Evaluation of Physical and Mechanical Properties of Synthetic Caprock Simulating the Mineral Composition of Caprock in Pohang and Janggi Basins,  Korea

Junyeong Seo; Hangseok Choi; Sangyeong Park; Kiseok Kim; Hyeontae Park

doi:10.12814/jkgss.2025.24.3.027

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Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. 30 September 2025. 27-38
https://doi.org/10.12814/jkgss.2025.24.3.027

Evaluation of Physical and Mechanical Properties of Synthetic Caprock Simulating the Mineral Composition of Caprock in Pohang and Janggi Basins, Korea

포항·장기분지 덮개암의 광물 조성을 모사한 인공 덮개암 제작 및 물리·역학적 특성 평가

Junyeong Seo¹

Hangseok Choi²

Sangyeong Park³

Kiseok Kim⁴

Hyeontae Park⁵^*

서 준영¹

최 항석²

박 상영³

김 기석⁴

박 현태⁵^*

¹Non-Member, Master Course Student, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Republic of Korea

²Member, Professor, School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Republic of Korea

³Non-Member, Research Professor, Future and Fusion Lab of Architectural, Civil and Environmental Engineering, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Republic of Korea

⁴Non-Member, Assistant Professor, Department of Petroleum Engineering, Texas A&M University, 400 Bizzell Street, College Station, Texas 77840, United States of America

⁵Member, Ph.D. Student, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Republic of Korea

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

In carbon capture and storage (CCS), maintaining caprock integrity is a critical factor for ensuring the long-term containment of CO₂. Caprock integrity is typically assessed by analyzing the physical and mechanical properties of natural core samples obtained through drilling. However, due to the high costs associated with drilling and the risk of core damage, recent studies have increasingly explored the use of synthetic rock as an alternative. In this study, synthetic caprock samples were fabricated to replicate the mineral compositions of caprock from the Pohang and Janggi basins, which are considered potential CO₂ storage sites in Korea. Porosity, permeability, and uniaxial compressive strength (UCS) were measured to evaluate the physical and mechanical behavior of the synthetic caprock under varying consolidation stress conditions. With increasing consolidation stress, porosity and permeability decreased, while UCS increased in both synthetic samples. However, notable differences in physical and mechanical properties were observed between the synthetic samples and natural rock, primarily due to the absence of chemical diagenetic processes, such as cementation and chemical compaction, in laboratory conditions. These findings provide essential baseline data for the fabrication of site-specific synthetic caprock analogs in CCS demonstration projects.

Keywords

Carbon capture and storage

Caprock

Synthetic rock

Laboratory experiment

Mineral composition

이산화탄소 지중저장(Carbon Capture and Storage, CCS) 기술에서 이산화탄소를 심부지층에 장기간 안전하게 저장하기 위해서는 덮개암의 건전성이 필수적으로 확보되어야 한다. 일반적으로 덮개암 건전성 평가는 시추를 통해 채취한 자연암석 코어의 물리·역학적 특성을 분석하여 수행된다. 그러나 시추 비용이 높고 시료 손상의 우려가 있어, 최근에는 인공암석을 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장소 후보지로 평가되는 포항분지와 장기분지 덮개암의 광물 조성을 바탕으로 인공 덮개암을 제작하였다. 또한, 압밀 하중에 따른 인공 덮개암의 물리·역학적 특성을 평가하기 위해 공극률과 투수계수, 일축압축강도를 측정하였다. 실험 결과, 압밀 하중이 증가함에 따라 포항분지 및 장기분지 시료 모두 공극률과 투수계수는 감소하고, 일축압축강도는 증가하는 경향을 보였다. 그러나 두 시료는 자연암석과 비교할 때 물리·역학적 특성에서 차이를 보였으며, 이는 교결작용 및 화학적 압축과 같은 화학적 속성 작용이 실험실 조건에서 재현되지 않았기 때문으로 판단된다. 본 연구의 결과는 향후 국내 이산화탄소 지중저장 실증 사업에서 부지 특성을 반영한 인공 덮개암 제작을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

MAIN

1. 서 론
2. 인공 덮개암 제작 실험
2.1 실험 시료
2.2 실험 방법
3. 인공 덮개암 물성평가
3.1 공극률
3.2 투수계수
3.3 일축압축강도
4. 결 론

1. 서 론

지구온난화에 따른 기후 변화에 대응하여 전 세계적으로 온실가스 배출 저감 정책이 활발히 추진되고 있으며, 그중 이산화탄소 포집·수송·저장 및 활용(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) 기술이 효과적인 수단으로 주목받고 있다(Lee et al., 2024). CCUS는 발전소나 산업 활동에서 배출되는 이산화탄소를 포집·압축하여 저탄소 연료나 건축 자재 등 제품으로 활용하는 포집 후 활용(CCU)과 지하 심부지층에 영구적으로 저장하는 포집 후 저장(CCS)을 포함한다(Folger, 2018; Greig and Uden, 2021). 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 탄소중립(Net-Zero)을 실현하기 위해 2030년까지 누적 이산화탄소 배출 저감량 중 8%가 CCUS를 통해 달성되어야 한다고 강조하고 있다(IEA, 2023). 이에 따라 2023년에는 미국의 Petra Nova 프로젝트가 재가동되었으며, Sleipner 및 Snøhvit 프로젝트를 운영 중인 노르웨이는 2025년에 세계 최초로 시멘트 분야에서 상용 CCS 시설을 설치하고 정부의 주도로 Longship CCS 프로젝트를 수행하고 있다.

국내에서는 2010년 2월 발표된 녹색성장 7대 실천과제를 통해 CCS 기술이 10대 핵심 녹색기술 중 하나로 선정되었으며, 이어 국가 CCS 종합 추진계획을 발표하면서 CCS에 대한 관심이 본격적으로 높아지기 시작하였다(Chae and Kwon, 2012). 대표적인 국내 CCS 관련 사업으로는 이산화탄소 1만 톤 저장 실증을 목표로 추진된 KOREA CCS 2020 사업이 있으며, 이 사업을 통해 태백산, 음성, 경상, 장기, 포항, 군산, 제주분지 등 다양한 지역에서 이산화탄소 지중저장 파일럿 부지 평가가 이루어졌다(KIGAM, 2014). 특히, 2017년 초에는 포항 영일만 분지에서 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구를 통해 약 100톤 규모의 CO₂ 시험 주입이 성공적으로 수행되었으며(Kwon, 2018), 최근에는 고갈된 동해 가스전을 활용한 대규모 CCS 실증 사업이 추진될 예정이며, 이에 대한 심의가 진행 중이다.

이산화탄소 지중저장에서는 주입성 향상을 위해 높은 밀도와 낮은 점도를 지닌 초임계 상태의 이산화탄소가 사용된다(Shukla et al., 2010; Bai et al., 2016). 이때, 초임계 상태의 이산화탄소는 부력에 의해 상향 이동하려는 경향이 있으며, 이를 저류층(reservoir) 상부에 위치한 불투수성 덮개암(caprock)이 차단함으로써 지하수 및 지표면으로의 누출을 방지하고 저장 안정성을 확보한다. 덮개암에서는 다양한 경로를 통해 이산화탄소 누출이 발생할 수 있으며(Fig. 1), 덮개암 자체를 통한 누출(caprock leakage), 저류층 내 압력 상승으로 지반이 융기되어 발생하는 지표 변형(surface deformation), 단층에 의한 누출(fault leakage)로 구분할 수 있다(Chen et al., 2025). 따라서 이산화탄소를 지중에 장기간 안전하게 저장하기 위해서는 덮개암의 건전성(integrity)이 필수적으로 확보되어야 한다(Olabode and Radonjic, 2013). 이를 위해 덮개암은 높은 밀도와 낮은 투수계수를 가져야 하며, 이산화탄소 주입 시 발생하는 지중응력 변화를 견딜 수 있는 충분한 역학적 강도를 갖추어야 한다(Shukla et al., 2010). 이러한 물리·역학적 특성을 정량적으로 평가하기 위해서는 대상 부지의 지질학적 조건을 고려한 실험적 분석이 요구되며, 일반적으로 시추를 통해 채취한 자연암석 코어를 이용하여 다양한 조건 하에서 덮개암의 특성을 평가한다. 그러나 자연암석 채취에는 높은 비용이 수반되며, 시추 과정에서 암석에 작용하던 수직응력이 제거되면서 편차응력(deviatoric stress)이 발생하고, 이로 인해 코어 시료가 파괴되거나 물성에 변화가 생길 수 있다(Holt et al., 2000; Fedrizzi et al., 2018).

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Fig. 1.

Leakage pathways in caprock : (a) Caprock leakage, (b) Surface deformation, and (c) Fault leakage (modified from Chen, 2025)

코어 기반 연구의 한계를 보완하기 위해, 최근에는 인공암석을 활용한 연구가 주목받고 있다. 인공암석은 입자 크기, 형태, 조성 비율 등을 정밀하게 제어할 수 있어 균질한 시료 제작이 가능하며, 실험 목적에 부합하는 재현성(repeatability)을 확보할 수 있다(Luan et al., 2016; Pothana et al., 2023). 특히, 인공암석 제작 방법 중에서 자연암석의 광물 조성과 비율을 유사하게 제작하는 경우가 물리·역학적 특성 평가에 가장 적합한 방법으로 평가된다(Cui et al., 2022). 이러한 장점을 바탕으로, 인공 덮개암 제작 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 덮개암 건전성의 실험적 평가를 위한 기초 자료로 활용되고 있다(Guiltinan et al., 2018; Luo and Airey, 2024).

본 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장 후보지 중 포항분지와 장기분지의 덮개암 광물 조성을 모사하여 인공 덮개암을 제작하였다. 두 지역은 상부에 이암 또는 응회암으로 이루어진 두꺼운 불투수성 덮개암층과, 하부에 공극률 및 투수성이 양호한 저류층이 함께 발달해 있어, 지중저장 실증에 적합한 구조를 갖춘 부지로 평가된다(Wang et al., 2008; Kim et al., 2015; Kim et al., 2016; Kwon, 2018). 인공 덮개암은 다양한 하중 조건에서의 압밀 과정을 통해 제작하였으며, 각 시료에 대해 공극률, 투수계수, 일축압축강도를 측정하여 물리·역학적 특성을 평가하였다. 또한, 제작된 시료의 타당성을 검토하기 위해 기존 문헌에 보고된 자연 덮개암의 물성치와 비교·분석을 수행하였다.

2. 인공 덮개암 제작 실험

2.1 실험 시료

실제 지층의 광물 조성을 모사하기 위해, 포항분지 및 장기분지 덮개암의 광물 조성을 바탕으로 인공 덮개암 제작에 사용할 혼합시료를 준비하였다. 광물 조성은 각 부지의 지질조사 자료를 참고하였으며, 오븐에 24시간 이상 건조한 분말형 원광물을 조성비에 따라 계량 및 혼합하는 방법으로 시료를 조성하였다(Fig. 2). 포항분지 시료의 혼합비는 포항 북구 여남동 해안가 지역의 심도 약 390~400m 구간에서 채취한 자연 이암 코어의 광물 구성 분석 결과(Park et al., 2013)를 바탕으로 결정하였으며, 장기분지 시료는 포항 남구 장기면 학곡리의 JG-1 시추공에서 채취한 심도 약 700~760m 구간 자연 이암 코어의 분석 자료(Park et al., 2019)를 참고하였다. 혼합비 산정에 있어, 자연암석에 포함된 광물 중 함량이 1% 미만인 성분은 전체 구성에 미치는 영향이 미미하고 실험적 재현성이 낮다고 판단하여 배합에서 제외하였다. 이후 잔여 광물들의 함량을 상대 백분율로 환산하여, 인공 덮개암 제작을 위한 최종 혼합비를 결정하였다(Table 1). 장기분지의 경우, 전체 조성의 50.5%에 해당하는 미세 입자 및 점토질 성분의 광물이 구체적으로 명시되어 있지 않아, 대표적인 점토광물인 카올리나이트로 해당 성분을 대체하였다.

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Fig. 2.

Mineral constituents used in synthetic caprock preparation

Table 1.

Mineralogical composition of synthetic caprock specimens from Pohang and Janggi basins

Specimen	Mineralogical composition (%)
Pohang	Quartz	Plagioclase	K-feldspar	Mica	Illite	Chlorite	Kaolinite	Smectite	Pyrite
	31.7	19.9	7.3	15.5	6.5	5.4	2.2	5.4	6.1
Janggi	Quartz		K-feldspar		Mica		Kaolinite
	43.5		3.2		2.8		50.5

혼합시료의 기초물성을 파악하기 위해 액성한계, 소성한계, 비중 및 입도분석 시험을 실시하였다. 액성한계 및 소성한계는 ASTM D4318, 비중은 ASTM D854의 표준 절차에 따라 수행되었으며, 입도분석은 레이저 산란 방식의 입도분석기(laser scattering particle size distribution analyzer)를 사용하였다. 두 시료의 액성한계는 약 40% 수준으로 유사하였으나, 소성지수는 포항분지 시료가 약 14.1%인 반면, 장기분지 시료는 약 9.4%로 상대적으로 낮은 수치를 보였다. 비중은 포항분지 시료 2.78, 장기분지 시료 2.65로 측정되었다. 입도분석 결과에 따르면, 장기분지 시료는 포항분지 시료보다 평균 입경이 작았으며, 보다 균등한 입도 분포를 보이는 것으로 확인되었다. 통일분류법에 따르면 포항분지 및 장기분지 시료는 ML(inorganic silt)로 분류되었다. 이상의 기초물성시험 결과를 Table 2과 Fig. 3에 정리하였다.

Table 2.

Engineering properties of each specimen

	Pohang specimen	Janggi specimen
Specific gravity	2.78	2.65
Liquid limit (%)	41.7	39.2
Plastic limit (%)	27.6	29.8
Plastic index (%)	14.1	9.4
Uniformity coefficient	2.49	1.97
Coefficient of curvature	0.92	1.00
Unified soil classification system	ML	ML

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Fig. 3.

Particle size distribution of Pohang and Janggi basin specimens

2.2 실험 방법

인공 덮개암 제작은 슬러리(slurry) 조성, 압밀 하중 적용, 시료 추출 및 보관을 포함한 일련의 과정을 통해 수행되었다. 먼저, 광물 조성비에 따라 혼합된 건조 시료에 염수를 첨가하여 슬러리를 제작하였다. 이때 고속 회전식 혼합기를 사용하여 5분 이상 충분히 혼합하였으며, 슬러리의 함수비는 Burland(1990)가 제안한 바와 같이 액성한계의 1.5배로 설정하였다. 슬러리 제작에 사용된 염수는 실제 간극수 환경을 모사하기 위해 각 분지의 지하수 조성을 바탕으로 제조하였다. 포항분지 시료에는 포항시 북구 흥해읍 지역 지하 450m 심도의 지하수 자료(KIGAM, 2014)를, 장기분지 시료에는 JG-1 시추공에서 채취한 약 450m 깊이의 지하수 자료(Kim, 2016)를 각각 참고하였다(Table 3). 지하수 내 전체 이온 조성을 완전히 재현하기는 어려우므로, 주요 이온인 Na⁺과 Cl⁻의 우세성을 고려하여 포항분지는 3.56%, 장기분지는 1.99%의 NaCl 수용액을 사용하였다.

Table 3.

Chemical composition of groundwater in Pohang and Janggi basins

Basin	Concentration (mg/L)
Basin	Si⁴⁺	Mg²⁺	K⁺	Ca²⁺	Na⁺	F^-	SO₄^2-	Cl^-	NO₃^-	HCO₃^-
Pohang (KIGAM, 2014)	14.31	2.74	2.91	3.13	327.2	4.36	3.63	145.21	3.1	0
Janggi (Kim, 2016)	9.6	2.0	17.8	1.8	137.7	0	12.6	138.2	0	821.5

조성된 슬러리를 양방향 배수 압밀을 통해 인공 덮개암으로 성형하였다. 압밀 장치는 Jang et al.(2014)과 Kim et al.(2024)이 제시한 장비 구성을 참고하였으며(Fig. 4), 로드 셀(load cell), 변위계(Linear Variable Differential Transformer, LVDT), 압밀 셀(oedometer cell), 하중 프레임(load frame), 데이터 로거(data logger), 데이터 처리용 컴퓨터로 구성되었다. 하중 프레임을 통해 압밀 셀에 하중을 가하고, 로드 셀과 변위계로 각각 시료에 가해지는 하중과 변위를 계측하여 실시간으로 기록하였다.

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Fig. 4.

Experimental setup for consolidation

압밀 하중의 크기는 실제 지층의 유효 연직응력을 고려하여 결정하였다. 포항분지의 경우, 덮개암이 분포하는 심도인 390~400m 구간에서, 해당 지역의 평균 지중응력 구배인 19.7MPa/km(Kim et al., 2018)을 적용하여 약 7.6MPa의 연직응력이 작용하는 것으로 추정하였다. 장기분지의 경우에는 시추주상도 자료(Kim et al., 2020)를 바탕으로 각 지층의 암석 밀도(KIGAM, 2014)를 반영하여 지중응력을 산정한 결과, 덮개암 분포 심도인 700~760m에서 약 14.9MPa의 연직응력이 도출되었다. 이에 따라, 각 분지의 연직응력 범위를 반영하여 총 세 가지 압밀 하중 조건(10, 15, 20MPa)을 설정하였으며, 각 조건에 대해 인공 덮개암을 개별적으로 제작하여 응력 수준에 따른 물성 변화를 분석하였다.

압밀은 최대 변형률 속도를 1mm/min로 제한하여 24시간 동안 수행되었으며, 이후 급격한 제하로 인한 시료 손상 및 미세균열 발생을 방지하기 위해 1.5시간에 걸쳐 하중을 단계적으로 제거하였다(Fig. 5). Holt et al.(2000)은 인공암석 제작 시 하중을 선형적으로 제하할 경우 시추 과정에서 자연암석을 채취하는 것과 유사하게 다수의 미세균열이 발생할 수 있다고 보고한 바 있으며, 본 연구에서는 이를 피하고자 단계적 제하 방식을 적용하였다. 유압 프레스를 이용하여 압밀 셀로부터 시료를 추출하고, 최종 시료의 길이를 측정하였다(Table 4). 제작된 인공 덮개암(Fig. 6)은 수분 증발을 방지하기 위해 항온항습기 내에 보관하였다(Mehranpour et al., 2018).

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Fig. 5.

Loading and unloading process for each consolidation stress level

Table 4.

Height of synthetic caprocks under different consolidation stresses

Synthetic caprock specimen	Pohang specimen			Janggi specimen
Consolidation stress (MPa)	10	15	20	10	15	20
Height (mm)	61.1	59.1	57.9	62.0	60.8	59.0

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Fig. 6.

Photographs of synthetic caprock specimens fabricated under different consolidation stresses

3. 인공 덮개암 물성평가

3.1 공극률

공극률은 전체 체적에서 간극이 차지하는 비율을 의미하며, 제작된 인공 덮개암의 공극률은 식 (1)을 통해 산정하였다. 흙 입자의 무게는 슬러리 조성 단계에서 각 시료별로 계량되었으며, 전체 체적은 압밀이 완료된 후 인공 덮개암의 직경과 높이를 측정하여 계산하였다. 흙 입자의 비중은 앞서 기초물성시험을 통해 산정한 값을 활용하였고, 간극수로 사용된 염수의 단위중량은 Simion et al.(2015)의 연구결과를 참고하여 적용하였다.

(1)

n = 1 - \frac{W_{s}}{G_{s} γ_{w} V_{t}}

여기서, $n$ : 인공 덮개암의 공극률

$W_{s}$ : 흙 입자의 무게 ( $k N$ )

$G_{s}$ : 흙 입자의 비중

$γ_{w}$ : 간극수의 단위중량 ( $k N / m^{3}$ )

$V_{t}$ : 인공 덮개암의 전체 체적 ( $m^{3}$ )

압밀 하중에 따른 인공 덮개암의 공극률 변화를 Table 5에 나타내었다. 포항분지 시료는 10MPa에서 20MPa까지의 압밀 하중 증가에 따라 공극률이 3.5% 감소(37.5%에서 34.0%)하였으며, 장기분지 시료는 4.4% 감소(35.3%에서 30.9%)하였다. 이러한 공극률 감소는 압밀 하중이 증가함에 따라 입자 간 간격이 줄어들면서 간극이 감소하였기 때문으로 해석된다. 또한, 동일한 압밀 하중 조건 하에서 점토 함량이 적은 포항분지보다 점토 함량이 많은 장기분지의 공극률이 더 작게 측정되었으며, 이는 시료 간의 광물 조성 및 입도 특성의 차이에 기인하는 것으로 판단된다(Kim et al., 2023).

Table 5.

Porosity of synthetic caprocks under different consolidation stresses

Synthetic caprock specimen	Pohang specimen			Janggi specimen
Consolidation stress (MPa)	10	15	20	10	15	20
Porosity (%)	37.5	35.1	34.0	35.3	33.6	30.9

Fawad et al.(2010)는 석영과 카올리나이트의 비율이 1:1일 때 입자 간 효과적인 충진(grain packing)이 이루어져 공극률이 최소화된다고 보고하였다. 장기분지 시료에서 사용된 카올리나이트의 함량은 50.5%로, 석영 및 기타 비점토광물과의 비율이 약 1:1.02로 구성되어 Fawad et al.(2010)의 조건과 유사한 배합을 나타냈다. 이에 따라 장기분지 시료에서는 석영, 장석, 운모 등 비점토광물 입자 사이를 카올리나이트 입자가 조밀하게 충진하는 구조가 형성되었으며, 그 결과 포항분지 시료에 비해 낮은 공극률을 보인 것으로 판단된다. 이러한 공극률의 차이는 투수성과 강도 발현에 직접적인 영향을 미치며, 결과적으로 역학적 물성 전반을 지배하는 핵심 인자로 작용한다(Ji et al., 2006).

3.2 투수계수

본 연구에서는 Terzaghi의 1차원 압밀 이론을 기반으로 압밀계수(coefficient of consolidation, $C_{v}$ )와 체적변형계수(coefficient of volume compressibility, $m_{v}$ )를 산정하고, 식 (2)를 통해 인공 덮개암의 투수계수(hydraulic conductivity, $K$ )와 고유 투수계수(intrinsic permeability, $K_{i}$ )를 도출하였다.

(2)

K = C_{v} m_{v} γ_{w} = K_{i} (\frac{γ_{w}}{μ})

여기서, $K$ : 투수계수( $m / \sec$ )

$C_{v}$ : 압밀계수( $m^{2} / \sec$ )

$m_{v}$ : 체적변형계수( $m^{2} / k N$ )

$γ_{w}$ : 유체의 단위중량( $k N / m^{3}$ )

$K_{i}$ : 고유 투수계수( $m^{2}$ )

𝜇 : 유체의 점성계수(dynamic viscosity) ( $k P a \cdot s e c$ )

압밀계수는 외력에 의해 발생한 과잉간극수압의 소산과 이에 따른 압밀 침하 속도를 정량적으로 나타내는 지표로, 압밀계수가 클수록 압밀이 더 빠르게 진행됨을 의미한다. 압밀계수는 각 하중 단계의 시간-침하곡선을 이용하여 log t 방법 또는 √t 방법 등을 통해 산정할 수 있으며, 본 연구에서는 log t 방법을 사용하였다. 이 방법은 시간 축을 로그 스케일로 변환한 압밀 곡선으로부터 50% 압밀도에 도달하는 시간( $t_{50}$ )을 추정하고, 이를 식 (3)에 대입하여 압밀계수를 계산한다.

(3)

C_{v} = \frac{0.197 H_{d r}^{2}}{t_{50}}

여기서, $C_{v}$ : 압밀계수( $m^{2} / \sec$ )

$H_{d r}$ : 배수거리( $m$ )

$t_{50}$ : 50% 압밀 소요시간(sec)

체적변형계수는 외력에 의한 응력 변화에 대해 시료가 단위 체적당 얼마나 압축되는지를 나타내는 지표이며, 식 (4)로 정의된다. 값이 클수록 동일한 응력 조건에서 더 큰 체적 감소가 발생함을 의미하며, 공극 구조의 압축성과 직접적으로 관련된다. 계산에 사용된 압밀계수 및 체적변형계수는 Table 6에 나타내었다.

(4)

m_{v} = \frac{1}{1 + e_{0}} \frac{Δ e}{Δ σ^{'}}

여기서, $m_{v}$ : 체적변형계수( $m^{2} / k N$ )

$e_{0}$ : 초기 간극비

$∆ e$ : 간극비 변화량

$∆ σ'$ : 응력 변화량( $k P a$ )

Table 6.

Coefficient of consolidation (Cv) and coefficient of volume compressibility (mv) under different consolidation stresses

Synthetic caprock specimen	Pohang specimen			Janggi specimen
Consolidation stress (MPa)	10	15	20	10	15	20
$t_{50}$ (min)	20.62	22.17	22.23	18.90	20.34	21.75
$C_{v}$ (10^-6m²/min)	8.89	7.73	7.45	10.02	9.01	7.88
$e_{0}$	1.74			1.56
$m_{v}$ (10^-5m²/kN)	4.16	2.92	2.24	3.96	2.74	2.17

Table 7.

Hydraulic conductivity and intrinsic permeability of synthetic caprocks under different consolidation stresses

Synthetic caprock specimen	Pohang specimen			Janggi specimen
Consolidation stress (MPa)	10	15	20	10	15	20
$K$ (10^-11m/s)	6.18	3.77	2.79	6.56	4.09	2.83
$K_{i}$ (10^-18m²)	6.51	3.97	2.93	6.81	4.25	2.94

압밀 하중 조건(10, 15, 20MPa)별로 제작된 인공 덮개암의 투수계수 및 고유 투수계수를 Table 7에 정리하였다. 압밀 하중이 10MPa에서 15MPa로 증가함에 따라 포항분지 및 장기분지 시료의 투수계수는 각각 39.0%, 37.7% 감소한 반면, 15MPa에서 20MPa로 증가할 경우 각각 26.0%, 30.8% 감소하여 감소폭이 다소 완만해지는 경향을 보였다.

Zheng et al.(2015)은 실트가 포함된 셰일(silty-shale)의 투수계수 변화가 공극 구조의 변형 특성에 따라 구분된 연성부(soft part)와 강성부(hard part)에 의해 지배된다고 설명하였다. 암석의 전체 간극은 연성부와 강성부로 나눌 수 있으며, 이때 연성부는 미세균열과 같이 큰 변형이 나타나는 부분을, 연성부를 제외한 부분은 변형이 상대적으로 적어 강성부라고 지칭한다. 해당 연구에 따르면, 약 15MPa 이하의 낮은 유효응력 구간에서는 미세균열(연성부)의 변형이 주요하게 작용하여 투수계수가 급격하게 감소하였다. 포항분지 및 장기분지 덮개암은 실트 크기의 입자와 점토 광물로 구성되어 있어, Zheng et al.(2015)이 제시한 연성부 및 강성부 개념을 적용하여 투수계수 변화 메커니즘을 해석할 수 있다. 이에 따라, 15MPa의 압밀 하중 조건에서는 두 시료 모두 미세균열(연성부) 변형에 의해 투수계수가 급격히 감소하였으며, 20MPa에서는 변형이 작은 강성부가 지배적인 역할을 하여 투수계수 감소율이 상대적으로 완화된 것으로 판단된다.

인공 덮개암의 공극률과 투수계수 간에는 양의 상관관계가 나타났다(Fig. 7). 그러나 장기분지 시료는 효과적인 입자 충진으로 인해 낮은 공극률을 보였음에도 불구하고, 투수계수는 다소 크게 나타났다. 이는 공극률과 투수계수 관계가 단순히 간극의 부피만으로는 충분히 설명되지 않는다는 것을 시사한다. Beloborodov et al.(2018)은 석영-카올리나이트-스멕타이트 혼합물에서 스멕타이트의 함량을 8% 증가시켰을 때 공극률이 30~40% 범위로 유사하게 나타났음에도 불구하고 투수계수는 약 5배 낮아졌다고 보고하였다. 스멕타이트는 비표면적이 매우 큰(~800m²/g) 점토광물로, Kozeny-Carman 식에 따르면 투수계수는 비표면적의 제곱에 반비례하므로, 유체 흐름을 저해하여 투수계수를 현저히 감소시킬 수 있다(Beloborodov et al., 2018). 포항분지 시료는 스멕타이트 함량이 5.4%로 비교적 낮은 수준이지만, 이러한 소량의 스멕타이트 또한 투수계수 감소에 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 판단된다.

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Fig. 7.

Relationship between porosity and hydraulic conductivity for synthetic caprocks

Kim et al.(2025)은 이산화탄소 지중저장 시 덮개암의 허용 임계 투수계수(threshold permeability)를 10^-18m² 이하로 제시하였다. 본 연구에서 산정된 고유 투수계수는 포항분지 시료의 경우 2.93~6.51×10^-18m², 장기분지 시료의 경우 2.94~6.81×10^-18m² 범위로, 제시된 임계값을 다소 초과하는 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 인공 덮개암이 실제 지중 환경에서 장기간에 걸쳐 나타나는 교결작용(cementation) 및 화학적 압축(chemical compaction)과 같은 화학적 속성 작용(chemical diagenesis)을 실험실 조건에서 충분히 재현하지 못하였기 때문으로 판단된다. 화학적 속성 작용은 일련의 열역학적 과정에 따라 광물의 용해 및 침전이 일어나면서 공극률을 감소시키며, 이는 투수계수를 현저히 저하시키는 주요 요인으로 작용한다(Nygård et al., 2004). 따라서 본 연구에서 제작한 인공 덮개암은 화학적 속성 작용의 부재로 인해 실제 지중 덮개암에 비해 투수계수가 상대적으로 크게 나타난 것으로 판단된다.

3.3 일축압축강도

인공 덮개암의 역학적 특성을 평가하기 위해 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS) 시험을 수행하였다. 시험 전, 포항분지 및 장기분지 시료는 동일한 높이(55mm)가 되도록 연마하여 시료 크기 차이에 의한 오차가 발생하지 않게 하였다. 시험 결과, 압밀 하중 증가에 따라 포항, 장기분지 시료 모두 일축압축강도가 증가하는 경향을 보였다(Table 8).

Table 8.

Uniaxial compression strength of synthetic caprocks under different consolidation stresses

Synthetic caprock specimen	Pohang specimen			Janggi specimen
Consolidation stress (MPa)	10	15	20	10	15	20
Uniaxial compressive strength (MPa)	0.97	1.10	1.31	0.73	0.84	0.98

포항분지 시료의 일축압축강도는 0.97~1.31MPa로, 장기분지 시료(0.73~0.98MPa)에 비해 상대적으로 높은 값을 보였다. He et al.(2019)는 석영-점토 혼합물에서 점토 광물이 석영 입자 간의 직접적인 접촉을 감소시켜 마찰 저항력이 약화되고, 그 결과 암석 강도가 낮아진다고 설명하였다. 따라서 점토 함량이 더 높은 장기분지 시료는 석영 입자 사이에 점토가 충진되면서 접촉면이 감소하고, 그에 따라 마찰 저항력이 감소하여 포항분지 시료보다 낮은 일축압축강도를 보인 것으로 판단된다.

그러나 본 연구에서 제작한 인공 덮개암의 일축압축강도는 실제 지중에서 채취한 자연암석에 비해 현저히 낮은 수준을 나타냈다. Kim et al.(2013)은 포항분지 시추공을 통해 채취한 자연암석의 일축압축강도가 11.37~19.15MPa 범위에 해당한다고 보고하였으며, 이는 포항분지 인공 덮개암의 일축압축강도와 비교할 때 약 88.5~94.9%의 차이를 보였다. 또한, KIGAM(2014)는 장기분지 JG-1 시추공에서 채취한 자연암석의 일축압축강도를 52~55MPa로 제시하였으며, 장기분지 인공 덮개암과 약 98.1~98.7%의 차이를 보였다. 이러한 차이는 장기간에 걸쳐 형성되는 자연암석에 비해 인공 덮개암 제작 시간이 상대적으로 짧기 때문으로 사료된다. Luan et al.(2016)은 퇴적작용(diagenesis)을 압밀, 교결작용, 결정화 및 생화학적 반응 등 다양한 물리·화학적 변화가 장기적으로 발생하는 과정으로 정의하였으며, 높은 온도 및 압력 조건에서 오랜 기간에 걸쳐 진행되기 때문에 실험실 조건에서 충분한 강도를 가지는 인공 암석을 제작하기 위해서는 에폭시 수지를 적정량 첨가하여야 한다고 보고하였다. 또한, Fu et al.(2021)은 인공암석이 자연암석의 강도 수준에 도달하기 위해서는 교결작용이 핵심적인 역할을 한다고 제시하였으며, 석고와 같은 결합재를 활용하면 자연암석의 강도를 모사할 수 있다고 보고하였다. Cui et al.(2022)은 광물 조성을 변화시키지 않는 규산 나트륨(sodium silicate)을 결합재로 사용하여, 인공 이암의 일축압축강도를 자연 이암의 강도 범위에 부합하도록 제작하였다. 따라서 향후에는 다양한 결합재를 활용하여 광물 조성을 변화시키지 않으면서도 자연암석의 역학적 특성을 보다 정밀하게 재현할 수 있는 인공 덮개암 제작 기법에 대한 추가 연구가 요구된다.

4. 결 론

본 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장소 후보지로 평가되는 포항분지와 장기분지 덮개암의 광물 조성을 모사하여 인공 덮개암을 제작하였다. 압밀 하중에 따른 공극률, 투수계수 및 일축압축강도를 측정하여 인공 덮개암의 물리·역학적 특성을 평가하고, 그 결과를 자연암석과 비교하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1.압밀 하중이 증가함에 따라 인공 덮개암의 공극률과 투수계수는 전반적으로 감소하고, 일축압축강도는 증가하는 경향을 보였다. 또한, 두 시료 모 공극률과 투수계수 간에는 양의 상관관계가 나타났다.

2.동일한 압밀 하중에서 제작된 포항분지와 장기분지 시료의 물리·역학적 특성을 비교한 결과, 장기분지 시료의 공극률과 일축압축강도가 더 낮게 나타났다. 장기분지 시료는 점토와 비점토 광물의 비율이 약 1:1.02로 구성되어 입자 간 조밀한 충진 구조가 형성되었기 때문에 공극률이 감소한 것으로 해석되며, 점토광물 함량이 포항분지 시료보다 높아 석영 입자 사이에 점토가 충진되면서 입자 간 직접적인 접촉면이 줄어들었고, 이에 따라 마찰 저항력이 약화되어 상대적으로 낮은 일축압축강도를 보인 것으로 판단된다.

3.제작된 인공 덮개암의 물리·역학적 특성은 자연암석과 비교할 때 차이를 보였다. 일축압축강도는 기존 문헌에 보고된 자연암석보다 현저히 낮게 나타났으며, 고유 투수계수는 이산화탄소 지중저장 환경에서 요구되는 덮개암의 허용 임계값(10^-18m²)을 초과하였다. 이러한 물성 차이는 인공 덮개암이 실제 지층에서 장기간에 걸쳐 일어나는 교결작용 및 생화학적 반응을 실험실 조건에서 재현하지 못했기 때문으로 해석된다.

본 연구의 결과는 국내 이산화탄소 지중저장 실증 사업 설계 시 부지 특성을 반영한 인공 덮개암 제작을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 후속 연구에서는 다양한 결합재를 사용하여 광물 조성에 영향을 주지 않으면서도 자연암석의 역학적 특성을 정밀하게 재현할 수 있는 인공 덮개암을 제작하는 방안이 모색되어야 한다.

Acknowledgements

This research was supported by the Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement under the Ministry of Land, Infrastructure and Transport(Development of Deep Geological Formation Characteristic Evaluation Technologies and Optimal Design Technologies to Improve 10% of CO₂ Injectivity for CO₂ Geosequestration(RS- 2024-00410248)).

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Journal of the Korean Geosynthetics Society ISSN:2508-2876(Print) 2287-9528(Online) 한국지반신소재학회 논문집