Study for the geochemical weathering process of reservoir rocks in the Janggi basin at CO2 sequestration conditions

Abstract

국내 이산화탄소 지중저장 후보지인 장기분지의 심부 대수층을 구성하고 있는 역암과 사암을 대상으로 초임계이산화탄소 (scCO2) 주입조건에서 scCO2-암석-지하수 반응에 의한 암석의 지화학적 안전성을 평가하기 위해 실험실 규모의 모사실험을 실시하였다. 고압셀과 고압펌프/자동유압장치를 이용하여 실험실에서 이산화탄소 지중저장 조건을 재현하였으며, 시추한 장기-1호 공 암석은 박편으로, 장기-4호 공 암석은 슬랩 형태로 제작하였다. 제작된 샘플은 테플론 비이커의 바닥에 고정시키고 지하수 80 ml 로 테플론 비이커 안을 채운 후 테플론 비이커를 고압셀 내부에 고정시켰으며, 순도 99.9% 이산화탄소를 고압셀 내부가 100 bar 가 될 때 까지 주입하였다. 고압셀을 50 ℃ 로 유지되는 오븐 안에 (120 ~ 180일 동안) 넣어, scCO2 주입 시 장기분지의 심부 역암층과 사암층 내에서 발생하는 scCO2-암석-지하수 반응을 모사하였다. 지화학반응을 정량적으로 규명하기 위해서, 실험 전/후 광물 표면 변화를 SEM/EDS와 SPM을 이용하여 관찰하였으며, 광물 표면 중 임의로 선정한 표면적 (40 ㎛ × 40 ㎛) 에 해당하는 표면거칠기값 (SRrms : Surface Roughness Value)의 변화를 측정하였다. 반응 후 10일, 30일, 60일, 90일, 120일 간격으로 고압셀로 부터 암석 샘플과 지하수를 회수하여 SEM/EDS와 SPM 분석을 반복실시 하였고, ICP/OES를 이용하여 지하수 내 양이온농도 변화를 측정하였다. 장기역암과 사암의 주구성 광물인 석영, 장석, 흑운모와 암편들은 scCO2가 용해된 지하수와 반응하여 반응 30일 후에 평균 SRrms 값이 각각 63.76 nm에서 90.84 nm, 51.76 nm에서 139.54 nm, 64.99 nm에서 301.89 nm, 91.74 nm에서 121.75 nm로 크게 증가하다가, 반응 90일 후 증가율이 낮아져서 안정화되는 양상을 보였다. 이러한 결과는 이산화탄소가 주입 초기에는 광물의 용해가 주로 발생하나 그 이후 용해와 침전이 동시에 일어나 지화학적으로 안정화되면서 표면거칠기값이 크게 변하지 않는 것으로 판단된다. 반응시간에 따른 지하수 이온 농도 분석결과, Ca2+ 농도는 반응 30일 이내에 크게 증가하다가 90일 이후 서서히 감소하였고 K+, Si4+, Na+, Mg2+ 같은 이온들의 농도도 반응 30~60일 이내에 크게 증가하다가 90일 후에는 반응전 농도와 유사한 값으로 감소하는 경향을 보이면서 안정화되었다. 이러한 이온농도 변화 결과는 광물의 표면거칠기 변화가 반응 초기에 크게 증가하였다가 안정화되는 경향과 시기(약 90일)와 유사하였으며, 이것은 광물의 표면거칠기값의 변화를 정량적인 지화학반응의 지시인자로써 적용할 수 있다는 것을 의미한다. SEM/EDS 분석결과 방해석이 10일 이내에 전부 용해되는 것을 관찰하였고, 이러한 결과는 지하수의 Ca2+ 농도가 10일 이내에 급격하게 증가하였다가 안정화되는 패턴과 일치하였다. 흑운모 또한 공극을 중심으로 용해가 활발하게 일어난 것을 관찰할 수 있었으며, EDS 분석을 통해 철을 다량 함유하고 있는 무정형의 규산염광물, 능철석 그리고 침철석으로 예상되는 2차 광물이 침전된 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구의 결과로부터 장기분지 저장암으로 사용될 사암과 역암은 이산화탄소 주입 초기에는 지화학적 풍화가 빠르게 일어나 저장암의 물성을 변화시키지만, 주입 후 수개월 이내에는 안정화되어, 지화학적 반응에 의한 안정성만을 고려하였을 때 장기역암과 사암은 국내 이산화탄소 저장층으로 적합할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 실험실 규모의 실내실험으로부터 도출되었으므로, 실제 CO2 지중저장을 위해서는 반드시 주입실증실험을 통한 지화학 안정성 검증이 추가되어야 한다.