[논문]장심도 시추공 정밀수리시험 장비 구축

김경수; 박경우; 지성훈

장심도 시추공 정밀수리시험 장비 구축
The Development of Straddle Packer Hydraulic Testing Equipment to Characterize Permeability in Deep Boreholes 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.20 no.2 = no.64, 2010년, pp.213 - 220

김경수 (한국원자력연구원 방사성폐기물기술개발부) , 박경우 (한국원자력연구원 방사성폐기물기술개발부) , 지성훈 (한국원자력연구원 방사성폐기물기술개발부)

초록
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현재 국내의 수리시험 장비는 적절한 장비가 갖추어지지 않은 상태로 시행되고 있기 때문에 투수성 해석 자료의 신뢰성은 그리 높다고 볼 수 없다. 본 연구는 고도의 정밀성을 요구하는 고준위폐기물의 처분기술 개발을 위해서는 무엇보다도 자연방벽에 대한 특성 평가가 중요하므로 현행 시험 장비의 기술적 문제들을 해결하기 위한 목적으로 장심도 (1,000 m) 시추공에서 정밀한 수리시험이 가능한 장비를 성공적으로 구축하였다. 본 장비에서 가장 중요하게 반영된 기술사항은 공내 저류효과를 최소화시키기 위하여 H-DHSIV를 장착하고, 시험 자료의 품질을 향상시키기 위하여 실시간으로 시험 구간을 포함한 3개 구간의 압력 변화자료를 취득할 수 있는 DAS를 구축한 것이다. 본 연구의 결과로 구축된 심부 시추공에서의 정밀 수리 시험 장비는 국내 현장조사 기술력의 획기적인 향상을 선도할 것이며, 방사성폐기물 처분기술 개발을 위한 연구와 부지 특성평가에 직접 적용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The permeability characterization on the natural barrier for deep geological disposal of radioactive waste is very critical to evaluate total safety and performance assessment of disposal site. However, the confidence level in using previous hydraulic testing equipments consist of simple components to estimate rock mass permeability is not high enough to reflect in situ condition. The purpose of this research is to establish an advanced hydraulic testing equipment, which is applicable to deep borehole (up to 1,000 m), through the improvement of technical problems of previous packer systems. Especially, the straddle packer hydraulic testing equipment was designed to adopt both the hydraulic downhole shut-in valve(H-DHSIV) to minimize the wellbore storage effect and the real time data acquisition system to measure the pressure changes of test interval including its upper and lower parts. The results from this research lead to not only improve current technical level in the field of hydraulic testing but also provide important information to radioactive waste disposal technology development and site characterization project.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 고도의 정밀성을 요구하는 고준위폐기물의 처분기술 개발을 위해서는 무엇 보다도 자연방벽에 대한 특성 평가가 중요하므로 전술한 현행 시험 장비의 기술적 문제들을 해결하기 위한 목적으로 장심도 (1,000 m) 시추공에 적용 가능한 수리시험 장비를 구축하였다.
방사성폐기물 처분부지의 지하수체계 특성, 특히, 모암의 수리전도도는 부지의 방사선적 안전성 평가에 가장 민감하게 작용한다. 본 연구를 통하여 기존의 국내 수리시험 장비의 문제점을 개선하고 암반 투수성 평가 자료의 신뢰도 향상을 위하여 장심도 시추공에서 정밀한 수리시험이 가능한 장비를 성공적으로 구축하였다.
소형 양수 펌프는 시험 구간의 불교란 지하수시료 샘플링, 양수시험, 순간충격시험 및 펄스시험을 위한 목적으로 장치되었다. 본 시스템에 장착된 양수 펌프는 Grundfos 사의 Redi-flo II (2´´ environmental submersible pump)로서 스테인레스 재질의 housing 내에 장착되었다.

제안 방법

공내 투입 장치는 지표에서부터 스테인레스강 또는 탄소강 재질의 방수용 로드로 연결되어 시험 구간까지 투입되도록 하였고, 연결된 로드의 외부를 따라서 각종 라인(압력신호케이블, 패커튜브, shut-in 밸브튜브, 펌프케이블 등)이 연결되게 된다. 각종 라인의 훼손과 안전성을 높이기 위하여 플라스틱 테잎 등을 사용하여 로드에 견고하게 단속하고, 각 로드의 연결부에는 cross coupling을 장착하도록 하였다.
공내 투입 장치는 패커 시스템, shut-in 밸브 하우징, 신호변환기 하우징, 수중펌프, 압력신호케이블, 패커튜브, shut-in 밸브튜브, 펌프케이블로 구성되며, 보다 정밀한 시험을 위한 펄스 발생장치는 추후에 추가 장치할 수 있도록 설계하였다. 시험 구간은 가변형으로 시험 설계에 따라 로드의 길이를 조정할 수 있도록 하였다.
선진 외국에서는 중요한 제어 장치의 대부분을 모바일랩에 장착하여 운용하고 있으나, 본 시험 장비는 비용절감을 위하여 최소한의 DAS (data acquisition system)와 컴퓨터로 구성하였다. 공내 투입 장치와의 연결 라인은 기본적으로 스테인레스 재질을 사용하는 것으로 설계하고, 상황에 따라서 고압 PVC 튜브도 적용할 수 있도록 하였다. 패커 팽창 펌프는 물을 이용하여 설정된 압력을 자동으로 유지하도록 하였으며, 에어 컴프레서를 가압 장치로 사용하도록 하였다.
를 최소화시키기 위하여 먼저, 스크린 로드의 외경을 패커 시스템의 외경과 동일한 57 mm로 하였다. 그리고 shut-in 밸브를 상부 패커의 직상부에 위치하도록 하여 패커가 완전히 팽창된 상태에서 shut-in 밸브를 닫게 되면 시험구간이 완벽하게 격리되도록 하였다. Shut-in 밸브의 개폐 원리는 Inflatable Packers International Pty Ltd.
스테인레스 재질의 패커 시스템과 지상에서부터 시험 구간까지 연결되는 탄소강 로드는 상당한 중량을 가지게 된다. 따라서, 장치의 인양과 투입 시에는 1,000 m 기준으로 적어도 40 t의 중량을 허용하는 크레인을 사용하도록 하였다.
본 장비에서 가장 중요하게 반영된 기술사항은 공내 저류효과를 최소화시키기 위하여 H-DHSIV를 장착하고, 시험 자료의 품질을 향상시키기 위하여 실시간으로 시험 구간을 포함한 3개 구간의 압력 변화자료를 취득할 수 있는 DAS를 구축한 것이다.
본 장비의 설계에는 반영되지 않았으나 향후 보다 정밀한 시험을 위해 펄스 발생장치를 추가할 수 있도록 하였다. 펄스 발생장치는 시험 구간에 연결된 H-DHSIV 하우징 내에 장치되는 소형 피스톤이다.
수리시험 장비의 공내 투입 장치 (downhole equipments)와 지상 제어 장치 (surface equipments) 부분은 기본 설계 요건을 기술적으로 만족시키도록 상세 설계하였으며, 주요 부품의 사양은 Table 1과 같다.
실시간 자료취득시스템 (DAS)는 현재 미국과 캐나다의 방사성폐기물 처분부지의 조사에 적용되는 HydroResolutions 사의 시스템을 도입하였다. 이 시스템은 Ethernet I/O 서버, Quartzdyne 압력 센서와의 통신을 위한 RS-485, DAS 구동용 소프트웨어로 구성되어 있으며, 시험자는 언제든지 mySQL 데이터베이스에서 자료를 추출하거나 저장할 수 있으며 데이터베이스는 원격 접속 서버에 복제될 수 있다.
압력신호변환장치 (pressure transducer)는 shut-in 밸브하우징 상부에 위치하게 되고 시험 구간과는 스테인레스 튜브로 연결된다. 압력센서의 계측범위는 5,000 psi까지 가능하도록 하였다. 압력센서는 하부 패커 아래에 P1, 시험 구간은 P2, 상부 패커 위는 P3로 명하고, 이들은 실시간 계측을 위하여 컴퓨터와 연결되도록 하였다.
Shut-in 밸브의 개폐 원리는 Inflatable Packers International Pty Ltd.에서 제작한 볼밸브를 수리적으로 작동시키는 개념을 적용하여 시험 구간 내의 압력에 변화를 주지 않도록(zero-displacement) 하였다.
첫번째의 문제점은 시험구간의 압력을 계측하기 위하여 지표까지 연결된 PE 호스 말단부에 라인밸브를 설치하여 밸브 폐쇄 상태에서 시험 구간의 압력을 얻고, 개방 상태에서는 호스에 부하되는 압력을 계측하고 있다. 시험 구간의 압력은 원위치 압력을 실시간으로 계측 가능하여야 함에도 지표에서 배압(back pressure)를 계측하고 있기 때문에 시험 구간에 가해지는 압력에 의하여 유체의 압축성에 영향을 미칠 수 있다.
공내 투입 장치와의 연결 라인은 기본적으로 스테인레스 재질을 사용하는 것으로 설계하고, 상황에 따라서 고압 PVC 튜브도 적용할 수 있도록 하였다. 패커 팽창 펌프는 물을 이용하여 설정된 압력을 자동으로 유지하도록 하였으며, 에어 컴프레서를 가압 장치로 사용하도록 하였다. 시험이 진행되는 동안 일교차에 의한 튜브 내의 압력 변화는 피할 수 없지만 그 범위가 최소화되도록 하였다.

대상 데이터

본 시스템에 장착된 양수 펌프는 Grundfos 사의 Redi-flo II (2´´ environmental submersible pump)로서 스테인레스 재질의 housing 내에 장착되었다.
고압용(10,000 psi)이기 때문에 수리시험 뿐만 아니라 수압파쇄 시험에도 적용 가능하고, 연결부는 평편하게 처리하여 시추공 내에서 사고의 가능성을 줄였다. 외경은 33.4 mm, 내경은 24.1 mm, 커플링 외경은 44 mm이다.
는 딱딱한 재질의 패커를 사용하고 스테인레스 재질과 같은 강한 연결 부품을 사용함으로써 최소화될 수 있도록 하였다. 패커의 팽창압력은 주변 지하수압보다 20 MPa까지 허용되는 제품을 사용하였다.

성능/효과

패커 시스템의 이송을 위한 로드는 정밀 수리시험에 필요한 방수용 탄소강 재질의 로드를 사용하며, 각 말단부에는 누수를 방지하기 위하여 오링이 끼워져 있다. 고압용(10,000 psi)이기 때문에 수리시험 뿐만 아니라 수압파쇄 시험에도 적용 가능하고, 연결부는 평편하게 처리하여 시추공 내에서 사고의 가능성을 줄였다. 외경은 33.
2와 같다. 동일한 시험 구간에 대하여 shut-in 밸브를 지표에 위치한 때와 상부 패커 직상부에 위치한 때의 시험 결과를 살펴보면, 전자의 경우 공내 저류효과로 인하여 방사성흐름이 100시간 이후에 형성되지만, 후자의 경우에서는 1시간 정도에서 형성됨을 알 수 있으므로 이들의 결과로부터 공내 저류효과를 효과적으로 최소화함을 알 수 있다.

후속연구

본 연구의 결과로 구축된 심부 시추공에서의 정밀 수리 시험 장비는 국내 현장조사 기술력의 획기적인 향상을 선도할 것이며, 방사성폐기물 처분기술 개발을 위한 연구와 부지특성평가에 직접 적용될 것이다.
피스톤을 밀게 되면 시험 구간 내에 거의 순간적인 압력 펄스를 생성하게 된다. 시험 구간과 피스톤의 체적을 알면 펄스의 크기로서 시험결과 분석에 중요한 변수가 되는 C_tz를 직접 계산하는데 이용될 수 있다. 마찬가지로 시험 구간의 shut-in에 앞서 피스톤을 밀어낸 상태에서 밸브를 폐쇄한 다음 피스톤을 복귀시킴으로써 펄스 제거 (pulse withdrawal) 효과를 얻을 수 있다.
5억원으로현행국내지반조사현장에서적용되고있는 이중 패커를 이용한 전형적인 수리시험장비와 경제성 측면에서 직접 비교하는 것은 의미가 없다. 시험에 소요되는 시간은 시험 구간의 투수성 정도에 좌우되겠지만 H-DHSIV의 적용으로 기존 장비에 비하여 상대적으로 짧은 시간 내에 방사상 흐름에 도달할 수 있는 이점이 있으며 정밀한 시험 자료를 얻을 수 있다는 것이 강조되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사성폐기물 처분부지의 수리지질학적 투수성을 신뢰성 있는 방법으로 평가하는 것이 무엇보다 중요한 이유는?	방사성폐기물 처분부지의 수리지질학적 투수성은 처분 시스템의 설계와 안전성 평가에 중요한 인자이기 때문에 신뢰성 있는 방법으로 평가하는 것이 무엇보다 중요하다. 현재 국내의 지반조사 현장에서 이루어지는 암반의 투수성 시험방법은 나공 상태에서의 간이 수리시험이나 양수시험, 또는 이중 패커(Fig.
	시추공에서 이루어지는 수리시험의 목적은?	수리시험은 시추 작업 중에 이루어질 수도 있으나 통상적으로 시추 작업이 모두 종료된 후에 시행된다. 시추공에서 이루어지는 수리시험은 보통 수리지질학적인 특성을 파악하기 위한 것이 주된 목적이다. 특히, 저투수성 매질 또는 방사성폐기물의 심지층 처분장과 같은 매질의 투수성을 평가하는 데는 장비의 성능이 무엇보다도 중요하다.
	수리시험 장비에서 시험 구간 내의 압력만을 지표에서 계측하는 것의 문제점은 무엇인가?	첫번째의 문제점은시험구간의압력을계측하기위하여지표까지 연결된 PE 호스 말단부에 라인밸브를 설치하여 밸브 폐쇄 상태에서 시험 구간의 압력을 얻고, 개방 상태에서는호스에부하되는압력을계측하고있다. 시험구간의 압력은 원위치 압력을 실시간으로 계측 가능하여야 함에도 지표에서 배압(back pressure)를 계측하고 있기 때문에 시험 구간에 가해지는 압력에 의하여 유체의 압축성에 영향을 미칠 수 있다. 또한 원위치 압력센서가 없게 되면 상하부 패커와 암반에서 일어 날 수 있는 누수현상을 알 수없게 되어 잘못된 시험 결과를 얻을 수도 있다.

참고문헌 (5)

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Bredehoeft, J. D. and Papadopulos, S. S., 1980, A method for determining the hydraulic properties of tight formations. Water Resour. Res. 16(1), 233-238.

상세보기
Joseph, J.A., Ehlig-Economides, C.A., and Kuchuk, F. J., 1988, The role of downhole flowrate and pressure measurements in reservoir testing, SPE Paper No. 18370, 16-19.
Pickens, J. F., Grisak, G. E., Avis, J. D., Belanger, D.W. and Thury, M., 1987, Analysis and interpretation of borehole hydraulic tests in deep boreholes: Principles, model development and applications. Water Resour Res, 23(7), 1341-1375.

상세보기
Roberts, R., Beauheim, R. L. and Domski, P. S., 1999, Hydraulic testing of Salado formation evaporites at the Waste Isolation Pilot Plant Site: Final Report. SAND98-2537. Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 276p.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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