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문제 정의
- 본 논문의 목적은 화강암 전단대를 포함하는 두 개의 시추공에서 획득한 고해상 탄성파 자료로부터 시추공 간 탄성 파속도 토모그램을 도출하고 시추공에서 측정한 전단대의 투수율과 탄성파 속도를 비교, 분석함으로써 탄성파 속도 정보가 시추공 간 영역의 투수율 분포 규명에 유용한 기초자료가 될 수 있는지 여부를 고찰한 사례연구이다. 본 시추공 간 탄성파 자료의 특징은 일반적인 지반조사나 저류층 조사에 적용한 자료에 비하여 시간/공간적으로 매우 고해상 자료이다.
- 본 연구는 시추공에서 측정한 암석의 투수율 정보와 시추공간 토모그래피에 의한 탄성파 속도와의 상관분석을 통하여 암석의 투수율 분포 특성 규명에의 적용성을 고찰한 사례연구이다. 본 연구에서 사용한 자료는 화강암 지대에서 획득한 고해상 시추공 간 탄성파자료이다.
제안 방법
- 관찰할 수 있다. Fig. 4에 표시된 단면을 균일격자 (10×10 cm) 모델로 설정하여 주시토모그래피를 실시하여 탄성파 속도 토모그램을 도출하였다. Fig.
- 공대공 탄성파 자료를 사용하여 매질의 탄성파 속도분포를 분석하기 위하여 모든 기록의 초동을 발췌하고 이로부터 시추공 간 탄성파 속도 토모그램을 작성하였다. 초동발췌와 토모그래피 작성에는 EZTOMO(최재경, 이두성, 2004) 소프트웨어를 사용하였다.
- 단순한 대역필터 대신 원시기록 중 송신원 주파수 대역에 있는 주파수 성분만 필터링 하기위하여 원시기록(Fig. 5a) 과송신원 신호(Fig. 3)와 상호상관 (cross-correlation)하였다 (Fig. 6). 여기서 보면 초동 부근의 잡음이 현저하게 감소되고 초동신호의 피크가 대부분의 트레이스(trace)에서 일관되게 형성되고 있어서 초동발췌에 양호한 상태임을 알 수 있다.
- 두 개의 시추공에서 획득한 화강암 내의 전단대 정보로부터 시추공 간 영역의 전단대 특성큐명을 위한 탄성파 속도영상의 효용성을 검토하고자 시추공 간 탄성파 토모그래피를 실시하였다. 초동인식 과정에서 초동발췌 오차를 줄이기 위한 전처리과정으로서 송신신호와의 상호상관을 적용하였다.
- 따라서 투수율이라 함은 암석의 고유물성이며 수리전도도는 동일 암석에서도 유체의 물성에 따라다를 수 있다. 본 논문에서는 암석물성으로 투수율 용어를 사용하기로 한다.
- 시추공 투수율 자료와 탄성파 속도영상에 표출된 속도분포를 대비, 분석하여 전단대와 저속도 이상대와의 상관관계를 도출하였다. 이를 위해 고해상 탄성파 속도영상을 도출하고 시추공에서 확인된 전단대와 탄성파 토모그램에서의 탄성파 속도변화를 대비함으로써 전단대의 연장성 및 공간적 분포 특성에 대한 해석을 시도하였다.
- 이를 위해 고해상 탄성파 속도영상을 도출하고 시추공에서 확인된 전단대와 탄성파 토모그램에서의 탄성파 속도변화를 대비함으로써 전단대의 연장성 및 공간적 분포 특성에 대한 해석을 시도하였다.
- 수 있다. 전단대의 균열특성과 탄성파 속도와의 관계를 분석하기 위하여 초동을 사용한 구간별 탄성파 속도를 산출하였다. 신선한 암반구간에 위치한 송신원 T-3, T-4, T-5, 와 T-6에서 발생한 탄성파가 수신점 R-2-R-12 구간에 도착한 시간을사용한 구간별 평균속도를 Fig.
- 초동인식 과정에서 초동발췌 오차를 줄이기 위한 전처리과정으로서 송신신호와의 상호상관을 적용하였다.
대상 데이터
- Seismic and hydraulic experiments are conducted in two boreholes, GAM98-02 and TPF95-01. For the crosswell experiment, the sources are located in well TPF95-01 (T-l ~ T-24), and the receivers are deployed in the GAM98-02 well (R-l ~R-24).
- 두 개의 시추공 GAM98-02와 TPF95-01 에서 투수율 및 시추공 간 탄성파 실험이 수행되었다(Fig. 2). 시추공 간 탄성파실험은 GAM98-02를 수신공, TPF95-01 을 송신공으로 사용하였다.
- 본 논문에서 사용한 자료획득 파라미터는 시추공 간격이 대략 1.5 m, 탐사구간이 4.6 m 이며 송신 및 수신기 간격은 모두 0.2 m 이고 기록의 시간 샘플간격은 0.004 ms, 기록 길이는 1024 샘플이다. 사용한 진원은 주파수 제어가 가능한 형태로 이 연구에서 사용한 발진기의 주 주파수(dominant frequency) 는 10 kHz 이다.
- 본 논문에서 사용한 탄성파 및 전단대 영역의 투수율 자료는 일본 오바야시 사에서 제공하였다. 이에 감사한다.
- 본 논문의 시추공 간 탄성파 자료는 GAM (Gas Migration in Shear Zones) 시험지역에서 획득하였다. GAM 프로젝트는 불균질한 암반 내 전단대(Shear Zones)에서 가스 및 유체 거동을 분석하기 위한 목적으로 설립되었으며 시험지역에는 다수의 실험공이 있다(Fig.
- 본 연구에서 사용한 자료는 화강암 지대에서 획득한 고해상 시추공 간 탄성파자료이다. 이 자료는 스위스의 그림젤 시험지역 (Grimsel Test Site: GTS)에서 획득한 일련의 고주파수시추공 자료의 일부로 일본의 오바야시 (Obayashi)사에서 제공하였다.
- 004 ms, 기록 길이는 1024 샘플이다. 사용한 진원은 주파수 제어가 가능한 형태로 이 연구에서 사용한 발진기의 주 주파수(dominant frequency) 는 10 kHz 이다. Fig.
- 4와 같이 설정하였다. 송신공을 기준으로 하였을 때 수신 공은 탐사 길이 4.6 m에서 대략 0.26 m 정도 심도에 따라 편향되어 있어 토모그래피에서는 이를 고려하였다(Fig. 4).
- 2). 시추공 간 탄성파실험은 GAM98-02를 수신공, TPF95-01 을 송신공으로 사용하였다. 투수율은 암반 내 유체를 통과시키는 척도를 정량화한계수로서 중요한 암반 고유의 물성 중 하나이다.
- 그림젤 시험지역은 핵폐기물 지하 저장에 관한 연구개발 목적으로 설립된 연구개발 센터로 스위스 중부지방 해발 1730 이의 화강암 지대의 지하 450 m에 위치한다. 실험 장소는 터널을 통하여 접근 가능하며 터널시스템은 총 연장 1 km이다. GTS 터널은 1983년부터 굴착되기 시작하였고 다양한 목적으로 많은 시추공이 굴착되었다.
- 본 연구에서 사용한 자료는 화강암 지대에서 획득한 고해상 시추공 간 탄성파자료이다. 이 자료는 스위스의 그림젤 시험지역 (Grimsel Test Site: GTS)에서 획득한 일련의 고주파수시추공 자료의 일부로 일본의 오바야시 (Obayashi)사에서 제공하였다.
- 조사지역의 화강암은 Aar Massif이며 이 화강암체는 알프스 조산운동으로 심한 변형을 하여 편리 (schistosity) 및 전단대 (shear zones)가 형성되었다(Geology at the GTS). 그림젤 시험지역은 핵폐기물 지하 저장에 관한 연구개발 목적으로 설립된 연구개발 센터로 스위스 중부지방 해발 1730 이의 화강암 지대의 지하 450 m에 위치한다.
- 2 km/s 이상이며 5 km/s 이하의 저속도대가 2곳(쇄선으로 표시)에서 확인된다. 탄성파 저속도 이상대와 Table 1 에 제시된 전단대 4곳(흰 막대형 직사각형)을 대비하였다.
이론/모형
- 유체를 포함한 다공질 암석에서 탄성파 속도는 간단한 Wyllie 식(Bourbie, et al., 1987)이나 저주파수 영역에서 Gassman 식을 사용할 수 있고, 10 KHz 이상의 고주파 영역에서는 Biot 또는 Geertsma 등의 식을 사용할 수 있다(White, 1983).
- 간 탄성파 속도 토모그램을 작성하였다. 초동발췌와 토모그래피 작성에는 EZTOMO(최재경, 이두성, 2004) 소프트웨어를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 4개의 전단대 중 B, C, D 부근에서 저속도 이상대가 확인되고 최저속도 이상대가 B 부근에 형성된다. 전단대 B는 투수율이 타 구간보다 현저히 높은 구간이다.
- 2. 전단대 A와 C가 동일한 전단대라면 A와 C 연장방향으로 저속도 이상대가 형성될 것으로 예측되나 토모그램에서는 T- 15에서 C 방향으로 저속도대가 형성되므로 전단대와의 상관관계를 명확히 판단하기는 어렵다. 이러한 T-15 부근의 저속도대는 3개의 공통수신점 기록(R-15, R-16, R-17)에서 도출한 평균속도(Fig.
- 두 개의 시추공에서 구간별 암석의 투수율 계측 결과에 의하면 신선한 화강암에서 수리전도도는 대략 1.3× 10-12~7.9 × 10-11 (m/s)이고 전단대에서는 9.0×l0-l0~1.7×l0-7 (m/s)이다. 이 자료는 상압주입회수법 (constant pressure injection/recovery) 에 의한 수치이다(Table 1, 오바야시사 제공).
- 두 개의 시추공에서 전단대로 확인된 4개소 중에서 탄성파토모그래피에 의한 저속도 이상대는 3개소로 나타났다. 시추공에서 확인된 4개의 전단대 및 그 연장성을 고려할 때, 2조의 전단대가 존재할 것으로 추정되며 하부의 저속도 이상대는 측정 가능한 수준의 탄성파 속도변화를 인지할 수 있으며 따라서 전단대에서 투수율 또는 균열빈도의 공간적 변화 상태와 양호한 상관관계를 가지는 것으로 판단된다.
- 시추공에서 확인된 4개의 전단대 및 그 연장성을 고려할 때, 2조의 전단대가 존재할 것으로 추정되며 하부의 저속도 이상대는 측정 가능한 수준의 탄성파 속도변화를 인지할 수 있으며 따라서 전단대에서 투수율 또는 균열빈도의 공간적 변화 상태와 양호한 상관관계를 가지는 것으로 판단된다. 반면 상부의 저속도 이상대는 시추공에서 확인된 전단대와 다소 상이한 위치에 형성되고 있다.
- 원시 데이터와 상호상관 데이터의 초동을 비교하면, 대응하는 트레이스에서 대체로 원시기록 초동신호의 시작시간과 상호상관 데이터의 초동 피크 시간이 일치함을 관찰할 수 있다. 이러한 차이는 상호상관 데이터의 송신신호 Rss(t)는 영 위상 (zero phase)인 것과 관련이 있는 것으로 생각된다.
후속연구
- 진폭 스펙트럼에 의하면 신호의 최대 진폭은 대략 6 kHz 이며 2~ 12 kHz 구간의 진폭 감쇠는 대략 5 dB 이내로 평활하다. 본 연구에서의 탄성파 기록은 일반적인 저류층 조사나 지반조사 목적으로 수행하는 탄성파 자료에 비하여 상당히 고주파 성분이고, 시추공간 거리 또한 짧아서 주시토모그래피의 측면에서 보면 시간/ 공간 영역의 해상도가 높은 고해상 토모그램 도출에 적절한 자료로 생각할 수 있다.
- 이상의 고찰로부터 시추공에서 확인된 전단대 정보와 연계하여 시추공 간 영역의 전단대 분포 특성 규명에 고해상 탄성파 토모그래피 기법이 유용하게 사용될 수 있다고 생각된다.
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