에너지자원공학과: 저류층 지오메카닉스

 저류층 지오메카닉스, 생소한 두 단어의 조합일 수 있을 것 같은데요.

 저류층(Reservoir)은 석유공학에서 지하에 매장된 석유와 천연가스를 포함하는 다공성 암석층을 의미합니다. 그러나 최근에는 지하에너지저장, 지열에너지개발, 방사성폐기물심층처분, 이산화탄소 지하저장 등 에너지자원분야에서 지하공간을 폭넓게 이르는 말로 사용하고 있습니다. 이렇게 지하에 존재하는 다양한 목적을 위한 저류층들이 굴착 등의 다양한 상황에 노출되었을 때 어떤 물리적 변화를 일으키는지에 대해 다루는 수업입니다.

 

1. 과목에서 배울 수 있는 내용 

1.1 과목의 전반적인 개요 

 저류층 지오메카닉스 과목에서는 3학년 1학기 전공필수 과목인 암석역학 및 실험에서 배우는 암석의 탄성적, 소송적 성질에 대한 기본 사항에 대한 이해를 기반으로 저류층에서의 현지응력 산정, 임계응력하의 균열과 유체 유동, 공벽 안정 해석, 수압 파쇄, 저류층 침하 등에 다루며 지열발전 시 유체주입에 따른 유발지진 가능성 분석 등 현장에서의 다양한 응용사례까지 다뤄보는 수업입니다.

 또한 수업을 진행하는 교수님 연구실에서 직접 개발한 Geomechanics Toolbox를 통해 공벽 안정성을 시뮬레이션 해보고 Python/Matlab등의 프로그램을 이용하여 수업시간에 배운 식들을 바탕으로 직접 공벽 안정을 해석해볼 수 있는 실습도 함께 진행됩니다.

 

1.2 키워드 별 개념 설명 

1) 현지응력 (In-situ Stress)

 현지응력은 지하암반이나 저류층에 자연적으로 존재하는 응력을 의미합니다. 이 응력은 지각의 형성과 변형 과정에서 발생하며, 중력에 의한 지표면의 하중, 지층의 이동, 열적 팽창 및 수축, 지하수의 압력 등 다양한 요인에 의해 형성됩니다. 건축, 구조, 토목공학에서 응력을 측정할 때에는 건물이나 다리 같은 구조의 무게 자체인 자중(Weight)과 건물이 버텨야 할 무게인 서비스 하중(Service load)을 비교적 확실하게 측정, 계산할 수 있지만 지오메카닉스에서 현지응력은 지층의 깊이, 암석의 종류, 지질구조 등에 따라 달라져 불확실성이 큰 특징을 가지고 있습니다.

 

[그림 1] Overburden pressure 예시

 

그림 1에서와 같이 같은 지역에서도 서로 다른 지층을 통과할 때 수직응력의 값이 달라지는 것을 확인할 수 있듯 현지응력은 지하환경에 따라 복잡하게 분포하지만, 현지응력에 대한 이해는 지하자원 개발, 지하수 관리, 지하 구조물의 안정성 평가 등 여러 지질 공학적 문제에서 중요한 역할을 함으로 현지응력을 측정할 수 있는 여러 방법에 대해 배우게 됩니다.

 현지응력의 상태는 주응력(principal stress)으로 표현되며, 이는 세가지 서로 직교하는 방향의 응력성분으로 구분됩니다. 이 세 가지 주응력은 크기에 따라 최대 주응력, 중간 주응력 그리고 최소 주응력으로 나뉩니다. 

 현지응력을 측정하는 대표적인 방법 중 하나는 수압 파쇄 시험(Hydraulic Fracturing Test)입니다. 이 방법은 공벽(Borehole)내 유체를 주입하여 암반에 균열을 발생시키고, 이때의 압력을 측정하여 현지응력을 추정합니다.

 

[그림 2] 수압 파쇄 시험

 

그림 2의 그래프를 통해

최소주응력 = Ps (Shut-in pressure)

최대주응력 = 3*Ps - Pr(Fracture reopening pressure) 

 와 같이 최소주응력과 최대주응력의 크기를 비교적 정확하게 측정할 수 있지만 주응력들의 방향을 알 수 없기 때문에 지반 내구도 시험(Borehole Breakout Analysis)나 압력계 측정법(Overcoring Method)를 사용하게 됩니다.

 지반 내구도 시험은 공벽 벽면의 균열과 파손 패턴을 분석하여 현지응력의 방향을 추정할 수 있습니다. 그림3에서는 비교적 넓게 형성된 균열인 borehole breakout과 얇게 형성된 균열인 tensile fracture를 확인할 수 있는데 이는 정확히 90도 간격으로 발생하며 이를 통해 borehole breakout이 발생한 방향이 최소 주응력 방향, tensile fracture의 방향이 최대 주응력 방향임을 알 수 있습니다.

 

[그림 3] 지반 내구도 시험

 

압력계 측정법은 공벽 주위에 압력계(Strain Gauge)를 부착 후 암반을 절단하여 현재 작용하고 있는 응력을 없애 주었을 때 변형을 통해 현지응력을 계산하는 방법입니다. 이 방법은 매우 정밀하게 현지 응력의 크기와 방향을 측정할 수 있다는 장점이 있지만 적용할 수 있는 깊이와 환경에 제한이 있다는 단점이 있습니다.

 

[그림 4] 압력계 측정법

 

2) Kirsch’s solution

 현지응력을 크기를 측정하였다면, 공벽 주위의 응력을 측정할 차례입니다. 공벽 주위의 응력은 공벽이 완벽한 원형이고, 충분히 깊다는 가정하에 Kirsch’s solution을 통해 계산할 수 있습니다.

 

 

이 식을 이용하여 공벽 주위에서 어느 곳에 응력이 집중되는지 계산할 수 있고, 이를 통해 공벽을 안정적으로 유지하기 위한 암석의 강도, 파손위험성이 있는 위치를 그림5와 같이 예측할 수 있습니다.

 

[그림 5] 공벽 주위의 응력 분포

 

지금 소개한 식은 현지응력만을 매개변수로 사용하는 간단하는 식으로, 수업에서는 위 식을 기초로 하여 냉각수(coolant) 주입, 경사정 굴착 등 다양한 상황에 적용할 수 있도록 Kirsch’s solution을 발전시켜 나갑니다.

 

2. 선배의 조언 

  수업은 Zoback MD, 2007, Reservoir Geomechanics, Cambridge University Press를 주교재로 사용합니다. Edx에서 해당 교재의 저자인 Zoback 교수님의 강의를 온라인으로 수강할 수 있어 참고한다면 많은 도움이 될 수 있습니다.

 또한Mohr Circle 등 응력을 전환하는 방법을 아는 것이 해당 수업을 위해 필수적이므로 전공필수 과목인 재료역학과 암석역학 및 실험을 선수강하는 것이 권장되며, 위 과목들을 수강한 후 오랜 시간이 지났다면 복습을 추천합니다.

 마지막으로 Python과 Matlab을 활용하는 실습이 있어서 걱정하실 분들을 위해 Python의 경우 컴퓨터의 개념 및 실습 등에서 배우는 기초적인 코딩만 할 줄 알면 수업을 수강하는데 지장이 없으며, Matlab의 경우 교수님 연구실에서 만드신 툴박스를 사용하는 것으로 코딩없이 입력값만 화면을 통해 입력하면 결과를 출력하기 때문에 너무 큰 부담가지지 말고 도전해보셔도 좋을 것 같습니다!

 

3. 진로 선택에 도움되는 점 

 저류층 지오메카닉스 수업과 관련 있는 에너지자원공학과의 연구실은 민기복, 송재준, 전석원 교수님이 계신 암반공학연구실이 있으며, 지하 유체 유동 및 수송 연구실(정훈영 교수님) 등 저류층을 다루는 연구분야에 관심이 있다면 필수적으로 수강을 추천하는 과목입니다. 서두에서도 언급하였듯 최근에는 석유가스 뿐만 아니라 지열발전, 이산화 탄소 지중 저장 등 신재생 에너지, 탄소중립기술 분야에서도 저류층에 관한 연구를 활발히 진행하고 있어, 여러 분야로 나아갈 수 있습니다.

 

4. 맺음말

저류층 지오메카닉스 수업은 지하공간의 특성을 이해하는데 필수적인 수업이라고 할 수 있습니다. 에너지자원재료역학이나 암석역학 및 실험 수업에서는 에너지자원공학과에 직접적으로 관련된 내용보다는 공학 전반에 관련된 기초지식에 대해 배웠다면 이 수업에서는 지금까지 쌓아온 지식들을 수업에 직접 적용해볼 수 있는 수업입니다.