1. 서 론
2. 고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 심부 시추
2.1 심부 시추 현황
2.2 심부 시추 방법
3. 심부 시추공을 활용한 다학제적 지구과학적 조사
3.1 시추 주상도
3.2 물리 검층
3.3 수리화학 시험
3.4 수리 시험
3.5 현지응력 측정
4. 맺음말
1. 서 론
현재 우리나라 원자력발전소 부지 내에 임시로 저장되어 있는 고준위방사성폐기물(High-Level Radioactive Waste, HLW)을 안전하게 처분하는 방법으로 심부 암반 내 처분하는 것이 최선의 방법으로 알려져 있다. 심층처분시설의 안전성을 보장하기 위해서는 처분후보부지의 심부 암반에 대한 지구과학의 다학제적 조사와 평가가 요구되기 때문에 지질, 수리지질, 지질공학, 암석역학, 지화학, 물리탐사, 지열 등 다양한 분야에서 현장 및 실내시험 등이 필수적으로 수행되어야 한다.
고준위방사성폐기물 심층처분시설은 일반적으로 지표로부터 500 m 내외 깊이의 심부 암반에 구축되는 것으로 예상하고 있으므로 이보다 더 깊은 심도까지 시추하여 원위치 상태의 암반 물성에 대한 기본 자료를 획득할 필요가 있다. 본 보고에서는 우리나라의 지체구조와 암종에 따라 시추 지역을 선정한 후 공경이 N 크기를 기본으로 하여 750 m 심부 시추를 실시하면서 시추공에서 수행된 다양한 현장시험 등 심부 암반의 특성화 연구에 대해 다룬다. 이를 통하여 획득한 정보는 데이터베이스화하여 향후 고준위방사성폐기물 지층처분 부지선정을 위한 기초자료로 활용하고자 한다. Fig. 1은 심부 특성조사과정에서 분야별로 획득되는 주요한 평가인자를 개략적으로 제시한 것이다.
2. 고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 심부 시추
2.1 심부 시추 현황
앞서 서술한 바와 같이 심층처분시설은 일반적으로 지표로부터 300∼500 m 심도에 건설되는 것을 전제로 하고 있다. KINS(2019)에서 제안한 바에 따르면 심층처분을 지표 하 400 m이상 깊이에 천연방벽 또는 공학적 방벽으로 방사성폐기물을 처분하는 것으로 지칭하고 있다. 이러한 목표 심도를 고려하면 적어도 500 m 이상의 심부 시추가 수행되어야 하며, 모델링을 위해서는 처분심도의 2배에 해당하는 1 km 이상의 심부 시추가 추천된다. 그러나 현실적으로 연구 단계부터 1 km 이상의 심부 시추를 수행하는 데 여러 어려움이 존재하기 때문에 심부 특성을 파악하면서도 다양한 시험 등이 이루어질 수 있는 적절한 심도 결정이 필요하다.
근래 국내에서 수행되고 있는 심부 시추는 방사성폐기물처분 목적 외 이산화탄소 지중저장, 지열, 지진 활동 감시 등을 목적으로 다방면에 걸쳐 수행되고 있다. 시추 목적에 따라 시추 중이나 시추 후 수행되는 시험이나 방법 등에서 다소 차이가 발생할 수 있으나, 심부 암반의 특성을 파악하는 데 시추만큼 확실한 방법은 없다. 이 중 고준위방사성폐기물 처분과 관련된 심부 시추 사례는 강원도 고성, 대전 유성, 경상북도 안동 등 대부분 결정질암을 대상으로 10여 공의 시추만 이루어졌다. 이는 고준위방사성폐기물 처분 선도국들에 비하면 매우 부족한 상태이다(Cheon et al., 2022).
이에 한국지질자원연구원은 고준위방사성폐기물 지층처분과 관련한 심부 부지특성을 평가하기 위하여 2020년부터 매년 2공 이상의 심부 시추를 수행하고 있다. Table 1은 고준위방사성폐기물 지층처분을 위해 수행되었던 시추 현황과 계획에 대해 정리한 것이다. Cheong and Kim(2012)에 따르면 국내 지체구조를 크게 경기육괴, 옥천대, 영남육괴, 경상분지로 분류하였으며 Table 1은 이에 따라 표기한 것이다. 강원도 고성이나 대전 유성에서 수행된 시추는 한국원자력연구원 주관으로 진행된 것이며, 이외는 한국지질자원연구원에서 수행했거나 계획 중인 내용이다.
Table 1.
Boreholes for HLW related purpose performed or planned according to tectonic structures and rock types by KIGAM and KAERI (updated from Cheon et al., 2022)
2.2 심부 시추 방법
2.2.1 시추 일반
시추는 부지조사에서 있어 심부 지질 특성을 직접적으로 파악할 수 있는 중요한 작업이다. 고준위방사성폐기물 심층처분을 위해서는 최소 300 m 이상의 시추가 이루어져야 하므로 다음과 같은 조건을 시추 작업의 기본사항으로 채택하였다. 시추공 공곡(borehole deviation)을 허용범위 이내로 유지하면서 750 m까지 안정적으로 시추할 수 있도록 200 HP 이상의 유압 회전식 시추기 사용을 기본조건으로 설정하였다. 또한 시추 코어의 회수율을 높이기 위해 삼중배럴의 장비를 사용하도록 명시하였다. 시추공의 규격은 N 크기를 기본으로 하였으나 시추 대상 암종을 고려하여 지표 부근에서는 심부 시추가 가능하도록 더 큰 규격(가령 P, H 크기 등)으로 시추를 허용하였다. 회수된 시추 코어의 경우 기존 국외 사례는 NX 코어를 규정하고 있으나, 롯드 방식의 시추 대신 와이어 방식의 시추가 주를 이루면서 NQ 등의 코어가 사용되기도 한다. 현재 국내는 대부분 와이어를 이용한 삼중 배럴 방식으로 코어를 회수하기 때문에 직경 기준 50 mm 회수되도록 하였다. 흔히 국내에서 사용하고 있는 회수 코어 NQ3는 직경이 50.5 mm로서 국제 기준 규격의 NQ3(직경 45.1 mm)가 아닌 국내에서 제작된 코어비트를 사용하고 있어 이에 대한 새로운 명기나 표기가 요구된다. 본 연구에서는 국내에서 사용하고 있는 시추코어 형식을 NQ3K로 명기하고 회수 코어의 직경은 50 mm 이상을 기본으로 설정하였다.
시추 공곡은 시추 품질이나 시추공을 활용한 다양한 시험 등을 위해 암종에 따라 3°∼7° 이내를 만족하도록 하였으며, 시추 중과 시추 완료 후 공곡 검층을 통해 이를 확인하도록 하였다. 시추 중 시추 특성 정보를 실시간, 연속적으로 계측하고 시추 순환수 수질 역시 지속적으로 계측하였다.
시추 도중 지반 상태가 불량하여 시추공 보강이 불가피한 경우에는 각 분야별 연구자들이 협의하여 보강방법을 결정하였다. 기본적으로 공내 지하수의 화학 성분 변화에 미치는 영향이 없거나 최소화할 수 있는 방안으로 수행하였다. 암층 등이 불량하여 공벽을 보호할 필요가 있는 경우, 케이싱을 이용하여 굴착된 부분까지 공벽을 보호하였으며, 사용되는 케이싱은 공내 지하수와의 반응 및 부식을 최소화하기 위해 스테인레스 제품을 사용하였다. 시추가 완료된 후에는 시추공을 이용한 현장조사 및 현장시험을 위해 시추공 서징(borehole surging)을 실시하였다. 작업에 사용되는 모든 장비와 장치에 대해 작업 시작 전 사양서와 검, 교정 자료를 제시하도록 명시하여, 시추 절차에 적합한 장비인지 확인하였다.
시추는 심부 특성을 확인하기 위한 활동으로 시추와 함께 주상도 작성, 시추 순환수 관리, 시추 중 계측, 시추공을 위한 물리검층, 지하수 채수, 수리시험, 현지응력 평가 등 다양한 활동이 수행된다. 국내의 경우 아직 고준위방사성폐기물과 관련하여 위 조사나 평가 등에 대해 확립된 표준절차서가 존재하지 않기 때문에, 본 연구를 수행하면서 각 부분별 절차서(안)을 작성하여 수행하였다. Table 2는 스웨덴 SKB에서 시추작업과 이와 관련된 계획, 활동에 관해 제시한 사례이며, 이와 관련된 시험방법인 SKB MD 620.003과 같은 세부 문서는 외부에 공개하고 있지 않다(SKB, 2005).
Table 2.
Example of controlling documents for the performance of the activity (SKB, 2005)
2.2.2 시추 순환수 관리
SKB에서 사용하는 시추 순환수 관리에 대한 개략적인 모식도가 Fig. 2에 제시되었다. SKB는 시추 현장의 지하수를 시추수로 사용하기 위하여 약 100 m 이상이 유격된 관정(Fig. 2의 HFM01)을 이용하여 지하수를 공급하였으며, 지화학 조사의 목적으로 사용되는 지하수의 경우 유기물 함량을 줄이기 위해 탄소 필터를 사용하는 경우도 있다. 또한 SKB의 시스템은 공급된 시추수의 추적을 위해 우라닌(uranine)을 사용하고 배출된 시추 반환수를 사용하여 재활용하는 순환시스템이다.
기존 국외 사례나 지화학 분야의 특성을 고려하여 본 연구 역시 심부 시추에서 시추 순환수관리를 수행하였다. 시추 순환수 관리는 기본적으로 지하수의 화학적 성분 변화를 최소화하기 위하여 시추공 내의 지하수를 시추수로 사용하는 것을 원칙으로 하였으며, 시추수가 주입되는 과정에서 시추공 밖으로 나오는 시추 반환수를 정화하여 다시 시추수로 이용하는 폐쇄 시스템으로 시추수를 관리하였다. 다만, 시추가 이루어지는 부지의 특성이나 주변 지하수 체계 등으로 지하수 양이 시추수로 사용하기에 부족한 경우에는 주변 수돗물을 사용하였으며, 이에 대한 성분분석을 수행하였다. 공급된 시추수의 추적을 위해 특정 종류와 일정 농도의 형광물질(fluorescein disodium salt, C20H10Na2O5)을 혼합하였다. 시추공으로 주입 또는 반환되는 시추수의 중간저장은 화학적으로 안정한 재질의 불투명 보관통 2개 이상을 연결하여 사용하며, 보관통의 용량을 사전에 확인하고 시추수의 탁도와 수위를 확인할 수 있도록 외부에 장치가 포함되었다. 중간 저장 보관통의 용량은 시추 작업에 적합하도록 선택하는 것을 원칙으로 하되 최소 1톤 이상의 것을 사용하였다. 각각 중간 저장 보관통의 형광물질 농도를 일정하게 유지시켰다. 시추를 위한 시추수 보충이나 형광물질 농도 유지를 위해 시추수와 형광물질 보충 시 보충량과 일시를 기록하였으며, 형광물질의 농도범위가 일정 범위를 벗어나지 않도록 하였다. 시추가 완전히 완료된 후 양수를 통해 시추공 내 잔존하는 형광물질이 시추수 농도 대비 10 %이하를 유지하였다. Fig. 3은 본 연구에서 적용된 시추 순환수 관리의 모식도를 나타낸 것이다.
2.2.3 시추 중 계측
시추공 굴착 과정 중 시추대상 암반의 특성과 지층변화 등을 확인하고 굴진 성능 등을 검토하기 위하여 굴진 시간과 심도에 따른 굴진율, 비트 회전수, 비트 하중(토크, 추력) 등을 자동 계측장비를 통해 연속적으로 측정하였다. 이와 함께 시추수의 주입 압력, 주입되는 시추수의 공급량과 배수량을 지속적으로 측정하여 단위 시간별로 기록하였다.
시추 순환수 관리와 연계되어 시추 중 시추수의 형광물질 농도를 적정 수준으로 유지하고 시추 완료 이후 형광물질 배경농도 분석을 위해 정기적으로 시추수 시료를 채취하고 농도를 측정하였다. 채취 빈도와 양은 분석 상황에 따라 결정하였다. 채취한 시추 순환수는 화학적으로 안정한 용기에 보관하여 온도(T), 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 형광물질 농도를 정해진 기간별로 측정하여 굴착 심도와 함께 기록하였으며, 매일 굴진 작업 시작 전과 완료 후에 공내 지하수위 및 측정시간을 기록하였다. 위와 같은 시추 중 계측자료는 당일 시추작업이 종료된 시점에서 일일 보고를 작성하였다. 시추 중 계측을 위한 계측장비는 월 1회 이상 환경부 공정시험법 내지 한국지질자원연구원에서 제시하는 표준절차에 따라 교정을 수행하였다.
Table 3은 시추와 관련하여 필수적으로 수집 및 기록되어야 하는 정보를 보여준다. 일일보고에는 시추위치, 좌표, 표고, 작업일자, 보고일자 등의 일반사항과 시추시작 및 종료심도, 당일 굴진현황, 평균 굴진율, 시추 규격 등의 작업내용과 익일 작업예정 내용 등이 포함되며 수치, 문자, 사진 등으로 기록된다.
Table 3.
Required informations for drilling in general
2.2.4 시추코어 관리
심부 시추 과정에서 획득한 코어 시료는 지질학적, 지화학적, 지구물리학적, 지질공학적, 암반공학적으로 다양하게 활용되기 때문에 이에 대한 관리가 중요하다. 본 연구에서는 시추 전 구간에 대해서 코어 시료를 구간별로 최소 90% 이상 회수하도록 하였으며 회수된 NQ3K 시료에 대해 1 m 단위로 구분된 5 m를 하나의 플라스틱 상자에 보관하는 것을 기본으로 하였다. 이외 다른 크기의 코어의 경우 역시 1 m 단위로 구분하여 NQ3K의 5 m 단위 상자와 동일한 크기의 상자에 보관하였다. 시추코어 상자에 회수된 코어를 위치시킬 때 시추 심도를 정확히 기재하였으며, 코어 손실구간은 해당 구간만큼 적당한 재료로 채운 후 손실 원인에 대한 사항을 기재하여, 향후 코어 분석의 참고자료로 사용하였다. 토질층, 파쇄대 등의 구간에서 시료가 회수될 경우, 아크릴 시료 병이나 비닐 등으로 감싼 후, 공번호, 시료번호, 채취심도, 일자 등을 라벨에 기재하여 보관하였다. 회수된 시추코어의 절리가 자연적으로 발생한 절리인지 시추 작업 중에 인위적으로 발생한 절리인지 정확히 표기해야 하며 보관 상자 내 거치를 위해 인위적으로 절단한 구간도 명확히 표기하였다. 시추코어 상자는 상자 내부와 외부에 시추위치, 공번, 상자번호, 해당심도 등을 명확히 기재하였다. 회수된 시추 코어는 시추현장에서 일련의 작업을 수행한 후 시추보관 창고로 이동하여 보관하였다.
3. 심부 시추공을 활용한 다학제적 지구과학적 조사
3.1 시추 주상도
시추 주상도는 시추 조사의 성과물 중 하나로 시추위치의 지반상태를 심도별로 기록한 것으로, 지질 및 암반의 상태에 대한 정보를 도식화 및 수치화여 제시한다. 본 연구에서는 한국지질자원연구원에서 지정한 양식을 사용하여 작성하였으며, 현장 작업과정 중 추가 및 보완해야 할 사항이 있는 경우 협의를 통해 보완하였다. 지정한 시추 주상도 양식은 국내 시추조사에서 기본적으로 적용되는 내용과 절리빈도 등을 반영하고 작성된 내용 중 정량적 자료인 TCR, RQD, 절리 빈도 등의 자료는 분석이 용이하도록 스프레드시트 형태로도 작성되었다.
시추 주상도는 지질학, 지질공학, 암반공학 등 관련 분야의 경험이 풍부한 전문가가 작성하였으며, 원 상태에서의 정보기록을 위해 코어 회수 후 일주일 단위로 작성하였다. 시추 주상도는 시추 순서와 심도에 따라 작성하며 Table 4와 같이 시추공 제원, 토질/암반 분류, 불연속면 정보 등의 내용을 포함하였다. 기타 지층 상태 규명에 필요한 모든 자료를 기술하였다.
이외에 시추조사 부지 주변의 선형구조 분석과 지질구조의 분석, 층서 위치와 암상특성 분석, 지질구조 주상도 작성 등을 수행하고 주변 지역의 해수면 변동과 지형변화를 추적하는 조사도 병행하였다.
Table 4.
Required information related to the drill log
3.2 물리 검층
물리검층은 석유, 토목 및 지하수 분야 등에서 지하 물성 변화 파악을 위해 널리 사용되어 왔으며, 시추 조사 시에 회수된 코어 분석과 함께 가장 기본적이고 유용한 방법이다. 심부 암반 특성을 분석하기 위하여 한국지질자원연구원이 보유한 물리검층 시스템과 7개의 물리검층 손데를 이용하여 시추공에 대한 물리검층자료를 획득하였다. Table 5는 물리검층에서 획득하는 현장 자료의 물성과 이로부터 조사 분석되는 평가인자에 대해 요약한 표이다.
Table 5.
Measurement of physical properties and related parameters by borehole logging
Fig. 4는 화강암 지역의 심부 시추공에 서 수행한 물리검층의 원시자료를 제시한 것으로 왼쪽부터 공경, 온도, 공내수 전기전도도, 밀도, 전기, 자연감마, 음파, 초음파주사검층 자료를 나타낸다. 이외 심부 시추가 제안된 절차와 기준에 따라 수행되었는지 여부를 확인하기 위해 공곡측정을 시추 중과 시추 후 수행하였다.
3.3 수리화학 시험
3.3.1 수리화학 현장 측정
수리화학 시험은 현장측정과 지하수 채수로 구성된다. 수리화학 현장측정은 시추 순환수를 이용하며, 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 산화환원전위(Eh), 용존산소농도(DO), 온도(T)를 측정하였다. 각 항목 측정을 위한 전극을 사용하되 매 구간의 현장측정 전에 환경부 공정시험법 내지 한국지질자원연구원이 제시하는 표준절차에 따라 교정 후 사용하였다. 채수한 지하수의 형광물질 농도는 시추 순환수에서와 동일한 방법으로 측정하였다.
3.3.2 지하수 채수
시추공을 이용한 지하수 채수 후 수리화학 시험은 아래와 같은 상세 시험과정을 따라 수행하였으며, Fig. 5의 모식도와 같다.
시추 완료 후 일정 심도에서 수행하며, 시추수에 대한 모니터링, 시추 코어 자료, 물리검층 자료 등을 참고하여 시험 수행 전 협의를 통해 시험 구간을 결정하였다. 결정된 시험 구간(위치)에 잔류하는 시추수를 양수펌프를 이용하여 제거한 후 시험을 수행하였다. 시추 동안 사용된 시추수를 시추공으로부터 제거하기 위하여 지하수 채수 시험구간 부피의 5배 이상의 양을 양수하였다. 결정된 시험 구간의 지하수는 펌프를 이용하여 지표로 양수한 후 지표에서 시험을 수행하였다. 지표로 양수한 지하수에 대해 먼저 수리화학 현장측정을 수행한 후 지하수를 채수하였으며, 채수는 각 시험구간 당 3개의 채수병을 사용하여 3배수로 실시하였다. 수리화학 현장측정과 지하수채수의 전 과정은 외부공기와의 접촉이 차단된 상태에서 수행하였다. 지하수의 수리화학 현장측정은 지하수의 산화환원전위(Eh) 값을 연속적으로 측정하면서 그 값이 ±5% 이내로 안정되었을 때 수행하였다. 24시간 이상 지하수의 산화환원전위(Eh) 값이 위의 범위 내로 안정되지 않으면 안정화에 허용할 최대 기간은 협의 후 결정하였다. 양수된 지하수에 대해 수리화학 현장측정을 시작한 시점부터 지하수채수가 완료될 때까지 수리화학 현장측정 값은 일별로 기록하였다. 각 시험 구간의 지하수 채수량은 최소 총 6 L 이상이 되도록 하였다. 시험 구간에서 지하수 양이 적어 원활하게 양수되지 않을 때 최소 지하수 채수량은 총 1 L 이상이 되도록 하였으며, 현장 상황상 예외 사항 발생 시 협의 후 결정하였다. 양수에 사용하는 펌프는 최대 750 m 심도에서 예상되는 지하수 펌핑 압력에 부합하는 성능을 보유하였고, 채수된 지하수 시료의 배송 시 외부 공기와의 접촉을 완전히 차단하여 햇빛이 없는 곳에서 4°C 이하 상온에서 보관하였다.
위와 같은 방식으로 수행된 수리화학 시험과 관련하여 Table 6과 같은 정보가 필수적으로 기재되었으며, 지하수를 양수하여 지하수 채수를 위한 현장 측정이 시작한 시점부터 지하수 시료채취가 모두 완료될 때까지 현장측정값(EC, Eh, DO, T, pH)도 일별로 기록하였다.
Table 6.
Required information related to hydrochemical test
Fig. 6은 지하수 채수를 위해 사용되었던 두 가지 방식으로 하나는 자연적으로 지하수의 압력을 이용하여 지하수 채수구간에 지하수가 모인 상태에서 펌핑하는 방식과 다른 하나는 압력을 갖는 질소가스를 지하수 채수구간에 넣어 지하수를 채수하는 방식이다. 질소가스를 이용한 지하수채수는 일정한 압력으로 질소를 주입하여 지하수를 채수하는 방법의 퍼지모드와 지하수 채수와 질소가스가 모두 배출하게 하는 리챗모드가 있다. 공내 시추수를 제거할 때 퍼지모드를 사용하였으며, 지화학 분석용 지하수 채수는 리챗모드를 사용하였다.
3.4 수리 시험
Park et al.(2020)과 Bae et al.(2021) 등에서 언급한 바와 같이 단일 시추공에 적용 가능한 유체 유입 방식의 수리특성 시험법으로는 정압 주입시험, 정량 주입시험 및 순간 충격시험법인 슬러그 시험과 펄스 시험 등이 대표적으로 알려져 있으며, 이들 측정범위는 일반적으로 Fig. 7과 같다.
Fig. 7.
Measurement range of transmissivity according to testing method (Bae et al., 2021, Kim at al., 2019)
현재의 국내 관련 산업 여건과 시험 수행 대상이 심부 시추공으로 수리전도도가 낮을 것으로 예상되는 점 등을 고려하여 정압주입시험을 기본으로 채택하였다. 본 연구에서 적용된 2가지 시험 장치는 방식이나 방법 등에서 약간의 차이가 있으며, 이들에 대한 모식도는 Fig. 8과 같다.
본 연구에서 수행하였던 시추공을 이용한 정압수리시험은 아래와 같은 상세 시험과정을 따라 수행하였다. 시추 완료 후 일정 심도에서 수행하며 암종과 시추 코어 자료, 물리검층 자료 등을 참고하여 시험 수행 전 협의를 통해 시험구간을 결정하였다. 시험 구간은 10구간 내외 또는 그 이상의 값을 획득할 수 있도록 충분한 지점을 선정하고 각 지점에서 4∼8 m 구간의 길이에 대하여 수행하는 것을 기본으로 하였다. 시험 시 이용하는 주입수는 시험공 내 지하수를 이용하는 것을 원칙으로 하였으나, 시추공 내 지하수를 이용할 수 없는 특별한 이유가 있는 경우는 지정된 주입수를 사용하도록 하였다. 시험이 수행되기 전 시험장치의 구성품인 가압과 주입장치, 자료 획득과 기록장치, 주입 유체 통과부, 시험구간 신호 계측장치 그리고 공 내 장치 등에 대해 점검하도록 하였다. 신뢰성 있는 결과를 획득하기 위해 시험이 수행되는 전 과정에서 지상과 공 내 주입압력, 유량이 자동으로 측정, 기록되고 그래프 형태로 제공되어 가압장치의 가압 정확도와 압력 조절과 유지 등을 평가할 수 있는 정량적이고 객관적 자료를 획득할 수 있었다. 정확도 오차와 정밀도 편차는 5% 미만으로 제한하였다. 저투수성 암반 조건을 대비하여 300 ml/min 이하의 미소 유량 주입과 조절이 가능한 가압장치를 사용하였다. 미소 유량에 대한 정확한 측정을 위해 측정 범위가 200 ml/min 이하인 정밀 유량계를 별도로 장비에 설치하였다. 다만 예상한 것보다 저투수성인 경우에는 200 ml/min 이하보다 더 정밀한 유량계와 가압 제어장치가 필요한 것으로 확인되었으나, 현재 국내에 이를 구현할 수 있는 장비가 존재하지 않는다. 이는 향후 해결해야 할 사항 중 하나이다.
시험은 다음과 같은 절차를 따라 수행하였다. 우선 패커와 연결 튜브 등 시험구간의 밀폐장치는 지상에서 가압하여 누수 여부를 사전에 확인한 후 공내 삽입장치를 시험 심도로 이동시켰다. 시험 심도로 정확하게 이동시키기 위해서 사전에 윈치 등의 신장력 등을 계산하고 이를 반영한 실제 심도를 계산하여 위치시켰다. 다수의 연결장치를 통해 유체를 주입하는 경우, 미세한 누수라도 발생하면 정압주입시험이 불가능하기 때문에 연결부에서의 누수 여부를 확인하였다. 스트래들 패커로 시험구간을 밀폐시키며 패커는 공벽과의 틈새를 통한 주입 유체의 누수를 방지하기 위해 고무 슬리브의 길이가 1 m 이상인 제품을 사용하였다. 스트래들 패커는 수압으로 팽창시켜 시험구간을 밀폐하도록 하였으며, 기체 등 다른 방법을 사용하는 경우는 사전 협의를 수행하여 결정하였다. 패커의 팽창 압력은 공벽 손상이나 기존 불연속면의 변형을 최소화시키기 위해 조사 심도에서의 순 팽창압력(net working pressure)은 3.45 MPa이하로 하며 여러 단계로 나누어 팽창시킨다. 주입수를 10분 이상 안정화 시킨 후 시험구간 내에 소량의 순 주입압력(예로 3bar 등)으로 시험수를 주입하여 주입율이 충분히 안정될 때까지(예로 20분 내지 30분) 일정한 압력으로 유지시켰다. 현장 조건 등을 고려하여 소량과 낮은 순 주입압력으로 시험을 수행하였다. 가압, 주입, 가압 중지 등에 따른 압력과 유량 변화를 실시간으로 계측하고 그래프로 가시화하고 기록하였다. 시험 결과 해석은 기본적으로 지하수 유동방정식을 이용하는 Jacob-Lohman법에 의해 수리전도도를 계산하고, 필요 시 다른 방법을 적용하고 비교하였다. 결과는 Table 7과 같은 사항을 포함하였다.
Table 7.
Required information related to the hydraulic test
3.5 현지응력 측정
현지응력은 지하자원 개발을 위한 최적 설계와 지하공간의 안정성 확보를 위한 핵심 인자뿐 아니라 고준위방사성폐기물 심층처분을 위한 부지선정에서 필요한 중요 평가인자다(Choi et al., 2017, Kim et al., 2020a, Choi et al., 2020, Choi et al., 2021, Cheon et al., 2022). 현지응력은 수압파쇄법이나 오버코어링법 등에 의해 획득하거나 단층 또는 지진 메커니즘을 이용하여 측정한다. Kim et al.(2020b)은 40여 년간 국내에서 수행된 현지응력 자료로부터 한국응력지도를 발간하였다(Fig. 9). 다만 이 지도에 사용된 자료는 대부분 지표로부터 심도 300 m 이내에서 측정된 자료로서 고준위 방사성폐기물 심층처분 대상 심도로 고려되는 300m 하부 자료는 매우 적을 뿐만 아니라 자료 분포도 일부 지역에 편재되어 있다는 한계를 갖고 있다.
Fig. 10은 각각 핀란드와 스웨덴의 처분대상 지역인 Olkiluoto와 Forsmark 일대에서 측정된 현지응력을 보여준다. 최대 측정 심도는 약 500~800 m에 이르는데 동일 심도라 하더라도 응력 편차가 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 응력 측정 방법과 지질 구조의 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
Fig. 10.
In-situ stress field model (left: Olkiluoto in Finland (Posiva, 2009), right: Forsmark in Sweden (SKB, 2007))
현지응력의 변화가 심도에 따라 다르게 발생할 수 있다는 것과 국내에서 오버코어링 방법으로 심부에서 수행한 경험이 없다는 점 등을 고려하여 본 연구의 심부 시추공에서는 한국지질자원연구원이 보유한 대심도용 수압파쇄 시험장치를 이용하여 750 m 시험구간에 대해 20 지점 이상 시험을 수행하고 HF (Hydraulic Fracturing)와 HTPF (Hydraulic Testing of Pre-existing Fractures)으로 현지응력을 측정하였다. Fig. 11은 옥천대 지체구조에 속하는 원주 지역의 화강암에서 획득한 현지응력의 크기와 방향을 제시한 것이다. 수직응력, 최대수평응력, 최소수평응력을 하나의 직선으로 회귀할 수 있으나, 앞서 서술한 바와 같이 최대수평응력의 크기와 방향이 일부 심도에 따라 다르게 나타날 수 있음을 알 수 있다.
4. 맺음말
본 보고에서는 고준위방사성폐기물 심층처분과 관련하여 지구과학적 평가인자를 획득하기 위해 수행 중인 750 m급 심부 시추와 그와 관련된 지구과학적 조사에 대해 서술하였다.
심부 시추는 지체구조와 암종에 따라 구분된 표 1의 16개 영역에 대해 기수행되었던 국내 현황과 암종 분포 등을 고려하여 위치를 선정하였다. 심부 시추를 통한 조사연구에 있어 기본이 되는 지침과 관련하여 시추 일반, 시추 순환수 관리, 시추 중 계측, 시추 후 코어 관리 등으로 구분하여 제시하였다. 또한 시추공을 활용한 다학제적 지구과학적 조사에서는 수행한 방법과 일부 결과를 예시로 제시하였다. 다학제적 지구과학적 조사는 지질과 역학 특성을 반영한 시추 주상도, 연속적인 물리적 특성 파악을 위한 물리 검층, 수리화학 특성을 파악하기 위한 지하수 채수, 수리전도도를 파악하기 위한 정압주입시험, 현지응력 측정에 관한 내용 등에 대해 간략하게 소개하였다. 이외에 부지조사나 선정에 있어 중요하게 고려되고 획득하여야 하는 평가인자를 시추과정 등을 통해 획득하고 분석하고 있다. 각 분야에 관한 구체적이고 세부적인 방법과 결과 그리고 암종 등에 따른 특성차이 등에 대한 연구는 앞으로 지속적으로 수행할 예정이다.
