공극률과 투수율 (Porosity and Permeability)

지구과학

한 줄 정의: 공극률은 암석이나 토양의 전체 부피 중 빈 공간이 차지하는 비율이고, 투수율은 그 공극이 서로 연결되어 유체를 통과시킬 수 있는 능력으로, 저류층과 대수층의 유체 저장·이동 특성을 결정하는 두 기본 물성이다.

쉽게 풀면

스펀지와 스티로폼은 둘 다 속에 빈 공간이 많지만, 스펀지는 물을 빨아들이고 스티로폼은 그렇지 않습니다. 빈 공간의 비율이 공극률이고, 그 공간이 서로 이어져 물이 지나갈 수 있는 정도가 투수율입니다. 점토는 공극률이 높아도 구멍이 너무 작고 막혀 있어 투수율이 낮고, 자갈은 공극률은 보통이지만 투수율이 매우 높습니다. 석유가 고이려면 공극률이, 석유를 뽑아내려면 투수율이 커야 합니다.

왜 중요한가

공극률과 투수율은 석유·가스 저류층 평가, 지하수 대수층 산출량, 이산화탄소 지중 저장 용량, 방사성 폐기물 처분장 안전성 평가 등에서 가장 기본적인 암석 물성입니다. 둘의 관계는 퇴적 조직과 속성작용 이력에 의해 결정되므로 퇴적학·저류층 지질학 연구의 핵심 주제가 됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"코어 분석 결과 저류층 사암의 평균 공극률은 18%, 투수율은 120mD로 양호한 저류 특성을 보였다."

시추 코어의 빈 공간 비율과 유체 통과 능력을 재 보니 석유를 담고 뽑아내기에 좋은 암석이라는 뜻이다.

"공극률-투수율 교차도에서 두 암상이 뚜렷이 구분되어 속성작용의 차이가 저류 특성을 지배함을 확인하였다."

두 값을 한 그래프에 그렸더니 암석 종류별로 뭉쳐 나타났고 퇴적 후 변화의 차이가 원인이라는 의미이다.

조금 더 깊게 보면

공극률은 전체 공극률과 연결된 공극만 세는 유효 공극률로 나뉘며, 퇴적 당시 형성된 일차 공극과 용해·균열로 나중에 생긴 이차 공극으로도 구분합니다. 투수율은 다르시 단위(1D ≈ 10⁻¹² m²)로 표현되는 매질 고유 성질이며, 코제니-카르만 식에 따라 공극률과 비표면적(입자 크기)의 함수로 근사됩니다. 같은 공극률이라도 입자가 작고 분급이 나쁘면 투수율은 급감하며, 균열 암반에서는 공극률이 1% 미만이어도 투수율이 매우 높을 수 있습니다. 측정은 헬륨 공극률계, 수은 압입법, 코어 투수시험, 검층 자료(밀도·중성자·NMR)로 이루어집니다.

주의할 점

공극률이 높다고 투수율이 반드시 높은 것은 아니며(점토가 대표적), 둘은 독립적으로 측정·보고해야 한다. 또 투수율(k, 매질 고유)과 수리전도도(K, 유체 성질 포함)를 구별해야 하며, 코어 규모 측정값이 저류층 규모 거동을 그대로 대표하지 않는다는 규모 효과도 유의해야 한다.