[논문]지열발전을 위한 지열정 시멘트용 G-class시멘트와 일반 포틀랜드시멘트와의 유동성 비교실험

전종욱; 원종묵; 최항석

지열발전을 위한 지열정 시멘트용 G-class시멘트와 일반 포틀랜드시멘트와의 유동성 비교실험
An Experimental Comparison of the Fluidity of G-class cement with Portland cement 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.8 no.2, 2012년, pp.1 - 8

전종욱 (이노지오테크놀로지 시스템개발부) , 원종묵 (고려대학교 건축사회환경시스템공학과) , 최항석 (고려대학교 건축사회환경시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The G-class cement is usually used for geothermal well grouting to protect a steel casing which is equipped in a geothermal well to transfer geothermal water from deep subsurface to ground surface. In geothermal grouting process, obtaining appropriate fluidity is extremely important in order to fill cement grout flawlessly. In this paper, a series of the V-funnel and Slump Flow test was performed on both of the Portland cement and the G-class cement in order to compare fluidity and filling ability of those kind of cements. In the result of V-funnel test, the fluidity of G-class cement was evaluated much better than the Portland cement at the water/cement ratio of 0.8. In the case of Slump Flow test, the fluidity of G- class cement was estimated slightly better than the Portland cement at both the water/cement ratio of 0.55 and 0.8. Even though the initial fluidity and filling ability of G-class cement were relatively higher than the Portland cement, the results could be considerably changed with time. The results show that the fluidity and filling ability for geothermal well cementation can be properly controlled with water content and additives for adverse geothermal well environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가 제안한 기본 배합비 중 40SF type의 배합비를 기초로 물/시멘트비를 변화시키면서 실험을 수행하였다.(Table 3) G-class시멘트 배합에 따른 유동성 평가를 위해 일반 건설용 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트)와 비교 실험하여 그 적정성을 확인해 보았다.

가설 설정

5 미만의 강한 산성조건에서도 본래의 기능을 다할 수 있어야 한다.^[1] 이것은 단순한 뒤채움재로 사용되는 통상적인 지중열교환용 그라우팅재료와 그 성격이 다르다.

제안 방법

V-funnel 실험은 시멘트 모르타르의 유동성을 평가하는 실험으로 우선 12ℓ의 시멘트 모르타르를 Fig 1(a)에 제시된 V-funnel에 시료 상부 표층 평편도를 유지하여 채운다. 모르타르를 채울 때에는 중력이외에 추가다짐이 가해지지 않도록 주의하고 출구에서 시료가 새어 나가지 않도록 유지한채 10초간 기다린 후, 출구를 개방하고 중력에 의해서만 시멘트 모르타르가 흘러내리도록 하여 모르타르가 모두 빠져나가는 시간을 기록하고 실험을 종료하게 된다. 12ℓ의 시멘트 그라우트가 아크릴 Funnel을 통과할때 마찰을 최소화하기 위해 실험 시작 전에 아크릴 벽면에 소량의 물을 도포하고, 아크릴 통의 수평, 수직도를 맞춘 후 출구를 개방한다.
시멘트 배합비는 미국 BNL의 Philippacopoulos와 Berndt^[3]가 제안한 기본 배합비 중 40SF type의 배합비를 기초로 물/시멘트비를 변화시키면서 실험을 수행하였다.(Table 3) G-class시멘트 배합에 따른 유동성 평가를 위해 일반 건설용 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트)와 비교 실험하여 그 적정성을 확인해 보았다.
지열발전을 위한 고온 고압의 지열정의 공벽을 안정화시킬 수 있는 G-class 시멘트에 대한 유동성을 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 평가하였다. G-class 시멘트가 지열발전용 시멘트 그라우트재로 일반 포틀랜드시멘트보다 지열정 환경을 고려할 때 유동성과 채움 능력에서 더 적합한 것으로 나타났다.
지열정에 사용되는 시멘테이션의 유동성은 시추현장의 지반조건 및 온도, 화학성분에 따라 다르게 적용되어야 하므로 본 실험에서는 기존 미국 BNL의 Philippacopoulos와 Berndt^[3]가 제안한 기본 배합비 중 40SF Type의 배합비를 사용(Table 3)하여 유동성 실험을 수행하였으며 기본 배합비에 추가하여 Hemant^[5] 등의 연구에서 고려한 6개의 지열정 현장조건 중 물/시멘트비가 최대가 되는 0.8을 적용하여 물/시멘트 비에 따른 유동성 비교평가를 수행하였다.

이론/모형

유동성을 평가하기 위한 실험방법으로는 EFNARC^[4](The European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems)와 JSCE(Japan Society of Civil Engineers)에서 추천하는 유동성에 관한 실험으로 진행되었다.

성능/효과

지열발전을 위한 고온 고압의 지열정의 공벽을 안정화시킬 수 있는 G-class 시멘트에 대한 유동성을 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 평가하였다. G-class 시멘트가 지열발전용 시멘트 그라우트재로 일반 포틀랜드시멘트보다 지열정 환경을 고려할 때 유동성과 채움 능력에서 더 적합한 것으로 나타났다.
G-class시멘트의 경우 초기에는 Ⲅ_c값이 일반 포틀랜드시멘트보다 0.045정도 높게 나타나나 시간경과 후 일반 포틀랜드시멘트는 경향성을 찾아보기 어려울 정도로 채움 능력의 변화가 적은 반면 G-class시멘트는 시간경과에 따라 채움 능력 현격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 초기에 시추공 내의 많은 균열들로 빠르게 퍼져 들어간 후 일정시간 이후에는 더 이상 균열구간으로 유출현상이 지속되지 못하게 만든다는 점에서 지열정 시멘테이션 과정의 중요한 물리적 의미를 가진다.
V-funnel 실험 결과, G-class시멘트가 일반 건설용 시멘트 보다 큰 유동성을 보여준다. 물/시멘트 비가 0.
지열시추공 내의 많은 균열들을 채워야하는 G-class 시멘트의 채움 능력을 Slump Flow 실험을 통해 확인해 본 결과, 일반 포틀랜드시멘트에 비해 초기 채움 능력이 크고 시간경과에 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한 물/시멘트 비가 유동성에서 뿐만 아니라 채움 능력에도 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 추후 계면활성제 등의 첨가제 추가 및 배합비에 대한 추가 연구가 필요함을 확인하였다.
8일 경우, V-funnel의 통과 속도가 크게 증가하였고 시간경과에 따라 빠르게 속도가 줄어드는 것이 확인되었다. 또한 일반 포틀랜드시멘트에서는 50분이 지난 후 모르타르가 거의 흘러내리지 않았으나 G-class 시멘트 경우는 50분 후에도 유동성을 유지하여 일반 시멘트에 비해 경화속도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
V-funnel 실험 결과, G-class시멘트가 일반 건설용 시멘트 보다 큰 유동성을 보여준다. 물/시멘트 비가 0.55일 경우, V-funnel에서 모르타르가 흘러내리지 않았으나 물/시멘트 비가 0.8일 경우, V-funnel의 통과 속도가 크게 증가하였고 시간경과에 따라 빠르게 속도가 줄어드는 것이 확인되었다. 또한 일반 포틀랜드시멘트에서는 50분이 지난 후 모르타르가 거의 흘러내리지 않았으나 G-class 시멘트 경우는 50분 후에도 유동성을 유지하여 일반 시멘트에 비해 경화속도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
013으로 나타났다. 상대적으로 평균유동성이 큰 G-class시멘트는 시간 경과에 따라 유동성 저하가 크게 나타나지만 50분 경과 후에도 일반포틀랜드 시멘트보다 약 4.6배 큰 유동성이 유지되고 있음을 확인하였다.
실험 결과, 일반 건설용 포틀랜드시멘트 보다 G-class 시멘트의 Ⲅ_c값이 약 2배 정도 크고 50분이 경과한 후에도 약 15%이상 크게 유지되었다. 이는 초기유동성이 확보된 지열시멘트가 일정시간 동안 높은 채움 능력을 보인 후 빠르게 채움 능력이 낮아진다고 볼 수 있다.
실험 결과, 일반 포틀랜드시멘트 보다 G-class 시멘트의 경우 V-funnel을 통과 속도가 매우 빠른 것으로 나타났다. 즉, G-class 시멘트가 일반 건설용 포트랜드시멘트 보다 동일한 배합조건에서 점도가 낮아 유동성이 더 큰 것으로 판단된다.
실험 결과, 일반 포틀랜드시멘트 보다 G-class 시멘트의 경우 V-funnel을 통과 속도가 매우 빠른 것으로 나타났다. 즉, G-class 시멘트가 일반 건설용 포트랜드시멘트 보다 동일한 배합조건에서 점도가 낮아 유동성이 더 큰 것으로 판단된다.
지열시추공 내의 많은 균열들을 채워야하는 G-class 시멘트의 채움 능력을 Slump Flow 실험을 통해 확인해 본 결과, 일반 포틀랜드시멘트에 비해 초기 채움 능력이 크고 시간경과에 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한 물/시멘트 비가 유동성에서 뿐만 아니라 채움 능력에도 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

후속연구

본 연구는 지열발전 시 지열정 케이싱 외부 그라우팅용 재료로서 G-class 시멘트의 유동성 평가에 대한 연구이며, 국내에서는 연구가 진행된 적이 없는 특수시멘트인 점을 감안하면 앞으로 활발히 진행될 지열발전을 위한 지열정 시멘테이션 연구의 기초자료로 유용하게 활용 될 것이다.
또한 물/시멘트 비가 유동성에서 뿐만 아니라 채움 능력에도 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 추후 계면활성제 등의 첨가제 추가 및 배합비에 대한 추가 연구가 필요함을 확인하였다.
1의 범위를 권장하고 있다. 하지만, 이 범위는 일반적인 건설용 시멘트 모르타르의 기준으로 본 연구에서 제시하는 심부 지열용 발전 시멘트 유동성 평가기준으로 직접 사용할 수 없으나 참고자료로 활용은 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열발전은 어떤 발전방식인가?	지열발전은 지속적으로 공급 부족현상을 야기시킬 수 있는 화석연료 발전을 대체할 수 있는 신재생에너지원 발전 중 유일하게 기저부하를 대체할 수 있을 만큼 운전 가동율이 좋은 발전방식이다. 지열발전을 위한 기술개발은 국내에서도 뒤늦게나마 연구가 시작되어 국내최초의 지열발전소가 운전되는 시점을 점차 앞당기고 있는 추세이다.
	지열발전을 위한 핵심연구 분야는 무엇인가?	지열발전을 위한 기술개발은 국내에서도 뒤늦게나마 연구가 시작되어 국내최초의 지열발전소가 운전되는 시점을 점차 앞당기고 있는 추세이다. 지열발전기술이 성공적으로 완성되기 위해서는 많은 분야의 연구가 동시에 수행되어져야 하며, 그 중에 지열유체를 지중으로부터 끌어올리거나 지중으로 주입하기 위한 지열정의 공벽 안정화연구는 지열발전을 위한 핵심연구 분야이다.
	지열발전소의 건설 중 안정화되지 못한 공벽에 따른 문제점으로 건설이 중단된 프로젝트 중 대표적인 예시는 무엇이 있는가?	현재 전 세계 지열발전소가 지어지기까지 발생한 많은 문제점들 중에 안정화되지 못한 공벽으로 인해 중단, 혹은 장기간 공사기간이 연장된 프로젝트들은 쉽게 찾아볼 수 있다. 대표적으로 호주의 Geodynamics사가 추진했던 Cooper Basin 지열개발계획은 고온고압의 지열 저류층을 확인하고 투수성 또한 확장이 가능한 것으로 알려져 비화산지대에서의 지열발전산업을 이끌기에 충분한 조건이었음에도 불구하고 지열정의 붕괴로 프로젝트는 수년간 표류하고 있다.

참고문헌 (5)

Toshifumi. S., Advanced Cements for Geothermal Wells, Brookhaven National Laboratory. Report 2007, USA.
Santoyo E., Garcia A., J.M.Morales., E.Constreras. and G.Espinosa-Paredes., 2001, Effective thermal conductivity of Mexican geothermal cementating systems in the temperature range from $28^{\circ}C$ to $200^{\circ}C$ . Applied Thermal Engineering, Vol. 21, pp. 1799-1812.

상세보기
Philippacopoulos A.J. and Berndt M.L., 2000, Charactization and medeling of cements for geothermal well casing remediation, Geothermal Resource Council Transaction, Vol.24, pp.81-86
The European Guidelines for Self- Compacting Concrete Specification, Production and Use, May 2005.
Hemant S., Khitoliya R. K. and Pathak S. S., 2009, Incorporating European Standards for Testing Self Compacting Concrete in Indian Conditions, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 1, No. 6 pp.41-45

저자의 다른 논문 :

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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