1. 서 론
2. 이산화탄소 주입정 개요
3. 리스크 식별
3.1 주입정 결함 원인 식별
3.2 누출 시나리오 도출
4. 리스크 분석 및 평가
4.1 발생확률 및 영향도 분석 결과
4.2 리스크 등급 평가 결과
5. 결 론
1. 서 론
기후변화는 전 세계적으로 심각한 환경적, 경제적 영향을 미치고 있으며, 그 주요 원인으로 온실가스 배출 증가가 지목되고 있다(Lee, 2023; Dharmapriya et al., 2025). 이산화탄소(CO2)는 산업 활동과 화석 연료 연소로 인해 대기 중에 대량 방출되는 대표적인 온실가스로, 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 현행 감축 노력만으로는 파리협정의 지구 평균온도 상승 제한 목표(1.5°C) 달성에 한계가 있다고 평가하였다(IEA, 2020). 이에 따라 다양한 대응 방법들이 논의되고 있으며, 그 중 탄소 포집 및 저장(carbon capture and storage, CCS) 기술이 중요한 대안으로 주목받고 있다.
CCS 기술은 대규모 이산화탄소 배출원에서 발생하는 CO2를 포집하여 지하의 안전한 저장소에 영구적으로 격리하는 기술로, 기존의 화석연료 중심의 산업구조를 유지하면서도 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있는 혁신적인 방법으로 평가된다(Ko and Kemeny, 2013; Obi et al., 2025; Zhou et al., 2025). 일반적으로 CCS 기술은 이산화탄소 포집, 운송, 저장의 세 단계로 구성되며, 이 중 이산화탄소 지중저장(geological carbon storage, GCS) 단계가 가장 핵심적이다(Fang et al., 2024). GCS 단계에서는 고갈된 유전이나 염수 대수층에 초임계 상태의 이산화탄소를 주입하여 대규모 격리를 수행한다. 초임계 이산화탄소는 약 31.1°C 이상의 온도와 7.38 MPa 이상의 압력에서 존재하며(Moon et al., 2018), 이를 안정적으로 유지하고 저장하기 위해서는 정밀한 주입정(wellbore) 설계가 필수적이다. 주입정은 이산화탄소의 초임계 상태를 유지하기 위한 고온고압 조건을 견딜 수 있게 설계되어야 하며, 이는 CCS 기술의 안전한 운영과 장기적인 저장 안정성 확보를 위한 핵심 기술 요소이다.
주입정은 케이싱(casing), 튜빙(tubing), 시멘트(cement) 등으로 구성된 복합 시스템으로, 각 구성 요소는 이산화탄소 주입과정에서 주입정의 구조적 안정성을 유지하고 지하수 또는 대기로의 누출을 차단한다. 그러나 장기간 이산화탄소가 주입될 경우, 이러한 구성 요소는 물리적, 화학적 손상에 취약해질 수 있다. 고온고압 환경에서 지속적으로 작용하는 열적, 기계적 하중은 구성 요소 간 접합부에 균열을 유발할 수 있다. 또한, 초임계 상태의 이산화탄소는 산성 특성을 띠기 때문에 이에 따른 부식 및 화학적 열화도 주입정 내구성에 부정적 영향을 미칠 수 있다(Gholami et al., 2021; Hoa et al., 2021; Xiao et al., 2024; Alsubaih et al., 2025). 이러한 손상은 주입정의 안정성을 저하시켜 이산화탄소의 지하수 또는 대기 중으로의 누출 위험을 증가시킨다. 따라서, 주입정의 물리적, 화학적 손상을 효과적으로 관리하고 예방하기 위해서는 고위험 누출 시나리오를 고려한 체계적인 관리 전략과 함께 정기적인 점검 및 보수 작업이 필요하다. 이를 위해 주입정 시스템에 내재된 잠재적 위험 요소를 사전에 식별하고 그 위험 수준을 평가하여 대응 방안을 수립하는 리스크 관리가 요구된다(Yonkofski et al., 2019).
본 연구에서는 문헌조사와 전문가 인터뷰를 통해 지중저장 단계에서 주입정을 통한 이산화탄소 누출 시나리오를 식별하고, 각 시나리오의 발생 확률 및 영향도를 분석하여 위험 수준을 평가하였다. 또한, 고위험 누출 시나리오에 대한 향후 안전 관리 및 대응 방안을 제시하였다.
2. 이산화탄소 주입정 개요
이산화탄소 지중저장을 위한 주입정은 이산화탄소의 장기적이고 안전한 지하 격리를 위해 정밀하게 설계된 복합 구조물이다. 주입정은 크게 케이싱(casing), 튜빙(tubing), 시멘트 그라우트(cement grout), 패커(packer) 및 플러그(plug) 등의 구성요소로 나뉘며, 각각의 요소는 구조적 안정성 확보와 누출 방지를 위해 유기적으로 작동한다(Won et al., 2018; Su et al., 2023; Gao et al., 2024). 주입정의 주요 구성요소와 배치 개요는 Fig. 1에 나타내었다.
케이싱은 주입정 벽을 지지하는 강철 파이프로 천부지층 붕괴를 방지하고 구조적 안정성을 부여하는 동시에, 내부 주입 유로와 외부 지층을 격리하는 1차 장벽 역할을 한다. 케이싱은 설치 목적과 심도에 따라 표층 케이싱(surface casing), 생산 케이싱(production casing), 중간 케이싱(intermediate casing)의 3종류로 구분된다(Abid et al., 2024). 표층 케이싱은 주로 주입정 상부에 설치되며, 지표 및 인접 지층을 지지하고 외부 지층과 내부 주입 유로를 격리한다. 생산 케이싱은 최종 목표 저장층 인근에 설치되어, 이산화탄소가 정확히 목표층에 도달할 수 있도록 유로를 확보한다. 중간 케이싱은 표층 케이싱과 생산 케이싱 사이에 설치되며, 지층 수압 및 기계적 하중을 견디고 중간 심도의 지층을 구분하는 역할을 한다. 특히 이산화탄소 지중저장 목적의 주입정은 높은 주입압력과 장기간의 운영 수명을 요구하므로, 케이싱은 우수한 내식성을 갖는 재료로 제작되어야 한다. 일반적으로 주입정 케이싱은 고강도 강철로 제작되며, 부식 방지를 위해 크롬 강철 또는 내산성 코팅 처리가 적용된다. 국제적으로 원유회수증진법(enhanced oil recovery, EOR) 분야에서 축적된 현장 운용경험을 CCS에 참고하기도 하나, 순수 저장의 경우에는 주입 종료 이후 50년 이상의 사후관리가 요구되어 보다 엄격한 소재 선정 및 시스템 관리가 필요하다(Craig and Rowe, 2024).
튜빙은 케이싱 내부에 설치되어 이산화탄소를 목표 저장층까지 안전하게 운송하는 주요 관로로, 주입 유체와 직접 접촉하는 구성 요소이다. Gao et al. (2024)은 실제 시추공 데이터를 바탕으로 튜빙 본체와 튜빙 간 연결부의 안전계수를 산정하였다: [튜빙] 인장 안전계수 1.40, 내부압 안전계수 3.21, 외부압 안전계수 1.83, 삼축응력 안전계수 1.53, [튜빙 간 연결부] 인장 안전계수 1.32, 외부압 안전계수 1.27. 튜빙 간 연결부의 상대적으로 낮은 안전계수는 튜빙 설계 시 본체뿐 아니라 나사형 접합부 및 재질 일체성을 동시에 고려해야 함을 시사한다. 또한, 부식, 피로, 충격 등 장기적 열화 요인을 고려하기 위하여, 내부 코팅 기술을 통해 부식 저항성을 보완하고, 튜빙 인출 및 교체가 가능한 구조를 채택함으로써 운영 중 유지보수 가능성을 확보해야 한다.
시멘트 그라우트는 케이싱과 지층 사이의 환형의 틈새(annulus space)를 충진하여 구조적 지지 역할을 수행함과 동시에, 지층 간 유체 이동을 차단하는 기능을 한다. 시멘트는 장기간 고압의 이산화탄소 및 지하수와 접촉하며, 이에 따른 물리적, 화학적 열화는 저장 안정성에 영향을 미칠 수 있다. Lesti et al. (2013)은 초임계 이산화탄소에 대해 포틀랜드 시멘트 기반의 유정 시멘트의 탄산화 반응 및 균열 발생으로 인한 기밀성 저하를 실험적으로 확인하였다. 한편, Kim et al. (2016)은 시멘트 조성에 따라 소성파괴 거동이 발현되어 미세균열이 억제되고, 주입압 및 주입정 방향에 따라 시멘트 그라우트의 역학적 안정성이 달라질 수 있음을 보고하였다. 이는 CCS용 시멘트 그라우팅 설계 시, 조성비 최적화와 주입 조건 및 시멘트층의 파괴 양상에 대한 사전 해석이 병행되어야 함을 시사한다.
패커와 플러그는 이산화탄소 주입정 내 유체의 의도하지 않은 이동을 차단하기 위해 설치되는 밀봉 장치로, 각각 주입 단계과 폐쇄 단계에서 기밀성을 확보한다. 패커는 이산화탄소 주입 중에 튜빙-케이싱 간의 틈새를 채움으로서, 주입된 이산화탄소가 지표 방향 또는 비의도적인 경로를 따라 상승하는 것을 방지한다(Fuzhou et al., 2010). 반면, 플러그는 주입정의 영구 폐쇄 또는 일시적 정지 시에 사용되며, 특정 구간에 시멘트를 경화시켜 물리적 차단층을 형성한다(Pan and Oldenburg, 2020). 이때, 두 장치 모두 고무 또는 시멘트를 주요 재료로 사용한다.
주입정은 이러한 다중 장벽 시스템(multi barrier system)을 통하여 이산화탄소가 저장 지층에 안전하게 주입되도록 설계된다. 각 장벽은 시간이 흐름에 따라 물리적, 화학적 열화가 발생할 수 있으며, 주입정의 구성 요소 간 접합부에서 균열이 발생하거나 재료가 부식되는 등의 현상이 발생할 수 있다. 이러한 결함으로 인해 누출 경로가 형성될 수 있으며, 이는 주입정의 안전성을 위협하는 주요 요인으로 작용한다(Crow et al., 2010). 따라서, 주입정 설계 및 운영에서 발생할 수 있는 위험 요소를 사전에 식별하기 위해 잠재적 누출 경로와 발생 원인을 파악하는 것이 필수적이다.
3. 리스크 식별
리스크 관리에서는 원인에 따라 상이한 잠재적 사건의 손실 수준을 고려하기 위해, 원인-사건 간 인과관계를 명확히 규명하는 리스크 식별이 요구된다(Kwon et al., 2023). 이에, 본 연구에서 이산화탄소 지중저장 과정에서 주입정을 통한 누출 위험을 평가하고자, 주입정 시스템 내에 결함 원인 별 누출 경로를 나타내는 누출 시나리오를 식별하였다. 이때, 리스크 식별의 신뢰성을 향상하기 위해 활용 빈도가 높은 문헌조사와 전문가 설문조사를 병행하였으며(Hillson, 2002; Kwon et al., 2025), 이를 통해 주요 주입정 결함 원인과 이에 따른 누출 경로를 조합하여 이산화탄소 누출 시나리오를 도출하였다.
3.1 주입정 결함 원인 식별
주입정 결함 원인은 발생 메커니즘에 따라 화학적(chemical), 기계적(mechanical), 열적(thermal), 수리적(hydraulic) 원인으로 분류되며, 이를 각 분류별로 Table 1에 정리하였다. 이러한 요인은 단독 또는 복합적으로 작용하여 특정 경로를 통한 이산화탄소 누출의 선행사건으로 작용한다.
Table 1.
Major causes of wellbore integrity failure
화학적 메커니즘에 의한 결함은 저장 환경 내 수분과 반응한 산성의 이산화탄소에 의해 구성 재료가 열화되면서 발생하며, 대표적으로 시멘트 열화와 철의 부식 등이 해당 결함의 원인에 해당된다. 시멘트는 이산화탄소와 물의 반응으로 생성된 탄산수(carbonated water)와 접촉할 경우, 수화 생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 용해되고, 이후 탄산칼슘(CaCO3) 형성을 거쳐 최종적으로 비결정 실리카 젤(amorphous silica gel)로 전환된다(Kutchko et al., 2007). 이러한 일련의 반응으로 인해 시멘트의 역학적 강도가 저하되고, 다공성 증가로 인해 밀봉 기능을 손상시켜 누출 경로를 형성하게 된다. 한편, 케이싱 및 튜빙 등 철제 구성요소는 이산화탄소와 반응하여 탄산철(FeCO3)을 형성한다. 초기에는 탄산철이 부식에 대한 일시적 보호막 역할을 하나, 고압 환경에서는 보호막이 파괴되고 부식이 오히려 가속화된다(Banaś et al., 2007). 지속적인 부식은 강관의 단면 감소와 국부적 천공을 유발할 수 있다.
기계적 메커니즘에 의한 결함은 외부 하중, 시공 불량, 암반 변형 등의 영향으로 시추공 구성요소에 직접적인 물리적 손상이 발생하는 경우를 포함한다. 미소지진(microseismic event)은 이산화탄소 주입에 따른 공극압 상승으로 유효응력이 감소하면서 지층 내의 기존 단층이나 균열이 재활성화되어 발생하며(Verdon, 2016), 이는 시멘트와 인접 구성요소 간의 결합력 약화 및 균열 형성으로 이어진다. 머드 채널(mud channel)은 시멘트 주입 전 드릴링 머드가 충분히 제거되지 않아(Fig. 2 참조) 시멘트-케이싱 또는 시멘트-암반 접촉면에 잔류함으로써 형성된다(Zulqarnain, 2012). 이는 상대적으로 투과성이 높고 시멘트 접합을 방해하여, 장기적으로 이산화탄소가 통과할 수 있는 누출 통로가 된다. 마지막으로 조립 및 연결 결함(assembly and connection defects)은 튜빙, 케이싱 등의 연결부에서 발생하는 정렬 불량, 나사산 밀봉 실패, 밀봉재 열화 등을 포함한다. 연결부는 주입-중단의 반복, 시추 작업 중 발생하는 토크 및 압축 하중의 주기적 변동 등으로 인해 반복적인 하중 변동(cyclic loads)을 겪게 되며, 이에 따라 피로균열(fatigue crack)이 발생하여 누출 경로로 이어질 수 있다(Cirimello et al., 2017).
열적 메커니즘은 주입되는 이산화탄소와 주변 지층 간의 온도 차이에 기인한다. 노르웨이의 Northern Lights CCS 프로젝트에서는 주입 이산화탄소 온도(약 25°C)가 저장층의 초기 지중 온도(약 105°C)보다 현저히 낮게 측정되었다. 이로 인해, 주입정 시스템 내 구성 재료 간 열팽창 계수 차이에 따른 열적 응력 발생 가능성이 제기되었으며, 잠재적 열적 영향에 대한 정밀 평가가 수행되었다(Thompson et al., 2021). 특히, 시멘트보다 열팽창 계수가 큰 케이싱은 상대적으로 저온의 이산화탄소 주입 직후, 급격한 냉각으로 인해 수축하며, 이는 시멘트-케이싱 접촉면에서의 박리(debonding) 현상을 유발할 수 있다(Lavrov, 2018). 한편, 이산화탄소의 반복적인 주입과 중단(shutdown)은 시멘트의 팽창 및 수축을 유발하며, 이에 따른 열적 피로(thermal fatigue)로 인해 시멘트 내부에 방사형 균열 또는 미세 틈새(micro-annulus)가 형성된다(Bu et al., 2017). 이러한 손상은 시멘트의 밀봉 성능을 저하시킬 뿐 아니라, 이산화탄소의 구조물 내부 침투로 인한 화학적 열화와 결합하여 결함을 심화시킬 수 있다.
수리적 메커니즘에 해당하는 원인으로는 과도한 주입압(excessive injection pressure)과, 이로 인해 발생하는 공극압 상승이 포함된다. 주입된 이산화탄소가 저장층의 낮은 투과성 또는 높은 포화도로 인해 효과적으로 확산되지 못할 경우, 국소적 과압 상태(overpressure conditions)가 초래될 수 있다(Alonso et al., 2012). 이러한 과압 상태는 시추공의 시멘트-케이싱 또는 시멘트-암반 접촉면에 응력 집중을 유발하며, 접촉면의 수리적 접합 강도(hydraulic bonding strength)를 초과할 경우 접촉면을 파괴하고 미세 틈새를 형성할 수 있다(Yang et al., 2020). 특히, 이러한 수리적 손상은 열적 또는 기계적 메커니즘과 복합적으로 작용하여 구조물에 취약한 부분을 생성할 수 있고, 이는 이산화탄소 누출로 이어질 수 있다.
상기 서술한 다양한 결함 원인은 주입정 구성요소의 취약한 부분으로 이산화탄소 누출 경로를 형성하게 된다. 본 연구에서는 Bai et al. (2023), Song et al. (2023), Gao et al. (2024)의 연구결과를 종합하여 주입정 내 잠재적 이산화탄소 누출 경로를 Fig. 3과 같이 여섯 가지로 분류하였다: (1) 케이싱, (2) 튜빙, (3) 시멘트 그라우트, (4) 시멘트-케이싱 접촉면, (5) 시멘트-암반 접촉면, (6) 패커 및 플러그. 각 누출 경로는 부식, 화학적 열화, 기계적 결함, 시공 불량, 접촉면 박리, 열응력, 공극압 증가 등 다양한 결함 원인과 연관된다.
3.2 누출 시나리오 도출
이산화탄소 누출 시나리오란 특정 누출 경로(예를 들어, 케이싱)와 이를 유발하는 결함 원인(예를 들어, 철의 부식)의 일대일 대응 조합으로, 이산화탄소 주입 과정에서 고려해야 할 잠재적 위험 상황을 의미한다. 일반적으로 주입정의 구성요소는 누출 위험을 최소화하도록 설계되지만, 구조적 손상, 밀봉 불량, 부식 진행 등의 선행사건이 발생할 경우 해당 요소를 따라 이산화탄소가 누출될 가능성이 존재한다. 따라서 효과적인 리스크 관리를 위해서는 물리적 연계성과 발생 개연성이 높은 시나리오를 중심으로 분석을 수행하여야 한다(Lacasse, 2016). 결함 원인과 누출 경로 간의 인과관계를 고려하여, 누출 발생 가능성이 높은 조합을 중심으로 대표 시나리오를 선정하였고, 그 결과를 Table 2에 제시하였다.
Table 2.
CO2 leakage scenarios through wellbore systems
구체적인 이산화탄소 누출 시나리오 선정 근거는 다음과 같다. 먼저, 케이싱 및 튜빙을 통한 누출은 금속재 부식, 연결부 조립 불량, 밀봉재 열화 등으로 인해 관 벽체 또는 접합부에 틈새 및 균열이 발생하고, 이를 통해 이산화탄소가 외부로 이동하는 것을 의미한다. 특히 케이싱은 주입정 외벽과 직접 맞닿는 1차 차단 구조로, 철의 부식으로 인해 국부적인 천공이나 구조적 약화가 발생할 수 있다. 또한, 튜빙의 경우, 내부식성 저하나 연결부 밀봉 미흡 시 이산화탄소가 튜빙-케이싱 사이에 환형의 틈새를 따라 확산될 수 있다. 시멘트 그라우트를 통한 누출은 시멘트 내부의 열화나 균열에 의해 다공성이 증가하면서 유체가 시멘트 본체를 관통하는 경우이며, 시멘트-케이싱 접촉면을 통한 누출은 열팽창 차이, 과도한 압력 작용, 미소지진 등으로 인해 접합부에 미세 틈이 형성될 때 발생할 수 있다. 시멘트-암반 접촉면에서도 시멘트-케이싱 접촉면과 유사한 메커니즘에 의해 접촉력 약화 및 초기 밀봉 미흡 시, 경계면을 따라 이산화탄소가 이동할 수 있다. 마지막으로 패커 및 플러그를 통한 누출은 재료의 화학적 열화 또는 반복 하중으로 인해 밀봉 기능이 저하되어 발생할 수 있다. 이와 같이 각 누출 경로는 서로 다른 결함 원인에 기인하며, 각 경로의 특성을 반영한 누출 시나리오는 후속 단계인 리스크 분석 및 평가를 위한 기초 자료로 활용된다. 다만, 본 연구에서 도출된 시나리오는 일부 문헌과 전문가 의견에 근거하였기에, 추후 적용대상 현장의 지반 및 시공 특성을 반영하여 추가 시나리오를 식별할 것을 권장한다.
4. 리스크 분석 및 평가
4.1 발생확률 및 영향도 분석 결과
이산화탄소 지중저장 과정에서의 이산화탄소 누출은 이산화탄소, 구조물, 지반 간의 복합적 상호작용이 반영된다. 하지만, 계측 및 실증 사례가 부족하여, 이에 대한 정량적 리스크 관리 수행에 어려움이 존재한다. 이처럼 불확실성이 높고 관련 데이터가 부족한 경우에는, 전문가 의견 수렴 결과를 의사결정의 근거로 활용하는 전문가 설문조사(expert survey) 기반의 리스크 관리 기법이 꾸준히 적용되고 있다(Wang et al., 2018; Chung et al., 2021; Suh et al., 2021; Kwon et al., 2023; 2024; 2025; Mahmood et al., 2024). 또한, 이러한 기법은 다양한 전문가 집단으로부터 독립된 응답을 통계적으로 통합하여, 개별 편향을 보완하고 집단지성의 판단으로 신뢰성을 제고할 수 있다는 점에서 그 유용성이 강조되고 있다(Colson and Cooke, 2018; Salmi et al., 2024).
본 연구에서는 경로 별 누출 영향도(impact)와 선행사건-경로 조합별 누출 발생확률(probability)을 평가 지표로 선정하였다. 이때, 영향도는 해당 경로를 통한 이산화탄소 누출에 따른 잠재적인 환경적, 경제적 피해 규모를 나타낸다. 발생확률은 어떤 선행사건(A)이 발생한 경우, 특정 경로를 통한 누출(B)이 발생할 조건부 확률, 즉 P(B|A)을 의미한다. 각 항목에 대해 전문가는 발생확률 및 영향도를 매우 낮음(very-low), 낮음(low), 보통(medium), 높음(high), 매우 높음(very-high) 중 하나의 등급으로 평가하며, 최종 평가 등급은 전문가들의 응답 중 가장 빈도가 높은 최빈 등급으로 결정하였다. 단, 복수의 최빈 등급이 존재하는 경우에는 보수적 리스크 관리를 위해, 그 중 위험 수준이 더 높은 등급을 채택하였다. 본 설문조사는 실무 경험 또는 학술적 전문성을 보유한 건설·토목·지질 분야의 전문가 21인을 대상으로 수행되었다.
먼저, 6개의 누출 경로에 대한 영향도 분석 결과를 Table 3에 제시하였다. 분석 결과, 튜빙과 패커·플러그를 통한 이산화탄소 누출경로가 ‘Very-high’ 영향도 등급으로 평가되었다. 튜빙은 고압의 이산화탄소가 흐르는 주입정 내 핵심 유로로서, 이 경로를 통해 지표 또는 대기로 다량의 이산화탄소가 직접 유출될 수 있는 구조적 특성을 갖는다. 패커 및 플러그 또한 주입정 폐쇄 후 장기간에 걸쳐 기밀성을 유지해야 하는 최종 차단 장치로, 기능이 상실될 경우, 주입정 외부로의 누출이 발생하고, 이에 따른 환경 훼손이 불가피하다는 점에서 높은 영향도로 평가되었을 것으로 판단된다. 즉, 외부 환경과 직접 연결된 튜빙과 패커·플러그를 통해 누출된 이산화탄소는 지표 또는 대기로 빠르게 확산될 수 있어 해당 경로에 대한 영향도가 높게 평가되었다.
Table 3.
Results of impact analysis
총 18개의 누출 시나리오에 대한 발생확률 분석 결과는 Table 4에 나타내었고, 이 중 튜빙 연결부 결함(시나리오 4), 시멘트-케이싱 접촉면의 머드 채널 형성(시나리오 10), 시멘트-암반 접촉면의 머드 채널 형성(시나리오 15)이 ‘Very-high’ 발생확률 등급으로 분석되었다. 주목할 점은 이들 시나리오가 모두 서로 다른 재료 또는 구조 간의 연결부 혹은 접촉면에서 발생한다는 공통된 특성을 갖는다는 점이다. 이러한 지점은 이질 재료 간 열적·기계적 특성 차이, 시공 품질 편차, 응력 집중 효과 등이 중첩되는 취약 지점으로, 물리적 결함이 누적되기 쉽고 장기적인 기밀성 확보에도 불리한 조건을 갖는다. 따라서, 본 논문에서의 분석 결과는 누출 발생확률이 구조물의 연속적 손상보다는 연결부의 시공 품질 및 완결성에 기인할 가능성이 높음을 시사한다.
Table 4.
Results of probability analysis
4.2 리스크 등급 평가 결과
누출 시나리오에 대한 리스크 등급(risk level)은 사전에 도출된 발생확률 및 영향도 등급을 Fig. 4의 리스크 매트릭스(Hyun et al., 2015)에 적용하여 평가되었다. 본 연구에서는 리스크 등급을 ‘Negligible’, ‘Tolerable’, ‘Significant’, ‘Intolerable’ 등 4단계로 구분하였으며, 각 리스크 등급에 따라 사전 리스크 저감 조치 요구 수준이 상이하다. ‘Negligible’ 등급은 별도의 조치가 불필요하며, ‘Tolerable’ 등급은 상황에 따라 예방 조치를 취할 수 있으나 반드시 요구되지는 않는다. ‘Significant’ 등급의 경우 저감 조치 적용이 권장되나 실질적인 적용 가능성은 상황에 따라 제한될 수 있으며, ‘Intolerable’ 등급은 반드시 사전 리스크 저감 조치를 수반해야 하며, 해당 시나리오의 안전성 확보를 위한 우선적 대응이 요구된다.
각 누출 시나리오의 리스크 등급을 Table 5에 나타내었다. 튜빙 연결부 결함, 시멘트-케이싱 접촉면의 시멘트 열화, 시멘트-암반 접촉면에서의 머드 채널 형성, 패커 및 플러그에서의 과도한 압력 작용 등의 4개의 시나리오가 ‘Intolerable’ 리스크 등급으로 평가되었다. 이러한 고위험 시나리오에 대응하기 위해서 구조적 설계 개선과 동시에 시공 품질관리 체계를 강화하는 통합적 접근이 필수적이다. 구체적으로, 튜빙 연결부의 경우, 고내식성 재료 적용 및 이중 밀봉 구조 채택, 시공 후 비파괴 검사 기반 품질 검증이 요구된다. 시멘트-케이싱 및 시멘트-암반 접촉면은 드릴링 머드 제거 공정의 철저한 관리와 고유동성 시멘트의 균일한 충진, 접촉면 기밀성 확보를 위한 현장 밀봉 성능 시험이 함께 수행되어야 한다. 또한, 패커 및 플러그에서의 과도한 압력에 의한 손상을 방지하기 위해, 실시간 압력 모니터링 시스템과 자동 차단 장치를 연계한 주입 제어 체계의 구축이 필요하다.
Table 5.
Risk level corresponding to each leakage scenario
한편, ‘Significant’ 리스크 등급으로 평가된 4개의 시나리오(튜빙 부식, 시멘트-암반 접촉면 열화, 시멘트-케이싱 접촉면의 열적 스트레스, 패커 및 플러그 부위의 시멘트 열화)는 장기적인 손상 축적이나 이산화탄소 주입 조건의 변화에 따라 ‘Intolerable’ 리스크 등급으로 전이될 가능성이 존재한다. 이에 따라, 보수적 리스크 관리 관점에서 장기적 운영을 위하여 주입정의 구조적 안전성을 확보하기 위한 실시간 모니터링 체계의 구축이 권장된다.
본 연구에서 도입한 리스크 관리 체계는 전문가 판단에 내재된 불확실성을 충분히 반영하기 어렵다는 한계를 지닌다. 특히, 메커니즘이 복잡하고 발생 사례나 정량적 데이터가 부족한 경우, 전문가 응답의 신뢰성은 제한될 수 있다. 실제로, 시추공과 같은 복합 시스템의 위험성 평가에서 이러한 문제점이 발생할 가능성이 지적된 바 있다(Larkin et al., 2019). 이러한 불확실성을 정량적으로 반영하기 위해, 향후에는 퍼지 집합론, 몬테카를로 시뮬레이션 등 불확실성 분석 기법을 통합한 리스크 관리 방안의 도입이 요구된다. 또한, 실내 실험 및 수치해석 결과와 함께 장기 모니터링을 통해 확보된 현장 데이터의 분석을 통해 이산화탄소 누출 경로 및 누출량을 규명함으로써, 리스크 평가 결과의 신뢰도를 지속적으로 향상시켜야 한다.
5. 결 론
본 연구에서는 이산화탄소 지중저장 과정에서 주입정을 통한 이산화탄소 누출에 대한 리스크 관리를 수행하였다. 먼저, 전문가 설문조사를 통해 잠재적 이산화탄소 누출 시나리오의 영향도와 발생확률을 평가하였으며, 리스크 매트릭스를 활용하여 각 시나리오의 리스크 등급을 결정하였다. 또한, 고위험 시나리오를 대상으로 사전 리스크 저감 조치를 수립하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
1. 화학적, 기계적, 열적, 수리적 측면에서 도출된 총 18개의 주입정 결함 원인과 6개의 누출 경로를 조합하여, 총 18개의 이산화탄소 누출 시나리오를 식별하였다. 리스크 분석 결과, 지표 또는 대기로 직접 확산이 가능한 경로를 통한 누출 시나리오가 상대적으로 높은 영향도를 나타냈다. 또한, 구조체의 전반적인 열화보다는 다른 재료 사이에 접촉 부분, 시공 품질 편차 등 이질 재료 경계면에서 누출 발생확률이 더 크게 평가되었다.
2. 튜빙 연결부 결함, 시멘트-케이싱 및 시멘트-암반 접촉면의 머드 채널 형성, 패커 및 플러그의 과도한 압력 작용은 사전 리스크 저감 조치가 필수적인 고위험 누출 시나리오로 평가되었다. 이에 따라, 고내식성 재료 개발, 이중 밀봉 구조 도입, 압력 제어 자동화 장치 등 기술적 대응 방안 마련이 요구된다.
3. 튜빙 부식, 시멘트-암반 접촉면 열화, 시멘트-케이싱 접촉면의 열적 스트레스, 패커 및 플러그 부위의 시멘트 열화에 대해서는 사전 리스크 저감 조치가 권장되므로, 주입정의 구조적 무결성 확보를 위한 실시간 모니터링 체계 구축을 제안하였다.
