1. 서 론
지구 평균온도 상승을 1.5°C로 억제하기 위한 2050 탄소중립 등 주요 정책 제안이 발표됨에 따라 우리나라도 2021년 11월 ‘2050 탄소중립 시나리오’를 확정하였다(2050 Carbon Neutrality Committee, 2021). 온실가스 중 기후 위기에 큰 영향을 미치는 CO2 감축 목표 달성을 위해서는 여러 산업 부문에서 배출되는 많은 양의 온실가스를 짧은 기간에 감축하여야 한다(Jung and Gang, 2023). 온실가스 대규모 감축을 위한 현실적인 대안으로 CO2 포집 및 저장(Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS) 기술의 중요성이 확대되면서 일본의 해저 염수층에 CO2를 저장한 Tomakomai 현장(Tanaka et al., 2017), 호주 고갈 가스전을 활용하여 CO2를 저장한 Otway 현장(Cheong and Kim, 2020) 등 세계 각국에서 CO2 저장 성공으로 적극적인 CO2 감축에 힘쓰고 있다. 우리나라의 경우 CCS 기술 상용화를 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. CCS 기술의 일환으로 배출된 CO2를 포집하고 압축 후 수송 과정을 거쳐 고갈 유가스전(depleted oil and gas reservoirs), 심부 염대수층(deep saline aquifer reservoirs) 등에 저장하는 방안이 제안되었다(Lee et al., 2016). 우리나라의 경우 2004년부터 천연가스를 생산한 동해 가스전이 폐공되면서 이 저류층을 활용한 CO2 저장 방안을 목표로 연구가 진행되고 있다(Ki et al., 2022).
고갈 가스전을 활용한 CO2 저장을 위해서는 목표 심도까지 시추한 후 케이싱을 설치하고 지층과 케이싱 사이의 틈에 시멘트를 주입하여 시추공 붕괴를 방지하고 지하수 및 다른 지층과 격리시켜 CO2 주입 통로를 확보하고 누출을 방지하는 역할을 한다(Barlet-Gouédard et al., 2007, Rimmelé et al., 2008, Park et al., 2011). 그러나 CO2 주입 및 저장 과정에서 케이싱과 시멘트 사이로의 누출, 시멘트 공극 및 균열을 통한 누출, 케이싱 주변 틈으로의 누출, 주입공 주변 지층과 시멘트 사이로의 누출 등 다양한 경로로 누출이 발생할 수 있다(Gasda et al., 2004, Kim et al., 2016). 특히 저류층의 단층, 균열 등을 통한 CO2 누출보다 CO2 주입공 주변부로의 누출 위험성이 높은 것으로 여러 선행 연구를 통해 보고된 바가 있다(Benson and Hepple, 2005, Bachu and Watson, 2009, Kim, 2012). 저장된 CO2의 대기 중으로 재누출, 지하수 및 지층 오염 등의 피해를 방지하기 위해서는 주입공 주변부로의 CO2 누출 연구가 활발히 이루어져야 하며, 해당 연구 결과는 CO2 주입 실증사업 적용에 매우 중요한 변수로 고려되어야 한다(Celia et al., 2005). 안정적인 CO2 주입을 위해서 CO2 주입공 시멘트는 높은 압력을 견딜 수 있어야 하며, CO2의 누출을 방지하기 위해서는 투수성이 낮은 특성을 가져야 한다고 판단된다. 주입공 시멘트 물성 분석, 이산화탄소 반응에 따른 물성 변화 등 CO2 주입공 시멘트 안정성 분석의 선행 연구는 많지만(Park et al., 2011, Kim et al., 2016, Lee et al., 2016), CO2 주입공 주변 누출 경로를 고려한 CO2 주입공 안전성 분석에 대한 연구는 부족한 실정이다.
본 연구에서는 CO2의 누출 경로로 의심되는 주입공 주변부의 누출을 분석하기 위해 대한민국 KS 규격의 보통 포틀랜드 시멘트(KS L 5201 1종, KS-1) 시멘트와 심부 시추 현장에서 사용하는 G-Class 시멘트에 다양한 첨가제를 첨가한 시멘트 시료의 역학적/수리적 물성을 측정하고 케이싱과 시멘트 모사 시료(Case 1), 시멘트와 지층 모사 시료(Case 2)를 대상으로 CO2 주입 실험을 실시함으로써 CO2 주입공의 시멘트 안전성 분석에 고려해야 할 변수에 대하여 연구하였다(Fig. 1, Jung, 2024).
2. 실험방법
CO2 주입공에 사용되는 시멘트 시료의 안전성 확보 및 특성화를 위하여 역학적/수리적 물성 실험을 실시하였다. 일축압축강도가 높을 경우, 더 높은 CO2 주입압을 견딜 수 있으며, 투과도가 낮을 경우 시멘트를 통한 CO2의 누출이 작을 것으로 예상하고 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 해상 고갈 가스전 환경을 고려하여 바닷물을 사용하여 포틀랜드 시멘트, G-Class 시멘트 시료를 제작하였다. 포틀랜드 시멘트의 경우 일반 건축/토목 현장에서 사용하는 범용적인 시멘트로 대기압 및 상온 조건에서의 강도 발현 중심의 특성이 있으며, G-Class 시멘트의 경우 지하, 고온·고압 등의 특수한 환경에서 사용되어 내황산염성이 우수하고, 열적 안정성 등의 특성을 갖는 시멘트이다. 시멘트 첨가제(지연제, 소포제, 유체손실 방지제)를 첨가하고 물/시멘트 중량비를 0.38과 0.50으로 제작하였다. 제작된 시멘트 페이스트는 직경 50 mm, 길이 100 mm의 원기둥 형태의 몰드에 부어 코어 형태로 제작하였다(Fig. 2(a) and 2(b)). 코어 형태 시멘트 시료는 몰드에서 분리하여, 동해 먼 바다에서 채취한 평균 염도 34‰ 바닷물에 28일 이상 양생과정을 거쳤다. Table 1의 시료명은 시멘트 종류, 제작 유체, 케이싱 유/무, 암석 종류, 물/시멘트 중량비 등 정보를 나타낼 수 있도록 하였다.
Table 1.
Information from all samples used in the experiment
CO2 누출이 의심되는 케이싱과 시멘트 사이(Case 1), 시멘트와 지층 사이(Case 2)를 모사하는 시료를 제작하였다. CO2 주입공 케이싱과 시멘트 사이의 누출 가능성을 보기 위해 시멘트 페이스트 내부에 케이싱을 모사하는 길이 100 mm, 지름 50 mm 철봉을 몰드 중앙에 고정한 모사 시료(Fig. 3(a)), 주입공 주변 지층과 시멘트 사이로의 CO2 누출 여부를 확인하기 위해 탄산염암(Edwards White) 중앙에 구멍을 천공하여 시멘트 페이스트를 천공한 구멍에 채운 모사 시료를 제작하였다(Fig. 3(b)).
CO2 주입공 시멘트 안전성 분석을 위해 시멘트 시료의 포화 밀도, 공극률, 투과도, 일축압축강도, CO2 파쇄 실험을 실시하였다. 시멘트 시료의 역학적 물성인 일축압축강도, 영률, 포아송비는 한국지질자원연구원의 MTS 815장비를 이용하여 ‘암석의 일축강도 표준시험법과 암석의 탄성상수 측정 표준시험법’ 절차에 따라 실시하였다. 수리적 물성인 공극률은 헬륨공극기를 이용하여 측정하고, 공극 크기 분포 파악을 위해 수은주입모세관압(MICP, Mercury Injection Capillary Pressure) 시험을 실시히였다. 투과도 측정은 고압 압력셀 내부에 코어 형태의 시멘트 시료를 고무 슬리브에 장착하여 10 MPa의 구속압을 가하고 가스유량조절기(Mass Flow Controller)를 이용하여 일정 유량의 질소 가스를 시료의 축방향으로 주입하여 주입 유량에 따른 압력 변화를 관찰하여 투과도를 측정하였다. 특히 가스를 이용한 투과도 측정 시 발생할 수 있는 기체의 미끄러짐(Slippage) 현상을 고려하기 위하여 Klinkenberg 보정을 실시하였다(Yu et al., 2016, Choi, 2018). 추가로 CO2 주입 및 주입 후 저류층 압력 증가로 인한 주입공 주변의 시멘트 파쇄 및 균열 발생 여부 분석을 위하여 CO2 파쇄 실험을 실시하였다. CO2 파쇄 실험은 시료 내부에 주입되는 CO2의 압력이 집중될 수 있도록 시료 중앙에 직경 3 mm, 길이 약 30 mm 정도의 구멍을 뚫고 CO2가 시멘트 시료 주입 단면으로 누출되지 않도록 일정한 축압을 가한 상태에서 일정한 유량의 CO2를 주입하여 파쇄 압력을 측정하는 실험방법이다(Choi et al., 2021).
3. 실험 결과 및 분석
3.1 시멘트 물성
Table 2는 본 연구에서 제작한 시멘트 시료를 바닷물에서 28일 이상 수중 양생한 후 측정한 포화 밀도, 공극률, 투과도, 일축압축강도, 영률, 포아송비 측정값이다. 시멘트 시료의 포화 밀도는 물/시멘트 중량비가 낮을수록 밀도 값이 높게 나타났고, 포틀랜드 시료보다 G-Class 시료의 밀도가 대체로 더 높게 측정되었다. 일축압축강도의 경우 물/시멘트 중량비가 낮을수록 일축압축강도 값이 높게 측정되었다. 특히 G-Class 시멘트로 만든 GS32 시료가 가장 높은 일축압축강도 값을 보였다(Fig. 4). 영률의 경우 일축압축강도와 동일하게 물/시멘트 중량비가 낮아짐에 따라 더 높은 영률 값으로 나타났으며, 포아송비의 경우 시멘트 종류, 물/시멘트 중량비에 관계없이 비슷한 값으로 측정되었다.
Table 2.
Measurements of density, helium porosity, permeability, MICP porosity, UCS, Young’s modulus & Poisson’s ratio for Portland and G-Class cement
시멘트 시료의 공극률과 공극 크기 분포 파악을 위해 1 cm3 정도의 비정형 시멘트 시료를 수은주입모세관압(MICP) 시험을 실시하였다. 포틀랜드 시멘트 시료 공극률의 경우 18.85~24.97%, G-Class 시멘트 시료 공극률의 경우 18.56~24.43%로 나타났다(Table 2). 공극 크기 분포는 포틀랜드 시멘트 시료의 경우 0.01μm 크기의 공극이, G-Class 시멘트 시료의 경우 0.004μm 크기의 공극이 가장 많이 분포하는 것으로 분석되어 G-Class 시멘트가 비교적 크기가 작은 공극을 다량 함유하고 있는 것으로 보였다(Fig. 5). 투과도 측정 결과 포틀랜드 시멘트 시료의 투과도는 0.21~3.05 md, G-Class 시멘트 시료의 투과도는 0.12~0.24 md로 G-Class 시멘트 시료의 투과도 값이 다소 낮게 측정되었다.
3.2 CO2 파쇄 압력 및 균열 양상 분석
CO2 파쇄 실험 결과, PS33의 파쇄 압력은 3.85 MPa, GS33의 파쇄 압력은 5.63 MPa로 더 높은 파쇄 압력을 보였다(Fig. 6(a)). 물/시멘트 중량비 0.50의 경우에도 GS54가 PS54 파쇄 압력보다 4.14 MPa 높은 파쇄 압력을 보였다(Fig. 6(b)).
CO2 파쇄 실험 후 시멘트 시료의 균열 양상 분석을 위해 파쇄된 PS33, GS33 시료를 고해상도 X-ray CT 이미지 촬영을 실시하였다. 포틀랜드 시멘트 시료의 경우 180도 각도의 두 방향의 균열 양상을 보였으며(Fig. 7(a)), G-Class 시멘트 시료의 경우 세 방향을 균열 발생 양상을 보였다(Fig. 7(b)). 이와 같은 균열 양상은 측정된 파쇄 압력 및 취성도에 영향을 미치는 역학적 물성(일축압축강도, 영률 및 포아송비)와 직접적인 연관이 있을 것으로 추정되나, 더 많은 시멘트 시료의 CO2 파쇄 실험 및 균열 양상 분석이 필요해 보인다.
3.3 CO2 주입 실험
CO2 주입 시 주입공 주변 케이싱과 시멘트 사이로의 누출(Case 1) 및 주변 지층과 시멘트 사이로의 누출(Case 2) 양상을 분석하기 위해 케이싱 모사 시료와 저류층 모사 시료(Fig. 3)를 제작하고 CO2 주입 실험을 실시하였다. CO2 주입 실험에 사용된 시료는 포틀랜드 시멘트와 G-Class 시멘트 물/시멘트 중량비 0.38, 0.50으로 제작된 PSC31, PSC51, GSC31, GSC51의 CO2 주입공 케이싱 모사 시료가 사용되었다. 또한 탄산염암(Edwards White) 중앙에 물/시멘트 중량비 0.50로 제작된 포틀랜드 시멘트와 G-Class 시멘트로 채워진 CO2 주입공 저류층 모사 시료인 PWRE51, GWRE51이 CO2 주입 실험에 사용되었다. 고압 압력셀 내부에 코어 형태의 케이싱 모사 시료와 저류층 모사 시료를 장착하고 시료 주변에 10 MPa의 구속압을 가하고 CO2를 단계적으로 주입하였다. CO2 파쇄 실험의 결과를 바탕으로 CO2 주입 실험의 한계 주입압(5 MPa)을 설정하였으며, CO2 주입 압력은 약 0.7 MPa부터 약 0.7 MPa씩 단계적으로 높여 4 MPa까지 CO2를 주입하고 압력 변화를 관찰하였다(Fig. 8).
CO2 주입 실험 결과 케이싱 모사 시료와 저류층 모사 시료 모두 G-Class 시멘트로 제작된 시료가 포틀랜드 시멘트로 제작된 시료에 비해 단계별 주입압에 따른 모사 시료 주변 압력 변화가 작은 것으로 나타났다. 이는 단계별 CO2 주입압 상승으로 인한 케이싱과 시멘트 사이 및 시멘트와 저류층 사이로의 CO2 누출이 적음을 나타낸다. 포틀랜드 시멘트로 제작된 케이싱 모사 시료의 경우 0.14~0.44 MPa의 압력 변화를 관찰하였다. 저류층 모사 시료의 경우, 압력 변화의 폭이 가장 큰 구간을 분석한 결과 포틀랜드 시멘트로 제작된 시료의 경우 압력 변화 폭이 0.45 MPa이었다. G-Class 시멘트로 제작된 시료의 경우 압력 변화 폭이 0.26 MPa로 G-Class 시멘트로 제작된 시료의 압력 변화가 비교적 작은 것을 확인하였다.
4. 결 과
본 연구에서는 2050 탄소중립 정책 제안에 따라 CO2 포집 및 저장 기술의 일환으로 연구되고 있는 고갈 가스전에서의 CO2 저장을 목표로 CO2 주입공의 누출 위험도가 높은 케이싱과 시멘트, 시멘트와 지층 사이에서의 CO2 누출을 가정한 시멘트 안전성 분석을 위하여 다양한 시멘트와 CO2 주입공 모사 시료의 역학적/수리적 물성을 특성화하고 CO2 파쇄 압력 및 균열 양상 분석을 수행하였으며 이상의 연구로부터 얻어진 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1)물/시멘트 중량비에 따른 시멘트별 역학적 물성 실험 결과, 밀도의 경우 물/시멘트 중량비가 낮을수록 포화 밀도가 높게 나타났으며, G-Class 시멘트 시료가 다소 높은 밀도 값을 보였으나 포틀랜드 시멘트와의 차이는 크지 않았다.
(2)일축압축강도의 경우 밀도와 같이 물/시멘트 중량비가 낮을수록 일축압축강도 값이 높게 나타났으며, G-Class로 제작한 물/시멘트 중량비 0.38 시료의 일축압축강도 값이 가장 큰 값을 가졌다. 영률의 경우 물/시멘트 중량비가 낮을수록 영률 값이 높아지는 경향을 보였으나, 포아송비의 경우 GS53 시료를 제외하고 비슷한 값을 가짐을 확인하였다.
(3)수리적 물성 실험 결과, 공극률의 경우 시멘트 종류에 관계없이 물/시멘트 중량비 0.38에 비해 0.50 시료가 다소 높은 공극률 값을 가지는 것을 확인하였다.
(4)투과도의 경우 G-Class 시멘트 시료가 포틀랜드 시멘트 시료에 비해 다소 낮은 투과도 값을 가졌으며, 물/시멘트 중량비에 관계없이 시멘트 종류에 따라 큰 투과도 값의 차이를 보였다.
(5)CO2 주입 조건에 따른 주입공 시멘트 안전성 분석을 위해 다양한 시멘트 시료를 이용하여 CO2 파쇄 실험을 수행한 결과, 시멘트 종류에 관계없이 물/시멘트 중량비 0.38, 0.50 모두 G-Class 시멘트 시료의 파쇄 압력이 높게 측정되었다. 이는 G-Class 시멘트의 일축압축강도가 포틀랜드 시멘트에 비해 높고, 현저히 낮은 투과도 값을 가졌기 때문으로 판단된다.
(6)CO2 파쇄 실험 후 균열 양상 분석을 위해 고해상도 X-ray CT 이미지 촬영을 통해 포틀랜드 시멘트 시료는 두 방향으로의 균열을, G-Class 시멘트 시료는 세 방향으로의 균열이 생성되었음을 확인하였다. 이는 균열 너비, 유체손실계수 및 주입 압력 거동에 영향을 미치는 변수인 영률과 파쇄 용이도를 예측할 수 있는 포아송비 등이 영향을 미쳤을 것으로 보인다.
(7)CO2 주입공 주변부로의 누출 위험성이 높은 케이싱과 시멘트 사이의 누출, 주변 지층과 시멘트 사이의 누출을 확인하기 위해 케이싱 모사 시료와 저류층 모사 시료를 이용한 CO2 주입 실험 결과 포틀랜드 시멘트로 제작된 시료에 비해 G-Class 시멘트로 제작된 시료의 압력 변화가 상대적으로 작은 것을 확인하였다.
CO2 주입공 주변 누출 경로를 고려하여 제작한 시멘트 시료를 활용하여 진행한 역학적/수리적 물성 실험 및 CO2 파쇄 실험 및 케이싱 모사 시료, 저류층 모사 시료를 활용하여 진행한 CO2 주입 실험 결과 G-Class 시멘트가 낮은 투과도, 높은 CO2 파쇄 압력에 따른 안정적인 압력 변화 양상을 보여 CO2 지중저장을 위한 CO2 주입공 시멘트 안전성에 적합한 시멘트로 판단하였다.
본 연구에서 실시한 CO2 주입 실험의 경우 모사 시료에 주입되는 CO2 주입압(Pin)과 모사 시료 반대편에서 측정되는 배출압(Pout) 압력을 모두 측정하는 방식이 아닌 CO2 가스탱크의 레귤레이터를 이용하여 주입 압력을 조절하고 주입압(Pin)만을 측정하였다. 이로 인해 레귤레이터의 압력이 일정하게 주입될 경우 주입압(Pin) 압력의 변화가 거의 없어야 하나, 실험 결과 그래프에서 시간대별로 일시적인 압력 증가 양상이 보인다. 이는 주입되는 CO2가 고압으로 좁은 관을 지나면서 생기는 단열팽창으로 온도가 떨어져 냉각, 결빙 등의 현상과 함께 주입압(Pin) 에 영향을 미쳐 압력이 증가하였을 것으로 추정된다. 따라서 CO2주입 실험의 결과는 실험적 오류 가능성을 내포하고 있으며, 실험적 오류를 개선하기 위해서 향후 모사 시료에 주입되는 CO2 주입압(Pin)과 모사 시료 반대편에서 측정되는 배출압(Pout) 압력을 동시 측정하고 유량조절기 등을 활용한 실험 장비의 개선이 필요하여 CO2 주입 실험에 대한 추가적인 연구 및 결과 분석이 요구된다.
