3D 지열 시스템 모델링

프로그램Tecplot
종류시뮬레이션


저는 멜린다 혼(Melinda Horne)으로, 뉴멕시코 광업기술대학(New Mexico Institute of Mining and Technology) 지구환경과학과에서 수리학 석사 과정 중에 연구하고 있습니다. 제 연구는 뉴멕시코 중남부에 위치한 지열 저장소를 분석하는 것입니다.

이 시스템은 제 지도교수인 마크 퍼슨(Mark Person) 박사에 의해 포트란(Fortran)으로 모델링되었습니다. 이 모델은 2차원 모델로, 지하수 흐름, 열 및 용질 운반, 그리고 구조적 진화와 석유 생성까지 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 지열 저장소는 지표에 표현이 없고, 하나의 지열 우물이 있으며, 해당 우물은 371m 깊이에서 99°C의 온도와 1900 mg/L의 총 용해 고형물을 기록하고 있습니다.

이 지열 저장소는 얕은 깊이에서 더 높은 온도를 보이는 온도 역전(Temperature Inversion) 현상을 특징으로 하는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 또 다른 독특한 점은 이 저장소가 세 개의 수리학적 배수 분수계와 묻힌 지질적 융기 지역의 교차점에 위치하고 있다는 것입니다. 우리는 이 시스템이 복잡한 3차원 흐름을 가진 정상 상태의 시스템일 것으로 믿고 있습니다.

그림 1. 지질 단위 할당이 있는 모델 도메인. 보라색은 뜨거운 지하수층이고 파란색은 차가운 지하수층입니다. 단위를 상쇄하는 밝은 파란색 선은 지열 유체 통로인 단층입니다.

그림 2. 밀도에 대한 비결합 온도 효과를 적용한 최적 열 수송 실행. 이는 10,000년의 흐름 후입니다. 입력 온도는 120C이고 플럭스는 200m/년입니다. 더 차가운 대수층은 온도가 30C이고 플럭스는 0.01m/년입니다.

온도 및 유량 결정

첫 번째 도전 과제는 지열 저장소와 지역 흐름 시스템의 유량과 온도를 결정하는 것이었습니다. 이를 위해 우리는 Tecplot 360을 사용하여 온도, 열 및 용질 농도 등고선을 포함한 2D 모델을 시각화했습니다. 그런 다음 지열 우물 위치에서 모델 출력을 통해 온도-깊이 프로파일을 추출하여 우물의 온도-깊이 데이터와 일치시켰습니다 (그림 3 참조).

그림 3: 데이터(녹색)를 최적 결합(빨간색) 및 비결합(보라색) 시뮬레이션과 비교합니다. 이는 결합 및 비결합 시뮬레이션이 결합된 온도 및 밀도 효과의 효과로 인한 혼합 증가로 인해 발생할 가능성이 가장 높은 다른 최적 결과를 갖는다는 것을 보여줍니다.

염도 결정

두 번째 도전 과제는 지열 상승 구역을 이미지화하고 시스템의 염도와 측면 범위를 결정하는 것이었습니다. 우리는 Tecplot 360에서 염도를 추출한 후, R을 사용하여 모델 염도를 형성 저항으로 변환하는 후처리를 진행했습니다. 이 2D 형성 저항도는 우리가 표면 전기 탐사를 통해 수집한 형성 저항 데이터(전위 변화 전자기학)와 비교하는 데 사용되었습니다. 수집된 데이터는 2D 도표로 제공되었으며, Tecplot 360에서 보간 및 등고선을 추가하여 시각화했습니다.

그림4. 모델 영역을 가로지르는 염도 등고선. 단층 기저부의 염도는 3,000 mg/L이며, 모델의 초기 조건에서 염도는 1,000 mg/L입니다.

그림 5. 모델 영역을 가로지르는 아르키 법칙(Archie's Law) 전기 저항도. 이는 염도를 추출하고 R에서 후처리한 후, 그 결과로 얻은 아르키 전기 저항 값을 Tecplot 360에 업로드하여 표시한 것입니다.


왜 Tecplot 360을 사용하는지

저는 약 2년 동안 Tecplot 360을 간헐적으로 사용해왔으며, 연구에 매우 유용한 기능들이 많았습니다. 특히 제 연구에서 도움이 된 기능들은 다음과 같습니다:

Tecplot 360은 사용이 매우 쉽고 직관적이며, 제 석사 연구에서 대체할 수 없는 도구였습니다.