| [미국] 천연 가스 누출로 인한 물의 오염
연구진은 우물물을 오염시키는 대부분 천연가스가 수압 파쇄(hydraulic fracturing)와 관련이 있지만, 많은 사람이 두려워할 정도의 수준은 아니다는 것을 강조하고 있다. 무엇보다, 이 문제는 우물 라이닝 접합이나 수압 파쇄 지점의 덮개에 대한 건설 표준을 향상시킨다면 고칠 수 있다. 오하이오 대학과 듀크 대학, 스탠포드, 다트머스, 그리고 로체스터 대학의 연구진은 메탄이 지구 아래를 따라 어떻게 이동하는지를 추적하는 지구 화학적 연구를 함께 수행하였다. 이 연구에는 펜실베니아와 텍사스에 있는 8개의 오염된 식수가 포함되어 있다고 연구진은 밝혔다. 이번 주 Proceeding of the National Academy of Sciences에 발표된 이들 연구에서, 그들은 천연가스 오염을 유발하는 것이 수평면 드릴인지, 아니면 셰일 광상의 수압 파쇄인지를 딱 집어 결정할 수는 없다고 말했다. “많은 경우에서, 높은 수준의 천연가스가 자연적으로 발생한다는 데에는 의심의 여지가 없지만, 이러한 오염이 인간의 잘못 때문이라는 명백한 증거 또한 있다. 그러나 우리 자료에 의하면, 오염이 발생하는 곳에는, 열악한 덮개 처리와 우물 내의 접합 결함이 있었다는 것을 알 수 있다”고 오하이오 주립대학 지구 과학부 조교수인 Thomas Darrah가 말했다.
수압 파쇄의 경우, 물은 지하수면 아래 매우 깊은 곳의 셰일을 깨고, 지하로 쏟아 오른다. 가스를 위로 전달하는 긴 수직 파이프는 가스가 우물을 따라 누출되는 것을 막기 위하여, 시멘트로 둘러싸여 있다. 이 연구는 대수층으로 누출된 천연가스가 우물에 사용되는 시멘트의 결함으로 말미암아 발생한다고 제안한다. “많은 누출이 천연가스가 시추공의 바깥으로 이동할 때 발생한다. 이는 대략 수천 피트 아래이며, 이는 식수용 대수층으로 직접 흘러들어 간다”라고 로체스터 대학 지구 화학부 교수인 Robert Poreda가 말했다. “이러한 결과로 말미암아, 메탄이 지하 깊은 곳에서 식수용 대수층으로 이동하는 것을 당국은 규제할 것으로 보인다. 왜냐하면, 수평면 드릴이나 수압 파쇄 등으로 인하여, 일부 사람들은 식수의 사용을 두려워하기 때문”이라고 듀크 대학의 Avner Vengosh 교수가 말했다. “이는 비교적 좋은 소식이다. 왜냐하면, 우리가 발견한 문제 대부분이 미래의 순수한 우물물 향상을 위해 잠재적으로 해결될 수 있기 때문”라고 Darrah가 말했다. “어떤 경우에는 집 소유자의 물이 시추로 말미암아 피해를 입을 수 있다. 텍사스에서, 우리는 두 가정집의 깨끗한 물이 우리의 표본 조사 후에 오염되는 것을 볼 수 있었다”고 스탠포드 및 듀크 대학의 환경 공학부 교수인 Robert B. Jackson이 말했다.
연구진이 메탄 오염의 원인을 추적하기 위하여 사용한 방법은 불활성 기체(이것은 메탄과 함께 우연히 누출되었다.)의 기본 물리에 의존한다. 헬륨이나 네온과 같은 것들을 불활성 기체라고 부르는데, 이는 그들이 다른 화학 물질과 많이 반응하지 않지만, 천연가스와는 혼합하여, 그것과 함께 전송될 수 있기 때문이다. 즉, 그것들이 지하로 배출되면, 그들은 도중에 발생할 수 있는 미생물 활성도나 화학적 반응에 방해받지 않고, 먼 거리를 흐를 수 있다는 뜻이다. 유일한 중요 변수는 원자 질량인데, 이는 불활성 기체가 천연가스와 함께 이동함에 따라, 그들의 비율이 어떻게 변하는지에 따라 결정된다. 이러한 속성은 연구진으로 하여금, 메탄의 원천과 그것이 식수용 대수층으로 전송되는 메커니즘을 결정할 수 있게끔 한다. 연구진은 자연적으로 발생한 메탄과 누출된 가스의 특징을 판별할 수 있는 능력을 갖게 되었다. 누출된 가스 대부분은 펜실베니아 마르셀루스 지역과 텍사스 바넷 셰일을 가로지르는 셰일 가스 드릴 구역으로부터 온것이다. 연구진은 2012년과 2013년, 이 지역의 물을 표본화하였다. 표본 지역에는 이전에 오염으로 인해 문제가 발생했던 우물이 포함되어 있다. 이 우물에는 자연적으로 높은 수준의 메탄과 염분이 함유되어 있는 것으로 알려졌다. 이러한 현상은 셰일 가스 광상이 가로 놓인 영역이나, 드릴 지역, 또는 1킬로미터 거리 밖에 위치한 우물에서도 동시에 발생하는 경향이 있었다.
수압 파쇄는 남아프리카나 아르헨티나, 중국, 폴란드, 스코틀랜드, 그리고 아일랜드 등을 포함한, 전 세계 국가들의 개발로 시작되었다. Darrah와 그의 연구진은 미국과 국제적으로 그들의 연구를 지속할 것이다. 연구진이 도입한 도구가 불활성 기체의 기본 물리에 의존하기 때문에, 그것을 어는 곳에든 적용할 수 있다. 연구진은 이 결과물이 우물의 순도를 향상시키는데 도움이 되기를 희망한다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 18일]
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Gas leaks from faulty wells linked to contamination in some groundwater
A study has pinpointed the likely source of most natural gas contamination in drinking-water wells associated with hydraulic fracturing, and it's not the source many people may have feared.
What's more, the problem may be fixable: improved construction standards for cement well linings and casings at hydraulic fracturing sites.
A team led by a researcher at The Ohio State University and composed of researchers at Duke, Stanford, Dartmouth, and the University of Rochester devised a new method of geochemical forensics to trace how methane migrates under the earth. The study identified eight clusters of contaminated drinking-water wells in Pennsylvania and Texas.
Most important among their findings, published this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences, is that neither horizontal drilling nor hydraulic fracturing of shale deposits seems to have caused any of the natural gas contamination.
"There is no question that in many instances elevated levels of natural gas are naturally occurring, but in a subset of cases, there is also clear evidence that there were human causes for the contamination," said study leader Thomas Darrah, assistant professor of earth sciences at Ohio State. "However our data suggests that where contamination occurs, it was caused by poor casing and cementing in the wells," Darrah said.
In hydraulic fracturing, water is pumped underground to break up shale at a depth far below the water table, he explained. The long vertical pipes that carry the resulting gas upward are encircled in cement to keep the natural gas from leaking out along the well. The study suggests that natural gas that has leaked into aquifers is the result of failures in the cement used in the well.
"Many of the leaks probably occur when natural gas travels up the outside of the borehole, potentially even thousands of feet, and is released directly into drinking-water aquifers" said Robert Poreda, professor of geochemistry at the University of Rochester.
"These results appear to rule out the migration of methane up into drinking water aquifers from depth because of horizontal drilling or hydraulic fracturing, as some people feared," said Avner Vengosh, professor of geochemistry and water quality at Duke.
"This is relatively good news because it means that most of the issues we have identified can potentially be avoided by future improvements in well integrity," Darrah said.
"In some cases homeowner's water has been harmed by drilling," said Robert B. Jackson, professor of environmental and earth sciences at Stanford and Duke. "In Texas, we even saw two homes go from clean to contaminated after our sampling began."
The method that the researchers used to track the source of methane contamination relies on the basic physics of the noble gases (which happen to leak out along with the methane). Noble gases such as helium and neon are so called because they don't react much with other chemicals, although they mix with natural gas and can be transported with it.
That means that when they are released underground, they can flow long distances without getting waylaid by microbial activity or chemical reactions along the way. The only important variable is the atomic mass, which determines how the ratios of noble gases change as they tag along with migrating natural gas. These properties allow the researchers to determine the source of fugitive methane and the mechanism by which it was transported into drinking water aquifers.
The researchers were able to distinguish between the signatures of naturally occurring methane and stray gas contamination from shale gas drill sites overlying the Marcellus shale in Pennsylvania and the Barnett shale in Texas.
The researchers sampled water from the sites in 2012 and 2013. Sampling sites included wells where contamination had been debated previously; wells known to have naturally high level of methane and salts, which tend to co-occur in areas overlying shale gas deposits; and wells located both within and beyond a one-kilometer distance from drill sites.
As hydraulic fracturing starts to develop around the globe, including countries South Africa, Argentina, China, Poland, Scotland, and Ireland, Darrah and his colleagues are continuing their work in the United States and internationally. And, since the method that the researchers employed relies on the basic physics of the noble gases, it can be employed anywhere. Their hope is that their findings can help highlight the necessity to improve well integrity.
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