이 논문은 다공성 매질의 수력직경, Kozeny가 1927년 제시해 현재까지 사용되는 기존의 정의를 다공질 유로의 비틀림도(tortuosity) 개념을 복합하여 보정해 제시했다.
제시된 이론은 향후 가스공사가 참여하고 있는 셰일가스 광구의 매장량(생산성) 평가에 적절히 활용될 수 있을 것으로 기대되고, 생산 설비 계획이나 생산증진 방안 도출 등에도 활용되어 유관사업의 안전성이나 경제성 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 이론은 유사한 거동을 하는 균열대 기반의 석유가스 저류층은 물론, 열교환기, 정수기 필터, 마이크로 전자부품 및 생체 역학 등에도 확장 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
가스공사 신창훈 책임연구원은 “선진국에서도 관련기술 개발에 30~40년이 걸리는 셰일개발 분야의 후발주자로서, 여러 측면에 아직 부족한 점이 있겠으나 우리나라의 자주적 셰일자원 개발을 위해서 노력하겠다”고 밝혔다.
신창훈 박사의 추가 설명에 따르면 셰일가스나 셰일오일을 개발하기 위해서는 지하의 거대한 셰일지층에 고압의 물을 주입해 흔히 수압파쇄라 불리는 지층에 균열을 만들어 석유나 가스가 그 공간을 통과하게 함으로써 지하의 유체자원을 생산할 수 있다.
이때, 수압을 통해 벌어진 균열이 닫히는 것을 방지하고자 작은 모래나 세라믹 구슬형태의 알갱이(지지체)를 균열 내부로 주입한다. 결과적으로, 이후에 생산되는 셰일가스나 오일은 이 균열의 크기와 지지체의 분포특성에 따라 생산성능이 현격한 차이를 보인다.
따라서, 셰일가스의 매장량(생산성)을 평가하기 위해서는 이러한 지지체가 분포된 균열대, 즉 수평형태의 다공성 매질을 통과하는 석유나 가스의 유동성능(투과도)을 평가하는 것이 가장 중요한 일이 된다는 설명이다.
공교롭게도 셰일가스 지층은 석유와 가스의 생산에 따른 내부 압력과 유량의 변화를 동반하며, 이에 따라 균열대를 통과하는 유동성능, 즉 투과도는 지속적으로 변화한다는 것이다.
신창훈 책임 연구원은 “현재까지의 이론으로서는 이와 같이, 다공성 매질(균열대)의 기하학적 특성이 계속 변화하거나, 유동인 난류(매우 거친 대용량의 유동)에서 층류(부드러운 소량 유동)에 이르는 범위에 적절히 적용이 불가능하다”며 “이에 이번 연구에서는 해당 지층을 일련의 모세관 다발로 등가 산정할 수 있는 이론적 접근을 시도했다”고 설명했다.
이를 통해 일반화된 Darcy 마찰유동관계식(마찰등가투과도)을 유도하여 제시하고, 이를 기반으로 수압파쇄균열의 유동성능(투과도)를 등가 산정할 수 있는 이론적 방안을 제시했다는 설명이다.
아울러, 해당 이론을 구성하는 핵심적인 인자인 다공성 매질의 수력직경, Kozeny가 1927년 제시하여 현재까지 사용되는 기존의 정의를 다공질 유로의 비틀림도(tortuosity) 개념을 복합하여 보정하여 제시했다.
신창훈 책임연구원은 “제시된 이론은 향후 가스공사가 참여하고 있는 셰일가스 광구의 매장량(생산성) 평가에 적절히 활용될 수 있을 것으로 기대된다”며 “이는 연계된 생산설비 계획이나 생산증진 방안 도출 등에도 활용되어 유관사업의 안정성이나 경제성 제고에 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.
아울러, 이번 이론은 유사한 거동을 하는 균열대 기반의 석유가스 저류층은 물론, 열교환기, 정수기 필터, 마이크로 전자부품 및 생체역학 등에도 확장 적용될 수 있을 것으로 신창훈 박사는 기대했다.
신창훈 박사 프로필
* 주요 수상 : 산업통상자원부 장관 자원개발 유공표창(2013), 공학한림원 대한민국 100대 기술 주역 선정(2013)
* 주요 활동 : (현) 미래과학부 국가과학연구회 경영평가/자문위원, 한국전산유체공학회 이사, 한국가스학회 편집위원 등
