Analysis of Surface Displacement of Oil Sands Region in Alberta, Canada Using Sentinel-1 SAR Time Series Images

Sentinel-1 SAR 시계열 영상을 이용한 캐나다 앨버타 오일샌드 지역의 지표변위 분석

Abstract

SAGD (Steam-Assisted Gravity Drainage) method is widely used for oil recovery in oil sands regions. The SAGD operation causes surface displacement, which can affect the stability of oil recovery plants and trigger various geological disasters. Therefore, it isimportant to monitor the surface displacement due to SAGD in the oil sands region. In this study, the surface displacement due to SAGD operations of the Athabasca oil sands region in Alberta, Canada, was observed by applying Permanent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar (PSInSAR) technique to the Sentinel-1 time series SAR data acquired from 2016 to 2021. We also investigated the construction and expansion of SAGD facilitiesfrom Landsat-7/8 time seriesimages, from which the characteristics of the surface displacement according to the oil production activity of SAGD were analyzed. Uplift rates of 0.3-2.5 cm/yr in the direction of line of sight were observed over the SAGDs and their vicinity, whereas subsidence rates of -0.3--0.6 cm/yr were observed in areas more than several kilometers away from the SAGDs and not affected by oil recovery activities. Through the analysis of Landsat-7/8 images, we could confirm that the SAGDs operating after 2012 and showing high oil production activity caused uplift rates greater than 1.6 cm/yr due to the subsurface steam injection. Meanwhile, very small uplift rates of several mm per year occurred over SAGDs which have been operated for a longer period of time and show relatively low oil production activity. This was probably due to the compression of reservoir sandstone due to continuous oil recovery. The subsidence observed in areas except for the SAGDs and their vicinity estimated to be a gradual land subsidence caused by melting of the permafrost. Considering the subsidence, it was expected that the uplift due to SAGD operation would be greater than that observed by the PSInSAR. The results of this study confirm that the PSInSAR can be used as an effective means for evaluating productivity and stability of SAGD in the extreme cold regions.

오일샌드 채굴에 널리 이용되고 있는 증기 주입식 중력 배수(Steam-Assisted Gravity Drainage, SAGD) 공법은 지표의 변형을 야기하며, 이는 오일샌드 플랜트의 안정성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 다양한 지질 재해의 원인이 되므로 지속적인 모니터링이 필요하다. 이 연구에서는 캐나다 앨버타의 Athabasca 오일샌드 지역에 대해 2016년부터 2021년까지 획득된 Sentinel-1 시계열 영상레이더(synthetic aperture radar, SAR) 자료에 고정산란체 간섭기법(Permanent Scatterer Interferometric SAR, PSInSAR)을 적용하여 SAGD 운용에 의한 지표변위를 관측하였다. 그리고 SAGD의 건설 및 확장을 Landsat-7/8 시계열 영상으로부터 파악하고, 이를 통해 SAGD의 원유 생산성에 따른 지표변위의 특성을 분석하였다. Athabasca 오일샌드 지역의 SAGD 및 그 주변에서는 레이더 관측방향으로 0.3-2.5 cm/yr의 지반융기가 관측된 반면, SAGD에서 수 km 이상 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 -0.3--0.6 cm/yr의 침하가 관측되었다. Landsat-7/8 시계열 영상 분석을 통해 2012년 이후에 건설되어 높은 생산성을 보이는 SAGD는 증기의 주입으로 인해 1.6 cm/yr 이상의 지반융기를 야기하는 반면에 더 오랜 기간 동안 운용되어 생산성이 상대적으로 낮은 SAGD에서는 증기 주입에도 불구하고 지속적인 원유 회수에 따른 사암의 압축 때문에 연간 수 mm의 매우 작은 융기가 발생함을 추정할 수 있었다. SAGD 및 그 주변을 제외한 대부분의 지역에서 관측된 침하는 동토층의 융해에 의한 점진적 지반침하로 추정되었다. 동토층의 침하를 고려할 때 SAGD 운용에 기인하는 지반의 융기는 관측된 것보다 더 클 것이라고 예상되었다. 이 연구의 결과를 통해 PSInSAR 기법이 극한지 오일샌드 SAGD의 생산성과 안정성 평가에 유용한 수단으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

1. 서론

오일샌드(oil sands)는 비전통석유로써 중질 원유가 10% 이상 함유된 모래나 사암을 의미한다. 오일샌드에 서 채굴하는 역청(bitumen)은 액체나 반고체 상태로 남아있는 높은 점성도의 석유화합물로써 부존 심도에 따라 노천 채굴법이나 원위치(in-situ) 방법이 이용된다 (Cho et al., 2016). 지표로부터 약 65 m 이내의 낮은 심도에 존재하는 역청은 노천 채굴을 통해 회수하며, 더 깊은 심도에 부존하는 경우 원유 회수율이 높은 원위치 채굴법인 증기 보조 중력 배수(Steam-Assisted Gravity Drainage; SAGD) 공법이 널리 이용되고 있다(Pearse et al., 2014). SAGD 공법은 2 개의 평행한 수평 파이프를 이용하는데, 상부 파이프는 유정에 고온 고압의 증기를 주입하여 증기 챔버(steam chamber)를 형성하는데 사용된다. 증기 챔버 내에서 가열된 역청은 점도가 낮아지 고 증기가 냉각된 물과 함께 파이프에서 약 5 m 아래에 위치한 하부 파이프를 통해 채굴된다(Cho et al., 2016). 채굴된 역청은 정제소로 운반되어 물, 점토, 원유로 분리된다(Butler, 2001). SAGD 공법에 의한 증기의 주입과 이를 통한 오일샌드 채굴은 지표에 변위를 발생시킬 수 있다. SAGD에서 증기의 주입은 저류층 상부 기반암의 응력 상태를 변화시켜 지표 변형을 야기할 수 있으며 (Khakim et al., 2012; Pearse et al., 2014), 이는 SAGD 플랜트의 안정성에 영향을 미쳐 인적, 물적 피해를 발생시킬 수 있다. 또한 채굴 과정에서 발생하는 폐석에 의하여 환경 문제가 발생할 수 있고(Finkel, 2018), 장기적인 SAGD 운용은 부존 원유의 과도한 회수로 인한 지반침 하의 원인이 될 수 있다. 따라서 SAGD의 안정성을 평 가하고 원유 채굴에 기인하는 다양한 지질 재해의 예측 및 대응체계 수립을 위해서는 SAGD가 밀집된 지역에 대한 지속적인 지표변위 모니터링이 요구된다.

북극권의 캐나다 앨버타(Alberta) 주는 대표적인 오일샌드 부존 지역이다(Kwon, 2008). 지구온난화의 가속화에 따라 북극권 동토층이 용융되기 시작하면서 동토 층에 매장된 석유자원의 개발 가능성이 높아지고 있다 (Kim and Kim, 2019). SAGD 공법은 앨버타에서 가장 널리 쓰이는 오일샌드 채굴 기법이다. 최근 우리나라는 북극권 자원개발 시장에 참여하기 위하여 캐나다 동토 지역에서 보다 효율적으로 원유를 회수하기 위한 SAGD 공법의 개발과 극한지 SAGD 플랜트 건설기술의 개발을 추진하고 있다(Choi et al., 2020). 향후 우리나라의 북극권 SAGD 플랜트 개발과 운용을 위해서도 지표변위 의 관측과 해석에 관한 연구가 요구되고 있는데, 이는 지표변위가 SAGD의 증기 주입량 및 증기 챔버의 크기와 관계되므로 원유의 회수율 및 잔존 원유 추정 등 오일샌드 플랜트 운용의 효율성과 경제성을 평가하기 위한 중요 기초자료로 활용되기 때문이다(Khakim et al., 2013).

영상레이더(synthetic aperture radar, SAR)는 태양 고 도와 기상에 관계없이 넓은 영역에 대해 고품질의 영상 을 획득할 수 있기 때문에 극한지 관측에 매우 효과적 이다. 동일한 연구지역에 대해 2장 이상의 SAR 영상을 취득하여 위상의 차이를 구하는 영상레이더 간섭기법 (Interferometric SAR; InSAR)을 이용하면 지형고도와 지표변위를 관측할 수 있으며, InSAR 영상으로부터 지형 고도에 의한 위상차를 제거하는 영상레이더 차분간섭 기법(Differential InSAR; DInSAR)은 수 mm–수 cm 정밀 도의 지표변위를 제공하여 오일샌드 지역 지표변위를 연구하는데 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 원유 회수가 이루어지는 오일샌드 지역에서는 장기간에 걸쳐 지표변위가 발생하고, 변위의 속도와 방향이 변화할 수 있기 때문에 단일 DInSAR 보다는 다중시기 SAR 영상으로부터 시계열 지표변위를 관측하기 위한 방법이 더 적합하다. 고정산란체 간섭기법(Permanent Scatterer Interferometric SAR; PSInSAR)은 대표적인 시계열 지표 변위 관측 기법으로, SAGD 시설물과 같은 인공구조물에 대해 정밀한 시계열 변위 관측을 요구하는 연구에 효 과적이다(Gernhardt et al., 2010). PSInSAR 기법은 동일 한 영역에 대한 다수의 DInSAR 영상에서 건물이나 송전탑 등과 같이 긴밀도가 높은 고정산란체(permanent scatterer; PS)를 이용하는 기법으로써 연구지역에서 획득된 거의 모든 SAR 영상을 활용할 수 있으며, 간섭위 상에 대한 대기의 영향을 효과적으로 제거할 수 있고 장기간에 걸쳐 발생하는 지표변위의 시계열 분석이 용이하다는 장점이 있다(Ferretti et al., 2000). PSInSAR는 인공 구조물 등에서 국지적으로 관측된 시계열 변위로부터 지표 및 지반의 변형을 분석하는데 활발히 사용되어 왔음을 고려할 때(Choi and Kim, 2018; Kim, 2010; Krishnan and Kim, 2018; Yu and Yun, 2019), SAGD가 위치한 오일 샌드 지역의 변위특성을 연구하는데 유용하게 활용될 수 있다.

극한지 오일샌드 지역에 대한 시계열 지표변위 관측 연구는 현재까지 수행된 사례가 많지 않은 편이다. Khakim et al. (2013)은 앨버타 오일샌드 지역에 대해 ALOS(the Advanced Land Observing Satellite) PALSAR (the Phased Array type L-band SAR) 영상을 활용하여 2007-2008년의 지표변위를 관측하였고, SAGD 공법에 의한 단기간(1년)의 채굴은 플랜트 시설에 영향이 거의 없는 작은 지반융기를 일으킨다고 보고하였다. Pearse et al. (2014)은 앨버타 오일샌드 지역에 대해 2008년부터 2013년까지 획득된 RADARSAT-1과 RADARSAT-2 SAR 영상에 PSInSAR를 적용하여 SAGD의 증기 주입량과 지반의 융기가 서로 매우 높은 상관성을 가짐을 밝혔다. 또한 저류층 유동 모델을 이용한 지표변위의 수치모델 링을 수행하여 운용이 끝난 SAGD에서는 저류층 매질 의 탄성 압축으로 인하여 지표에 침하가 나타날 수 있음 을 추정하였다. 이 외에도 몇몇 연구에서 극한지 오일샌드 지역의 지표변위 관측이 수행되었다(Samsonov et al., 2015; Singhroy et al., 2015). 그러나 대부분 2015년 이전에 SAGD가 활발히 운용 중인 사례에 한하여 지반의 융기를 분석하였으며, 오랜 기간 운용되어 원유 생산성이 낮거나 운용이 중지된 SAGD를 포함하는 최근의 지표변 위에 대한 연구는 수행된 바 없다. 극한지 오일샌드 개발 프로젝트 대부분이 2000년대에 시작되었기 때문에 최근에 획득된 SAR 영상을 이용한다면 SAGD의 다양한 운용 주기에 따른 지표변위 분석이 가능할 수 있다.

이 연구에서는 PSInSAR 기법을 이용하여 캐나다 앨 버타 주 Athabasca의 SAGD 밀집 지역에 대해 2016년부 터 2021년까지 시계열 지표변위를 관측하였고, 다시기 광학영상에서 추정된 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위의 특성을 분석하였다. 또한 오일샌드 채굴과는 무관한 지역에서의 지표변위를 관측하고, 이를 통해 연구지역 동토층의 변화를 파악하였다.

2. 연구지역

캐나다의 오일샌드 매장량은 약 1,752억 배럴로 전 세계에서 3위 수준에 해당한다(Kwon, 2008). 캐나다의 오일샌드는 주로 북서 영토에 매장되어 있으며 앨버타 주의 Athabasca, Cold Lake, Peace River 지역에 넓은 범위로 분포하고 있다. 이 중 Athabasca의 오일샌드 매장 면적은 약 141,000 km2으로 앨버타 주 오일샌드의 80% 이 상을 차지하고 있다(Kwon, 2008). 이 지역은 노천 채굴과 SAGD 공법이 2:8의 비율로 적용되고 있는 것으로 알려져 있다(Gupta and Gittins, 2007). Athabasca 오일샌드 지역에는 산발적으로 동토층이 분포하며 지속적으로 융해되고 있음이 보고되고 있다(Jasechko et al., 2012;Gibson et al., 2016; Gibson et al., 2019).

이 연구에서는 캐나다 앨버타 Athabasca 오일샌드 지역의 북부 및 남부에 SAGD가 밀집된 지역을 선정(Fig. 1)하여 시계열 지표변위를 관측하였다. Fig. 1에 Regional Aquatics Monitoring Program에서 제공하는 오일샌드 채굴 영역을 흰색 폴리곤으로 표시하였고, 지표변위 관측이 수행된 영역을 Site 1(북부)과 Site 2(남부)로 구분하여 나타냈다.

Fig. 1. Map of the study area modified from Google Earth imagery. White polygons indicate the oil recovery areas. The two red boxes represent the areas of time series surface displacement observation in the northern (Site 1) and southern (Site 2) Athabasca oil sands region. The two yellow rectangles represent the coverages of Sentinel-1 SAR images.

3. 연구자료 및 분석방법

Athabasca 오일샌드 지역의 시계열 지표변위를 관측 하기 위해 Sentinel-1 SAR 영상을 활용하였다. Sentinel-1 은 Sentinel-1A 및 Sentinel-1B의 두 위성으로 구성되어 있다. 두 위성 모두 5.405 GHz의 중심 주파수를 가지는 동일한 C-band SAR를 탑재하고 있으며, 각각 12일의 재 방문 주기를 갖는다(Torres et al., 2012). 이 연구에 사용된 Sentinel-1 SAR 영상은 상향 궤도(ascending node)에 서 Interferometric Wide(IW) swath 모드, VV 편파로 획득 된 Single Look Complex(SLC) 포맷의 영상이다. Site 1과 Site 2가 한 개의 SAR 영상 프레임(frame)에 포함되지 않아 두 개의 서로 다른 프레임에서 획득된 영상을 사용하였다(Table 1). 두 Site에 대해 모두 2016년 7월부터 2021 년 6월까지의 SAR 영상을 구축하고 PSInSAR에 적용하였으나, 고정산란체 후보(permanent scatterer candidate, PSC)가 거의 나타나지 않는 영상들은 연구에서 제외하였다. 이에 Site 1에 대해서는 2016년 7월 13일부터 20216월 23일까지 총 97장, Site 2에 대해서는 2017년 2월 8일부터 2021년 3월 31일까지 총 90장의 SAR 영상이 사 용되었다. SAR 영상 중 2016년 7월 13일과 25일의 영상은 Sentinel-1A로 획득된 것이며, 이를 제외한 모든 영상 은 Sentinel-1B 위성에서 획득되었다. PSInSAR 처리를 위해 필요한 SAR 영상들의 정밀 정합, 지형 고도에 의한 간섭위상 제거 및 영상의 기하보정과 지형보정을 위해 30 m급 공간해상도의 Copernicus GLO-30 Digital Elevation Model(DEM)을 사용하였다.

Table 1. Specifications of Sentinel-1 SAR data used in this study

일반적으로 SAGD의 원유 생산 활동성은 SAGD의 운용 기간이 길수록 오일샌드의 부존량이 줄어들기 때문에 낮아지는 특징이 있다. 이 연구에서는 SAGD의 원유 생산 활동성을 추정하기 위하여 2012년부터 2021년 사이의 Landsat-7Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM+) 영상과 Landsat-8 Operational Land Imager(OLI) 영상을 획득하고(Table 2) SAGD의 건설 및 확장을 파악하였다. Landsat-7과 Landsat-8은 모두 16일의 시간해상도를 가지며, 가시광선 및 근적외선, 중적외선 대역에서 30 m, 전정색(panchromatic) 대역에서는 15 m 공간해상도의 영상을 제공한다. 열적외선 대역 영상의 경우 Landsat-7 ETM+는 60 m 공간해상도로 제공하며, Landsat-8은 Thermal Infrared Sensor에서 100 m 해상도로 수신된 자료를 30 m 해상도로 리샘플링하여 제공한다. 이 연구에서 획득한 Landsat 영상은 모두 방사보정과 기하 및 지형 보정이 수행된 Level-1 Terrain Precision Correction (L1TP) 자료이다.

Table 2. Landsat-7 ETM+ and Landsat-8 OLI images used in this study

Sentinel-1 SAR 영상에 PSInSAR 기법을 적용하기 위해 유럽우주국에서 개발한 SeNtinel Application Platform (SNAP) 소프트웨어와 Stanford 대학에서 개발한 Stanford Method for Persistent Scatterers(StaMPS) 소프트웨어 패키지(Hooper et al., 2012)를 이용하였다. Fig. 2는 SNAP과 StaMPS를 사용한 PSInSAR 처리과정 모식도이다. 먼저 Sentinel-1 SAR 영상의 궤도 정보를 업데이트 한 후 SNAP 의 InSAR Stack Overview Tool을 통하여 수직 기선거리 (perpendicular baseline)와 시간 기선거리(temporal baseline) 를 계산하여 주영상(masterimage)을 결정하였다. Fig. 3(a) 와 3(b)는 각각 Site 1과 2에 대해 주영상(파란색 점)으로 부터 계산된 부영상들(slave images)의 수직 기선거리와 시간 기선거리를 보여준다. 모든 SAR 자료에 대해 후방 산란 강도(intensity) 영상을 생성하였고, Site 1과 Site 2 영역의 크기에 적합한 범위로 subset을 수행하였다. 시계열적인 변위 지도를 구축하기 위해 단일 주영상과 전체부 영상 사이의 DInSAR를 수행하였다. 그리고 SNAP 소프 트웨어를 이용하여 제작한 후방산란 강도 영상들과 DInSAR 영상들을 StaMPS 소프트웨어 패키지에서 PSInSAR를 수행할 수 있는 형식으로 변환해 주었다.

Fig. 2. Flowchart of PSInSAR processing via SNAP and StaMPS.

Fig. 3. Baseline plots of Sentinel-1 interferograms used in PSInSAR for (a) Site 1 (northern Athabasca) and (b) Site 2 (southern Athabasca). Blue point represents a master image used for generating the interferograms.

고정산란체는 영상의 시계열 후방산란 분석을 통해 후방산란 특성이 안정되어 있는 화소를 선택함으로써 추출될 수 있다(Kim, 2010). 후방산란의 안정성을 나타내는 지표로는 진폭분산지수(amplitude dispersion index) 가 사용될 수 있는데, 이 연구에서는 진폭분산지수 임계값을 0.4 이하로 지정하여 PSC를 선정하였다(Ferretti et al., 2000; 2001). 선정된 PSC에서 차분간섭위상을 구한 후 공간적으로 상관되지 않은 위상을 가진 PSC를 제거 하였고, 대기에 의한 차분간섭위상 제거를 위해 공간적으로 저주파 필터링, 시간적으로 고주파 필터링을 수행하였다. 이를 통해 최종적으로 선정된 PS에 대해 시계열 지표변위를 계산하였다.

SAGD 건설 및 확장은 고해상도의 시계열 광학영상을 통해 시각적으로 분석될 수 있다. Landsat-7 ETM+Landsat-8 OLI의 가시광선 영상은 30 m의 공간해상도를 가져 SAGD 플랜트를 확인하는데 다소 어려움이 있다. 그러나 pan-sharpening을 통하여 15 m 공간해상도의 RGB 조합영상을 생성할 수 있고, 이는 SAGD의 건설과 확장을 보다 정확하게 관찰하는데 도움이 된다. 이 연구에서는 Landsat 영상에 pan-sharpening을 적용하여 15 m 공간해상도의 RGB 조합영상을 생성하고, 이로부터 SAGD 플랜트의 시간적 변화를 파악하였다. 그리고 PSInSAR로 관측된 지표변위의 시계열 변화를 Landsat 영상에서 파악된 SAGD의 건설 및 확장 시점과 함께 해석하였다.

4. 연구결과

PSInSAR 수행을 통하여 Site 1과 Site 2에서 각각 5,749 개와 17,081개의 PS가 선정되었다. Fig. 4는 각 Site에 대해 PS에서 산출된 레이더 관측 방향(line of sight, LOS) 지표변위의 평균 속도를 보여준다. 연구지역은 SAGD플랜트를 제외하면 산림 및 초지, 호수와 강으로 피복되어 있기 때문에 PSInSAR로는 넓은 범위에 걸쳐 지표 변위를 관측하기 어렵다. 그러나 SAGD 플랜트와 지표에 노출된 파이프라인, 송전탑, 도로 상의 인공구조물 등은 대부분 PS로 선정되어 이 연구에 충분히 활용될 수 있었다. 오일샌드 채굴 지역에서 발생하는 변위는 대부분 수직방향의 침하 또는 융기이며, Sentinel-1 SAR 관측 기간 동안 지진이나 화산활동 등 다른 유형의 이벤트가 보고된 바 없으므로 SAGD와 주변 PS에서 관측된 LOS 방향의 지표변위는 모두 수직방향의 변위로 추정하여 해석하였다. Site 1에서는 Sunrise(SR)와 Firebag(FB) 오일샌드 개발 프로젝트가 진행 중이며, Site 2에서는 Black Gold(BG), Jackfish(JF), South Christina Lake(SCL), North Christina Lake(NCL) 프로젝트가 진행 중이다. Fig. 4에서 각 오일샌드 프로젝트 구역은 서로 다른 지표변위 속도를 보여주고 있으며, 동일한 프로젝트 구역 내에서도 변위 속도가 다르게 나타난다.

Fig. 4. Maps of mean surface displacement velocity in the LOS for (a) Site 1 (Northern Athabasca) and (b) Site 2 (Southern Athabasca).

Site 1에서 5개의 PS(P1–P5), Site 2에서 8개의 PS(P6– P13)를 선택하였고, 각각의 PS에서 관측된 LOS 방향의 시계열 지표변위를 분석하였다. Fig. 5는 Site 1에서 선택된 PS들의 LOS 방향 시계열 지표변위이다. SR 프로젝트 구역에서 지표의 융기로 추정할 수 있는 변위가 관측되었고, SAGD(Fig. 4(a)의 P1)에서 2.3 cm/yr의 변위  도가 계산되었다(Fig. 5(a)). SAGD와 인접한 PS들에서도 약 2 cm/yr의 지반융기를 지시하는 변위 속도가 관측되었다. FB 프로젝트 구역의 SAGD에서도 지반융기가 관측되었으나, SAGD에 따라 속도가 다르게 나타났다. P2 에 해당하는 SAGD는 2.2 cm/yr의 융기 속도를 보였으나(Fig. 5(b)), P3의 SAGD는 매우 작은 지반융기를 보였다(0.5 cm/yr, Fig. 5(c)). P4 및 P5와 같이 SAGD와 수 km 이상 떨어져 있고, 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역은 대부분 약 -0.6 cm/yr의 지표변위 속도를 보여 지반이 서서히 침하하는 것으로 추정되었다(Fig. 5(d), 5(e)). Site 1 의 PS들에서 관측된 지반의 융기와 침하는 시간에 따라 선형으로 증가하였고, 계절 또는 연간 변동은 거의 관찰 되지 않았다.

Fig. 5. Plots of surface displacement time series in the LOS for the selected PSs in Site 1.

Site 2에서 선택된 PS들의 LOS 방향 지표변위 시계열 은 Fig. 6과 같다. JF와 NCL 프로젝트 구역의 SAGD(Fig. 4(b)의 P6, P8)에서는 최대 1.6 cm/yr의 지반융기를 지시하는 변위 속도가 관측되었고(Fig. 6(a), 6(c)), SAGD 인접 PS들에서도 비슷한 수준의 속도가 관측되었다. 반면 BG 프로젝트 구역에 위치한 대부분의 SAGD(P7)에서는 0.8 cm/yr의 상대적으로 작은 융기 속도가 관측되었 다(Fig. 6(b)). SCL 프로젝트 구역에서는 SAGD마다 상이한 지반융기 속도를 보였다. P9에서는 2.0 cm/yr의 지반융기 속도가 관측된 반면, P10에서 관측된 속도는 0.3 cm/yr에 불과하였다(Fig. 6(d), 6(e)). 그리고 Site 1에서와 같이 SAGD와 수 km 이상 떨어진 곳에 위치하여 오일 샌드 채굴의 영향이 없는 PS(P11–P13)에서는 -0.3–-0.6 cm/yr 속도의 침하가 관측되었다(Fig. 6(f)–6(h)).

Fig. 6. Plots of surface displacement time series in the LOS for the selected PSs in Site 2.

Athabasca 북부 및 남부의 오일샌드 프로젝트 구역들에 대한 시계열 지표변위는 SAGD와 그 주변에서 지반이 융기하는 반면에 SAGD와 멀리 떨어진 지역에서는 침하가 일어나고 있음을 보였다. Athabasca 북부와 남부에서 관측된 침하는 매우 유사한 크기와 속도를 보였다. 그러나 지반융기는 SAGD마다 다르게 나타났고, 이는 SAGD의 증기 주입량이나 원유의 회수량(생산량), SAGD의 운용 여부와 관계될 수 있다(Khakim et al., 2012; Pearse et al., 2014).

5. 토의

SAGD는 저류층에 증기를 주입하여 오일샌드를 채굴한다. 이 과정에서 형성된 증기 챔버와 증기가 냉각되어 생산되는 물에 의해 SAGD와 그 주변 영역에서 국지적으로 지반융기가 발생한다. 따라서 SAGD의 원유 생산 활동성은 오일샌드 지역 지반융기의 속도와 크기를 결정하는 중요한 요인 중 하나라고 할 수 있다. 이 연구에서는 SAGD의 원유 생산 활동성이 SAGD 플랜트의 건설 및 확장 시기와 상관성이 있다고 가정하고 Landsat-7 ETM+와 Landsat-8 OLI 시계열 영상을 분석하였다. Fig. 7은 Site 1에 대한 2012, 2015, 2016, 2021년의 Landsat-7/8 pan-sharpening 영상이다. SR과 FB 프로젝트 구역에서 2 cm/yr 이상의 지반융기로 추정되는 변위 속도를 보인 지점(Fig. 4(a)의 P1, P2)은 2012년에서 2015년 사이에 SAGD가 확장되거나 새롭게 건설된 것을 확인 할 수 있다(Fig. 7의 빨간색 원). 반면 0.5 cm/yr의 작은 변위 속도를 보인 지점(Fig. 4(a)의 P3)에서는 2012년 이전 부터 SAGD가 운용되고 있었음을 알 수 있다(Fig. 7의 노란색 원). 이는 P1–P3에 해당하는 SAGD가 모두 운용 중인 상황일 수는 있으나, P1과 P2 위치에서 더 활발한 오 일샌드 채굴과 원유 생산을 하고 있음을 추정할 수 있다. 그리고 상대적으로 최근에 운용을 시작한 SAGD에서 더 큰 지반융기가 발생한다는 것을 추론할 수 있다

Fig. 7. Landsat-7/8 pan-sharpened images of Site 1 in (a) 2012, (b) 2015, (c) 2016, and (d) 2021.

위와 같은 해석은 Pearse et al. (2014)의 SAGD 운용에 따른 지표변위 수치모델링 결과와도 일치한다. SR과 FB 프로젝트 구역의 저류층 상부 지층 두께는 약 200– 250 m이다(Hein and Cotterill, 2006). Pearse et al. (2014)에 서 SR, FB 구역과 유사한 180 m의 저류층 상부 지층 두께를 적용하여 모사된 지반융기는 SAGD 운용 시작 직후 약 4년간 2.5 cm/yr의 빠른 속도로 발생하다가 이후 0.5 cm/yr로 감소하였다. 이는 SR과 FB 프로젝트 구역에서 최근 수년 사이에 운용이 시작된 SAGD의 경우 2 cm/yr 이상의 큰 지반융기가 관측되었고, 최소 10년 이상 운용된 SAGD에서는 0.5 cm/yr 수준의 상대적으로 작은 융기가 관측된 이 연구의 결과와 같다.

Fig. 8은 Site 2의 SCL 오일샌드 프로젝트 구역에 대한 2013, 2015, 2016, 2021년의 Landsat-7/8 pan-sharpening 영상으로 2.0 cm/yr의 변위 속도(지반융기)가 관측된 지점(Fig. 4(b)의 P9)은 2013년과 2015년 사이에 SAGD가 운용되기 시작하였음을 알 수 있다(Fig. 8의 빨간색 원). 반면 0.3 cm/yr의 작은 변위 속도가 관측된 SAGD(Fig. 4b의 P10)는 2013년 이전에도 존재하던 것으로 확인되었다(Fig. 8의 노란색 원). 따라서 P9에 해당하는 SAGD 는 최근 수년 사이에 운용을 시작하여 활발한 오일샌드 채굴을 진행하고 있고 그에 따라 큰 지반융기를 발생시키는 반면에, P10의 SAGD는 오일샌드 채굴을 중단했거나 불규칙적인 채굴 활동을 하고 있다고 판단할 수 있다. 이는 SR, FB에서와 같이 Pearse et al. (2014)의 지표 변위 수치모델링과의 비교를 통해서도 판단될 수 있다. SCL 프로젝트 구역의 저류층 상부 지층 두께는 약 400m이다(Zhang et al., 2007). 동일한 지층 두께에 대해 모사된 지표변위는 SAGD 운용 직후 4년간 약 0.5 cm/yr, 그 이후 약 0.1 cm/yr로 예측되었다. 활발한 채굴 지역에서 PSInSAR 변위 속도는 모델링으로 예측된 지반융기 속도보다 약 1.5 cm/yr 더 빨랐다. 이는 SCL 프로젝트 구 역에서 SAGD와 파이프라인이 좁은 공간에 밀집되어 있고, 이것이 지반융기의 가중 요소로 작용했기 때문이라 판단된다. PSInSAR로 추정된 지반융기 속도의 크기는 수치모델링에서 예측된 것보다 크지만 SAGD의 운용 시작 시기 및 저류층 상부 지층의 두께에 따른 지반 융기의 추세는 서로 유사하다고 할 수 있다.

Fig. 8. Landsat-7/8 pan-sharpened images of Site 2 in (a) 2013, (b) 2015, (c) 2016, and (d) 2021.

연구에서는 대부분의 SAGD 플랜트와 그 인접 지역에서 지반융기로 추정되는 변위를 관측할 수 있었는 데, 수년 내에 건설되어 활발히 운용되고 있는 SAGD 는 1.5–2 cm/yr 이상의 큰 융기를 일으키며 연간 수 mm 수준의 작은 융기는 SAGD가 10여 년 전부터 운용되었거나 Sentinel-1 관측 기간 내에 운용이 중단된 것에 기인한다고 판단되었다. PSInSAR를 통한 시계열 지표변위 관측 결과에서 주목할 만한 점은 Athabasca 북부 및 남부에 관계없이 SAGD 및 그 주변을 제외한 대부분 지역의 PS들에서 -0.3–-0.6 cm/yr 속도의 침하로 추정되는 변위가 관측되었다는 것이다. 이 PS들은 SAGD와 수 km 이상 떨어진 곳에 위치하였다. 이는 오일샌드의 채굴과는 무관한 침하 요인이 광범위한 영역에 공통적으로 작용하고 있음을 지시하는데, 앨버타 지역 영구동토 층의 지속적인 융해(Gibson et al., 2016; Gibson et al., 2019) 를 고려하면 이러한 침하는 동토층의 융해로 인한 지반 의 점진적 하강이 반영된 것이라 판단된다. 융해된 동토층은 겨울철에 결빙되어 지반을 상승시킬 수 있는데, 이 연구에서 관측된 침하는 뚜렷한 계절적 주기성을 보이지 않았다. 따라서 적어도 2016년 이후에 Athabasca 지역에서는 계절에 관계없이 지속적인 동토층의 융해가 발생하고 있음을 추정할 수 있다. 그리고 PSInSAR로 부터 관측된 SAGD에서의 지반융기는 동토층 융해에 의한 침하가 포함되어 있을 가능성이 높고, 이에 따라 실제 지반의 융기는 더 클수 있다.

이 연구에서는 GPS와 같은 지표변위 현장관측 자료가 없어 PSInSAR 결과를 검증할 수 없었다. 그러나 연구지역 표토층과 저류층의 물리적 특성을 바탕으로 수행된 지표변위 수치모델링 결과(Pearse et al., 2014)와 이 연구에서 분석된 지표변위는 매우 유사하였으며, 이에 따라 PSInSAR를 통해 관측된 앨버타 오일샌드 지역의 시계열 지표변위는 신뢰할 수 있는 결과라고 판단된다.

6. 결론

이 연구에서는 Sentinel-1 시계열 SAR 영상에 PSInSAR 를 적용하여 캐나다 앨버타 Athabasca 오일샌드 지역의 지표변위 속도를 관측하였다. Landsat-7 ETM+ 및 Landsat-8 OLI 영상으로부터 오일샌드를 채굴하는 SAGD의 건설과 확장을 파악하여 SAGD의 원유 생산 활동성에 따른 지표변위 특성을 분석하였다. 대부분의 SAGD 밀집 지역에서 지반의 융기를 관측하였으며, SAGD와 멀리 떨어져 있고 오일샌드 채굴의 영향이 없는 지역에서는 침하가 관측되었다. SAGD마다 서로 다른 지반융기 속도를 보였는데, 이는 SAGD의 오일샌드 채굴 활동성과 저류층 상부 지층의 두께에 의존하는 것으로 분석되었다. 상대적으로 최근에 건설되어 원유 생 산 활동성이 높은 SAGD에서 더 빠른 속도로 지반이 융기하였다. SAGD의 활동과 무관한 지역에서 균일하게 관측된 침하는 Athabasca 지역 동토층의 지속적인 융해에 의해 발생한 것으로 추정할 수 있었다.

이 연구를 통하여 극한지 오일샌드 지역의 시계열 지표변위 관측에 PSInSAR가 효과적으로 사용될 수 있고, 관측된 지표변위로부터 SAGD의 원유 생산 활동성 평가가 가능함을 확인할 수 있다. 향후 보다 장기간의 SAR 영상과 SAGD 증기 주입량 및 원유 생산량에 대한 정보를 활용할 수 있다면 PSInSAR를 기반으로 한 극한지 오일샌드 플랜트의 관리 및 평가를 위한 원격 모니터링 기술 개발도 가능하리라 기대된다.