• 한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경
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• 제20권4호
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• pp.73-82
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• 2015

Despite significant effects on macroscopic migration and distribution of CO₂ injected during geological sequestration, only limited information is available on wettability in microscopic scCO₂-brine-mineral systems due to difficulties in pore-scale observation. In this study, a micromodel had been developed to improve our understanding of how scCO₂ flooding and residual characteristics of porewater are affected by the wettability in scCO₂-water-glass bead systems. The micromodel (a transparent pore structure made of glass beads and glass plates) in a pressurized chamber provided the opportunity to visualize scCO₂ spreading and porewater displacement. CO₂ flooding followed by fingering migration and dewatering followed by formation of residual water were observed through an imaging system. Measurement of contact angles of residual porewater in micromodels were conducted to estimate wettability in a scCO₂-water-glass bead system. The measurement revealed that the brine-3M NaCl solution-is a wetting fluid and the surface of glass beads is water-wet. It is also found that the contact angle at equilibrium decreases as the pressure decreases, whereas it increases as the salinity increases. Such changes in wettability may significantly affect the patterns of scCO₂ migration and porewater residence during the process of CO₂ injection into a saline aquifer at high pressures.

• 한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경
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• 제21권3호
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• pp.35-48
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• 2016

A micromodel was applied to estimate the effects of geological conditions and injection methods on displacement of resident porewater by injecting scCO₂ in the pore scale. Binary images from image analysis were used to distinguish scCO₂-filled-pores from other pore structure. CO₂ flooding followed by porewater displacement, fingering migration, preferential flow and bypassing were observed during scCO₂ injection experiments. Effects of pressure, temperature, salinity, flow rate, and injection methods on storage efficiency in micromodels were represented and examined in terms of areal displacement efficiency. The measurements revealed that the areal displacement efficiency at equilibrium decreases as the salinity increases, whereas it increases as the pressure and temperature increases. It may result from that the overburden pressure and porewater salinity can affect the CO₂ solubility in water and the hydrophilicity of silica surfaces, while the neighboring temperature has a significant effect on viscosity of scCO₂. Increased flow rate could create more preferential flow paths and decrease the areal displacement efficiency. Compared to the continuous injection of scCO₂, the pulse-type injection reduced the probability for occurrence of fingering, subsequently preferential flow paths, and recorded higher areal displacement efficiency. More detailed explanation may need further studies based on closer experimental observations.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제23권12호
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• pp.55-61
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• 2022

대기 중 온난화 가스의 하나인 이산화탄소 감소를 위해 많은 연구들이 수행 중이다. 이 중 이산화탄소 지중저장은 지구온난화 방지를 위한 중요한 공법 중 하나로 주목받고 있다. 하지만, 제한된 공간의 최대한 많은 양의 이산화탄소 저장을 위한 기술의 개발이 필요한 실정이다. 계면활성제의 활용은 이산화탄소 지중저장 효율의 향상에 기여할 것으로 여겨지고 있으나, 이에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 이산화탄소 지중저장 효율 증진을 위해 계면활성제 종류(sodium dodecyl sulfate 및 sodium dodecylbenzene sulfonate) 및 농도, 이산화탄소 주입속도에 따른 2차원 마이크로모델 실험을 수행하였다. 그 결과, 계면활성제의 농도 및 이산화탄소 주입속도가 증가할수록, 이산화탄소 지중저장 효율이 증가함을 확인하였다. 하지만, 한계 농도 및 속도 이상에서는 더 이상 효율 증진이 발생하지 않는 것으로 나타났다.

• 자원환경지질
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• 제52권1호
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• pp.37-48
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• 2019

이산화탄소 지중저장 수행 중 저류층 내부에서 나타나는 비혼성 유체의 대체 과정은 다공성 매체의 공극 표면에 대한 각 유체의 습윤 특성에 따라서 배수(drainage)와 흡수(imbibition)로 구분되는데, 각 과정 동안 나타나는 비혼성 유체 간의 거동 및 포획 양상을 이해하는 것은 주입 효율성 및 저장 안정성을 평가하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 다공성 매체 내 주기적인 배수와 흡수 과정의 수행을 통해 공극 구조 내 비혼성 유체의 거동 양상 및 분포의 변화를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 2차원 마이크로모델 내부로 이산화탄소와 공극수의 대체 유체로서 선정된 헥산과 탈이온수를 주기적으로 교차 주입하는 실험을 수행하였다. 관측 결과를 이용하여 각 유체 주입 과정에서 나타나는 두 비혼성 유체의 거동 양상을 비교 분석하고, 잔류 유체의 포화도를 산정하였다. 분석의 결과로서 헥산과 탈이온수의 잔류 포획 유형을 기작에 따라 습윤성(wettability), 모관압(capillarity), 막다른 공극(dead end zone), 포위(entrapment) 그리고 우회(bypassing)로 구분하였다. 또한, 교차 주입이 거듭됨에 따라 공극 구조 내에서 주입 유체의 흐름 경로는 주 흐름 경로(main flow channel)를 중심으로 단순화되었으며, 이로 인하여 주입 유체의 대체 효율은 일정한 값으로 수렴하였다. 실험적 관측과 분석의 결과는 실제 이산화탄소 지중저장 환경에서 습윤성-비습윤성 유체의 주기적인 교차 주입이 야기하는 저장층 내 비혼성 유체의 거동과 분포, 그리고 주입 유체의 대체 효율을 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.259-267
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• 2022

The rheological and penetration characteristics of sodium alginate and xanthan gum aqueous solutions were analyzed for the development of biopolymer-based injection materials. The results of viscosity measurements for the rheological characteristics analysis show that all aqueous biopolymer solutions exhibit a tendency for shear-thinning, i.e., the apparent viscosity decreases as the shear rate increases. In addition, a regression analysis using several models (Power-law, Casson, Sisko, and Cross) was applied to the shear-thinning fluid analysis results, the highest accuracy was determined by applying the power-law model. The micromodel experiment for the penetration characteristics analysis determined that all biopolymer aqueous solutions show higher pore saturation than water, and that pore saturation tends to increase as the flow rate and concentration increases. When comparing the rheological and penetration characteristics of the biopolymer aqueous solution used in this study, the xanthan gum aqueous solution showed a fully developed shear-thinning tendency, unlike the sodium alginate aqueous solution. This tendency is considered to have the advantage of enhancement injectability and pore saturation.

• 자원환경지질
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• 제51권3호
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• pp.223-232
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• 2018

본 연구는 이산화탄소 지중저장 과정에서 주입 유체의 온도 변화가 심부 지질구조 내로 주입된 초임계 이산화탄소의 거동과 대체율에 미치는 영향을 정량적으로 규명하기 위하여 초임계 이산화탄소 대체 유체인 헥산을 적용한 마이크로모델 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 탈이온수로 포화된 마이크로모델 내부로 헥산의 주입이 개시되는 시점부터 헥산과 공극수의 분포가 평형상태를 이루는 시점까지의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하였다. 실험을 통하여 획득한 이미지는 분석 프로그램을 통하여 전체 공극 구조에 대한 헥산의 대체 면적비를 산정하는데 사용하였으며, 단일 공극 규모에서와 거시적 규모에서의 헥산과 공극수의 거동 및 분포 분석을 통하여 주입 유체의 온도가 비혼성 대체 과정에 미치는 영향을 규명하였다. 주입 유체의 온도 변화에 따른 관측 실험의 결과, 온도가 증가함에 따라 점도, 밀도, 계면장력 등과 같은 유체의 물성 및 공극 구조에 작용하는 모관압의 변화로 인하여 헥산의 대체 면적비는 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 실험 결과는 효율적인 이산화탄소 지중저장을 수행하기 위해서는 이산화탄소 주입이 이루어지는 심부 지질구조의 환경 및 주입 조건에 대한 이해가 필수적임을 시사하였다.

• 한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경
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• 제23권1호
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• pp.1-13
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• 2018

A series of experiments using transparent micromodels with an artificial pore network etched on glass plates was performed to investigate the effects of flow rate on the migration and distribution of resident wetting porewater (deionized water) and injecting non-wetting fluid (n-hexane). Multicolored images transformed from real RGB images were used to distinguish n-hexane from porewater and pore structure. Hexane flooding followed by immiscible displacement with porewater, migration through capillary fingering, preferential flow and bypassing were observed during injection experiments. The areal displacement efficiency increases as the injection of n-hexane continues until the equilibrium reaches. Experimental results showed that the areal displacement efficiency at equilibrium increases as the flow rate increases. Close observation reveals that preferential flowpaths through larger pore bodies and throats and clusters of entrapped porewater were frequently created at lower flow rate. At higher flow rate, randomly oriented forward and lateral flowpaths of n-hexane displaces more porewater at an efficiency close to stable displacement. It may resulted from that the pore pressure of n-hexane, at higher flow rate, increases fast enough to overcome capillary pressure acting on smaller pore throats as well larger ones. Experimental results in this study may provide fundamental information on migration and distribution of immiscible fluids in subsurface porous media.

• 한국지반공학회논문집
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• 제35권4호
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• pp.37-42
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• 2019

메탄을 생산하기 위한 하이드레이트 해리시 물과 메탄이 동시에 발생한다. 따라서, 지반 내 이온수의 담수화 및 다상유체의 흐름이 예상되고, 흙입자의 이동 및 막힘에 영향을 주게 된다. 본 연구는 담수화 및 다상유체 흐름이 대표적 세립토인 고령토 입자의 이동 및 막힘에 어떻게 영향을 주는지 규명하고자 한다. 연구 결과는 다음과 같다. (1) 공극의 크기가 커질수록 최소 막힘 발생 농도가 증가한다. (2) 고령토 입자는 소금물보다 담수에서 쉽게 뭉침 및 공극 막힘이 발생한다. (3) 다상유체 흐름 내에서 고령토의 최소 막힘 발생 농도는 단상유체 흐름에 비해 감소한다. 따라서, 하이드레이트로부터 메탄 생산 시, 담수화 및 다상유체의 흐름 발생으로 인해 고령토의 공극 막힘이 쉽게 발생할 수 있고, 이로 인해 투수계수의 저하로 메탄 생산효율의 저하가 예상됨을 설명하였다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제24권6호
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• pp.5-11
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• 2023

석탄 및 석유와 같은 전통적인 화석 연료는 연소 시 발생하는 열을 통해 에너지를 공급한다. 이러한 과정에서 대기 중에 이산화탄소를 배출하고 지구 온난화를 유발한다. 이산화탄소 저감을 위해 많은 연구들이 수행되고 있다. 이러한 방안 중 하나로, 이산화탄소 지중 저장 기술이 관심을 받고 있다. 이산화탄소 지중 저장은 플랜트 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 덮개암 하부 포화지반층에 이산화탄소를 주입하여 저장하는 방법을 일컫는다. 하지만, 제한된 공간에 더 많은 양의 이산화탄소 저장을 위해서는 저장 효율의 향상이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 계면활성제를 활용하여 이산화탄소 지중 저장의 효율을 향상하고자 한다. 또한, 지중저장소의 위치에 따라 압력 및 온도가 상이하기 때문에 이산화탄소는 기체, 액체 및 초임계 상태로 존재가능하다. 따라서, 이산화탄소 상태에 따른 저장 효율 특성을 평가하였다. 그 결과, 주입속도 및 계면활성제의 활용은 저장 효율의 향상을 기대할 수 있고, 그 효과는 기체, 액체 및 초임계 상태 이산화탄소에 발휘되는 것을 확인하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제39권11호
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• pp.63-70
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• 2023

지구 온난화를 유발하는 대기 중 이산화탄소 저감을 위한 해결책으로써 이산화탄소 지중 저장공법이 관심받고 있다. 지중에 이산화탄소를 저장하기 위한 방법으로는 대수층 또는 고갈된 원유층 주입 및 이산화탄소 주입을 통한 원유 회수 증진 등이 있다. 이중 대수층은 다른 저장층에 비해 큰 저장 용량을 가짐으로써, 활용성이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 하지만, 제한된 저장 공간에 최대한의 저장 효율을 달성하기 위한 기술이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 비이온성 및 음이온성 계면활성제를 활용하여 이산화탄소의 저장 효율 향상 기술을 개발하고자 한다. 저장 효율 평가는 유체의 흐름 관찰이 가능한 마이크로모델을 활용하여 수행하였다. 이에 따른 실험 결과, 비이온성 및 음이온성 계면활성제 활용 시 순수한 물인 경우보다 가장 낮은 주입 유량에서 저장 효율은 최소 40% 이상의 향상을 보였다. 하지만, 본 연구에서 활용한 계면활성제의 이온성 및 농도에 따른 유의미한 저장 효율 변화는 도출되지 않았다. 이러한 결과는 향후 이산화탄소 지중 저장을 위한 계면활성제의 선택 및 농도 결정에 활용될 것으로 기대된다.