캐나다 아퀴스토어 탄성파자료를 통한 이산화탄소 지중저장 연구지역 대수층 특성화

정순홍,김병엽,신영재,이호용,박명호,Cheong, Snons,Kim, Byoung-Yeop,Shinn, Young Jae,Lee, Ho-Yong,Park, Myung-Ho 대한자원환경지질학회 2014 자원환경지질 Vol.47 No.6

The Aquistore project is the world's first commercial capture, transportation, utilization and storage project of post-combustion $CO_2$ from a coal-fired thermo electric power plant, and the proposed storage is a saline aquifer at a depth of about 3,500 m. Deep saline aquifer, compared to hydrocarbon reservoir, provides the great volumetric potential for storage of $CO_2$ anywhere in the world, therefore the research results from the project may be exported globally to other sites. Geological $CO_2$ storage characterization for saline aquifer instead of hydrocarbon reservoir needs to estimate the geophysical properties of subsurface geology. This study calculated the geophysical property of water-saturated formation by applying amplitude variation analysis developed from oil and gas exploration. We correlated horizon tops at the well logs to seismic traveltime of 1,815 and 1,857 ms as Winnipeg and Deadwood formations. Gradient analysis from seismic traces showed correlation coefficient of 45 - 81 % on amplitude variation with respect to incident angle. Crossplot of intercept and gradient shows the inverse proportional trend which represents typical water saturated sediments. Product attribute of intercept and gradient described the base of wet sediment. Poisson's ratio change attribute increased at the top of target area satisfying with wet sediment and decreased at the top of basement in a dry rock bed. 캐나다 아퀴스토어 프로젝트는 인근의 화력발전소에서 포집한 이산화탄소를 심부 약 3,500 m에 존재하는 염대수층에 저장하는 포집, 수송, 주입 및 저장의 전 과정을 포함하는 세계 최초의 통합 실증 프로젝트이다. 이산화탄소의 저장소로서의 염대수층은 기존의 한정적으로 분포된 석유가스 저류층과 비교했을 때 전 세계 어디서나 분포하므로 이에 대한 실증 연구는 이산화탄소 지중저장의 저변 확대에 큰 의미가 있다. 염대수층에 이산화탄소를 주입하고 추적하기 위해서는 지하의 물성을 파악하고 특성화해야 한다. 본 연구는 캐나다 아퀴스토어 이산화탄소 지중저장 현장의 탄성파 탐사자료로부터 석유가스 자원 탐사에 이용되는 진폭 변화 분석기술을 응용하여 지중저장 대상지층의 유체 포화 특성을 도출하였다. 시추공 검층자료에서 해석된 이산화탄소 저장층 구간의 상부 및 하부는 Winnipeg층 1,815 ms과 Deadwood 층 1,857 ms로 탄성파 자료와 대비하였다. 대상 구간의 탄성파 기록으로부터 입사각에 따른 진폭 크기변화를 확인한 결과 자료의 상관성은 45 %에서 81 % 범위였다. 종축절편과 진폭구배 속성을 교차출력한 결과는 반비례 관계를 보여 전형적인 함수 퇴적층에 해당하였다. 계산된 속성들에서 대수층의 기저를 공간적으로 도시하였고 이산화탄소 지중저장 구간의 포아송비 변화를 예측하였다.

캐나다 아퀴스토어 CCS 프로젝트의 이산화탄소 모니터링을 위한 Baseline 탄성파 속성분석

정순홍,김병엽,배재유,Cheong, Snons,Kim, Byoung-Yeop,Bae, Jaeyu 대한자원환경지질학회 2013 자원환경지질 Vol.46 No.6

주입된 $CO_2$가 환경에 영향을 미치지 않고 지하에서 안정적으로 저장되어 있는지를 총체적으로 모니터링 하는 주입 및 주입 후 관리 (Monitoring, Mitigation and Verification, MMV) 기술은 이산화탄소 지중저장 분야에서 경제적 및 환경적으로 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 해외 대규모 지중저장 프로젝트 사례를 보았을 때 주입한 $CO_2$의 거동을 가장 효율적으로 모니터링할 수 있는 방법 중의 하나로 탄성파를 이용한 시간 경과 (Time-lapse) 모니터링 기술이 그 핵심으로 떠오르고 있다. 이 연구에서는 캐나다 Estevan에 위치한 Aquistore 이산화탄소 주입 현장의 3차원 베이스라인 (baseline) 탄성파 자료를 수집하고 분석하여 국내 지중저장 탄성파 모니터링 실증화를 위한 기초 연구를 수행하였다. 이산화탄소 주요 저장 대상층은 탄성파 도달 시간 1,800 ~ 1,900 ms 깊이의 Winnipeg 와 Deadwood 사암층이다. Aquistore 탄성파 자료에 대한 에너지, 유사도(similarity)를 도출하고 주파수를 분해하여 $CO_2$ 주입 대상층의 특성을 규명하였다. 그 결과 등시선도 1,800 ms의 연구지역 북측, 1,850 ms의 남측에 탄성파 에너지가 큰 영역이 집중적으로 분포함을 확인할 수 있었고, 탄성파 에너지 속성을 도시하여 반사계수가 큰 사질 퇴적양상이 우세한 영역을 구분할 수 있었다. 또한 탄성파 기록의 유사도를 도출하여 두 개의 주요한 구조선이 북서-남동 방향으로 지중저장 대상층을 절단함을 확인하였다. 탄성파자료의 주파수를 성분별로 분해하고 5, 20 및 40 Hz 성분을 분석한 결과 연구지역의 중앙에서 동서 방향으로 발달하는 균질한 퇴적 양상이 구체화되었다. 베이스라인 자료의 경우 추가적으로 인위적인 잡음을 제거하고 층서 해석 결과를 통합하여 이산화탄소 지중저장 영역을 묘사한다면 시간경과 모니터링 자료와의 효율적인 대비가 가능할 것이다. $CO_2$ Monitoring, Mitigation and Verification (MMV) is the essential part in the Carbon Capture and Storage (CCS) project in order to assure the storage permanence economically and environmentally. In large-scale CCS projects in the world, the seismic time-lapse survey is a key technology for monitoring the behavior of injected $CO_2$. In this study, we developed a basic process procedure for 3-D seismic baseline data from the Aquistore project, Estevan, Canada. Major target formations of Aquistore CCS project are the Winnipeg and the Deadwood sandstone formations located between 1,800 and 1,900 ms in traveltime. The analysis of trace energy and similarity attributes of seismic data followed by spectral decomposition are carried out for the characterization of $CO_2$ injection zone. High trace energies are concentrated in the northern part of the survey area at 1,800 ms and in the southern part at 1,850 ms in traveltime. The sandstone dominant regions are well recognized with high reflectivity by the trace energy analysis. Similarity attributes show two structural discontinuities trending the NW-SE direction at the target depth. Spectral decomposition of 5, 20 and 40 Hz frequency contents discriminated the successive E-W depositional events at the center of the research area. Additional noise rejection and stratigraphic interpretation on the baseline data followed by applying appropriate imaging technique will be helpful to investigate the differences between baseline data and multi-vintage monitor data.

동해 남동해역 다중채널 해양탄성파 탐사자료의 해저면, 페그-레그 및 자유해수면 다중반사파 제거 최적화 전산처리

정순홍 ( Snons Cheong ),구남형 ( Nam Hyung Koo ),김원식 ( Won Sik Kim ),이호영 ( Ho Young Lee ),신원철 ( Won Chul Shin ),박근필 ( Keun Pil Park ),김진호 ( Jin Ho Kim ) 한국지구물리탐사학회 2009 지구물리와 물리탐사 Vol.12 No.4

동해 울릉분지 심해 탄성파 탐사자료 진폭변화분석

정순홍 ( Snons Cheong ),김영준 ( Young Jun Kim ),김병엽 ( Byung Yup Kim ),구남형 ( Nam Hyung Koo ),이호영 ( Ho Young Lee ) 한국지구물리·물리탐사학회 2013 지구물리와 물리탐사 Vol.16 No.3

탄성파 탐사자료의 진폭변화를 분석하면 지층의 유체를 탐지하고 석유 가스 저류층의 정밀한 물성 도출이 가능하다. 본 연구는 동해 울릉분지의 심해 탄성파 탐사자료에 대하여 진폭변화를 분석하고 정리하였다. 중합단면에서 반사신호가 강하게 기록된 영역의 탄성파 공통깊이점-벌림 모음과 공통깊이점-반사각 모음을 관찰하여 진폭변화가 뚜렷한 영역을 선별하였다. 울릉분지의 중앙부 탄성파 탐사 반사각 모음의 주시 3200과 3300 ms 구간 탄성파 신호에 대한 종축절편과 진폭구배 속성을 계산하여 벌림에 따른 진폭 증가 및 감소를 확인하였다. 종축절편과 진폭구배를 곱한 속성과 합한속성을 도출하여 울릉분지 퇴적층의 가스부존 가능 영역 상부와 하부 경계를 구분하였다. 가스로 포화된 퇴적층의 탄성파 진폭변화 특성을 보이는 영역은 탄성파주시 3 s 인근에서 간헐적으로 나타났다. 교차도표를 이용하여 울릉분지 탄성파자료의 진폭변화를 유형별로 확인할 수 있었다. 배경매질의 종축절편과 진폭구배는 함수 퇴적층의 일반적인 특징인 반비례관계를 보였고 가스함유 퇴적층의 진폭변화를 보이는 표본은 교차도표 단면상에서 1사분면과 3사분면에 위치하였다. 교차도표에서 선택된 표본들을 중합단면에서 추적한 결과 울릉분지 중앙부의 심해 퇴적지층 중 진폭변화 유형 3에해당하는 영역이 수평연장 150 m 내로 분포함을 유추할 수 있었다. The amplitude variation with offset of seismic data can detect fluids in the sediment and resolve the petro-physical properties of hydrocarbons in the subsurface. We analyzed and described the amplitude variation in deep sea seismic data obtained from the Ulleung Basin, East Sea. By inspecting seismic CDP-offset and CDP-angle gathers which show a bright reflection event, we decided a target zone for amplitude variation analysis. From the seismic angle gather at the middle of Ulleung Basin, we recognized amplitude increase or decrease versus offset on the intercept-gradient curve. Using the product attribute and Poisson`s ratio change attribute computed in terms of intercept with gradient, the top and the base of gas saturated sediments were described. The area of amplitude variation suggestive of the presence of gas saturated sediments is shown at the depth of 3 s traveltime. Anomalous features of seismic amplitude in the Ulleung Basin were classified by the crossplot of intercept and gradient. The background trend of crossplot between intercept and gradient shows an inverse proportional relation that is common for wet sediments. Anomalous amplitudes of Class III fall into the first and the third quadrants on crossplots. We inferred regional gas/water saturated area with the horizontal dimension of 150 m in the Ulleung Basin by cross-section with respect to cross-plot anomaly.

도미퇴적분지 해양탄성파 탐사자료 최적 전산처리 변수도출

정순홍 ( Snons Cheong ),김원식 ( Won Sik Kim ),구남형 ( Nam Hyung Koo ),유동근 ( Dong Geun Yoo ),이호영 ( Ho Young Lee ),신원철 ( Won Chul Shin ),박근필 ( Keun Pil Park ) 한국지구물리탐사학회 2008 지구물리와 물리탐사 Vol.11 No.4

웨이브글라이더를 이용한 천해저 탄성파 굴절법 탐사 사례

김영준 ( Young-jun Kim ),정순홍 ( Snons Cheong ),구남형 ( Nam-hyung Koo ),천종화 ( Jong-hwa Chun ),김정기 ( Jeong-ki Kim ),황규덕 ( Kyu-duk Hwang ),이호영 ( Ho-young Lee ),허신 ( Sin Heo ),문기돈 ( Ki-don Moon ),정철훈 ( Cheol-hu 한국지구물리·물리탐사학회 2017 지구물리와 물리탐사 Vol.20 No.1

전세계적으로 장기 해양 관측에 많이 활용되고 있는 웨이브글라이더를 이용하여 천해저 굴절법 탐사의 적용가능성을 시험하였다. 굴절파 기록을 위해 웨이브글라이더에 무게 추가 달린 단일채널 스트리머와 탄성파를 기록하는 상용 소프트웨어를 탑재하였다. GPS 정밀 시간동기 신호와 RF(radio frequency) 통신을 이용하여 트리거 동기화 및 실시간 자료품질 관리를 수행하였다. 웨이브글라이더가 설정 지점에 위치하게 되면, 설계된 측선을 따라 2,000 J 용량의 스파커를 2초 간격으로 발파하면서 탐사하였다. 첫 시험탐사를 통해 성공적으로 해저 천부지층 탄성파 굴절파를 취득할 수 있었다. The applicability of refraction survey has been tested using a wave glider widely used in long-term ocean observations around the world. To record seismic refractions, a single channel streamer with metal weight and a seismic recording system were mounted on the wave glider. We used GPS precise time synchronization signal and radio frequency (RF) communication to synchronize shot and recorder triggers and to control acquired data quality in real time. When the wave glider is positioned close to the set point, a 2,000 J sparker is exploded along the designed track at 2 second intervals. Through the test survey, we were able to successfully acquire refractions from the subsurface.

남해 대륙붕 PZ-1 시추공 주변 현무암 대지 구조의 CO₂ 지중저장용량 평가

신승용,강무희,신영재,정순홍,Shin, Seung Yong,Kang, Moohee,Shinn, Young Jae,Cheong, Snons 대한자원환경지질학회 2020 자원환경지질 Vol.53 No.1

CO₂ 지중저장은 현재 온실가스 감축을 위한 CCS(Carbon Capture & Storage) 저장기술 중 가장 안정적이고 효과적인 기술로 평가되고 있다. 지중저장 대상 염대수층은 일반적으로 CO₂가 초임계상태로 저장될 수 있는 지하 800 m 이상의 심도에 위치하고, 그 상부에 지표로의 CO₂ 누출을 막는 광역적인 불투수성 덮개암층이 분포해야 한다. 본 연구에서는 남해 대륙붕 탄성파 및 시추공 자료를 해석하여 덮개암으로 활용할 수 있는 현무암층과, 하부 염대수층이 발달하고 있는 현무암 대지 구조를 CO₂ 지중저장 유망구조로 제시하였다. 연구지역 주입대상 염대수층의 지중저장용량을 평가하기 위해 총 공극률은 시추공 감마 및 음파검층 자료를 이용하여 산출하였으며, 염대수층 구간의 온도/압력 조건을 고려하여 CO₂ 밀도를 계산하였다. 정확한 주입대상 염대수층의 체적을 산정하기 위해 x, y, z 축 방향으로 일정한 크기를 가지는 3차원 지질 격자 모델을 구성하였고, 염대수층 3차원 공간의 물성 분포를 지구통계학적 기법으로 예측하는 물성 모델링을 수행하여 총 공극률 값을 지질 격자에 할당하였다. U.S. DOE 방법을 이용하여 남해 대륙붕 현무암 대지 구조의 CO₂ 지중저장용량 평가 결과 평균 약 8,417만 CO₂톤(최소 4,207만 ~ 최대 1억 4,379만 CO₂톤)이 주입대상 염대수층 구간에 저장 가능한 것으로 예측되었다. CO₂ geological storage is currently considered as the most stable and effective technology for greenhouse gas reduction. The saline formations for CO₂ geological storage are generally located at a depth of more than 800 m where CO₂ can be stored in a supercritical state, and an extensive impermeable cap rock that prevents CO₂ leakage to the surface should be distributed above the saline formations. Trough analysis of seismic and well data, we identified the basalt flow structure for potential CO₂ storage where saline formation is overlain by basalt cap rock around PZ-1 exploration well in the Southern Continental Shelf of Korea. To evaluate CO₂ storage capacity of the saline formation, total porosity and CO₂ density are calculated based on well logging data of PZ-1 well. We constructed a 3D geological grid model with a certain size in the x, y and z axis directions for volume estimates of the saline formation, and performed a property modeling to assign total porosity to the geological grid. The estimated average CO₂ geological storage capacity evaluated by the U.S. DOE method for the saline formation covered by the basalt cap rock is 84.17 Mt of CO₂(ranges from 42.07 to 143.79 Mt of CO₂).

음향 임피던스 균질화를 이용한 거꿀시간 참반사보정 성능개선

이강훈 ( Gang Hoon Lee ),편석준 ( Suk Joon Pyun ),박윤희 ( Yun Hui Park ),정순홍 ( Snons Cheong ) 한국지구물리·물리탐사학회 2016 지구물리와 물리탐사 Vol.19 No.2

탄성파 자료의 영상화 과정에서 입력자료인 속도 모델에 불연속면이 있는 경우 반사파에 의해 참반사보정(migration) 결과가 왜곡될 수 있다. 따라서 참반사보정을 위한 속도 모델은 지층 경계면에서 샘 파동장과 수신기 파동장을 구할 때 발생하는 반사파를 제거하기 위해 평활화(smoothing)하여 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 속도 모델을 평활화할 경우 지층 경계면에서 속도 정보가 달라져 지하구조 영상이 왜곡될 가능성이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 최소화하기 위해 속도가 불연속인 층간의 음향 임피던스를 일정하게 만들어 샘 파동장과 수신기 파동장을 구할 때 발생하는 반사파를 줄이고자 하였다. 음향 임피던스를 일정하게 만들기 위해 속도 차이를 보상하는 가상의 밀도(fake density)를 정의하고 참반사보정에 사용하였다. 음향 임피던스가 모든 층에서 일정할 때, 반사면에서 수직 입사파의 반사계수가 영이 되고 반사파가 최소화되어 참반사보정 결과를 향상시킬 수 있다. 이를 검증하기 위해 셀기반 유한차분법을 이용하여 거꿀시간 참반사보정(reverse-time migration) 알고리듬을 구현하였다. 수치예제를 통해 속도 대비가 큰 지층 경계면에서 참반사보정 영상의 품질이 향상되는 것을 확인할 수 있고, 특히 천부 지층에서 성능 개선효과가 큰 것을 관찰할 수 있다. Migration image can be distorted due to reflected waves in the source and receiver wavefields when discontinuities of input velocity model exist in seismic imaging. To remove reflected waves coming from layer interfaces, it is a common practice to smooth the velocity model for migration. If the velocity model is smoothed, however, the subsurface image can be distorted because the velocity changes around interfaces. In this paper, we attempt to minimize the distortion by reducing reflection energy in the source and receiver wavefields through acoustic impedance homogenization. To make acoustic impedance constant, we define fake density model and use it for migration. When the acoustic impedance is constant over all layers, the reflection coefficient at normal incidence becomes zero and the minimized reflection energy results in the improvement of migration result. To verify our algorithm, we implement the reverse-time migration using cell-based finite-difference method. Through numerical examples, we can note that the migration image is improved at the layer interfaces with high velocity contrast, and it shows the marked improvement particularly in the shallow part.

해저면 신호가 약한 천부해저지층 탐사자료의 너울영향 보정

이호영 ( Ho-young Lee ),구남형 ( Nam-hyung Koo ),김원식 ( Won Sik Kim ),김병엽 ( Byoung-yeop Kim ),정순홍 ( Snons Cheong ),김영준 ( Young-jun Kim ),손우현 ( Woo Hyun Son ) 한국지구물리·물리탐사학회 2015 지구물리와 물리탐사 Vol.18 No.4

3.5 kHz 또는 첩(chirp) 천부해저 지층탐사는 해양지질 조사나 엔지니어링 탐사에 널리 사용되고 있다. 그러나 해상에서의 너울은 탐사자료의 품질을 저하시킨다. 이와 같은 너울의 영향을 보정함으로써 연속성이 향상된 탐사자료를 얻을 수 있다. 정확한 해저면의 위치 선정은 너울영향 보정에 매우 중요하다. 이 연구에서는 원자료와 이를 엔벨로프 또는 에너지비율자료로 변형시킨 자료들에 대해 최대 진폭값의 일정 기준을 초과하는 지점을 선정하는 방법으로 해저면 위치 선정을 시도하였다. 그러나 파도의 잡음으로 인하여 해저면 신호가 분명하지 않은 품질이 낮은 자료에서는 개별 트레이스에서의 자동적인 해저면 위치 선정이 어려웠다. 이 연구에서는 이전 트레이스에서 구한 해저면 평균값을 고려하여 해저면 선정범위 내에서 해저면을 선정하는 방법과, 선정 결과의 신뢰도가 낮은 경우에는 이를 보정에서 제외하는 방법을 사용함으로써 품질이 낮은 자료의 해저면 선정에서도 만족스러운 결과를 얻었다. 개별 트레이스에서 해저면을 선정할 때에는 에너지비율자료를 사용한 경우에 오류가 가장 적었으며, 이전 트레이스 해저면 평균값을 고려하는 방법에서는 원자료를 직접 사용한 경우에 보정결과가 비교적 양호하였다. A 3.5 kHz or chirp sub-bottom profiling survey is widely used in the marine geological and engineering purpose exploration. However, swells in the sea degrade the quality of the survey data. The horizontal continuity of profiler data can be enhanced and the quality can be improved by correcting the influence of the swell. Accurate detection of sea bottom location is important in correcting the swell effect. In this study, we tried to pick sea bottom locations by finding the position of crossing a threshold of the maximum value for the raw data and transformed data of envelope or energy ratio. However, in case of the low-quality data where the sea bottom signals are not clear due to sea wave noise, automatic sea bottom detection at the individual traces was not successful. We corrected the mispicks for the low quality data and obtained satisfactory results by picking a sea bottom within a range considering the previous average of sea bottom, and excluding unreliable big-difference picks. In case of trace by trace picking, fewest mispicks were found when using energy ratio data. In case of picking considering the previous average, the correction result was relatively satisfactory when using raw data.

영일만 해상 포항분지 소규모 CO₂ 지중저장 실증을 위한 부지 탐사 결과

신영재 ( Young Jae Shinn ),권이균 ( Yi Kyun Kwon ),윤종렬 ( Jong-ryeol Yoon ),김병엽 ( Byoung-yeop Kim ),정순홍 ( Snons Cheong ) 대한지질공학회 2018 지질공학 Vol.28 No.2

소규모 이산화탄소 주입 실증 부지를 탐색하기 위해 포항분지 영일만 연안에서 취득한 탄성파 탐사와 시추 자료를 분석하였다. 연구지역에서 기반암은 해수면 기준 심도 650~950 m에 분포하며, 상부에 사암과 역암이 우세한 퇴적층이 발달한다. 이 퇴적층은 대부분 포항분지에서 이산화탄소가 초임계 상태로 존재 할 수 있는 심도(약 740 m)보다 깊은 곳에 분포한다. 또한 평균 두께가 123 m로 저장능력이 양호할 것으로 여겨진다. 상부에 올라오는 이암층은 대개 600 m 이상 두껍고 육상과 해상의 포항분지에 광역적으로 분포하고 있어 덮개 능력이 양호할 것이다. 연구지역에 발달하는 북북동 방향의 단층들은 기반암 심도에서 주로 발달하는 퇴적동시성 단층으로 수직 연장성이 불량할 것으로 해석된다. 본 연구를 통해 영일만에 위치한 포항분지 심부에서 소규모 실증에 적합한 저장층과 덮개층이 분포하고 있음을 제시하였다. CO₂ storage site for small-scale demonstration has been investigated in Yeongil Bay, Pohang, SE Korea, using seismic survey and exploration well data. We found a potential storage formation consisting mainly of conglomerate and sandstone. The storage formation unconformably overlies volcanic basement rocks that are located in a depth from 650 to 950 m (below sea level). The depth of the storage formation is suitable for injecting supercritical CO₂ in the Pohang Basin. The average thickness of the storage formation is about 123 m, which possibly provides sufficient capacity at the level of small-scale storage demonstration. The overlying fine-grained deposits consist mainly of marine hemipelagic muds and interlayered turbidite sands. The overlying formation is considered as a good seal rock that is over 600 m thick and widely distributed in the onshore and offshore portions of the basin. NNE-trending faults found in the study area likely formed at basement level, probably not continue to seafloor. Such faults are interpreted as syndepositional faults involved to the basin initiation. This study reveals that the offshore area of the Pohang Basin contains deep geological formations suitable for small-scale CO₂ storage demonstration.