Swelling and Mechanical Property Change of Shale and Sandstone in Supercritical CO2

In this study, a method is devised to implement a supercritical $CO_2$ ($scCO_2$) injection environment on a laboratory scale and to investigate the effects of $scCO_2$ on the properties of rock specimens. Specimens of shale and sandstone normally constituting the cap rock and reservoir rock, respectively, were kept in a laboratory reactor chamber with $scCO_2$ for two weeks. From this stage, a chemical reaction between rock surface and the $scCO_2$ was induced. The effect of saline water was also investigated by comparing three conditions ($scCO_2$-rock, $scCO_2-H_2O$-rock and $scCO_2$-brine(1M)-rock). Finally, we checked the changes in the properties before and after the reaction by destructive and nondestructive testing procedures. The swelling of shale was a main concern in this case. The experimental results suggested that $scCO_2$ has a greater effect on the swelling of the shale than pure water and brine. It was also observed that the largest swelling displacement of shale occurred after a reaction with the $H_2O-scCO_2$ solution. The results of a series of the destructive and nondestructive tests indicate that although each of the property changes of the rock differed depending on the reaction conditions, the $H_2O-scCO_2$ solution had the greatest effect. In this study, shale was highly sensitive to the reaction conditions. These results provide fundamental information pertaining to the stability of $CO_2$ storage sites due to physical and chemical reactions between the rocks in these sites and $scCO_2$.

초임계 CO2에 의한 셰일 및 사암의 물성변화 및 스웰링에 관한 연구

$CO_2$ 저장에 따른 암반 물성의 변화 분석은 지중저장소 정밀 모니터링을 위해 필수적인 요소로서 이에 대한 다양한 각도의 시험 수행과 모델링이 요구된다. 하지만 국내의 경우는 대부분 모델링 연구에 집중되고 있으며, 수치모델에서 필요로 하는 입력자료 대부분이 문헌에 기반을 둔 가정치를 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 $CO_2$ 주입 환경을 모사하는 기술을 고안하고, 초임계 $CO_2$와 반응하는 저류층 암반의 거동 분석을 위해 암석 시료를 이용한 역학적 물성 변화 위주의 실험실 시험을 실시하였다. 시험 대상은 저류층 내에서 덮개암 및 저장층 역할을 하는 셰일 및 사암으로 하였으며, 층간 결합력이 약해 팽창성이 높은 것으로 보고된 셰일에 대해서는 추가적으로 초임계 $CO_2$에 의한 팽창성을 검토 하고자 하였다. 반응 전 후의 변형 거동과 물성변화 관찰을 위해 파괴 및 비파괴 분석 시험을 실시하였다. 단축압축시험 결과 분석을 위해 균열닫힘, 균열개시, 불안정한 균열 성장 구간을 찾아서 검토하였으며, 선형탄성 구간에서의 탄성계수 및 포아송비를 비교 분석하였다. 그리고 비파괴 시험 중 탄성파 속도 측정 시험을 통하여 초임계 $CO_2$에 의한 암석 내부물성변화를 추정하였다. 실험결과, 초임계 $CO_2$ 및 염수, 물 등 반응 조건이 변화함에 따라 암석의 변형거동 양상은 크게 달랐으며 물성 변화도 관측되었다. 덮개암 역할을 하는 셰일의 경우 사암에 비해 반응조건에 따라 물성이 민감하게 변화하였는데 셰일의 이와 같은 특성은 저류층의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 앞으로 추가 실험을 통해 저류층의 지중저장 능력 및 안정성에 영향을 미치는 주요변수들의 상호관계를 규명하는데 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.