검층장비 'K-DEV' 갖춰
깊은 땅 속 시추공 기울기 계산
방폐물 처분 연구 등 활용 기대

시추를 통해 땅속을 정밀하게 들여다보는 물리검층 기술은 유가스나 광물자원 탐사에 주로 사용되고 있다.

최근에는 고준위 방사성폐기물 처분장 등의 부지 특성 평가에 핵심 역할을 하고 있어 더 깊은 땅속, 심부까지 물리검층을 할 수 있는 시추공 장비의 개발이 필요한 상황이다.

물리검층은 시추에 의해 굴착한 시추공 주변의 여러 물리적인 양을 깊이에 따라 연속적으로 측정해서 주변 암석의 성질, 지층이나 시추공벽의 상태를 조사하는 방법으로 땅 속 내시경 기술이라 불린다.

국토의 효율적 활용을 위한 심부 지하공간 개발(고준위 방폐장, 지하 에너지 저장시설 등) 수요가 증가함에 따라, 한국지질자원연구원(원장 이평구, KIGAM) 심층처분환경연구센터가 심지층의 다양한 물리적 특성 및 거동(움직임)을 평가할 수 있는 기술을 개발하고 있다.

센터 연구진은 심부 시추공 물리검층 방법을 이용한 심지층 특성화 기술 개발과 더불어, 고성능 장비 제작 국산화기술 확보 연구의 일환으로 깊이 1.5 km까지 적용 가능한 공곡검층장비 K-DEV(KIGAM borehole DEViation logging tool)를 개발했다.

공곡은 시추공을 이용한 탐사나 자료 해석 시에 중요한 시추공 궤적 정보 획득 방법 중 하나로, 깊이에 따른 시추공의 기울어짐과 방향, 즉 좌표를 구하는 것을 의미한다.

일반적인 인식과 다르게 시추공은 수직으로 굴진되지 않는데, 많은 경우에 3~5°의 편차각(tilt)을 보이고 깊이가 깊어질수록 더 벗어나는 경향이 있다. 시추공이 어느 방향으로 얼마나 벗어나고 있는지는 암추(코어)시료를 이용해 불연속면의 자세를 분석하기 위한 중요한 정보이다. 시추공을 이용하는 물리탐사 자료 해석에도 필수적으로 요구되며 굴진 심도가 깊어질수록 그 중요성이 더해진다.

굴진은 땅 속으로 구멍(시추공)을 파 들어가는 것이다.

그동안 국내에서는 시추공 공곡검층을 별도로 수행하지 않고, 주로 시추공벽 영상검층 장비에 부착된 3성분 가속도계와 3성분 자력계로부터 제공되는 자료로부터 시추공의 궤적을 알아내는 것이 일반적이었다.

그러나, 수요가 늘어나면서 시추공 보호를 위한 철재 케이싱 설치로 인해 자력계를 사용하는 전통적 방식의 공곡검층이 불가능한 경우가 생겼다.

케이싱(casing)은 시추공 내부에 영구적으로 설치하는 파이프로 관정 또는 시추공의 측벽을 구성하는 암체나 퇴적물의 붕괴를 방지하기 위해서 공 내부에 영구적으로 설치하는 파이프를 말한다.

센터 연구진은 이러한 문제점을 해결하기 위해 K-DEV를 착안하고 개발에 성공했다.

△가속도계, 자력계와 더불어 고성능 MEMS 자이로 센서를 채용했다.

특히 △실시간 자료처리 소프트웨어를 개발해 케이싱이 설치된 시추공에서도 정확한 공곡검층이 가능하도록 했다.

MEMS 자이로 센서는 미세전자기계시스템 공정으로 제작된 자이로(기울기) 센서(Micro-Electro Mechanical Systems Gyro Sensor)이다.

K-DEV는 상용 와이어라인 윈치(winch)시스템에 호환되도록 실시간 통신 및 지상 제어 장비를 갖추고 있으며, 공곡 자료 뿐만 아니라 온도, 압력, 그리고 자연감마선까지 함께 연속적으로 측정할 수 있다. ‘2021년 하반기에 500m 급 시작품이 개발된 후, 여러 개의 시추공에 적용하면서 기능을 개선하고 2023년에 이르러 최대 1,600m 깊이까지 그 성능을 검증하는데 성공했다.

개발된 K-DEV는 한국지질자원연구원의 고유 핵심 임무를 담당할 여러 기본사업(심부 시추공 지구물리 관측망 구축, 이산화탄소 지중 저장, 고준위 방사성폐기물 처분 연구 등)에서, 심부 시추공을 활용하는 다양한 연구 분야에 기여할 것으로 기대된다.

실무 개발자인 조영욱 박사는 “깊은 땅 속을 정밀하게 탐사하기 위한 물리검층 기술의 효과적 적용을 위해 고민하던 중 연구팀과 함께 머리를 맞대어 K-DEV를 개발했다.”고 밝히며, “국외기업들에 의존하고 있던 국내 물리검층 장비를, 이번 K-DEV를 통해 독자적인 국내 순수 기술로 개발할 수 있는 전환점이 됐다.”고 말했다.

한국지질자원연구원 이평구 원장은“K-DEV는 전 지구적 과제인 탄소중립의 실현과 고준위 방사성폐기물 처분장 등 인류의 생존과 직결되는데 유용하게 활용되는 검증된 연구장비다”며, “KIGAM의 고유임무를 제대로 수행할 수 있는 연구개발에 대한 지속적 지원을 통해 국내 현안과 글로벌 이슈 해결을 위해 최선을 다할 것이다”고 밝혔다.

이번 기술 개발은 국내의 시추, 지질조사, 물리탐사 장비가 대부분 외국 전문기업에 의존하고 있는 상황에서, 독자적인 연구개발과 기술이전 등을 통해 국내 기업들에게 접근성 있는 시추공 물리검층 기술 서비스를 제공?활용할 수 있는 기회를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.

저작권자 © 경북일보 무단전재 및 재배포 금지