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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다양한 원거리 응력조건과 암반의 물리적 특성을 해석자가 부여할 수 있는 수치해석을 실시함으로써 각 제안법에 따른 균열페쇄압력을 산정하고 이를 기지의 원거리 응력장과 비교함으로써 다음의 사항들에 대해 각 제안법의 특성을 비교 분석코자 한다.
- 이 경우 각 요소들에 대해서는 움직임, 회전, 변형 등이 허용되며 또한 요소들 사이의 인터페이스 역시 압축되거나 열리거나 또는 미끄러질 수 있다. 따라서 해석대상 매질의 대변형, 회전, 미끄러짐 및 분리현상 등으로부터 야기될 수 있는 비선형 문제를 다룰 수 있는 것이다.
- 본 연구에서 다루고자 하는 수치해석 문제는 수압파쇄에 의해 암반 내에서 발생한 균열이 전파되는 과정을 해석하는 것이다. 따라서 앞서 언급한 여러 가지 수치해석기법 중에서 불연속 암반 내의 균열의 전파양상을 해석하기 위해서는 DEM을 기반으로 하는 수치해석 프로그램이 효과적일 것이다.
- 그러나 대부분의 경우 압력의 감소는 점차적으로 발생하기 때문에 이러한 변곡점을 쉽게 찾기가 곤란하며 따라서 압력이력곡선 상에서 균열폐쇄압력을 신뢰성 있게 결정하기 위해 많은 방법들이 제안되어 왔다. 본 연구에서는 이들 제안법 중 현재 국내외적으로 비교적 널리 사용되고 있는 4가지 제안법을 선정하여 상호 비교코자 한다.
- 2는 본 수치해석 연구에서 사용된 4가지 요소 결합 형태이다. 이러한 서로 다른 형태의 요소 결합체에 대한 해석을 통해 어떠한 형태의 요소 결합체가 수압파쇄 균열의 발전을 가장 효과적으로 보여줄 수 있는지를 살펴보고자 한다. 즉 Table 1에서 보는 바와 같이 절리의 점착강도, 인장강도 및 내부마찰각은 암반 블록의 경우와 동일하게 부여함으로써 Fig.
가설 설정
- 2 m의 시추공을 형성하였는데 이는 수치해석 시 발생할 수 있는 경계효과를 없애기 위해 시추공의 직경에 비해 충분히 큰 외부영역을 고려했음을 의미한다. 수치해석 모델에서는 수평의 평면변형률 단면이 원거리 응력장에 놓여있는 것으로 가정하였으며 최소수평주응력 Sh는 그림에서 모델의 아래위 방향으로, 최대수평주응력 SH는 모델의 좌우 방향으로 가해지는 것으로 가정하였다. 또한 수직응력 SV는 2차원 단면에 수직한 방향으로 가해지는 것을 가정되는 바, 평면변형률 수치 모델에서는 무시될 수 있으나, 수직응력에 대한 수평응력의 비인 측압계수를 표현하기 위해 고려되는 값으로 간주하였다.
- 수치해석으로 표현된 수압파쇄시험으로부터 실제의 경우와 매우 유사한 시추공 내 압력이력곡선을 얻을 수 있었으며, 이를 통해 수압파쇄의 메커니즘을 수치적으로 이해할 수 있었다. 이때 임의크기의 다각형 절리요소망으로 구축된 수치해석모델은 각 요소들이 완전히 접착되어 있는 것으로 가정함으로써 무결암반을 표현하였으며, 수압파쇄에 의한 균열의 발생과 전파는 수리･역학적 결합해석을 통해 수치해석적으로 표현할 수 있었다.
- 석유개발 분야에서 유정(油井) 활성화를 위해 처음 도입되었던 수압파쇄기법은 Hubbert와 Willis(1957)에 의하여 지각 내 주응력 측정으로 확대 적용되고 있다. 이러한 주응력 산정을 위한 기본적인 개념은 몇 가지 가정, 즉 암반은 불투수성이며, 균질한 등방탄성 매질이라는 사실과, 또한 주응력 중 하나는 시추공 축방향과 나란하다 가정을 바탕으로 하고 있다. 따라서 나머지 두 개의 주응력은 시추공 축방향과 수직한 면 상에 놓여있게 되며 일반적인 수압파쇄시험으로부터 얻게 되는 압력이력곡선으로부터 이들 두 주응력 성분을 구할 수 있게 된다(Haimson, 1968).
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