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에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록

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Summary

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목차

제1장 연구개발과제의 개요 24

제1절 연구 개발의 필요성 및 목표 24

제2절 연구 개발의 범위 25

제2장 국내외 기술개발 현황 28

제1절 국내 기술개발 현황 28

제2절 국외 기술개발 현황 29

1. 미국 29

2. 중국 30

3. 국외의 석탄층메탄가스자원(CBM)의 개발 형태 30

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 32

제1절 연구 개요 32

제2절 석탄층메탄가스(CBM) 개발의 법제적 고려 33

1. 개요 33

2. 석탄층메탄가스의 특성 33

3. 석탄층메탄가스의 제도적 사례 34

가. 미국 34

나. 중국 37

다. 권리제도 37

4. 국내 제도화에 있어 고려할 사항 39

가. 부존 가능성 39

나. 개발에 따른 법제적 고려사항 39

5. 토의 및 결론 49

제3절 삼척탄전의 지질 및 지질구조 50

1. 개요 50

2. 삼척탄전의 지질 50

가. 평안누층군 53

나. 경상누층군 57

3. 삼척탄전의 지질구조 58

가. 삼척탄전 동부지역 58

나. 삼척탄전 서부지역 60

다. 지질구조와 함탄층과의 관계 60

4. 삼척탄전의 석탄층 분포 61

가. 삼척탄전 서부지역 61

나. 삼척탄전 동부지역 62

제4절 석탄층 부존 특성과 CBM 탐사 개발 유망지역 선정 64

1. 대한석탄공사 장성광업소 64

가. 탄층의 부존 64

나. 매장량 65

2. 대한석탄공사 도계광업소 65

가. 탄층의 부존 67

나. 매장량 67

3. 경동 상덕광업소 68

가. 탄층의 부존 68

나. 매장량 68

4. 무연탄의 공업분석 특성 71

5. CBM 탐사 개발 유망지역 선정 75

제5절 대한석탄공사 도계광업소 구역의 지질과 석탄층 78

1. 도계광업소 광구의 지질 78

가. 조선누층군 78

나. 평안누층군 80

다. 백악기 지층 81

2. 지질구조와 탄층 부존 특성 82

제6절 CBM 도계 1호공 (CBM Dogye #1) 86

1. CBM Dogye #1 지역의 지질 및 지질구조 87

2. CBM Dogye #1 지역의 함탄층과 탄층등심선도 87

3. CBM Dogye #1 시추공 90

4. CBM Dogye #1 시추코어 94

가. 장성층 상부 지층 95

나. 장성층 95

다/라. 사암 우세대(조합 IV) 103

5. 공곡 및 초기응력 측정 107

가. 공곡측정 107

나. 초기응력 측정 109

6. CBM Dogye #1과 주변 지역의 수리지구화학적 특성 115

가. 수질 특성 115

나. 지하수 수질특성과 메탄산출가능성 117

제7절 CBM 도계 2호공 (CBM Dogye #2) 119

1. CBM 도계 2호공 지역의 지질 및 지질구조 120

2. CBM Dogye #2 지역의 석탄층과 탄층등심선도 123

3. CBM Dogye #2 시추공 129

4. CBM Dogye #2 시추코어 138

가. 도사곡층 138

나. 함백산층 138

다. 장성층 139

라. 금천층 141

5. CBM Dogye #2의 공곡과 초기응력 측정 149

가. 공곡측정 149

나. 초기응력 측정(수압파쇄시험) 151

제8절 CBM Dogye #1과 #2의 공내물리검층 159

1. 개요 159

2. 자료취득 및 처리 159

3. 결과 159

4. 토의 160

제9절 CBM Dogye #1과 #2의 수리지질학적 특성 164

1. 수리지질학적 특성 파악을 위한 조사/시험 항목 164

2. 현장 조사/시험 결과 166

가. 시추 굴진 중 지하수위 조사 166

나. Injection Fall-off Test 168

다. Water Pressure Test 170

라. 양수시험 171

3. 수리지질학적 특성에 대한 종합 검토 173

제10절 시추코어 석탄시료에 대한 특성분석 174

1. 석탄층과 함탄층의 심부온도와 압력 175

2. 석탄층의 가스함유량 측정 176

가. 석탄의 가스탈착시험 177

나. 가스탈착시간(sorption time) 182

다. 가스 탈착율 184

3. 석탄가스 저장능력시험(석탄가스 흡착시험) 185

가. 흡착등온선(adsorption isotherm) 185

나. Langmuir 모델 186

4. 석탄 분석 211

가. 석탄의 수분함유능력 211

나. 수분, 회분, 유황분 213

다. 석탄의 유기물(maceral)과 무기물(mineral) 구성요소 216

라. 석탄의 밀도 222

5. 석탄시료 측정 결과 224

가. 심부탄층 총가스함유량 (Gas-in-place volume analysis : GIP) 224

나. 시추공 검층 분석(well test analysis) 227

6. 탄질셰일 및 흑색셰일 시료 측정결과 227

가. Rock-Eval 및 LECO 측정 228

제11절 결론 231

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 236

제5장 연구개발결과의 활용계획 238

제6장 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 240

제1절 미국 240

1. CBM 240

2. CMM 242

3. VAM 242

4. 주요 CBM 생산지역의 지질 특성 247

제2절 중국 250

1. 중국의 CBM 탐사 개발 역사 250

2. 주요 CBM 탐사개발 지역의 지질특성 253

제7장 참고문헌 254

부록 257

I. 석탄층메탄가스(CBM) 탐사 개발 지침서 258

제1절 서론 258

1. 목적과 범위 258

2. 석탄층메탄자원 평가 순서 259

가. 선평가 기준 259

나. 예비 평가 259

다. 지질평가 260

3. CBM 산업의 역사 262

4. 평가와 개발에서 지질의 역할(역활) 266

제2절 CBM 탐사 267

1. 탐사 지침 267

2. 지질 특성 267

가. 자료 267

나. 층서 268

다. 지질구조 271

3. 석탄자원 276

가. 석탄의 질 276

나. 석탄의 부존량 284

4. 메탄자원 287

가. CBM의 생성과 함유 287

나. 일반적인 가스함유량 경향 293

다. 가스성분 이상대 293

라. 탈착가스, 손실가스, 잔류가스 294

마. 자료 획득 301

바. 자료의 신뢰성 평가 303

사. 자료의 표현 303

5. 원위치 가스매장량과 가채매장량 평가 304

가. 추정매장량과 확인매장량 304

나. 원위치 가스매장량(Gas In-Place : GIP) 305

다. 가스회수율 308

라. 생산정 간격 310

6. 생산량 예측 310

제3절 생산잠재력 평가 311

1. 시험시추공 312

2. 탈착시험 312

3. 공내물리검층 316

4. 석탄 분석 방법 316

가. 석탄 코어시료 채취 방법 316

나. 흡착등온곡선 317

5. Slug 시험에 의한 투수율 측정 318

가. Slug Test 318

나. 시험 과정 319

다. 자료 분석 320

라. 결과의 응용 322

제4절 개발과 생산 322

1. 개발 설계와 생산정 위치 322

가. 단열분포도 작성 323

나. 생산정 위치 결정 323

2. 시추 324

가. 시추 방법 324

나. 지질학적 고려사항 325

다. 탈착시험 325

라. 지질학자의 책무 328

3. 완정(completion) 329

가. 수압파쇄에 의한 회수율 향상 329

4. 생산 330

가. 생산정의 위치선정과 배치 330

나. 생산 방법 330

다. 지하수 처리와 수질 331

5. 관측과 시험 331

제5절 참고문헌 332

II. CBM 전산표준화와 GIS DB 시스템 구축 338

제1절 서언 338

제2절 CBM DB화의 국내외 현황 339

1. 국내 현황 339

2. 해외 현황 340

가. 석탄 관련 데이터베이스 340

나. 지질 및 지질구조 연구에 대한 활용 341

제3절 자료와 정보구성 343

1. 정보의 구성 343

2. 자료의 종류 343

가. 도면자료 344

나. 문헌자료 344

제4절 지질자료의 전산표준화 345

1. 데이터모델 345

2. 관계형 데이터 모델 345

가. 지질정보 346

나. 석탄층정보 347

다. 석탄광정보 348

라. 석탄시추 349

마. 연구과제 351

바. 문헌 351

3. GIS DB 및 시스템 구축 352

가. 시범데이터베이스 관리 시스템 352

나. CBM 시추관리 프로그램 354

다. CBM 시추관리 웹GIS 시스템 359

제5절 결언 363

제6절 참고문헌 364

I. 제목

석탄층메탄가스자원(CBM) 탐사 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

o 석탄층메탄가스자원(CBM)의 개발 이용은 석탄층에 배태된 메탄가스를 대기 중으로 방출되기 전에 회수하여 친환경적으로 에너지자원을 활용하는 1990년대에 시작된 새로운 기술임

o 국내 유일한 에너지자원인 무연탄은 15억 톤이나 존재하나, 1980년 하반부터 석탄합리화사업의 추진으로 탄광이 폐쇄되어 대부분의 무연탄은 사장된 상태임

o CBM을 사장된 무연탄에서 추출하여 새로운 에너지원으로 활용함

o 석탄층메탄가스자원을 체계적으로 탐사할 수 있는 기술을 개발하고, 국내 석탄층에서 석탄층메탄가스자원(CBM)의 부존 여부를 확인하고자 함

III. 연구개발의 내용 및 범위

o 체계적으로 CBM을 탐사 개발하기 위한 석탄층메탄자원 탐사 개발 지침서 작성

o CBM의 개발시 발생할 법적 소유권 및 광업권 등에 관한 외국의 사례를 검토하여 우리나라 실정에 맞는 제도적 보완 사항의 근거 자료 제시

o 삼척탄전에서 수행된 기존 시추에 관한 자료 수집 및 표준전산화 GIS DB 구축

o 기존의 시추자료, 갱내자료, 지질자료, 채탄자료, 석탄의 매장량 분석 등을 종합하여 삼척탄전에서 최적의 CBM 탐사 유망지역 파악

o 삼척탄전의 대한석탄공사 도계광업소 광구에서 CBM의 부존 확인을 위한 시험공 2개, CBM Dogye #1과 #2 시추 시행

o 시험시추 과정에 수행되는 석탄층의 가스함유량 현장 측정 기술 개발

o 삼천탄전에서 석탄의 메탄가스 흡착, 탈착 시험 수행

IV. 연구개발결과

o CBM의 체계적인 개발 수행을 위한 CBM 탐사 개발 지침서 작성

o CBM 관련 법규 마련을 위한 근거 자료 제시

o 삼척탄전의 시추자료를 수집하여 전산표준화하고 GIS DB를 구축

o 삼척탄전 대한석탄공사 도계광업소 흥심지구와 도계지구의 석탄층에 CBM 부존 확인을 위한 2개의 시추공(CBM Dogye #1: 630m, CBM Dogye #2: 991.7m) 시행

o CBM Dogye #1의 최소/최대수평응력은 σh=11.20~11.70MPa, σH=13.37~13.53MPa, 측압계수는 0.719~0.743

o CBM Dogye #1과 #2에서 자연감마선과 중성자검층으로 측정한 사암의 공극률은 0 LPU, 셰일의 공극률은 약 3~4% 이상, 자연감마선은 100 API 이상의 범위

o 석탄층의 수리전도도는 ~l0-7 cm/s (CBM Dogye #1)와 ~10-8 cm/s (CBM Dogye #2)로서 CH₄의 산출성이 매우 낮을 가능성을 지시하나, 수질 특성은 외국의 CBM 생산정과 유사한 Na-HCO₃형의 수질 유형과 환원환경

o CBM Dogye #1의 2 개 석탄시료의 총가스함유량은 zero (0 scf/ton)로서 탄층내의 가스가 단층대와 균열대를 따라서 지표로 이동하였거나 탄광개발구역으로 모두 이동되어 하나도 남아있지 않은 상태를 의미함

o CBM Dogye #1의 흑색/탄질셰일의 총가스함유량은 0.22~0.92 scf/ton. 흑색/탄질셰일은 기본적으로 가스함유량은 적은 상태였지만 매우 낮은 투수율 때문에 약간의 가스가 잔류된 것으로 해석됨

o CBM Dogye #2에서 총가스함유량은 흑색셰일 코어시료는 4.49 scf/ton, 2개 탄질세일 코어시료는 2.33-4.27 scf/ton, 3개 탄광채탄구역 석탄시료는 4.73~5.02 scf/ton

o CBM Dogye #1과 #2에서 원위치기준으로 가스저장능력은 탄질셰일이 30.9~304.8 scf/ton (평균 127.8 scf/ton), 석탄은 47.7~536.1 scf/ton (평균 374.4 scf/ton)이며, Langmuir volume은 탄질셰일이 75.9~535.0 scf/ton (평균 234 scf/ton), 석탄이 85.8~1056.3 scf/ton (평균 752.8 scf/ton). 원위치상태의 가스저장능력을 고려하면, 지하 심부 석탄층에서 가스의 이동이 발생하지 않았을 경우에는 최소한 200 scf/ton 이상의 가스함유량이 기대됨

o CBM Dogye #1과 #2에서 건조무회기준으로 가스저장능력은 4개 석탄과 3개 탄질셰일은 각각 53.0~669.9 scf/ton (평균, 456.3 scf/ton), 47.3~647.0 scf/ton (평균 262.6 scf/ton)이며, Langmuir volume은 각각 95.3~1,320.4 scf/ton (평균 919.6 scf/ton), 116.3~1,135.7 scf/ton (평균 477.0 scf/ton). 회분함량에 비하여 가스저장능력이 비이상적으로 나타나는 석탄 No 2-2와 탄질셰일 No 2-6을 제외할 경우, 3개 석탄과 2개 탄질셰일는 각각 521.2~669.9 scf/ton (평균 590.7 scf/ton), 47.3~93.5 scf/ton (평균 70.4 scf/ton)이며, Langmuir volume은 각각 1,017.1~l,320.4 scf/ton (평균 1,194.3 scf/ton), 116.3~178.9 scf/ton (평균 147.6 scf/ton)의 가스저장능력을 보유함

o 현재 세계에서 가장 경제성 높은 CBM 생산지인 중국 산서성 진성지역과 미국 Powder River basin, CBM Dogye #1과 #2 무연탄의 가스저장능력은 국내 무연탄이 진성지역의 무연탄보다 매우 낮으며, Powder River Basin의 갈탄보다는 높게 나타남

o CBM Dogye #1에서 흑색셰일과 탄질셰일의 가스탈착시간은 0.2~0.3 시간, CBM Dogye #2에서 탄질셰일 코어시료의 가스탈착시간은 38~192 시간

o 심부 석탄층에서 가스의 이동이 확인됨. 향후 CBM 탐사 개발은 가스 이동의 가능성 지역을 배제하고 가스 이동에 의한 가스집적지역을 추적하는 것이 매우 중요함

o 석탄층메탄자원(CBM) 탐사의 현장시험을 통한 선진기술 습득

V. 연구개발결과의 활용계획

o 석탄층메탄자원(CBM)의 탐사 개발 지침서는 국내 및 해외 CBM 자원의 탐사를 체계적이고 효율적으로 수행할 수 있도록 활용함

o 우리나라에서 CBM이 상업적으로 개발할 수 있을 정도의 매장량이 확인되어 산업화 되었을 경우에 발생할 수 있는 CBM의 소유권 및 광업권 등의 분쟁에 대하여 법적, 제도적 지침의 근거 자료로 활용함

o 향후 삼척탄전에서 석탄개발과 CBM 탐사에 GIS DB화된 시추자료를 제공

o CBM 탐사의 가스함유량 측정기술을 국내외 CBM 개발 현장에 직접적으로 활용

o 메탄가스의 회수 능력을 향상시키고, 국내에 사장된 지하심부의 석탄층을 CO₂ 가스의 격리, 보관하는 장소로 이용하는 ECBM 기술에 CBM 탐사 기술을 활용하여 지구온난화 방지를 위한 국제온실가스(GHG) 저감 의무에 대비함