이질성 저장층에서 브룩스코어리와 반젠투첸 모형의 CO2 포집 차이 분석

초록

본 연구는 이질적인 심해 염수 저장층에서 브룩스‑코어리(BC)와 반‑젠투첸(vG) 두 종류의 모세관 압력–CO2 포화 곡선을 적용해 시뮬레이션을 수행하였다. 동질성 매질에서는 두 모델 간 차이가 거의 없으나, 이질성 매질에서는 모세관 포집량과 용해 속도가 크게 달라짐을 확인하였다. 특히 vG 모델은 모세관 포집량을 전체적으로 약 12 % 증가시키고, 용해량은 이질성 매질에서 2배 이상 증가시켰다. 이러한 차이는 저포화 영역에서의 곡선 형태와 입구 압력 구간 폭(S_nt)의 차이에 기인한다.

상세 분석

본 논문은 기존 연구에서 제시된 다중 스케일 퇴적구조가 CO2 플럼 동역학에 미치는 영향을 확장하여, 모세관 압력–포화 곡선의 수학적 형태가 이질성 저장층에서의 CO2 포집 메커니즘에 어떻게 작용하는지를 정량적으로 평가한다. 두 가지 전통적인 모델인 Brooks‑Corey(BC)와 van Genuchten(vG)은 각각 포화‑압력 관계를 지수형과 로그‑시그모이드형으로 기술한다. 저포화 영역, 즉 CO2가 처음 침투하는 입구 압력 구간(entry pressure region)에서 vG 모델은 BC 모델에 비해 더 완만한 경사를 보이며, S_nt(입구 구간 폭)를 통해 이 구간의 폭을 조절한다. 논문에서는 λ = 0.55, S_nt = 0.1 등 실험적 파라미터를 사용해 두 모델을 동일한 이질성 매질(사암 76 %와 개방구조 콘크리게이트 24 %)에 적용하였다.

시뮬레이션 결과는 다음과 같은 핵심 인사이트를 제공한다. 첫째, 동질성 매질에서는 모세관 포집량이 두 모델 간 차이가 거의 없으며, 이는 포집이 주로 상대 투과도 곡선의 차이에 의해 결정되기 때문이다. 둘째, 이질성 매질에서는 BC와 vG 모델 간 차이가 현저히 나타난다. vG 모델은 사암 내에서 포집량을 60 % 이상 증가시키는 반면, OFC에서는 약 20 % 감소한다. 이는 CO2‑브라인 인터페이스 영역이 vG 모델에서 더 넓게 형성되어, 사암‑OFC 경계에서의 “2차 봉인 효과”(secondary‑seal effect)가 강화되기 때문이다. 셋째, 용해량은 인터페이스 면적에 비례하여 증가한다. vG 모델은 입구 압력 구간이 넓어 인터페이스 면적이 확대되므로, 동질성 매질에서도 약 20 %의 용해량 증가가 관찰되고, 이질성 매질에서는 2배 이상 증가한다. 넷째, S_nt 값을 0.04로 감소시킨 추가 실험에서는 인터페이스 폭이 줄어들어 모바일 CO2 양이 약간 증가하고, 포집량은 다소 감소하지만 여전히 BC 모델보다 우위가 유지된다. 이는 저포화 영역의 곡선 형태가 포집·용해 메커니즘에 민감하게 작용함을 시사한다.

이러한 결과는 실제 현장 적용 시, 실험적으로 확보하기 어려운 저포화 구간의 모세관 압력 데이터를 정확히 파악하는 것이 CO2 영구 저장 효율을 예측하는 데 핵심임을 강조한다. 특히 이질성 저장층에서는 단순히 평균적인 물성값을 사용하는 것이 큰 오차를 초래할 수 있으며, 각 지층별로 맞춤형 BC 또는 vG 파라미터를 적용해야 한다는 실무적 교훈을 제공한다.