초임계 CO₂에 의한 셰일 및 사암의 스웰링 및 역학적 성질 변화에 관한 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 에너지시스템공학부, 2012. 8. 송재준.CO₂저장에 따른 암반 물성의 변화 분석은 지중저장소 정밀 모니터링을 위해 필수적인 요소로서 이에 대한 다양한 각도의 실험 수행과 모델링이 요구된다. 하지만 국내의 경우는 대부분 모델링 연구에 집중되고 있으며, 수치모델에서 필요로 하는 입력자료 대부분이 문헌에 기반한 가정치를 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 CO₂주입 환경을 모사하는 기술을 고안하고, 초임계 CO₂와 반응하는 저류층 암반의 거동 분석을 위해 암석 시료를 이용한 역학적 물성 변화 위주의 실험실 시험을 실시하였다. 실험 대상은 저류층 내에서 덮개암 및 저장층 역할을 하는 셰일 및 사암으로 하였으며, 실제 저장층 조건을 고려하여 염수의 유무에 의한 영향을 분석 하고자 세가지 경우의 주입환경 (초임계CO₂−암석, 초임계CO₂−물−암석, 초임계CO₂−염수(1M)−암석)을 모사하여 그 영향을 분석하였다. 그리고 같은 온도 조건 하에 초임계 CO₂가 용해되지 않은 물과 염수에도 암석을 2주간 반응 시켜 초임계 CO₂가 암석의 물성 변화에 미치는 정도를 명확히 파악 하고자 하였다. 먼저 층간 결합력이 약해 팽창성이 높은 것으로 보고된 셰일 내 점토 광물의 초임계 CO₂에 의한 팽창을 검토 하고자 하였다. 미세한 변위 측정을 위해 암석의 편평도 시험법을 응용하여 셰일과 사암 시험편의 변위를 측정하였다. 반응 전 후의 변형 거동 과 물성 변화 관찰을 위해 파괴 강도 및 비파괴 분석 실험을 실시하였다. 단축압축실험 결과 분석을 위해 균열닫힘, 균열개시, 불안정한 균열 성장 구간을 찾아서 검토하였으며, 선형탄성 구간에서의 탄성계수 및 포아송비를 비교 분석하였다. 그리고 비 파괴 시험 중 X-ray 단층 촬영 및 탄성파 속도 측정 실험을 통하여 초임계 CO₂에 의한 암석 내부 공극 구조 및 공극률 변화를 살펴 보았다. 본 연구의 결과는 저류층 내 주입된 CO₂의 장기적인 저장 기작 메커니즘과 지중저장 능력 및 안정성에 영향을 미치는 주요변수들의 상호관계를 규명하는데 기초적인 자료들로 활용될 수 있을 것이다.List of Tables v List of Figure vii 1. 서론 ….. 11 2. 기초이론 및 연구현황 14 2.1 기본배경 14 2.1.1 초임계 CO2의 성질 14 2.1.2 지중 격리 메커니즘 17 2.2 CO2지중저장을 위한 주요 파라미터 19 2.2.1 공극률(porosity) 19 2.2.2 투과계수(permeability coefficient) 21 2.2.3 상대 투과율(relative permeability) 23 2.2.4 모세관압(capillary pressure) 25 2.3 CO2지중저장을 위한 실내실험 연구사례 26 2.3.1 실내실험의 목적 및 분류 26 2.3.2 암석 광물 용해 및 변화 분석 사례 28 2.3.3 암석의 역학적 성질 변화 연구 사례 33 2.4 기존 연구 분석을 통한 실험계획 및 방법 설정 38 3. 초임계 CO2와 암석 반응 실험 고안 46 3.1 실험 기기 46 3.2 고온고압반응기 내 CO2 주입량의 결정 48 3.3 온도-압력 조건에서 CO2의 상 변화 및 열역학적 성질 51 4. 초임계 CO2에 의한 암석의 팽창성 분석 58 4.1 기본배경 58 4.2 암석 팽창변위 측정 방법 61 4.3 실험 결과 비교 및 분석 63 4.3.1 물, 염수 반응에 의한 변위 63 4.3.2 초임계 CO2반응에 의한 변위 67 4.3.3 물–초임계 CO2 반응에 의한 변위 69 4.3.4 염수−초임계 CO2 반응에 의한 변위 71 4.4 요약 및 고찰 73 5. 초임계 CO2 반응 전 후의 암석 물성 변화 분석 76 5.1 단축압축실험 76 5.1.1 실험 방법 76 5.1.2 물성 변화 분석 방법 77 5.1.3 실험 결과 81 5.2 삼축압축실험 102 5.2.1 실험 방법 102 5.2.2 폐쇄형 해 공식의 적용 104 5.2.2 실험 결과 106 5.3 X-선 단층 촬영 113 5.3.1 실험의 기본 원리 113 5.3.2 실험 방법 114 5.3.3 실험 결과 115 5.4 탄성파 속도 측정 123 5.5 요약 및 고찰 127 5.5.1 파괴 실험 127 5.5.2 비파괴 실험 135 6. 결론 …. 137 참고문헌 141 Appendix A. Equation of State Prediction of Carbon Dioxide Properties (E∙On UK & DECC) 147 Appendix B. Swelling displacement of shale in different reaction conditions 154Maste