1. 서 론
2. 이론적 배경
2.1 CCS에서 scCO2 -공극수 다상 유동과 모세관 압력
2.2 단순 주입과 계면활성제-가스 교대 주입
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
3.2 이산화탄소 주입 시스템
4. 실험 결과 및 분석
4.1 단순주입 실험 결과
4.2 교대 주입(SAG) 실험 결과
4.3 주입 전략 별 주입 효율 정량분석
4.4 SAG 주입에서 계면활성제 선주입량의 주입 효율 영향
4.5 단순주입에 대한 SAG 주입의 비교 평가
5. 결 론
1. 서 론
지질학적 탄소 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)은 대규모 온실가스 감축을 달성하기 위한 핵심 기술 중 하나로, 초임계 이산화탄소(supercritical CO2, scCO2)를 심부 지층에 주입하여 장기간 저장하는 방식을 기반으로 한다(Fig. 1). 이 과정에서 scCO2의 치환 거동과 주입 효율은 저장 용량 활용도와 주입 안정성을 결정하는 중요한 요소로 인식된다. 특히 심부 염수층은 전 세계적으로 넓게 분포하고 저장 잠재력이 크다는 점에서 주요 저장 대상층으로 평가되며, 이에 따라 scCO2 주입 과정에서의 다상 유동 거동을 이해하기 위한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다(Metz et al., 2005; Almayahi et al., 2022; Knapik et al., 2015; Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012).
Fig. 1
Schematic illustration of geological carbon storage and pore-scale CO2 distribution in a saline aquifer (Metz et al., 2005)
공극 규모에서의 유동 거동을 직접 관찰하고 정량화하기 위한 방법으로 micromodel 기반 실험이 CCS 연구 분야에서 널리 활용되고 있다. Micromodel은 투명한 미세 유로 구조를 통해 다공성 매질 내부에서 발생하는 다상 유동을 시각적으로 관찰할 수 있어, 주입 조건 변화에 따른 치환 거동과 주입 효율을 정량적으로 비교하는 데 유용한 실험 체계이다(Ha and Jung, 2019; Jahanbakhsh et al., 2020; Massimiani et al., 2023). 특히 PDMS 기반 micromodel은 제작의 재현성과 실험 조건 제어가 용이하여, 주입 유량, 유체 조성, 주입 방식 변화에 따른 영향을 체계적으로 비교하는 데 적합하다(Neves et al., 2024; Litwinowicz et al., 2021; Royer et al., 1999; Gerhardt et al., 1997).
scCO2 주입 효율을 개선하기 위한 방안으로 계면활성제를 활용한 연구가 다수 수행되어 왔다(Gang and Jung, 2022; 2023a). 계면활성제는 scCO2 -공극수 계면 특성을 변화시켜 모세관 압력을 완화할 수 있으며, 이에 따라 scCO2의 침투성과 이동성에 영향을 미칠 수 있다(Gang and Jung, 2024; Ryou et al., 2025). 기존의 많은 실험 연구에서는 계면활성제가 사전에 공극 내에 균일하게 분포된 조건에서 scCO2를 연속적으로 주입하는 이상 조건을 가정한다. 그러나 이러한 조건은 실제 심부 염수층에서의 주입 환경과는 차이가 있다.
실제 저장층에서는 공극이 포화된 상태에서 계면활성제가 주입된 이후 scCO2가 주입되는 순차적인 유체 배치 변화가 발생한다. 이러한 현실적인 주입 시나리오를 반영하기 위한 방법으로 계면활성제-가스 교대 주입(Surfactant-Alternating-Gas, SAG) 방식이 제안된다(Knapik et al., 2015; Ryou et al., 2025). SAG 방식은 계면활성제 수용액과 scCO2를 교대로 주입함으로써, 단순 주입(continuous injection)과는 다른 주입 조건 변화를 유도한다. 이에 따라 SAG 주입은 주입 전략의 하나로서, 주입 유량 및 유체 조성과 결합될 때 scCO2 치환 거동과 주입 효율에 어떤 차이를 유발하는지에 대한 비교 평가가 요구된다(Knapik et al., 2015; Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012).
이에 본 연구에서는 Polydimethylsiloxane(PDMS) 기반 공극 네트워크 micromodel을 이용하여 단순 주입과 계면활성제-가스 교대 주입(SAG) 조건에서 scCO2의 치환 거동과 주입 효율을 비교하여 기존 연구에서 단순화되어 왔던 주입 공정 요인에 대한 scCO2 주입 효율을 정량적으로 비교 평가한다.
2. 이론적 배경
2.1 CCS에서 scCO2 -공극수 다상 유동과 모세관 압력
지질학적 탄소 저장(CCS)은 지하 수백 m-수 km 심부 지층에서 수행되며(Metz et al., 2005), 지열경사(약 25-30°C/km)와 정수압 조건에 의해 온도 약 40-80°C 이상, 압력 수 MPa 이상의 환경이 형성된다(Wang et al., 2019). 이러한 압력-온도 조건에서는 CO2가 임계점(31.1°C, 7.38 MPa)을 초과하여 초임계 상태(supercritical state)로 존재한다(Fleming and Kazarian, 2005).
초임계 CO2(scCO2)는 공극수와 비혼화성(immiscible) 다상계를 형성하며, 포화된 다공성 매질에 주입될 경우 유체 간 계면과 이에 따른 모세관 압력(capillary pressure)이 발생한다(Lenormand et al., 1988; Knapik et al., 2015). 모세관 압력은 공극 크기, 계면 특성, 유체 조성에 따라 달라지며 scCO2의 침투 및 치환 거동을 지배하는 핵심 인자이다. 따라서 CCS 주입 과정에서의 치환 양상과 효율은 scCO2-공극수 비혼성 다상 유동과 모세관 효과의 영향을 받는다(Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012; Mora et al., 2021).
다공성 매질에서 비혼성 유체 치환은 공극 규모에서 모세관 압력에 의해 지배되며, 이는 두 유체 간 압력 차이로 정의되고 일반적으로 식 (1)과 같이 표현된다.
σ : Interfacial tension
θ : Contact angle
R : Pore radius
scCO2-공극수 계에서의 주입 거동과 효율은 유체 간 계면 특성에 의해 지배된다. 특히 계면장력(interfacial tension, IFT)과 접촉각(contact angle, CA)은 공극 내 scCO2의 침투 및 확산을 결정하는 핵심 인자로, 모세관 압력의 크기와 분포를 통해 이동성과 치환 효율에 직접적인 영향을 미친다(Lenormand et al., 1988; Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012; Knapik et al., 2015; AlOmier et al., 2024).
계면활성제는 scCO2-공극수 계면에서 IFT를 저감하고 CA를 변화시켜 공극 규모 치환 거동을 조절한다. 예를 들어, 음이온성 계면활성제인 Sodium dodecyl sulfate(SDS)는 CO2-공극수 IFT를 최대 약 61%까지 감소시키는 것으로 보고되었으며(Fuentes et al., 2026), 비이온성 계면활성제는 CO2-공극수 계면에서 IFT를 수 mN/m 미만까지 낮출 수 있다(Burrows et al., 2023). 또한 생체계면활성제 적용 시 CO2-공극수-quartz 계에서 IFT는 32.5 mN/m에서 18.5 mN/m으로 감소하고 접촉각은 증가하는 것으로 나타났다(Park et al., 2017). 이러한 변화는 모세관압을 저감하여 공극목 진입 장벽을 완화하고 scCO2의 침투 가능 공극 부피를 확대할 수 있다. 다만 음이온성 계면활성제는 공극수 내 이온과의 정전기적 상호작용으로 인해 염도 조건에 따라 IFT 및 젖음성 변화 효과가 제한될 수 있으며, 이에 따라 동일 주입 조건에서도 계면활성제 종류에 따라 침투 거동과 주입 효율이 달라질 수 있다(Riechers et al., 2016; Gang and Jung, 2022).
2.2 단순 주입과 계면활성제-가스 교대 주입
CCS 관련 실험 연구에서는 scCO2를 연속적으로 주입하는 단순 주입(continuous injection) 방식이 널리 사용되어 왔다(Gang and Jung, 2024; 2025). 이 방식은 조건 제어와 재현성이 용이하다는 장점이 있으나, 계면활성제가 사전에 공극 내에 균일하게 분포된 상태를 가정하기 때문에 실제 심부 염수층 주입 환경과는 차이가 있다.
실제 저장층에서는 공극수로 포화된 공극에 계면활성제가 먼저 주입된 후 scCO2가 주입되는 순차적 유체 배치가 발생한다. 이러한 조건을 반영하기 위해 기존 enhanced oil recovery(EOR) 연구에서 사용되는 계면활성제-가스 교대 주입(Surfactant-Alternating-Gas, SAG) 방식이 제안된다. 실제로 CCS 연구에서는 초임계 상태의 CO2가 사용되지만, EOR 연구상의 개념을 착안해, 문헌에서는 관례적으로 scCO2 phase injection을 gas injection으로 표현하는 경우가 많다. SAG는 계면활성제 수용액과 scCO2를 교대로 주입함으로써 공극 내 유체 조성과 계면 조건이 시간에 따라 변화하는 환경을 모사한다(Fig. 2)(Gang and Jung, 2022; Ryou et al., 2025).
따라서 SAG 주입은 단순 주입과 비교하여 주입 조건이 복합적으로 변화하는 주입 전략으로 이해할 수 있으며, 주입 유량 및 유체 조성에 따라서 scCO2 치환 거동과 주입 효율에 서로 다른 결과를 유도할 가능성이 있다. 이에 따라 두 주입 방식을 동일한 공극 네트워크 조건에서 비교·분석하는 것은, 현실적인 CCS 주입 조건을 고려한 주입 거동 평가를 위해 의미 있는 접근으로 판단된다.
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
micro X-ray CT 이미지 기반 Polydimethylsiloxane(PDMS) 마이크로모델을 대상으로(Gang and Jung, 2025) 진행되는 주입 실험 재료는 계면활성제 수용액과 이산화탄소로 분류된다. 공극수와 계면활성제 수용액 제작에 사용된 DIwater는 일반적인 물로부터 초순수 정수 장비(Green RO 350; Human Corporation)를 통해 이온을 제거하여 전기 전도도가 30 µs/cm이하인 탈 이온수를 사용한다. 계면활성제의 종류는 음이온성으로 Sodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS), 비이온성으로 Glucopon 600 CSUP(BASF, Ludwigshafen, Germany)를 사용하였으며, 모든 수용액은 실험 조건에 맞게 균질 교반하였고 CO2는 99.99% 이상 순도의 기체를 사용하였다. 단순주입 실험에 대해서는 이미 혼합된 계면활성제 수용액을 공극 내에 포화시켜 진행하였고 교대주입에 대해서는 공극수를 DIwater로 고정하여 계면활성제 수용액을 별도로 제작하여 실험하였다.
3.2 이산화탄소 주입 시스템
Fig. 3은 PDMS 마이크로모델을 활용하여 단순 및 교대 주입을 구현할 수 있는 CO2 주입 실험 체계이다. CCS 현장 조건상의 8MPa·40℃의 조건으로 scCO2 상태를 유지하기 위해 CO2를 ISCO 500X 펌프(Teledyne)를 통해 고압 가스통에서 공급·가압하였고 insulation chamber의 내부 온도를 heating gun(Master Appliance)으로 구현한다. 마이크로모델 주입 직전의 CO2 저장튜브의 온도를 thermocouple로 측정하고 온도신호를 PID controller(GLTC-DP, Global Lab)로 추적하여 heating gun의 출력을 자동 조절하였다. 16.2-megapixel microlens camera(Hikon D7000)를 통해 주입 과정의 영상을 확보한 후 Image J 소프트웨어를 통해 binary 이미지를 획득하여 전체 공극면적 대비 CO2 주입 면적의 비율로 주입 효율을 정량 산정하였다. 본 실험에 사용된 물성 조건은 교대주입과 단순주입에 대하여 각각 Table 1, Table 2에 정리하였다.
Table 1.
Experimental conditions for surfactant-alternating-gas (SAG) injection
Table 2.
Experimental conditions for continuous scCO2 injection
| Surfactants |
Surfactants concentration (wt%) | Formation solution |
Injection velocity of scCO2 (mL/min) |
| N/A (DI water) | 0.01 | DI water | 0.001 |
| SDBS | 0.01 | ||
| Glucopon 600 CSUP | 0.1 |
단순주입과 동일 체계에서 교대주입을 구현하기 위한 방법을 Fig. 4와 같이 나타내었다. 포화된 마이크로모델로 계면활성제 수용액과 scCO2를 차례대로 주입하기 위한 회로이며 마이크로모델 내로 주입 되기 전 Pore fluid - Surfactant solution - scCO2를 Fig. 4에 나타난 순서를 통해 정렬하였다.
4. 실험 결과 및 분석
4.1 단순주입 실험 결과
Fig. 5는 단순 주입 조건에서 주입 속도에 따른 scCO2 치환 거동을 비교한 이진화 이미지로, SAG 실험의 비교 기준(baseline result)으로 활용된다. 모든 조건에서 주입 속도 증가에 따라 침투 영역이 점진적으로 확장되는 경향이 관찰되었다. 계면활성제 미처리 조건(DIwater)에서는 주입 전면이 불규칙하게 발달하며 국부적 우회(bypassing) 및 잔류 영역이 크게 나타났는데, 이는 저유량(0.001 mL/min) capillary-dominated 조건에서 scCO2가 제한된 유로를 따라 선택적으로 침투하기 때문으로 해석된다. 반면 계면활성제 적용 시 IFT 저감과 CA 증가로 계면 조건이 개선되어 보다 안정적인 치환 양상을 보였으며, 이는 선행연구와 일치한다(Ryou et al., 2025; Riechers et al., 2016).
공극 규모 영상 분석 결과, 저유량 조건에서는 SDBS 적용 시 Glucopon보다 상대적으로 균등한 치환 전면이 형성되는 경향이 나타났다. 이는 IFT 감소에 따른 모세관 압력 차 완화로 국부적 우회 흐름이 억제된 결과로 해석된다(Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012). 그러나 주입 속도 증가와 함께 점성력 영향이 커지면서 중·고유량 조건에서는 viscous fingering이 두드러졌고, 특히 SDBS 조건에서 전면 불균일 및 채널화(channeling)가 관찰되었다. 반면 Glucopon은 동일 유량에서 보다 연속적이고 확산된 침투 양상을 보이며 상대적으로 균등한 치환 거동을 나타냈다(Mora et al., 2021).
이러한 결과는 계면활성제 종류에 따른 계면 특성 차이가 유량 조건과 결합될 경우 상이한 유동 메커니즘을 유도함을 시사한다(Ryou et al., 2025). 즉, 저유량에서는 모세관력 완화 효과가 지배적이며, 중·고유량에서는 점성 안정성(viscous stability)이 치환 균등성을 결정하는 주요 인자로 작용할 수 있다.
4.2 교대 주입(SAG) 실험 결과
Fig. 6은 SAG 주입 조건에서 계면활성제 종류 및 주입 속도에 따른 scCO2 치환 거동을 비교한 이진화 이미지이다. 동일 유량에서 단순주입-계면활성제 미처리(DI water) 조건과 비교하면 SAG는 전반적으로 주입 효율과 침투 영역을 확장시키는 경향을 보였다. 그러나 단순주입-계면활성제 처리 조건과 비교할 경우, 대부분의 SAG 조건에서 국부적 우회(bypassing)와 불균일한 전면 발달이 더 빈번하게 관찰되었다. 이는 SAG가 계면활성제 존재에도 불구하고 단순주입 대비 항상 안정적인 균등 치환(stable displacement)을 보장하지 않음을 시사한다.
이러한 거동은 교대 주입 과정에서 공극목(pore throat), 공극체(pore body), 연결도(connectivity) 등 공극 구조의 기하학적 제약에 의해 선택적 침투 경로가 반복적으로 형성되기 때문으로 해석된다. 특히 계면활성제 수용액 또한 동일한 구조적 제약을 받으므로, 선주입 단계에서 형성된 유동 경로가 이후 scCO2 주입 시 국부적 채널화(channeling)를 유도될 가능성이 있다고 해석된다(Karadimitriou and Hassanizadeh, 2012; Lenormand et al., 1988).
단순주입과 유사하게, SAG-SDBS 조건에서는 저유량에서 비교적 완만한 전면 발달이 나타났으며, 주입 속도 증가에 따른 전면 안정성의 개선은 관찰되지 않았다. 특히 중·고유량에서는 불균일한 채널화와 viscous fingering이 두드러졌고, 일부 조건에서는 계면활성제 선주입량이 증가함에도 침투 전면이 균등하게 확산되지 않고 특정 유로로 집중되는 경향이 확인되었다.
반면 SAG-Glucopon 조건에서는 저·중유량에서 capillary fingering이 다수 관찰되었으며, 선주입량 증가에 따라 전면 형상이 부분적으로 완화되었으나 이는 유의미한 효율 향상으로 직접 연결되지는 않았다. 그러나 고유량에서는 SDBS 대비 상대적으로 안정적인 전면 발달과 균등 치환(stable displacement)이 나타났다.
4.3 주입 전략 별 주입 효율 정량분석
Fig. 7은 실험 이미지로부터 산정된 주입 효율을 주입 속도에 대해 정량적으로 비교한 결과이다. 단순주입 조건에서 효율은 유량 증가에 따라 전반적으로 상승하였다. DI water 조건에서는 55.0%(Q = 0.001 mL/min)에서 78.1%(Q = 0.1 mL/min)로 증가하였다. SDBS 적용 시 각각 64.6%, 78.7%, 91.6%로 전 구간에서 DI water 대비 향상되었고, Glucopon 조건은 67.4%, 85.9%, 94.1%로 가장 높은 효율을 나타냈다. 특히 중·고유량에서 계면활성제 효과와 유량 증가에 따른 상승 폭이 DI water 대비 뚜렷하였다.
SAG-SDBS 조건에서는 선주입량(PV) 증가에 따라 효율이 상승하는 경향이 나타났으나, 유량별 거동은 상이하였다. Q = 0.001 mL/min에서는 59.4%(0.1 PV)에서 70.8%(0.87 PV)로 증가하였다. 반면 Q = 0.01 mL/min에서는 84.2%(0.44 PV)에서 최댓값을 보인 후 83.6%(0.87 PV)로 감소하였고, Q = 0.1 mL/min에서도 87.1%(0.44 PV)에서 최대를 기록한 뒤 84.1%(0.87 PV)로 감소하였다. 즉, 중·고유량에서는 선주입량 증가가 항상 효율 증가로 이어지지 않았으며, 특정 PV에서 최댓값이 형성되는 비선형 경향이 확인되었다.
SAG-Glucopon 조건에서는 유량과 선주입량 증가에 따른 상승 경향이 상대적으로 명확하였다. Q = 0.001 mL/min에서는 66.0%(0.1 PV)에서 72.6%(0.44 PV)로 증가 후 71.5%(0.87 PV)로 소폭 감소하였다. Q = 0.01 mL/min에서는 65.3%에서 78.0%(0.87 PV)까지 지속적으로 증가하였다. Q = 0.1 mL/min에서는 74.9%에서 90.5%(0.87 PV)까지 상승하였으며, 이는 동일 유량의 SDBS 조건보다 높은 효율에 해당한다. 전반적으로 Glucopon은 중·고유량에서 선주입량 증가에 따른 상승 폭이 크게 나타났다.
SAG 주입에서 특정 PV가 상대적으로 높은 치환 효율을 나타나는 현상은 보편적인 최적 주입량이라기보다 공극 구조의 영향에 따른 결과일 가능성이 있다. 다공성 매질에서의 유체 치환 거동은 공극 규모의 불규칙성, 공극 연결도, 공극목 크기 분포 등 구조적 특성에 의해 유동 경로와 trapping 위치가 달라질 수 있는 것으로 보고되어 왔다(Holtzman, 2016). 또한 마이크로모델 연구에서는 공극목의 모세관 진입압에 의해 유체 침투 순서와 유동 전면의 발달이 결정되며, 이 과정에서 주입 단계에 따라 유동 영역이 불균일하게 확장될 수 있음이 확인된 바 있다(Chang et al., 2019). 따라서 본 결과에서 특정 PV에서 관찰된 효율 증가는 공극 네트워크 내 유동 경로 재배치에 따른 구조 의존적 거동으로 해석될 수 있다.
4.4 SAG 주입에서 계면활성제 선주입량의 주입 효율 영향
Fig. 8은 SAG 조건에서 선주입량(PV)에 따른 주입 효율 변화를 나타낸 것이다. SAG에서 PV 증가는 공극 내 유체 조성과 계면 조건을 사전 재구성하여 scCO2 주입 시 적용되는 계면장력과 젖음성을 변화시킨다.
저유량(0.001 mL/min, capillary-dominated)에서는 PV 증가에 따라 효율이 비교적 완만하게 상승하였다. SDBS는 59.44%(0.1 PV)에서 70.82%(0.87 PV)로 약 11.4%p 증가한 반면, Glucopon은 66.02%에서 71.46%로 약 5.4%p 증가하였다. 이는 모세관 진입압 감소 효과에 대해 SDBS가 더 높은 민감도를 보였음을 시사한다.
중·고유량(viscous-dominated)에서는 상이한 거동이 나타났다. SDBS는 0.01 mL/min에서 84.23%(0.44 PV), 0.1 mL/min에서 87.05%(0.44 PV)로 최댓값을 보인 후 0.87 PV에서 각각 83.55%와 84.08%로 감소하였다. 즉, PV 증가는 항상 효율 향상으로 이어지지 않았으며 특정 PV에서 최적값이 형성되는 비선형 경향이 확인되었다. 반면 Glucopon은 0.01 mL/min에서 65.32%에서 78.00%까지, 0.1 mL/min에서 74.87%에서 90.53%까지 PV 증가에 따라 지속적으로 상승하였다. 이는 고유량 조건에서 PV 증가가 전면 안정성을 개선하고 점성 불안정성 영향을 부분적으로 완화했음을 의미한다.
종합적으로 SDBS에 비해 Glucopon은 PV 증가에 대해 보다 일관되고 안정적인 반응을 나타냈다. 특히 점성 지배 영역에서 Glucopon의 PV 민감도가 더 크게 나타난다는 점은 두 계면활성제 간 유동 안정성 차이를 보여준다.
4.5 단순주입에 대한 SAG 주입의 비교 평가
Fig. 9는 단순주입 결과를 기준선(baseline)으로 설정하여 SAG 결과를 비교한 것으로, SAG가 단순주입 대비 유의미한 효율 향상을 보이지 않음을 나타낸다. 특히 동일 유량에서 계면활성제 단순주입(continuous-surfactant)이 이미 높은 효율을 보이는 구간에서는 SAG 결과가 기준선에 근접하거나 일부 하회하는 경향이 관찰되었다.
SDBS 조건에서는 저유량에서 일부 PV가 단순주입과 유사하거나 소폭 상회하였으나, 중·고유량에서는 대부분의 SAG 결과가 단순주입-계면활성제 조건보다 낮았다. 이는 교대 주입 과정에서 반복된 유체 전환으로 기존 선호 유로(preferred pathways)가 강화되어 전면이 안정적으로 확장되지 못했기 때문으로 해석된다. Glucopon 역시 저유량에서 일부 개선이 나타났으나, 유량 증가와 함께 SAG 결과가 단순주입-계면활성제 회귀선 하부에 위치하는 경우가 증가하였다. 특히 점성력 지배(viscous-dominated) 영역에서는 교대 주입이 전면 안정성을 충분히 확보하지 못하고 국부적 채널화(channeling)와 우회(bypassing)를 동반하는 경향을 보였다.
종합적으로 SAG는 비계면활성제 단순주입(DI water-continuous) 대비 효율 향상을 보이나, 계면활성제가 균일하게 분포된 단순주입 조건과 비교하면 일관된 우위를 확보하지 못하였다. 이는 SAG가 시간적으로 변동하는 유체 조성을 형성하는 동적 주입 전략이며, 그 재배치 과정이 반드시 균등 치환(stable displacement)으로 귀결되지 않음을 시사한다. 또한 단순주입의 높은 효율은 계면활성제의 사전 균일 분포라는 이상적 조건에 기반하므로, 실제 순차적 주입 환경에서는 과대평가 될 가능성이 있다고 해석된다.
5. 결 론
본 연구는 micro X-ray CT 기반 PDMS 마이크로모델을 활용하여 실제 저장층 공극 구조를 반영한 조건에서 계면활성제 활용 및 주입 전략(단순주입 vs SAG)에 따른 scCO2치환 거동과 효율을 비교하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) SAG 조건에서 주입 효율은 선주입량(PV)과 주입 속도에 따라 변화하였으나 증가 양상은 일관적이지 않았다. SDBS는 특정 PV(0.44 PV)에서 최대 효율 형성 후 감소하는 비선형 거동을 보였으며, Glucopon은 고유량에서 비교적 안정적인 증가를 나타냈다. 그러나 동일 유량에서 단순주입-계면활성제 조건과 비교할 경우 SAG가 일관되게 우월하지는 않았다. 이는 PV 증가가 항상 균등 치환으로 이어지지 않음을 의미한다.
(2) SAG는 비계면활성제 단순주입(DI water-continuous) 대비 전반적인 효율 향상을 보였으나, 계면활성제가 균일하게 분포된 단순주입 조건과 비교하면 대부분의 경우 우위를 확보하지 못하였다. 특히 점성력 지배 영역에서는 교대 주입에 따른 유체 전환이 전면 안정성을 충분히 확보하지 못하고 기존 선호 유로를 강화하는 경향이 나타났다. 이는 SAG가 공극 네트워크 내 유체 재배치를 유도하더라도 반드시 안정적 전면 발달로 연결되지 않음을 보여준다.
(3) 단순주입에서 관찰되는 높은 효율은 계면활성제가 사전에 균일하게 분포된 이상적 조건을 전제로 하므로 주입 효율이 과대평가 될 가능성을 내포한다. 이러한 경향은 공극 부피가 제한된 마이크로모델(≤ 1 PV) 조건에서도 주입 전략에 따른 차이가 명확히 나타났다는 점에서 공극 부피를 특정하기 어려운 실제 저장층 규모에서는 다양한 물리적 요인이 복합적으로 작용하여 주입 효율이 제한되며, 이는 공극 규모 실험 결과와 차이가 발생할 수 있음을 의미한다.
(4) 공극 규모에서 관찰된 치환 거동은 실제 저장층 규모의 scCO2 유동을 이해하는 데 기초적인 정보를 제공하지만, 저장층 규모에서는 지층의 이질성, 중력에 의한 상향 이동(gravity override), 압력 제한 등 다양한 요인이 작용하여 유동 거동이 달라질 수 있다. 또한 심부 염수층에서의 CO2 저장 효율(storage efficiency)은 일반적으로 약 1~6% 범위로 추정되며(Bachu, 2008), 이는 공극 규모 실험에서 관찰되는 국부적 치환 효율보다 낮은 값을 보이는 경향이 있다. 따라서 본 연구의 공극 규모 실험 결과는 실제 저장층에서의 주입 전략에 따른 복합적 설계를 이해하는 데 중요한 참고 자료로 활용될 수 있다.
