사암층 내 SiO2 나노유체 선주입에 따른 젖음성 변화와 CO2 지중저장 효율 개선에 관한 실험적 연구 = An Experimental Study on Wettability Alteration Induced by SiO2 Nanofluid Pre-injection and Its Impact on CO2 Geological Storage Efficiency in Sandstone Formations

국문 초록 (Abstract)

이산화탄소 포집 및 저장의 저장 효율성은 CO2 고유의 낮은 점도에서 기인하는 유동 불안정성 문제와 CO2-암석 반응에 따른 암석 표면의 친수성 약화 현상으로 인해 제한된다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자, 저장 지층 조건(8.27 MPa, 323 K)에서 SiO2 나노유체 선주입을 통해 사암의 계면 특성을 능동적으로 제어함으로써 저장 효율을 개선하는 메커니즘을 규명하였다. 특히 정적 젖음성 평가에 국한된 기존 연구와 달리, 본 연구는 나노유체 주입량에 따라 형성되는 유동 경로 내 접촉각과 모세관압의 공간적 분포 변화를 정량화하여, CO2의 유동 거동과의 상관관계를 분석하였다.
초임계 CO2의 주입은 사암의 초기 젖음성을 약한 친수성에서 중간 젖음성 상태로 전이시켰으며, 이에 따른 모세관압 감소는 점성 핑거링 현상과 결합하여 누적 CO2 생산 시점을 가속화하였다. 그 결과, 최종 저장 효율은 58.80% 수준으로 제한되었다. SiO2 나노입자는 CO2-물 시스템의 계면장력에는 유의미한 변화를 주지 않았으나, 암석 표면을 친수성으로 전환하여 모세관압을 전반적으로 상승시키는 효과를 보였다.
그러나 젖음성 변화에도 불구하고, CO2 저장 효율은 나노유체 주입량에 대해 비선형적인 거동을 나타냈다. 시료 전체를 균일하게 친수성으로 개질한 1.0 PV 주입 조건에서는 높고 균일한 모세관 장벽이 CO2의 미세 공극 진입을 오히려 차단하였으며, 저항이 낮은 특정 경로로의 유체 유동을 유발하였다. 이는 CO2 생산의 조기 급증과 물 생산량 저하로 이어져, 저장 효율이 CO2 단독 주입 시보다 낮은 33.77-43.62%로 저하되는 결과를 초래하였다. 반면, 0.5 PV 주입은 입구와 출구 구간에서 공간적으로 변화하는 접촉각 구배를 형성하여 최적의 저장 효율을 달성하였다. 입구 구간의 높은 모세관 장벽은 유동 분포를 안정화하여 CO2의 급격한 이동을 지연시킨 반면, 출구 구간의 상대적으로 낮은 장벽은 CO2가 미세 공극으로 원활히 접근할 수 있는 환경을 조성하였다. 이러한 유동 안정화와 공극 접근성이 동시에 확보되는 이상적인 모세관압 분포는 CO2 저장 효율을 76.21-87.01%로 개선하였다.
연구 결과는 나노유체 주입으로 단순히 암석 표면의 친수성을 극대화하는 것이 아닌, 모세관압의 공간적 분포를 전략적으로 제어하는 것이 저장 효율 향상의 핵심임을 입증하였다. 이는 CO2 유동 분포를 제어하는 높은 모세관 장벽과 공극 내 접근성을 향상시키는 낮은 장벽 간의 균형이 필요함을 시사하며, 향후 CO2 지중저장 운영에서 계면 특성 제어 기반의 최적화된 나노유체 주입 전략 수립을 위한 핵심적인 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Theoretical background 5
• 2.1. Capillary pressure 5
• 2.2. Mechanisms of wettability alteration 8
• 3. Materials 12
• 3.1. Core samples 12
• 3.2. Experimental fluid properties: Nanofluid and CO2 15
• 4. Methodology 20
• 4.1. Fluid injection procedure 20
• 4.2. Measurement of interfacial properties 25
• 4.3. Derivation of reservoir capillary pressure 29
• 5. Result and discussion 31
• 5.1. CO2 flow behavior and storage efficiency 31
• 5.2. Spatial variations in contact angle 38
• 5.3. Interfacial tension analysis 47
• 5.4. Influence of nanofluid injection on capillary pressure 50
• 6. Conclusion 59
• References 62
• Abstract 72