하며, 덮개암으로는 셰일층이 가장 적합하다.

그러나, 사암층이 양질의 저류층으로 활용되기 위해서는 퇴적분지에 모래입자가 집적되어 있으며 지구조적/열적변성이 없는 상태로 보존되어 있어야 한다. 따라서 현생에서 동일한 크기의 모래입자가 쌓여서 만들어진 연안의 사주나 모래언덕이 CCS의 관점에서는 가장 훌륭한 저류층이 되는 것이다.

또한 셰일이 덮개층으로 작용하기 위해서는 사암층 위에 두껍고 넓게 퇴적되어 있어야 한다. 이러한 지질 구조를 가지기 위해서는 셰일층이 퇴적될 당시에 큰 환경적 변화가 있어야 한다. 예를 들면 연안에 태풍으로 뻘층이 퇴적된다던지 저탁류의 형태로 한번에 많은 양의 퇴적물이 퇴적되어야 한다.

그러나 이러한 지질 구조가 갖춰진 지역 자체가 많지 않을 뿐만 아니라, 저류암과 덮개암이 존재한다고 해도 오랜 기간 동안의 지구조운동과 변성작용으로 인해 이산화탄소의 저장에 적합하지 않은 경우가 대부분이다.

국내 육상분지 내 연간 300만톤 규모로 CO₂를 30년간 주입(약 1억톤)하는 것을 가정하여 지중저장을 실행할 수 있는 대상지층을 찾는 것은 상당히 어려운 일이며, 또한 CO₂의 누출 시 도심지 내 큰 피해를 입힐 수 있으므로 육지에 이산화탄소를 저장하는 것은 바람직하지 않다.

국내의 경우 해상에서 서해(군산분지), 남해(제주분지), 동해(울릉분지)를 이산화탄소 저장소 후보로 거론되고 있지만, 위 지역에서 덮개층이 되는 불수투수성의 셰일층이 넓게 분포하더라도 직하부에 사암층이 없는 경우가 대부분이다. 간혹 사암층이 존재하더라도 주변 단층과 습곡 등의 지구조운동에 영향을 많이 받아 저류층으로 적합하지 않다는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제한된 환경에서 최적의 이산화탄소 저류층을 선정할 수 있는 방법과, 선정된 지역에 이산화탄소를 효과적으로 주입할 수 있는 방법을 제공하는데 그 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 이산화탄소 지중 저장 방법은, (a)투수율 수율은 0.008 ~ 50 mD 범위를 가지는 저류층과, 상기 저류층 위에 덮개층이 형성되어 있는 지층을 이산화탄소 저장소로 결정하는 단계; (b)상기 저류층에서 일정 영역을 설정하고 상기 영역에서 저류층의 경사방향 파악을 통해 가장 낮은 지점을 탐지하여 이산화탄소 주입 위치로 선정하는 단계; (c)지상으로부터 상기 주입 위치까지 천공하여 주입정을 형성하는 단계; (d)이산화탄소의 주입성이 향상되도록 상기 저류층이 형성된 방향을 따라 연속적으로 수압파쇄를 실시하여 균열망을 형성하는 단계; 및 (e)상기 주입정을 통해 이산화탄소를 상기 저류층에 주입 및 저장하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 이산화탄소 저장소로 결정하는 단계에서 해당 영역과 연결된 단층이 있는지를 파악하고, 상기 단층이 활성단층인지를 파악하는 단계를 더 구비하며, 상기 단층이 활성단층이 아닌 경우 이상화탄소 저장소로 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 저류층에서 상기 주입정보다 높은 위치에 생산정을 형성하여 상기 저류층 내 물을 외부로 생산배출하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명의 일 예에서, 상기 저류층이 습곡되어 있는 경우 향사구조의 최저점에 상기 주입정을 형성하고, 상기 주입정 양측의 배사구조의 최고점에 상기 생산정을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 이산화탄소는 초임계 상태의 이산화탄소에 대해서 적용한다.

본 발명에서는 일반적인 저류층에 비하여 투수계수가 낮은 지층을 이산화탄소 저장소로 활용하기 위한 방법을 제시한다.

저류층이 다양한 지각활동을 통해 단층, 습곡된 경우에 이산화탄소의 주입 효율이 가장 우수한 지점을 선정할 수 있다.

저류층의 연장방향을 따라 연속적으로 수압파쇄를 실시하여 저류층 전역에 균열망을 형성함으로써 이산화탄소의 주입 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 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 이산화탄소 지중 저장 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 이산화탄소 지중 저장 방법의 개략적 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 다양한 지층구조에서 이산화탄소의 주입을 설명하기 위한 도면이다.
※ 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 이산화탄소 지중 저장 방법에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 이산화탄소 지중 저장을 설며하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 예에 따른 이산화탄소 지중 저장 방법의 개략적 흐름도이다.

먼저 도 1을 참고하여 이산화탄소 지중 저장구조에 대하여 간략하게 설명한다. 도 1은 영국의 "Peterhead Carbon Capture and Storage Project"를 소개하기 위한 영국 정부의 웹사이트(https://www.gov.uk/government/news/peterhead-carbon-capture-and-storage-project)에서 발췌한 것이다. 이산화탄소는 저류층에 저장된다 한다. 저류층은 사암과 같이 주로 공극이 발달되어 있는 다공성 암석(porous rock)으로 이루어진 지층을 말하며, 매트릭스(암석)과 공극으로 이루어진다. 공극은 물로 포화되어 있는 것이 일반적이다. 저장층 내 물로 포화되어 있는 공극이 CCS에서 이산화탄소를 저장하는 공간이 된다. 주입정을 통해 이산화탄소를 고압으로 주입하면, 이산화탄소가 공극을 따라 이동하면서 물을 밀어내고 공극에 저장된다. 예컨대, 저류층은 대수층(염수층)이나, 이미 생산완료된 유전이나 가스전이 대상이 된다. 그리고 저류층 위에는 덮개암(caprock, 덮개층)이 존재한다. 덮개암은 쉐일과 같이 투수율이 거의 없는 치밀한 암질로 이루어져 이산화탄소가 저류층으로부터 다시 외부로 배출되는 것을 방지한다.

즉 이산화탄소를 지중 저장하기 위해서는 공극이 발달되어 있고 투수계수가 높은 저류층과, 저류층 상부에 투수계수가 매우 낮은 덮개암이 존재해야 한다. 종래기술에서도 언급했듯이 이러한 지층 구조는 매우 드물게 발견된다는 한계가 있다. 국내에서도 포항 분지 정도가 이산화탄소 저장층으로 활용할 수 있는 정도이다.

본 발명은 덮개암은 존재하지만 이산화탄소를 효과적으로 주입하기에는 투수계수가 낮은 지층을 이산화탄소 저류층으로 활용하여 이산화탄소를 저장하는 방법을 제공하고자 한다. 즉 제한된 지질구조 조건에서 이산화탄소 저장이 가능하도록 하기 위한 방법을 제시하고자 한다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 이산화탄소 지중 저장 방법은 먼저 지층 탐사를 통해 투수계수가 낮지만 이산화탄소 저장층으로 사용가능한 지층과, 그 상부에 덮개층이 존재하는 영역을 조사한다.

본 예에서 이산화탄소 저류층으로 활용가능하기 위해서는 투수율 0.008 ~ 50 mD, 공극률\ 1.73 ~ 18.97 % 정도가 되어야 한다. 이러한 저류층으로는 실트암 또는 tight sand stone 정도가 대상이 될 수 있다. 다만 암석의 명칭에 관계없이 투수계수, 공극률이 상기한 범위 내에 있으면 본 예에서 저류층으로 활용가능하다. 덮개암은 쉐일 등으로 투수계수가 극히 낮아야 한다. 덮개암은 기존의 이산화탄소 지중 저장 구조에서 활용하는 지층과 동일한 바, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기한 구조의 저류층과 덮개층이 존재하는 영역을 찾아내서 이산화탄소 저저장 후보 영역으로 결정한 후에는 지층 구조 분석을 통해 단층 유무를 확인한다. 저류층은 오랜 기간이 지각 활동에 영향을 받아 습곡이나 단층이 있을 수 있다. 특히 중요한 것은 활성단층(active fault)이다. 저류층이 활성단층과 연결되어 있는 경우, 다르게 표현하면 활성단층에 의하여 저류층이 단절되어 있는 경우가 있다. 활성단층은 추후에도 단층면을 따라 이동하여 지각에 변위가 생긴다. 이에 저류층에 저장된 이산화탄소가 단층면을 따라 유출되거나, 단층 활동이 심한 경우 저류층 자체가 덮개암에 의하여 폐쇄되지 않는 영역까지 이동할 수 있다. 이러한 경우들은 이산화탄소 저류층으로 사용할 수 없는 바, 활성단층의 존재를 확인하는 것이 중요하다.

활성단층이 아닌 경우에는 단층면이 상부로 어느 정도의 길이와 방향으로 연장되는지를 파악하고, 단층면의 상부에 덮개암의 존재를 확인한 후 이산화탄소 저류층으로 작용할 수 있는지를 파악한다. 본 발명의 일 예에서 단층이 활성단층인지 여부는 지반 내 응력 분석을 통해 수행한다.

투수계수가 높지는 않지만 이산화탄소가 저장 가능한 저류층이 있고, 그 상부에 덮개층이 존재하며, 저류층과 연결된 활성단층이 없는 경우 최종적으로 이산화탄소 저장 영역으로 결정할 수 있다.

이산화탄소 저장 영역이 결정된 후에는 이산화탄소의 주입 위치를 정밀하게 선정하고, 해당 위치를 천공하여 주입정을 형성한다.

주입 위치는 저류층 중 가장 낮은 지점을 선택한다. 예컨대 저류층이 수평하게 배치되어 있는 경우라면 저류층의 두께 방향에서 가장 낮은 지점을 주입 위치로 선정할 수 있다.

지층이 지각 활동의 영향으로 습곡되어 있는 경우에는 배사구조와 향사구조를 고려하여야 하는데, 이 경우에도 저류층에서 가장 낮은 지점을 주입 위치로 선정할 수 있다. 도 3을 참고하면, 저류층은 가운데 부분이 아래로 굽어 있는 향사구조와, 향사구조 양측에 위로 볼록하게 굽어있는 배사구조가 반복되는 형태이다. 위와 같은 형태에서는 이산화탄소 주입 위치를 하방으로 오목한 향사 구조의 최저점으로 한다.

도 4에 도시된 지층은 저류층은 상하방향으로 경사진 경사지층이며, 상측에는 덮개암이 가로지르면서 저류층을 단절시키는 침식면이 형성되어 있다. 위와 같은 지층 구조에서는 횡방향을 따라 저류층을 일정 영역으로 구획한 후, 구획된 영역 내의 최저점을 이산화탄소 주입 위치로 선정한다. 또한 도 4에서 저류층1 내지 저류층4가 상하방향으로 연속적으로 적층되어 연결된 것으로 도시하였으나, 이들 사이에 덮개암이 개재되는 경우가 많다. 이런 경우에는 가장 하단에 있는 저류층(㉠)을 주입 위치로 선정한다. 그리고 최하단층에 대한 주입인 완료된 후 그 위의 상부층(㉡㉢㉣)에 순차적으로 주입할 수 있다. 각 저류층에서 최하단 지점이 주입 위치가 된다.

도 5에 도시된 저류층은 볼록한 습곡 지형이며 상측에 침식면이 존재하는 구조이다. 또한 저류층1~4와 같이 저류층이 다층 구조로 이루어질 수 있다. 다층 구조는 서로 연결될 수도 있지만, 덮개암이 층간에 개재되어 서로 고립된 구조를 이룰 수도 있다. 위와 같은 구조에서도 기본적으로 저류층의 가장 낮은 지점에 주입정을 형성한다. 그리고 저류층이 서로 연결되지 않은 다층 구조로 이루어진 경우 상부의 침식에 의하여 저류층이 단절되지 않은 지층을 선택하는 것이 바람직하다. 예컨대 도 5에서는 저류층1,2는 상측이 침식되어 저류층 양측이 단절되어 있지만, 저류층3,4는 상측이 침식되지 않고 저류층 양측이 서로 연결된 구조를 유지한다. 저류층3,4와 같이 지층이 연결되어 있는 구조가 이산화탄소 저장소로 보다 적합하다.

한편, 도 5와 같이 저류층의 최저점은 여러 지점이 있을 수 있고, 등고선상에서 동일한 라인상에 위치하게 된다. 이러한 최저점들 중에서는 경사가 가장 완만한 지역에 위치한 최저점을 선택하는 것이 바람직하며, 이유는 뒤에서 다시 설명하기로 한다. 도 5에서는 최저점들 중에서 등고선의 간격이 가장 넓은 지역이 경사가 가장 완만한 지역이다.

위와 같이 지층의 구조는 다양하지만 저류층의 최저점을 주입위치로 선정하여 주입정을 형성한 후에는 필요에 따라 생산정을 형성한다. 생산정은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 주입위치로부터 저류층의 연장방향을 따라 주입위치의 상방에 형성한다. 생산정은 저류층 공극에 있는 물(염수)을 지상으로 배출시켜 이산화탄소의 주입 및 이동을 촉진시키기 위한 것이다. 이산화탄소는 저류층의 하측으로 주입되어 저류층을 따라 상측으로 이동한다. 생산정을 저류층의 상측에 형성하여 물을 배출해주면 압력의 차이로 인하여 이산화탄소의 이동이 촉진되고 이산화탄소의 주입효율도 상승된다. 다만 생산정은 필수적인 것은 아니며 이산화탄소의 주입 효율을 향상시킬 목적으로 선택적으로 형성할 수 있다.

본 발명에서 중요한 점은 수압 파쇄를 통해 저류층에 인공적으로 균열을 형성한다는 점이다. 앞에서도 언급했지만, 본 발명의 대상이 되는 저류층은 투수율 0.008 ~ 50 mD, 공극률 1.73 ~ 18.97% 정도로 일반적인 저류층에 비하여 낮은 편이다. 이에 이산화탄소의 주입 및 저장이 용이하지 않다. 본 발명에서는 저류층을 수압파쇄하여 저류층에 균열을 형성함으로써 위의 문제를 해결한다. 일반적으로 수압 파쇄는 수직공(주입정)에서만 이루어지지만, 본 발명에서는 저류층의 연장방향을 따라 연속적으로 수압 파쇄를 적용한다는 점에 특징이 있다. 셰일가스 시추에 사용되는 방향성 시추를 이용하여 수압파쇄기를 저류층의 연장방향을 따라 이동시키면서 수압파쇄를 시행한다. 이를 통해 저류층에 균열망을 형성하여 이산화탄소의 이동이 용이하도록 한다. 저류층 내 이산화탄소의 이동이 용이하다는 것은 주입 효율을 결정하는 가장 큰 요인이다. 즉 저류층 내 균열망을 형성함으로써 이산화탄소의 주입 효율 및 저장 효율을 모두 향상시킬 수 있다.

상기한 바와 같이, 탐사를 통해 저류층을 확정하고, 저류층 내 최저점을 주입위치로 선정하여 주입정을 형성하며, 저류층을 따라 주입위치의 상측에 생산정을 형성한다. 그리고 저류층의 연장방향을 따라 수압파쇄를 연속적으로 시행하여 균열망을 형성하면 이산화탄소 주입 준비가 모두 완료된다.

본 실시예에서 이산화탄소는 초임계 상태로 주입된다. 초임계 상태의 이산화탄소는 가볍기 때문에 저류층에 주입되면 상측 방향으로 힘을 받게 된다. 이에 저류층의 최저점으로 주입된 이산화탄소는 저류층의 연장방향을 따라 상측으로 이동하게 되므로 이산화탄소의 주입 및 저장이 용이해진다.

주입된 이산화탄소가 이동하지 않으면 주입 위치 부근의 압력이 증대되어 주입 압력을 계속 높여야 하므로 효율적이지 못하고 비경제적이다. 또한 주입 압력을 계속 증대하면 덮개암에 균열을 형성할 수 있는 바 바람직하지 못하다. 물론 본 예에서는 주입 압력을 지속적으로 모니터링하면서 덮개암이 견딜 수 있는 수준으로 주입 압력을 제어한다. 앞의 도 5에서 최저점이 여러 지점에 위치하는 경우 가장 경사가 완만한 지점을 주입위치로 선정하는 것은 주입 압력에 의한 덮개암의 파손과 관련이 있다. 즉 경사가 급격한 지형에서 주입 압력을 계속 높히게 되면 덮개암 방향으로 압력이 급격하게 증가함으로써 덮개암의 파손이 발생할 수 있다.

또한 본 예에서는 생산정을 통해 저류층 내 물을 배출시킴으로써 이산화탄소의 주입효율을 더욱 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 (5)

1. (a)투수율 0.008 ~ 50 mD 범위를 가지는 저류층과, 상기 저류층 위에 덮개층이 형성되어 있는 지층을 이산화탄소 저장소로 결정하는 단계;
   (b)상기 저류층에서 일정 영역을 설정하고 상기 영역에서 저류층의 경사방향 파악을 통해 가장 낮은 지점을 탐지하여 이산화탄소 주입 위치로 선정하는 단계;
   (c)지상으로부터 상기 주입 위치까지 천공하여 주입정을 형성하는 단계;
   (d)이산화탄소의 주입성이 향상되도록 상기 저류층이 형성된 방향을 따라 연속적으로 수압파쇄를 실시하여 균열망을 형성하는 단계;
   (e)상기 주입정을 통해 이산화탄소를 상기 저류층에 주입 및 저장하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중 저장 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이산화탄소 저장소로 결정하는 단계에서 해당 영역과 연결된 단층이 있는지를 파악하고, 상기 단층이 활성단층인지를 파악하는 단계를 더 구비하며,
   상기 단층이 활성단층이 아닌 경우 이상화탄소 저장소로 결정하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중 저장 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 저류층에서 상기 주입정보다 높은 위치에 생산정을 형성하여 상기 저류층 내 물을 외부로 생산배출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중 저장 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 저류층이 습곡되어 있는 경우 향사구조의 최저점에 상기 주입정을 형성하고, 상기 주입정 양측의 배사구조의 최고점에 상기 생산정을 형성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중 저장 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 이산화탄소는 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 지중 저장 방법.
   

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