1. 서 론
전 세계적으로 지구온난화와 심화되는 기후 변화에 대응하려는 노력이 가속화됨에 따라, 이러한 환경 문제에 대응하는 핵심 전략으로 탄소배출을 줄이고 탄소 중립을 달성하기 위한 과학적, 산업적 노력이 강조되고 있다. 이산화탄소 포집, 이용 및 저장(Carbon Capture, Utilization, and Storage, CCUS) 기술은 이산화탄소를 포집한 후 이를 재활용하거나 안전하게 지하에 보관하는 기술로, 기후 변화 대응 전략의 핵심 요소 중 하나이다. 특히 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)과 관련한 실증 현장사업은 전세계적으로 지속적으로 증가하는 추세(GCCSI, 2020)이며, 국내에서도 2030년까지 CCS를 통해 약 400만 톤 온실가스 처분을 목표로 온실가스 저장소 확보, 중소규모 실증, 환경모니터링 기술 개발을 위한 이산화탄소 지중저장 연구개발사업들이 다각적으로 진행되고 있다(한국에너지기술연구원, 2021).
국내에서는 CCS 기술 개발을 위해 중소규모의 실증사업을 포항 영일만과 장기분지를 대상으로 진행된 바 있으나(KIGAM, 2017), 2017년 11월에 포항 지진으로 CO2 주입으로 인한 안전성 문제가 제기되어 관련 연구사업들이 중단되었다. 이후 대규모 CCS 기술 개발의 필요성 대두에 따라 해양 대륙붕 심부 지층 해양탐사 및 시추 계획을 세우고, 서해 군산분지와 고갈된 동해가스전을 대상으로 대규모 CCS 실증연구를 진행하고 있다(KIGAM, 2021).
이산화탄소를 지중에 주입하는 과정은 지반 내 압력과 온도 분포, 유효응력의 변화를 발생시키게 되며, 이에 따라 주변 암반의 역학적 거동에 다양한 방식으로 영향을 미치게 된다. 특히, 이산화탄소 주입에 의한 압력 증가는 주입공 주변의 인장파괴, 덮개암 주변의 전단파괴 및 균열 생성/성장 등을 야기하여 지반의 역학적 안정성과 CO2 기밀성에 악영향을 미치게 된다. 또한, 인접한 단층의 유효 수직응력과 전단강도를 저하시켜 재활성화(reactivation)와 미소지진(microseismic events)을 유발할 수 있다(Cappa and Rutqvist., 2011a, Mazzoldi et al., 2012, Rutqvist, 2012, Song et al., 2023). 따라서 이산화탄소 지중저장 연구개발에는 지중주입에 따른 덮개암의 안정성, 미소지진 발생 가능성, 주변 단층의 재활성 여부 등의 여러 위험요소를 암반공학적 측면에서 분석하고, 최적화된 주입조건을 설계하는 것이 중요하다. 또한, 이는 이산화탄소 지중저장 기술의 안전성과 효율성을 향상시키는 데 매우 중요한 기술 요소라고 할 수 있다(Lucier and Zoback, 2008).
본 연구는 2014년부터 2017년까지 한국지질자원자원연구원에서 수행된 국내 CO2 육상저장 부지선정 및 특성화 기술 개발 사업(KIGAM, 2017)의 연구내용 일부로, 포항 장기분지를 대상으로 CO2 주입에 따른 저류층과 주변 단층의 수리역학적 거동을 살펴본 수치해석적 연구이다. 포항 장기분지의 현장 지질조사 자료를 기반으로 구성된 해석 모델 및 TOUGH-FLAC3D 연동해석기법을 활용하였으며 이산화탄소 주입에 따른 주변 단층 및 암반에서의 CO2 포화도, 압력, 변위, 응력 변화 등 수리-역학적 거동 특성을 분석하였다.
2. 장기분지 지질 특성
장기분지는 한반도 남동부에서 가장 큰 전기 마이오세 퇴적분지로, 행정구역상 포항시 남구의 장기면과 오천읍, 장기반도 일원에 걸쳐 위치한다(Kim et al., 2015). 장기분지 일대의 지질학적 특성과 CO2 저장 유망부지 선정을 위하여 지구물리탐사, 지표지질 조사, 물리탐사 및 물리검층, 탐사시추 및 시추코어 분석, 지질모델링 등이 수행되었다. 조사 및 분석 결과에 따르면, 장기분지 내부는 크게 구룡포, 오천, 뇌성산, 염암리 지괴와 양포소분지로 구분되며, 기반암 심도와 층서 트랩 확보 측면을 고려할 때, 뇌성산 지괴가 CO2 육상저장에 가장 유리한 조건을 갖는 것으로 나타났다(KIGAM, 2017). Fig. 1은 장기분지 주변의 지질도와 대표단면을 보여주는 것으로 장기분지 특성화 연구를 위해 구축된 장기 1호공~장기 7-1호공의 시추위치를 함께 보여준다. 장기분지에서 CO2 저장층으로 고려된 지층은 장기 역암층으로서 두께가 최대 30 m, 기반암의 심도가 940 m 이상으로 조사되었으며, 저장층의 연속성과 두께, 심도 등을 종합적으로 고려할 때 평면도상 장기 4, 6, 7-1호공 인근 지역이 유망한 저장부지로 선정되었다(KIGAM, 2017). 자력 탐사와 2차원 탄성파 탐사 등에 따르면, 해당 부지의 남쪽 심부에 북동-남서 방향으로 단층이 존재할 가능성이 확인되었다. 시추코어 분석 결과, 유망 주입부지 부근에서 75° 이상 고경사를 갖는 단층이 존재하는 것으로 조사되었고, 단층핵이 좁고(10 cm), 손상대는 비교적 넓은 (수 m 내외) 단층 유형으로 분류되었다. 이에 따라 CO2의 유입 시 단층핵의 차폐효과와 동시에 단층손상대의 절리망을 따르는 누출이 발생할 수 있는 것으로 추정되어(KIGAM, 2017), 단층의 안정성과 재활성 여부에 대한 연구 필요성이 제기되었다.
Fig. 1
Geological maps around Janggi Basin and representative cross sections with the locations of drilling holes (No. 1 ~ No. 7-1) (after Kim et al., 2015, KIGAM, 2017)
Fig. 2는 지형적 선구조 분석을 통해 도출된 해당지역의 단층선 분포를 보여주는 것으로(KIGAM, 2017), 본 연구에서 고려한 해석영역을 함께 표시하였다. 해석영역은 평면상에서 동서방향으로 2.8 km, 남북방향으로 2.0 km 영역에 해당한다. 현장조사 및 지질모델링 결과를 토대로, 해석모델의 도메인 내에 경사각과 경사방향이 각각 81°, 305°인 단층이 교차하는 것으로 가정하였다. 주입공의 위치는 장기 4, 7-1호공 부근으로 장기역암층 내 심도 947 m 부근에서 CO2 주입이 이루어지는 것을 가정한다.
Fig. 2
Surface trace of fault lines on the map of study area (after KIGAM, 2017), and the domain boundary of numerical model
3. 해석 개요
본 연구에서 사용한 TOUGH2-FLAC3D 연동해석 기법(TOUGH-FLAC 시뮬레이터)은 Rutqvist et al.(2002)이 개발한 해석기법으로 현재까지 CO2 지중저장 뿐만 아니라 방사성폐기물 처분, 심부지열개발, 열에너지저장, 압축공기에너지저장 등 열-수리-역학적 복합거동 해석이 필요한 다양한 암반공학 문제에 적용되어 왔다(Rutqvist, 2011, Rutqvist, 2012, Rutqvist et al., 2015, Kim et al., 2012, Kim et al., 2022, Zheng et al., 2022). TOUGH-FLAC 시뮬레이터는 다상, 다성분열수리유동 해석코드인 TOUGH2 (Pruess et al., 1999)와 지반의 역학거동 해석코드인 FLAC3D (Itasca CGI, 2023)를 반복적으로 구동하고 해석 결과를 교환함으로써 지반, 암반 내 열-수리-역학적인 복합거동을 모사하는 순차적 연동 해석기법(Sequential coupling method)이다.
수리-역학적 양방향 커플링(two-way coupling) 해석에서는 TOUGH2가 time step을 결정하고, iteration을 통해 구해진 수리해석의 결과(압력 등)를 FLAC3D에 전달한다. FLAC3D은 이를 바탕으로 준정적 평형해석을 통해 역학적 거동(유효응력 등)을 해석하고 경험적, 이론적 커플링 관계식에 의해 TOUGH2의 다음 time step 해석을 위한 수리물성을 업데이트한다. 본 연구에서는 현장스케일 수리물성에 대한 불확실성이 존재하였으므로, 수리해석을 통해 계산된 압력을 바탕으로 유효응력 해석을 수행하되(일방향 커플링, one-way coupling), 역학적 거동에 의한 수리물성의 변화를 고려하지는 않았다.
본 연구에서는 포항 장기분지 유망 저장소 부지의 상세 지질모델, 시추조사 데이터 등을 바탕으로 TOUGH-FLAC 해석을 위한 3차원 모델을 작성하였다. TOUGH-FLAC 연동해석에서는 TOUGH2 코드와 FLAC3D 코드가 독립적인 해석을 수행하게 되므로 각 프로그램에서 동일한 형상의 해석모델을 구성하여야 한다. 이를 위해 FLAC3D에서 3차원 메쉬를 작성한 뒤 TOUGH2의 입력 형식으로 변환하여 각 코드에서 동일한 요소와 절점 정보를 갖는 해석모델을 구성하였다. Fig. 3은 해석 모델의 형상과 함께 지층 분포와 단층 위치 등을 보여준다. 여기서 X축은 동(+)서(-) 방향, Y축은 남(-)북(+) 방향을 가리키며, Z축은 수직 방향을 의미한다. 해석모델의 크기는 주입공을 중심으로 동서방향으로 2,800 m, 남북방향으로 2,000 m이며, 지표면의 고도에 따라 수직방향으로 약 1,510~1,700 m의 크기를 갖는다.
해석영역에서 고려한 지층은 상부암인 현무암질 응회암(Basalitic tuff), 덮개암에 해당하는 데사이트질 응회암(Dacitic tuff), 저류층인 장기역암(Conglomerate), 기반암(Bed rock)으로 구성된다(KIGAM, 2017). 단층의 두께는 2 m로 가정하였으며, 단층핵과 손상대를 따로 구분하지는 않았다.
현지응력의 모사를 위해 수직방향과 수평면에서 직교하는 두 방향을 주응력 방향으로 가정하였다. Bae et al.(2016)의 연구에 따르면, 해석 대상부지와 인접한 포항분지 제3기 지층의 평균 측압계수와 최대 측압계수는 각각 0.68~1.09와 0.92~1.53 범위에 있으며, 640 m 이상 심도에서 최대 수평응력 방향은 132°(N48W)이다. 여기에서는 상부 지반의 자중을 통해 수직응력 분포를 모사하였으며, 최소수평응력 방향과 최대 수평응력 방향으로 0.68과 1.2의 측압계수를 적용하여 초기응력 상태를 구현하였다. 역학해석 시 상부를 제외한 경계면에서 모두 법선방향의 변위가 고정된 경계조건을 적용하였다.
각 지층에서의 파괴기준은 Hoek-Brown 모델(Hoek et al., 2002)이며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
여기서, σ 1ʹ과 σ 3ʹ는 각각 최대 및 최소 유효주응력이며, σci는 무결암의 일축압축강도, mb는 Hoek-Brown 상수 m에 대한 암반 적용값, s와 a는 암반 특성에 좌우되는 값으로 무결암의 Hoek-Brown 상수(mi)와 GSI (Geological Strength Index), 암반손상도(D)를 이용하여 산정할 수 있다.
단층의 경우, Mohr-Coulomb 파괴기준을 따르되, 전단 방향으로 연약면의 물성을 갖는 ubiquitous joint 모델을 적용하였다. Mohr-Coulomb 모델과 연약면의 전단파괴 여부는 각각 식 (2)와 (3)에 의해 판별할 수 있다.
여기서 Ø와 c는 각각 모델의 내부마찰각과 점착강도를 의미한다.
여기서 θ는 연약면의 법선벡터와 최대유효주응력이 이루는 각도, Øj와 cj는 각각 연약면의 마찰각과 점착력을 의미한다.
TOUGH2 수리해석을 위한 초기조건 모사를 위하여 지하수위가 지표면과 일치하는 것으로 가정하였으며, 심도에 따른 압력과 온도증가율을 각각 0.0098 MPa/m, 0.025°C/m로 적용하였다. 해석모델의 측벽부, 하부 경계면에서는 압력과 온도가 일정한 것으로 가정하였다.
장기-1호공 시추코어에 대한 암반분류 결과와 실내시험 결과를 토대로 각 지층별 역학적 물성을 산정하였으며, Cappa and Rutqvist(2011b)의 연구에 기초하여 단층의 물성과 기타 수리 물성을 산정하였다(Table 1 & Table 2). 각 퇴적상의 투수계수, 공극률, air entry pressure 등의 수리적 물성은 KIGAM(2017)과 Kim et al.(2017)의 연구를 참고하여 결정하였다. 상대투수함수(relative permeability function)와 모세관압함수(capillary pressure function) 모델은 각각 Van Genuchten - Mualem model (Mualem, 1976, Van Genuchten, 1980, Pruess et al., 1999)과 Van Genuchten model (van Genuchten, 1980, Pruess et al., 1999)을 적용하였다.
저류층인 장기역암층의 공극률과 투수계수는 각각 평균 0.16과 8.52 mD(8.41×10-15 m2)로서, 해외 CO2 지중 주입 저류층과 비교할 때 공극률은 양호하나 투과도는 다소 불량한 것으로 조사되었다(KIGAM, 2017). 본 예비해석에서는 공극률은 0.15를 적용하되, 투수계수는 10-13 m2과 10-14 m2, 두 가지 경우를 가정하여 저류층의 투수계수에 따른 수리-역학적 거동을 살펴보았다. 단층의 경우 단층핵의 차폐효과와 손상대를 통한 누출이 발생할 것으로 추정되었으나, 여기에서는 단층손상대만을 모델링하였으며, 현장규모 수리물성에 대한 실험자료가 불충분하여 공극률과 투수계수를 저류층보다 다소 높게 가정하였다. 그 외의 수리물성은 Table 1과 동일하다.
Table 1.
Input parameters for TOUGH-FLAC simulation
Table 2.
Input parameter of fault
| Property |
Normal stiffness (GPa/m) |
Shear stiffness (GPa/m) |
Friction (°) |
Dilation angle (°) |
Cohesion (MPa) | Porosity | Permeability |
| Value | 5.0 | 2.0 | 25 | 20 | 0 | 0.15 | 10-13 |
이산화탄소의 주입은 3년(1,095일)간 휴지기 없이 30톤/일의 일정한 속도로 이루어지는 것으로 가정하였다. 주입구간은 심도 930~960 m인 장기역암층 구간으로 주입 구간과 남동쪽에 위치한 단층과 최소 230 m의 이격 거리를 갖는다. Fig. 4는 저류층 내 주입 지점과 모니터링 지점들을 보여준다. 주입 지점을 교차하는 수직단면(XZ 평면) 상에서 P1과 P2는 주입 지점으로부터 서쪽과 동쪽 방향으로 수평거리 100 m에 위치한 지점이며, P3은 단층 교차 지점이다.
4. 해석 결과
Fig. 5는 저류층의 투수계수와 경과시간에 따른 주입지점 주변의 CO2 포화도를 보여주는 것으로, CO2 포화도란 공극의 부피에 대한 CO2의 부피비를 의미한다. Fig. 6는 CO2 포화도가 0.01일 때의 3차원 등위면을 나타낸 것으로 등위면 이내의 영역에서는 공극의 1% 이상이 CO2로 포화되어 있음을 의미한다.
저류층의 투수계수에 따라 CO2의 유동 특성이 매우 상이하게 나타났는데, 투수계수가 10-14 m2일 때에는 저류층을 따라 주입 지점을 중심으로 방사형의 유동이 이루어지는 반면, 투수계수가 10-13 m2일 때에는 저류층을 따라 지대가 낮은 서쪽방향 유동이 지배적인 것을 확인할 수 있었다. 전자의 경우 주입 후 약 2년 9개월 경과 시 CO2가 단층까지 도달하였으나, 이 주변에서 단층을 따르는 상향유동보다는 저류층을 따르는 수평유동이 더욱 우세하게 나타났다. 후자의 경우 단층이 위치한 남동쪽 방향으로 거의 CO2 유동이 발생하지 않았으며, 3년 경과 시 서쪽방향으로 약 1.1 km 이상까지 유동하는 비대칭의 유동 특성을 보였다.
Table 3은 3년 경과 시 지층별 CO2 저장량을 정리한 것으로, 대부분 저류층을 통해 저장되는 것을 확인할 수 있다. 투수계수 10-13 m2인 경우 넓은 영역에 걸쳐 저장층이 분포하는 것으로 해석되었고, CO2의 낮은 밀도로 인해 저류층 상부 덮개암의 경계에서도 CO2가 일부 저장되는 현상이 관찰되었다.
Table 3.
Total mass (tons) of stored CO2 calculated at 3 years
Fig. 7은 CO2 주입 지점을 교차하는 수직단면(XZ 평면) 상에서 압력 변화를 경과시간에 따라 나타낸 그림이다. 투수계수가 높은 저류층과 단층에서 압력 증분이 상대적으로 크게 발생하였으나, 저류층의 투수계수가 10-14 m2일 때 최대 증분이 0.58 MPa로 변화량이 크지는 않았다. 투수계수가 10-13 m2인 경우에는 빠른 유속으로 인해 압력 소산이 용이하였으며, 전체 주입기간에 걸쳐 0.2 MPa 이내의 미미한 압력 변화를 보였다. Fig. 8은 모니터링 지점에서의 압력 변화를 보여주는 것으로 모니터링 지점들의 위치는 Fig. 4에 표시한 바와 같다.
Fig. 9는 주입구간을 교차하는 수직단면(XZ 평면) 상에서 지층의 변위를 나타낸 그림이며, Fig. 10은 단층 내 해석요소들의 변위를 보여준다. 변위의 방향은 대체로 수직(Z축) 방향과 일치하여 지반의 융기가 발생하는 것으로 나타났다. 지층 내에서 파괴(failure)가 발생하는 곳은 관찰되지 않았으며, 변위는 압력 증가와 유효 응력 감소로 인한 상향 탄성 변형인 것으로 판단되었다. 단층과 지표면이 교차하는 지점에서 최대 변위를 보였으며, 저류층의 투수계수가 10-14 m2일 때 최대 6.65 mm로 해석되었다.
단층의 변위 역시 전단에 의한 것이 아닌, 주변 지반과 일체화된 탄성적 융기로 판단된다. 투수계수가 10-14 m2인 경우 10-13 m2인 경우보다 단층 내 압력 증가량(유효응력 감소량)이 더 크게 나타났으며, 이에 따라 더 큰 변위량을 나타내었다.
Fig. 11은 저류층의 투수계수를 10-14 m2로 가정한 경우, 주입공과 모니터링 지점(P1, P2, P3)에서 관찰된 유효주응력의 변화를 보여주는 그림으로, 저류층과 단층의 파괴기준을 함께 도시하였다. CO2의 주입에 따라 각 지점에서의 압력은 증가하였으나 주입공 주변 지층의 수평방향 연속성이 양호하고 높은 공극률과 투수계수로 인하여 압력 증분이 0.5 MPa 이내로 나타났다. 이에 따라 유효 주응력의 변화량도 크지 않았으며, 각 지점에서의 응력 상태가 파괴포락선 이내에 존재하여 역학적인 안정성에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 해석되었다. 그림에 나타난 단층의 전단파괴기준은 식 (5)에 절리면의 마찰각과 점착력을 대입하여 구한 Mohr-Coulomb 파괴포락선을 의미한다. 단층에 해당하는 해석요소에는 ubiquitous 모델을 적용하였는데, 이는 식 (5)로 표현되는 요소 자체의 파괴와 식 (6)으로 표현되는 연약면 방향으로의 파괴를 동시에 고려함을 의미한다. 본 해석모델에서는 단층면의 법선벡터 방향이 최대 주응력 방향과 약 11°의 각을 이루어 단층면의 수직응력이 비교적 높고 이에 따라 작용하는 전단응력에 비하여 높은 전단강도를 보였으며 단층면을 따르는 전단 미끄러짐은 발생하지 않았다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 통하여 장기분지 저장소 유망부지를 대상으로 CO2 주입에 따른 저장층 주변의 수리-역학적 거동 특성을 살펴보았다. 해당 부지의 현장조사 자료와 지구통계기법을 통해 구현된 3차원 지질모델을 바탕으로 해석모델을 작성하였으며, 3년간 32,850톤(30 톤/일)의 CO2 주입 시뮬레이션을 수행하였다. 주입공 및 주변 지층에서 CO2 주입에 따른 CO2 포화도, 압력, 변위, 응력 변화 등을 해석하고, 주입공의 남동쪽 방향 230 m 거리의 단층에 미치는 영향을 살펴보았다.
저류층의 투수계수가 10-14, 10-13 m2인 경우에 대한 해석 결과, 투수계수에 따라 상이한 CO2 유동 특성을 보이는 것으로 나타났다. 투수계수가 작은 경우 방사형의 유동을 보이며 2년 9개월 경과 시 단층에 도달하였으나, 투수계수가 큰 경우 지대가 높은 남동쪽 방향(단층 방향) 유동은 거의 발생하지 않았고 저류층을 따르는 서쪽 방향 유동이 매우 우세하게 나타났다. 본 연구의 시뮬레이션 조건에서 주입공 부근의 압력 증가량은 3년간 0.6 MPa 이하로 나타났으며, 저류층의 투수계수가 클수록 낮은 CO2 포화도와 작은 압력 증가량을 보였다. CO2 주입으로 인하여 최대 6.65 mm의 지표면 융기가 발생하는 것으로 나타났으며, 유효 응력 감소로 인한 상향 탄성 변형으로 판단된다. CO2 주입으로 인한 유효 주응력의 변화가 0.5 MPa 미만으로서 지층 및 단층의 역학적 안정성에 미치는 영향은 미미한 것으로 해석되었다.
본 연구에서 제시한 내용은 CO2 육상저장의 유망부지로 고려되었던 장기분지를 대상으로 수행된 기초해석의 결과로, 수치모델링 시 많은 가정과 단순화를 전제하였다. 단층의 안정성 평가를 위해서는 보다 정확한 수리, 역학 물성 데이터를 바탕으로 한 CO2 플럼의 규모와 영향 반경, 이에 따른 압력 분포에 대한 예측이 필요하다. 특히, 단층 재활성 여부를 판단하기 위해서는 단층의 방향과 현지응력의 크기/방향에 따른 단층면 상의 유효응력(수직응력/전단응력)에 대한 이해가 필수적이다. 비록 장기분지를 포함한 육상저장 부지에 대한 연구는 중단된 상태이나, 현재 활발히 진행되고 있는 해양지중저장 사업에서도 단층 안정성 및 저류층의 수리역학적 거동에 대한 평가기술은 매우 중요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서 제시한 접근법 및 해석모델은 추후 해양지중저장 부지에서의 단층의 안정성 및 지층의 수리역학적 거동을 해석하는 데에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
