KR102064554B1 - 지층의 공극률 및 화학적 구성성분 추정을 위한 존데 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데에 관한 것이다. 본 발명에 따른 존데는 하우징모듈, 중성자선원, 감마선검출기, 중성자검출기 및 차폐재모듈을 중요한 구성으로 포함한다. 본 발명에 따른 존데에서는 중요한 구성요소들의 재질, 크기, 설치위치 등을 다양하게 변경해가면서 실험을 수행할 수 있다. 이에 다양한 환경과 검층 목적에 따라 부품의 재질, 성능 및 위치선정을 최적화할 수 있어 매우 유용하게 활용될 수 있다. 특히 암석구성성분의 중요한 기술적 이슈는 암석과 화학성분별 표준 감마선 스펙트럼을 확보하는 것인데, 본 발명에 따른 존데는 매우 쉽게 다양한 실험을 가능케 하므로 데이터 확보와 표준화에 있어서 매우 유리하게 작용할 수 있다.
Description
본 발명은 지하의 물리적, 화학적 성질을 탐지하기 위한 물리탐사 및 물리검층 기술에 관한 것으로서, 특히 지층의 공극률 및 암석의 화학적 성분을 탐지하는데 사용하는 존데에 관한 기술이다.
물리검층(geophysical well logging)은 조사 대상이 되는 지층에 굴착한 시추공에 검층기(존데, sonde)를 삽입하여 온도, 압력, 밀도, 공극률, 수포화도, 전기비저항 등 암석의 물리적 성질을 파악하여 지층의 상태를 탐지하는 기술을 말한다. 이렇게 암석의 다양한 성질을 탐지하기 위하여 물리검층은 밀도검층, 전기비저항검층, 음파검층, 중성자검층 등 다양한 검층법으로 세분화된다.
물리검층은 석유의 매장량, 생산성 등을 파악하기 위한 것으로부터 출발하였지만, 현재에는 지하수, 이산화탄소 처분, 광물자원 탐사, 엔지니어링 분야 등으로 그 적용범위가 계속 확대되고 있다.
앞에서 설명한 것처럼 물리검층은 암석의 “물리적” 성질을 파악하는 기술이었지만, 최근에는 암석의 “화학적” 성질, 즉 암석의 화학적 성분을 파악하는 것으로 발전되고 있다. 이러한 검층법을 설명의 편의상 “암석구성성분검층”이라 한다.
암석구성성분검층은 존데(검층기)에 장착된 중성자선원에서 방출된 1795중성자가 지층의 구성 성분과 충돌하면서 발생되는 감마선을 디텍팅하여 지층의 화학적 구성 성분을 검층하는 방법을 말한다. 지층의 물리적 성질이 아니라 화학적 성분을 검층하는 방법으로서, 물리검층 기술에서 가장 최신의 기술이며 적용범위 역시 매우 넓다.
이러한 암석구성성분검층은 슐럼버져(Schlumberrger), 베이커 휴즈(Baker-Hughes), 할리버튼(Halliburton)과 같은 소수의 메이져 물리검층 회사에서만 독점적으로 활용하고 있다. 이러한 글로벌 물리검층 회사에서는 장비를 판매하지 않을 뿐만 아니라, 장비의 제원, 자료처리 알고리즘 등에 대해서 공개하지 않으며 단지 고가의 암석구성성분검층 서비스만 제공하고 있다.
즉, 암석구성성분검층과 관련하여 존데의 물리적 제원, 검층 메뉴얼, 검층자료의 해석 및 처리 알고리즘 등의 기술은 벤치마킹 대상이 없어 독자 개발에 많은 어려움이 따른다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 조건에 따라 다양한 변형이 가능하며, 암석구성성분 및 지층공극률을 함께 측정할 수 있는 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데는, 지각에 형성된 시추공의 공벽에 밀착설치되는 하우징모듈; 상기 하우징모듈 선단에 착탈가능하게 결합되어, 중성자를 방출하는 중성자선원; 상기 중성자선원으로부터 방출된 고속중성자가 지층과 반응하여 생성된 감마선을 감지하기 위한 것으로서, 상기 하우징모듈의 길이방향을 따라 이동가능하게 상기 하우징모듈에 결합되어 상기 중성자선원과의 거리가 조절가능한 감마선검출기; 상기 중성자선원으로부터 방출된 고속중성자가 지층과 반응하여 에너지를 잃은 후의 열중성자를 검출하기 위한 것으로서, 상기 하우징모듈에 결합되는 중성자검출기; 상기 중성자선원에서 방출된 고속중성자가 직접 상기 감마선검출기 및 중성자검출기로 향하는 것을 방지하도록 상기 하우징모듈에서 상기 중성자선원과 상기 감마선검출기 및 중성자검출기 사이에 설치되는 차폐재모듈; 및 상기 감마선검출기 및 중성자검출기에서 각각 감지한 감마선 신호 및 열중성자신호를 외부의 콘트롤러로 송신하도록 상기 하우징모듈에 결합되는 통신모듈;을 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명은 상기 중성자검출기는 상기 감마선검출기에 비하여 상기 중성자 선원으로부터의 거리가 같거나 더 짧게 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 예에서는 상기 중성자검출기는 상기 하우징모듈의 길이방향을 따라 이동가능하게 상기 하우징모듈에 결합되어 상기 중성자선원과의 거리가 조절가능하다.
본 발명의 일 예에서, 상기 하우징모듈은 스테인레스 소재의 외부 하우징과, 상기 외부 하우징에 삽입되며, 상기 감마선검출기 및 중성자검출기가 설치되는 내부 하우징을 포함하여 이루어진다. 특히 상기 외부 하우징은 복수의 분절이 상호 결합된 형태로 이루어져, 상기 분절의 개수에 따라 길이조절이 가능하다.
본 발명의 일 예에서, 상기 하우징모듈의 내측에는 길이방향을 따라 가이드레일이 설치되고, 상기 감마선검출기 및 중성자검출기는 상기 가이드레일에 장착되어 길이방향으로 이동가능하다.
본 발명에 따른 지층의 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데는 감마선검출기와 중성자검출기를 함께 사용함으로써, 기존에 두 개의 검층을 별도로 진행하는 것과 달리 검층 공정이 수월해지며, 감마선과 중성자 검출을 통해 지층 내부의 구성성분 및 탐사대상이 되는 에너지자원을 보다 신뢰성있게 탐지할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명에 따르면, 하우징모듈의 재질과 길이, 중성자선원의 종류, 감마선검출기와 중성자검출기의 종류 및 설치위치, 차폐재의 종류, 크기, 두께 등을 자유롭게 가변할 수 있어, 검층 조건에 최적화된 존데를 사용할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데가 공벽에 설치된 모습을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 화학적 성분 검층 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데의 개략적 분리사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데의 개략적 종단면도이다.
도 6 및 도 7은 중성자선원의 종류를 선정하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 8 내지 도 10은 감마선검출기의 종류, 크기 및 위치를 선정하기 위한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12는 차폐재의 종류 및 두께에 따른 중성자와 감마선의 선속을 나타낸 것이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2 및 도 3은 화학적 성분 검층 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데의 개략적 분리사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데의 개략적 종단면도이다.
도 6 및 도 7은 중성자선원의 종류를 선정하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 8 내지 도 10은 감마선검출기의 종류, 크기 및 위치를 선정하기 위한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12는 차폐재의 종류 및 두께에 따른 중성자와 감마선의 선속을 나타낸 것이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명은 지층 공그률 및 화학적 성분 검층 존데에 관한 것이다. 여기서 "화학적 성분 검층"과 "암석구성성분 검층"은 동일한 개념으로 혼용되어 사용할 수 있다는 점을 미리 밝힌다.
본 발명은 지층 화학적 성분 검층(암석구성성분 검층) 개발용 존데 플랫폼을 만드는 과정에서 도출된 것이다. 즉 종래기술에서도 설명한 바와 같이 암석구성성분 검층 존데는 그 기술적 사항이 거의 공개되어 있지 않고 소소의 기업에만 독점되어 있는 상황에서 암석구성성분 검층 존데를 개발하려면 다양한 실험이 필요하였다. 이에 본 발명의 연구진은 다양한 조건으로 실험을 수행할 수 있는 존데 플랫폼을 개발하였고, 이 플랫폼이 그 자체로서 우수한 존데로서 사용될 수 있음을 확인하였다.
더 나아가, 암석구성성분 검층은 필수적으로 중성자 선원을 사용하며, 이에 중성자 검층을 동시에 수행하여, 한 번의 검층으로 화학적 성분검층 및 중성자검층이 가능한 존데를 개발하기에 이르렀다. 화학적 성분검층 결과와 중성자검층의 결과를 통해 공극률을 포함한 지층의 상태 및 화학적 성분을 보다 정밀하게 검층할 수 있을 것이다.
본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서 도 1을 참고하여 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데에 대하여 개략적으로 소개한다.
도 1을 참고하면, 지층 공극률 및 화학적 성분 검층은 조사대상이 되는 지반(g)에 시추공(h)을 굴착한 후, 존데(9, sonde)를 케이블(8)을 통해 윈치(미도시)에 매달아서 시추공(h)에 삽입한다. 존데(9)가 조사대상이 되는 심도에 도달하면, 존데(9)를 시추공벽에 밀착시켜서 검층을 수행한다.
존데(9)의 하단에 배치된 중성자선원(1)에서는 높은 에너지의 고속중성자(fast neutron)가 방사된다. 도 2를 참고하면, 고속중성자는 지층과 반응하면서 빠른 속도로 에너지를 상실하고 열중성자 영역(thermal energy level)으로 감속된다. 이 때, 고속중성자가 방사된 후 에너지가 약 1MeV 이하로 떨어지기 전(마이크로초 이내) 까지는는 지층과 비탄성산란(inelastic scattering) 상호 작용을 한다. 즉 고속중성자는 지층 내 물질의 원자핵(nucleus)과 충돌하여 원자핵을 여기시키고, 여기된 원자핵이 원래 상태로 복원되면서 비탄성산란감마선을 방출하게 된다. 반면, 중성자가 에너지를 더 상실하여 0.025eV 수준으로 떨어져 열중성자(thermal neutron)가 되면, 열중성자는 도 2에 도시된 바와 같이 지층 내 물질의 원자핵에 흡수되어 버리는 중성자포획(neutron capture) 현상이 나타난다. 중성자가 원자핵에 포획되는 과정에서 원자핵은 여기되었다가 복원되는 과정에서 포획감마선(capture gamma ray)을 방출하게 된다.
중성자와의 상호작용에 의하여 지층에서 방출된 비탄성산란감마선 및 포획감마선은 도 1의 화살표(a)와 같이 존데(9)의 감마선검출기(2)에서 측정된다.
감마선검출기(2)에서는 측정된 감마선의 스펙트럼을 구현하고, 이 스펙트럼을 각 화학원소의 고유한 성질인 표준스펙트럼(elemental standard spectrum)과 비교하여 지층의 암석 구성 성분을 파악할 수 있다.
각 원소의 표준스펙트럼은 표준으로 정해진 것은 아니며 각각 별도의 실험을 통해서 획득한다. 예컨대, 실리콘의 표준스펙트럼은 순수 사암(SiO2)으로 이루어진 모형 지층 블록을 만든 후 중성자 방출 및 감마선 검출을 통해 실험적으로 획득할 수 있다. 마찬가지로, 칼슘의 표준스펙터럼은 순수 석회암(CaCO3)으로 이루어진 모형 지층 블록을 만들어서 실험을 통해 얻을 수 있다. 또한 수소, 탄소 및 산소의 표준스펙트럼은 물로 채워진 탱크에서 실험을 하거나 오일(CnHm)로 채워진 탱크에서 실험을 통해 얻을 수 있다. 즉 원소의 표준스펙트럼은 별도로 정해진 것이 아니라, 이미 구성성분을 알고 있는 암석블럭을 이용하여 실험을 수행하여 데이터화한다. 다양한 원소, 암석블럭에 대한 실험을 통해 도 3에 도시된 바와 같은 표준 데이터 베이스를 확보한다. 다만 이러한 표준스펙트럼 역시 중성자선원이나 검출기의 종류에 따라 다르게 나타나기 때문에, 원소 고유의 스펙트럼이라기 보다는 중성자선원이나 검출기 등 특정한 존데에서 얻어지는 스펙트럼이라고 보는 것이 보다 정확하다. 따라서 존데의 구성부품이나 성질에 따라 표준스펙트럼이 서로 다르게 나타나며, 제조사별로 이러한 표준스펙트럼을 별도로 데이터베이스화 하여 사용하게 된다.
그리고 실제 지층에서 암석구성성분검층을 통해 감마선 스펙트럼을 획득한 후, 표준 데이터와 비교분석하여 지층의 구성성분을 파악하는 것이 암석구성성분검층의 기본적 원리이다.
한편, 지층 공극률 검층은 중성자 검층에 주로 의존한다. 중성자 선원에서 방사된 중성자는 앞에서 언급한 바와 같이 지층 내 물질의 원자핵과 충돌하며 에너지를 잃게 되는데, 충돌할 때의 에너지 손실 양은 중성자가 충돌하는 핵의 상대적 질량에 따라 좌우된다. 즉 중성자와 비슷한 질량의 핵(수소의 원자핵)과 충돌할 때 주로 에너지를 잃게 된다. 원자번호가 큰 원소의 핵은 원자핵이 무겁기 때문에 중성자가 충돌하여도 중성자의 속도 및 에너지 소실에 영향을 주지 않는다. 따라서 지층 내 공극에 수소 성분 예컨대 물(H2O)이나 오일(CnHm)이 많은 경우 중성자 검층을 통해 쉽게 탐지할 수 있다. 지층에 물이나 오일이 많으면 고속중성자는 선원 주변의 지층에서 빠르게 열중성자로 변환되어 존데에 설치된 중성자검출기(3)에서 검출되지만, 물이나 오일이 없는 경우라면 선원으로부터 멀리 떨어진 지점까지 이동해서야 비로소 열중성자로 변환되거나 중성자 포획된다. 이에 중성자검출기와 선원 사이의 거리를 조절하여 중성자검층을 수행하면 지층 내 공극률(물이나 오일로 포화)을 탐지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 화학적 성분 검층은 주로 지층의 구성 원소를 탐지하기 위한 것이며, 중성자 검층은 주로 지층의 공극률을 탐지하기 위한 것이다. 기존에는 두 개의 검층이 별도로 각각 수행되었지만, 본 발명에서는 한 번의 검층으로 두 가지 사항을 모두 탐지할 수 있다는 이점이 있다.
다만, 중성자검출기와 감마선검출기를 함께 존데에 설치했을 때, 검층의 신뢰성과 효율을 높이기 위한 최적화 방안이 문제된다. 각 검출기와 중성자 선원 사이의 거리, 두 개의 검출기 사이의 거리, 차페재의 종류와 두께 등을 어떻게 설정해야 할지 문제될 수 있다. 특히 화학적 성분 검층은 물리검층에서 가장 최신의 기술로서 석유/자원 탐사/개발 서비스를 하는 소수의 글로벌 기업에서만 자체적으로 개발하여 사용하고 있다. 존데의 설계사항은 물론, 원소의 표준스펙트럼 데이터도 자체적으로만 확보하여 사용하고 있으며, 외부에 공개하지 않는다. 이에 후발주자는 암석구성성분검층 기술 개발에서 벤치마킹의 대상이 없고 순수하게 자체 개발에 의존해야만 한다.
이에 본 발명에서는 중성자검층과 화학적 성분 검층을 동시에 수행하기 위한 존데를 개발하면서, 다양한 조건과 환경에서 부품들의 최적화가 가능하도록 검출기의 위치나 차폐재의 두께 등을 다양하게 가변화할 수 있는 존데를 개발하였다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데(이하, '복합 존데'라고 함)에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 존데(100)의 개략적 분리사시도이고, 도 5는 개략적 종단면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 복합 존데(100)는 하우징모듈(30), 중성자선원(40), 감마선검출기(50), 차폐재모듈(60), 통신모듈(70) 및 중성자검출기(80)를 구비한다.
하우징모듈(10)은 복합 존데(100)의 본체로서 시추공벽에 밀착설치되는 것인데, 외부하우징(20)과 내부하우징(30)을 구비한다. 외부하우징(20)은 원통형으로 길게 형성된다. 본 발명에서 외부하우징(20)은 복수의 분절(21)로 이루어져 조립되는 분절(21)의 개수에 따라 복합 존데의 길이를 가변할 수 있다는 특징이 있다. 분절(21) 사이의 결합은 다양한 방법으로 가능한데, 예컨대 분절의 양단에는 나사산이 형성되어 있어 분절들은 상호 나사결합될 수 있다. 외부하우징(20)의 후단에는 캡(22)이 결합되어 외부하우징(20) 내부를 밀폐시킨다. 캡(22)에는 전원선, 통신선 등이 통과될 수 있는 관통공이 형성될 수 있다. 또한 윈치 케이블이 연결된다. 외부하우징(20)은 스테인레스로 제조될 수 있으며, 대략 1~5mm 두께로 조절될 수 있다. 후술할 감마선검출기(50)와 중성자검출기(80)는 외부하우징(20) 내측에 장착되기 때문에, 외부하우징(20)의 두께는 감마선 및 중성자가 가장 적게 차폐될 수 있도록 해야 한다. 다만, 복합 존데는 지하 심부에 배치되기 때문에 두께가 너무 얇으면 내압성 및 내온성이 떨어져서 바람직하지 않다. 본 발명에서는 실험을 통해 감마선 차폐의 최소화 및 내압성을 고려하여 1~5mm의 두께를 제안하게 되었으며, 특히 1mm의 두께를 가지는 것이 감마선 차폐 최소화에 가장 적합한 것을 확인하였다. 또한 중성자 차폐 최소화에서도 1mm 두께가 가장 효과적이라고 확인하였다. 재질의 측면에서는 중성자의 경우 스테인레스 316L이 가장 효과적이며, 감마선은 스테인레스 401이 가장 효과적인 것으로 파악되었다. 따라서 검층의 주된 목적에 따라 외부하우징(20)은 1mm 두께의 스테인레스 401 또는 316L로 제조할 수 있다.
내부하우징(30)은 외부하우징(20) 내측에 삽입 설치되며, 후술하는 각종 구성부품들이 장착되는 곳이다. 본 실시예에서 내부하우징(30)은 종단면이 반원형 또는 호형으로 형성된다.
내부하우징(30)의 중앙부에는 감마선검출기(50)와 중성자검출기(80)가 장착된다. 감마선검출기(50)와 중성자검출기(80)의 위치, 보다 명확하게 말하면 중성자선원(40)과의 이격 거리는 매우 중요한 요소이다. 즉 지층의 구성성분이나 선원의 종류, 검출기의 종류 등에 따라 지층과 반응한 후 되돌아오는 감마선 및 중성자가 집중되는 위치가 달라질 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 복합 존데(100)는 다양한 조건과 환경에서 감마선 검출기의 최적 위치를 설정할 수 있도록 감마선검출기(50)의 설치위치가 가변될 수 있게 하였다. 설치위치 가변구조는 다양하게 채택할 수 있는데, 본 실시예에서는 내부하우징(30)의 내주면 양측에 길이방향을 따라 가이드레일(31)을 설치하고, 감마선검출기(50)는 가이드레일(31)에 끼워져 슬라이딩될 수 있도록 하였다. 가이드레일(31)은 대략 1m 정도의 길이로, 중성자선원과 감마선검출기 사이의 거리가 20~120cm 정도에서 변화시킬 수 있도록 하였다. 위치가 정해지면 나사 등을 이용해 감마선검출기(50)를 고정시킬 수 있다.
중성자 검출기(80) 역시 감마선검출기(50)와 마찬가지로 존데의 길이방향을 따라 위치가 가변될 수 있도록 하였다. 위에서 설명한 가이드레일(31)을 더 길게 설치하고 가이드레일(31)에 중성자검출기(80)와 감마선검출기(50)를 함께 설치할 수 있다. 배치 순서는 중성자선원(40)으로부터 중성자검출기(80)가 감마선검출기(50)보다 더 가깝게 설치한다. 물론 검출기의 위치를 서로 교대할 수도 있다. 지층에 물이나 오일 등 수소 성분이 많은 경우 중성자는 선원으로부터 가까운 거리의 지층에서 열중성자로 변하여 탐지되므로 중성자검출기가 선원에 가까운 것이 유리하다. 반면에 물이나 오일이 빈약한 지층의 경우라면 선원으로부터 먼 거리에서 열중성자가 탐지되므로 중성자검출기를 감마선검출기보다 뒤에 배치하는 것이 유리하다. 즉 탐사 대상이 되는 지층의 조건과 탐사목적에 따라 두 개의 검출기 사이의 배치 순서, 중선자 선원과의 거리 등을 조절할 수 있다.
내부하우징(30)의 선단부는 차폐재모듈(60)이 설치되는 곳이다. 상대적 위치로 본다면 중성자선원(40)과 두 개의 검출기(50,80) 사이이다. 이 부분에는 일정 간격으로 오목하게 절개홈부(32)가 형성되어 있다. 절개홈부(32)는 차폐재의 두께를 조절하기 위한 것으로서, 차폐재모듈을 설명할 때 다시 설명하기로 한다.
중성자선원(40)은 중성자를 지층으로 방사하는 것으로서 하우징모듈(10)의 선단에 장착된다. 본 실시예에서 중성자선원(40)의 후단에는 나사산이 형성되어 있어, 하우징모듈(10)의 선단에 형성된 나사산과 상호 나사결합될 수 있다. 물론 나사결합 이외에 다양한 착탈구조를 통해, 중성자선원(40)을 하우징모듈(10)에 탈부착시킬 수 있다. 다양한 지층 조건에 따라 최적의 중성자선원을 선택하기 위해서는 다양한 선원에 대한 실험이 필요하므로 중성자선원을 하우징모듈에 탈부착할 수 있도록 하였다.
이렇게 다양한 중성자선원을 탈부착 가능하게 함으로써 본 발명에 따른 복합 존데를 이용하여 화학선원과 PNG(Pulsed Neutron Generator) 선원을 장착하여 실험을 수행할 수 있었다. PNG 선원은 펄스를 인가하는 경우에만 중성자가 방사되도록 조절가능한 선원이며, 화학선원은 핵분열 등 자체 반응을 통해 지속적으로 중성자를 방출한다. 화학선원으로는 아메리슘-베릴륨Am-Be) 선원을 사용하였다. 참고로 PNG 선원의 경우 제어를 위한 전자부품, 전원 및 케이블이 요청되는데, 중성자를 직접 방출하는 선원부만 외부에 탈부착되고, 전원, 케이블 등은 하우징 모듈 내에 설치된다.
참고로 Am-Be 선원을 사용한 실험 결과와, PNG 선원을 사용한 실험 결과를 도 6 및 도 7에 도시하였다. 도 6 및 도 7을 참고하면, 실험은 사암(sandstone) 블록에서 진행하였고, 중성자선원과 감마선검출기 사이의 거리는 60cm로 설정하였다. 총감마선 선속량(1/cm2)은 D-T PNG 선원은 4.79E-05이고, Am-Be 선원이 3.45E-05로서 PNG 선원이 더 높았고, 포획감마선 선속량은 화학선원이 더 높았다. 실험결과 자체가 중요한 것은 아니며, 오히려 본 발명에 따른 복합 존데(100)를 이용하면 검층 조건에 따라 중성자선원을 최적화할 수 있다.
감마선검출기(50)는 중성자와의 상호 작용을 통해 지층에서 방사되는 감마선(포획감마선 및 비탄성산란감마선)을 검출하기 위한 것이다. 감마선검출기(50)의 양측에는 하우징모듈(10)의 가이드레일(31)에 끼워질 수 있는 슬릿(51)이 형성되어 있다. 감마선검출기(50)는 가이드레일(31)에 끼워져 슬라이딩되어 위치를 가변시킬 수 있으며, 위치가 정해지면 나사 등에 의하여 고정될 수 있다.중성자검출기(80) 역시 감마선검출기와 마찬가지의 구조로 슬릿(81)이 형성되어 가이드레일(31)에 끼워져 슬라이딩될 수 있으며, 나사에 의하여 고정될 수 있다. 중성자검출기로는 주로 헬륨튜브(helium tube)를 사용할 수 있다.
본 발명에서 중요한 점은 두 개의 검출기(50,0)가 하우징모듈(10)에 탈부착되어 교체가 가능하며, 하우징모듈 내에서 위치이동 가능하다는 점이다. 본 실시예에서는 가이드레일 및 슬릿 구조를 통해 위치이동 하지만, 이외에도 다양한 위치이동 구조를 선택할 수 있다. 감마선검출기는 무기섬광체나 유기섬광체를 섬광물질로 사용하는 신틸레이터(scintillator) 또는 게르마늄을 사용하는 반도체 방식이 있다. 무기섬광체로는 NaI, LaBr3, BGO(bismuth germanate), GSO(gadolinium oxyorthosilicate) 등을 사용할 수 있다. 특히 본 발명을 이용하여 섬광물질을 변경하면서 다양하게 실험을 수행할 수 있었다. 참고로 실험결과는 도 8 내지 도 10에 소개하였다. 도 8 내지 도 10은 감마선검출기의 종류, 크기 및 위치를 선정하기 위한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 8을 참고하면, 위의 4종류의 감마선검출기를 중성자선원과 50cm 간격으로 놓고 사암 블록에서 실험하였으며, 검출기 종류별 감마선 스펙트럼을 확인하였다. 실험 결과 감마선 선속 스펙트럼과 가장 유사한 스펙트럼을 보인 검출기는 BGO를 섬광물질로 사용한 신틸레이터 검출기였다.
도 9는 셰일, 사암, 석회암, 현무암, 화강암 환경에서 검출기의 위치를 달리하여 실리콘과 칼슘의 포획 감마선을 측정한 결과이다. 실리콘의 경우 감마선검출기가 중성자선원과 50cm 거리에 있을 때, 칼슘의 경우 40cm 간격에 있을 때 포획 감마선이 높게 측정되었다.
도 10을 참고하면, 도 8의 실험결과에서 가장 우수한 것으로 판단된 실린더형 BGO 검출기의 길이를 2~6inch 범위에서 변경(직경은 하우징모듈에 맞게 고정)하여 실험한 것이다. 중성자선원과의 거리는 40cm와 50cm로 나누어 실험하였다. 실리콘과 칼슘의 포획감마선 측정결과 감마선검출기의 길이는 6inch일 때 가장 우수한 것으로 확인하였다.
본 발명에 따른 복합 존데(100)를 이용하면 위에서 설명한 바와 같이 감마선검출기의 종류, 길이, 중성자선원과의 거리 등 조건을 다양하게 변경하여 적용할 수 있다는 이점이 있다. 벤치마킹의 대상이 없는 상황에서 암석구성성분검층 존데를 개발하기 위해서는 다양한 실험이 필요한데, 실험을 할 때마다 존데를 새로 제작할 수 없다. 본 발명에 따른 복합 존데를 사용하면 다양한 실험을 하나의 장비에 의하여 수행할 수 있다는 이점이 있으며, 그 결과 존데의 조건별 최적 설계가 가능해진다.
차폐재모듈(60)은 하우징모듈(10)에 설치되며, 중성자선원(40)과 중성자검출기(80) 사이에 배치된다. 차폐재모듈은 중성자선원으로부터 방출된 중성자가 직접 두 개의 검출기(50,80)로 입사되는 것을 방지하기 위한 것이다. 복합 존데에서 차폐재는 어떤 종류를 쓸 것인지, 그리고 두께를 어떻게 설정할지가 매우 중요하다.
차폐재는 중성자 흡수재와 중성자 산란재로 나눌 수 있는데, 중성자 흡수재는 붕소, 천연보론, 붕소함유폴리에틸렌 등이 있고, 중성자 산란재로는 주로 텅스텐이 사용된다. 본 발명에서는 차폐재의 두께를 가변할 수 있는 구조를 채택하여 다양한 적용을 가능케 하였다.
본 예에서 차폐재는 복수의 차폐재디스크(61)를 적층하여 사용한다. 차폐재디스크(61)의 개수에 따라 차폐재의 두께가 달라진다. 도 5를 참고하면, 차페재모듈(60)은 3개의 차폐재디스크(61)를 일렬로 적층한 후, 그 양단 또는 후단에만 스토퍼(62)를 끼워 위치를 고정한다. 스토퍼(62) 역시 얇은 디스크 형태로 제조되어 내부하우징(30)의 절개홈부(32)에 끼워질 수 있다. 절개홈부(32)가 내부하우징(30)의 길이방향을 따라 복수로 형성되어 있는 바, 차폐디스크(61)의 개수에 따라 스토퍼(62)를 절개홈부(32)에 끼워 넣어 차폐재디스크(61)의 상하 이동을 방지할 수 있다. 본 실시예에서는 절개홈부(32)와 스토퍼(62)를 이용하여 차폐재디스크(61)를 고정하였지만, 차폐재디스크(61)를 내부하우징에 고정하는 다양한 방식을 채용할 수 있다. 본 발명에서 중요한 점은 차폐재를 복수의 디스크 형태로 제조하여 차폐재 전체의 두께를 조절할 수 있다는 점에 있다.
차폐재의 종류와 두께를 변경하면서 실시한 실험 결과를 도 11 및 도 12에 나타내었다. 도 11 및 도 12는 차폐재의 종류 및 두께에 따른 중성자와 감마선의 선속을 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12의 결과를 참고하면, 보론 등 중성자를 흡수하는 차폐재에 비하여 중성자를 산란시키는 텅스텐 차폐재가 중성자 차폐재보다 효과적이라는 결과를 얻었으며, 차폐재의 두께는 최소 20cm 이상이 되어야 한다는 결과를 얻을 수 있었다. 본 발명에 따라 다양한 차폐재 및 그 두께에 따라 실험을 수행하여 최적 차폐 설계가 가능하다.
마지막으로 복합 존데(100)는 자료처리모듈(미도시)과 통신모듈(70)을 구비한다. 두 개의 모듈은 모두 하우징모듈(10)에 장착된다. 자료처리모듈은 감마선검출기(50)에서 측정된 신호를 증폭하는 등의 자료처리를 통해 확보한 데이터를 저장한다. 또는 자료처리모듈에서 데이터처리 없이 로데이터만을 기록할 수도 있다. 통신모듈(70)은 자료처리모듈에서 확보한 데이터를 유무선 통신망을 통해 외부의 콘트롤러로 송출한다.
상기한 구성으로 이루어진 복합 존데(100)를 이용하면 앞에서 설명한 바와 같이, 하우징모듈의 길이, 중성자선원의 종류, 감마선검출기 및 중성자검출기의 종류와 위치, 차폐재 모듈의 재질과 두께를 자유롭게 변화시키면서 다양하게 적용할 수 있다. 본 발명이 존데에 관한 것이지만, 구성요소들을 자유롭게 변경가능하므로 다양한 실험에 사용될 수 있는 바 훌륭한 실험장치로서 기능할 수 있다. 특히 암석구성성분검층은 각각의 암석별로 중성자와 반응하여 발생되는 감마선에 대한 많은 양의 데이터를 수집하고, 이를 표준화하여 신뢰성을 높이는 것이 가장 중요한 기술적 이슈이다. 이에 다양한 조건으로 실험을 수행할 수 있는 복합 존데는 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 중성자검출기와 감마선검출기를 순차적으로 배치하는 것이 아니라, 두 개의 검출기능이 모두 포함되어 있는 하나의 복합 검출기를 사용할 수도 있다는 점을 첨언한다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
100 …지층 공극률 및 화학적 성분 검층 존데
10 …하우징모듈, 20 …외부하우징
30 …내부하우징, 40 …중성자선원
50 …감마선검출기, 60 …차폐재모듈
70 …통신모듈, 80 ... 중성자검출기
10 …하우징모듈, 20 …외부하우징
30 …내부하우징, 40 …중성자선원
50 …감마선검출기, 60 …차폐재모듈
70 …통신모듈, 80 ... 중성자검출기
Claims (6)
- 지층의 화학적 구성성분을 파악하기 위한 것으로서,
지각에 형성된 시추공의 공벽에 밀착설치되는 하우징모듈;
상기 하우징모듈 선단에 착탈가능하게 결합되어, 중성자를 방출하는 중성자선원;
상기 중성자선원으로부터 방출된 고속중성자가 지층과 반응하여 생성된 감마선을 감지하기 위한 것으로서, 상기 하우징모듈의 길이방향을 따라 이동가능하게 상기 하우징모듈에 결합되어 상기 중성자선원과의 거리가 조절가능한 감마선검출기;
상기 중성자선원으로부터 방출된 고속중성자가 지층과 반응하여 에너지를 잃은 후의 열중성자를 검출하기 위한 것으로서, 상기 하우징모듈에 결합되는 중성자검출기;
상기 중성자선원에서 방출된 고속중성자가 직접 상기 감마선검출기 및 중성자검출기로 향하는 것을 방지하도록 상기 하우징모듈에서 상기 중성자선원과 상기 감마선검출기 및 중성자검출기 사이에 설치되는 차폐재모듈; 및
상기 감마선검출기 및 중성자검출기에서 각각 감지한 감마선 신호 및 열중성자신호를 외부의 콘트롤러로 송신하도록 상기 하우징모듈에 결합되는 통신모듈;을 구비하며,
상기 중성자검출기는 상기 하우징모듈의 길이방향을 따라 이동가능하게 상기 하우징모듈에 결합되어 상기 중성자선원과의 거리가 조절가능하고,
외부 하우징은 복수의 분절이 상호 결합된 형태로 이루어져, 상기 분절의 개수에 따라 길이조절이 가능하고,
상기 감마선검출기는 지층과 반응하여 생성된 감마선을 측정하여, 감마선의 스펙트럼을 구현하고 상기 스펙트럼을 화학원소의 표준스펙트럼과 비교하여 지층의 화학적 구성 성분을 파악가능한 것을 특징으로 하는 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데. - 제1항에 있어서,
상기 중성자검출기는 상기 감마선검출기에 비하여 상기 중성자 선원으로부터의 거리가 같거나 더 짧게 설치되는 것을 특징으로 하는 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하우징모듈은 스테인레스 소재의 외부 하우징과, 상기 외부 하우징에 삽입되며, 상기 감마선검출기 및 중성자검출기가 설치되는 내부 하우징을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하우징모듈의 내측에는 길이방향을 따라 가이드레일이 설치되고, 상기 감마선검출기 및 중성자검출기는 상기 가이드레일에 장착되어 길이방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 지층 공극률 및 화학적 구성성분 검층 존데.
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