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보고서 상세정보

지중주입된 이산화탄소 거동 및 누출 모니터링 현장적용 기술개발
Development of In-situ Monitoring Technology for Detecting Underground Behavior and Leakage of Injected CO2

  • 과제명

    지중주입된 이산화탄소 거동 및 누출 모니터링 현장적용 기술개발

  • 주관연구기관

    한국지질자원연구원
    Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources

  • 연구책임자

    김정찬

  • 참여연구자

    송인선   윤병준   염병우   박용찬   김구영   이창현   김태희   박권규   이희권   그외 다수  

  • 보고서유형

    연차보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2015-12

  • 과제시작년도

    2015

  • 주관부처

    미래창조과학부
    KA

  • 사업 관리 기관

    한국지질자원연구원
    Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources

  • 등록번호

    TRKO201600000643

  • 과제고유번호

    1711027257

  • 키워드

    이산화탄소,지질학적 저장,온실가스,퇴적분지,모니터링CO2,Geologic storage,Greenhouse gas,Sedimentary basin,Monitoring

  • DB 구축일자

    2016-04-23

  • 초록 


    Multiple scenarios of upward CO2 migration driven by both injection-induced pressure and buoyancy force were investiga...

    Multiple scenarios of upward CO2 migration driven by both injection-induced pressure and buoyancy force were investigated in a horizontally and vertically stratified core utilizing a core-flooding system with a 2D X-ray scanner. The core-flooding experiments showed a 36% increase in migration rate in the vertical core setting compared with the horizontal setting, indicating the significance of the buoyancy force under the terrestrial reservoir scenario. Under both reservoir conditions, the injected CO2 tended to find a preferential flow path (low capillary entry pressure and high-permeability (high-k) path) and bypass the unfavorable pathways, leaving low CO2 saturation in the low-permeability (low-k) layers.
    On the basis of measurement of surface-soil CO2 flux and gas concentration in the vadose zone, methodology for soil CO2 monitoring method was established. In addition, for applying non-conventional isotope to CO2 monitoring, we have started water-rock interaction in the laboratory, using biotite(mono-mineral) crystal.
    We have conducted a theoretical study to develop a method to measure the permeability of cap rock sample with extremely low permeability in a short time. We solved one-dimensional diffusion equation with a new boundary condition. According to the solution, minimizing the downstream by an endcap at the end of specimen and applying a constant upstream pressure, we can measure the permeability from the initial flow rate measured by a pump. Also we can measure the specific storage of sample from the total flow injected into the sample by the constant upstream pressure.
    We have collected preexisting stress information to build a GIS-based database and to create stress maps. The stress map shows that the average azimuth of maximum horizontal principal stress (SHmax), derived from the in-situ stress measurements, is about N~60°E with significant local variation, The dominant stress regime is reverse faulting. On the other hand, the average SHmax azimuth obtained from the earthquake focal mechanism solution is about N~70°E which is consistent with the orientation of in-situ stress measurements. This suggests that the SHmax azimuth is not changed with depth. There is no dominant stress regime, suggesting that a complexity in stress regime exists in the deep depth.


    연차 목표
    ○ CO2 이동/ 반응 및 물성변화 모니터링 기법 확립
    ○ 저장소 부근 응력장/지질구조분석 및 CO2 누출제어 기술개발
    ○ CO2저장 시험부지 ...

    연차 목표
    ○ CO2 이동/ 반응 및 물성변화 모니터링 기법 확립
    ○ 저장소 부근 응력장/지질구조분석 및 CO2 누출제어 기술개발
    ○ CO2저장 시험부지 지질모델 고도화
    ○ CO2주입/관측 시나리오 도출을 위한 모델링 기법 개발
    ○ 시추공 기반 CO2모니터링 요소기술 고도화 및 현장적용성 향상
    ○ CO2주입/관측 현장 인프라 구축 및 배경 모니터링(baseline survey)

    개발내용 및 결과
    ▪층리구조의 불균질 매질에서 CO2 이동특성 평가기술 개발
    ▪토양 CO2 모니터링 방법 확립(불포화대 가스 동위원소 시료채취/분석)
    ▪CO2모니터링 장비 및 시스템 개발 및 고도화(항압 시료채취, 고압환경 pH-meter, 광케이블을 이용한 온도·압력 모니터링 장비 등)
    ▪극저 투수율(덮개암)의 투수율 측정을 위한 이론정리 및 장비 구축
    ▪CO2저장 후보지 부근 응력장 분석
    ▪주입정/관측정 기밀성 관리 및 누출 제어 기술개발
    ▪설계요소 도출을 위한 부지특성 평가(시추 및 시추코어 분석, 수리시험을 이용한 현장 투수계수 산정, 시추공 물리검층, 지표/수직(VSP)탄성파 탐사, 현장 수리시럼(fall-off test) 등)
    ▪CO2 주입/관측 시나리오 도출
    ▪CO2주입부지 주변 배경모니터링(토양/지하수 CO2농도 및 flux, 탄소동위원소, 미생물 등)

    기대효과
    ○ CO2 모니터링 기술 자립도 향상을 통한 국내 산업 기반 및 경쟁력 확보
    ○ CO2 모니터링 핵심기술개발을 통해 CO2 배출권 확보를 위한 산업 경제적 독립성 확보
    ○ 저장 안정성 평가 기반기술 개발을 통한 CO2 지중저장의 대중적 인정(public acceptance) 확인

    적용분야
    ○ 파일럿 규모 CO2저장 실증
    ○ CO2포집 연계 상용화 규모 통합 CCS 플랜트


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 2
    3. 연차보고서 요약서 ... 4
    4. 요약문 ... 5
    5. SUMMARY ... 11
    6. CONTENTS ... 14
    7. 목차 ... 15
    8. 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18
    9. 가. 연구개발의 필요성 ... 18...
    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 2
    3. 연차보고서 요약서 ... 4
    4. 요약문 ... 5
    5. SUMMARY ... 11
    6. CONTENTS ... 14
    7. 목차 ... 15
    8. 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18
    9. 가. 연구개발의 필요성 ... 18
    10. 나. 연구개발의 목적 ... 19
    11. 다. 연구개발의 내용 ... 20
    12. 라. 연구개발의 중요성과 파급효과 ... 22
    13. 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 24
    14. 가. 국내 CO2저장/모니터링 연구개발 현황 ... 24
    15. 나. 국외 CO2저장/모니터링 연구개발 현황 ... 30
    16. 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 42
    17. 가. 현장적용을 위한 CO2이동/반응 복합 모니터링 기법개발 ... 42
    18. 1) 층리구조의 불균질매질에서 이산화탄소 이동 특성 평가기술 개발 ... 42
    19. 2) 토양 CO2 모니터링 기술 개발 ... 51
    20. 나. CO2 거동에 따른 지하 물성변화 예측 모델링 기술개발 ... 54
    21. 1) CO2 주입 저장층 및 덮개층 암석시료 물성 연구 ... 54
    22. 다. CO2 저장특성 및 안전성 평가 기술개발 ... 65
    23. 1) CO2 지중저장을 위한 한반도 남부 지중응력 GIS 기반 DB 구축 ... 65
    24. 2) 주입관측 시스템/지질매체 기밀성 평가/관리 기술 개발 ... 77
    25. 라. 시추공 기반 CO2 주입/관측 설계 기술개발 I : 부지특성 평가 ... 83
    26. 1) 시추작업 및 시추코어 분석 ... 83
    27. 2) 물리검층 및 자료분석 ... 96
    28. 3) 현장 수압시험을 통한 현장 투수율 평가 ... 97
    29. 4) 현장 수압파쇄시험을 통한 현지 응력 평가 ... 100
    30. 5) 탄성파 탐사를 통한 지질모델 구축 ... 115
    31. 6) 현장 수리시험(Fall-off Test) ... 128
    32. 7) 시추공 물성측정 및 two-phase (CO2/water) 유동 특성 평가 ... 132
    33. 마. 시추공 기반 CO2 주입/관측 설계 기술개발 II : CO2 주입/관측시나리오 도출 ... 137
    34. 1) 주입성 개선을 위한 화학물질 주입 모델링 ... 137
    35. 2) CO2 거동 모델링 및 주입 시나리오 개발 ... 140
    36. 바. 시추공 기반 CO2 주입/관측 설계 기술개발 III : 배경 모니터링 ... 173
    37. 1) 토양 CO2 baseline 조사 결과 ... 173
    38. 2) 불포화대 기압 및 지표 CO2 플럭스 연속 측정 방법 및 결과 ... 176
    39. 3) 천부 지하수 baseline 모니터링 ... 179
    40. 4) 지하수내 미생물 배경조사 ... 184
    41. 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 194
    42. 가. 당해연도 연구성과 ... 194
    43. 1) 논문, 지재권, 기술이전 성과물 ... 194
    44. 2) 과제와 관련하여 창출된 기타 정성적 성과물 ... 197
    45. 나. 연구실적의 경제적 공공적 파급효과 ... 201
    46. 1) 정책적 측면 ... 201
    47. 2) 과학기술적 측면 ... 201
    48. 3) 경제․산업적 측면 ... 201
    49. 4) 국민생활과 사회 수준 향상에의 기여 측면 ... 201
    50. 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 202
    51. 가. 기대 효과 ... 202
    52. 나. 활용계획 ... 203
    53. 제 6 장 참고문헌 ... 204
    54. 부 록 위탁연구 보고서 ... 208
    55. 끝페이지 ... 295
  • 참고문헌

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