문홍주
(Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea Maritime Ocean University)
,
신성렬
(Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea Maritime Ocean University)
,
임종세
(Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea Maritime Ocean University)
,
정우근
(Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea Maritime Ocean University)
,
장원일
(Dept. of Energy & Resources Engineering, Korea Maritime Ocean University)
수압파쇄 기술은 가스나 석유, 지열 등 에너지자원의 회수율을 향상시키기 위해 다양한 분야에서 응용되고 있으며 수압파쇄 메커니즘 규명 및 응용분야에 대한 연구는 꾸준히 진행되어 왔다. 본 연구에서는 효과적인 수압파쇄를 위하여 실제 현장과 유사한 상황을 구현할 수 있는 축소모형실험을 통해 유도홈의 개수에 따른 수압파쇄시 균열발생 압력을 분석하기 위하여 수압파쇄 시험 장치를 구축하여 수압파쇄 시험을 실시하였다. 또한 그 결과를 토대로 물성과 역학적인 특성을 취득하여 3차원 개별 요소 프로그램인 3DEC을 이용한 수치해석적 모델링 값과 비교 분석함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다. 그 결과 유도홈을 이용할 경우 효과적인 균열 발생이 가능할 것으로 사료된다.
수압파쇄 기술은 가스나 석유, 지열 등 에너지자원의 회수율을 향상시키기 위해 다양한 분야에서 응용되고 있으며 수압파쇄 메커니즘 규명 및 응용분야에 대한 연구는 꾸준히 진행되어 왔다. 본 연구에서는 효과적인 수압파쇄를 위하여 실제 현장과 유사한 상황을 구현할 수 있는 축소모형실험을 통해 유도홈의 개수에 따른 수압파쇄시 균열발생 압력을 분석하기 위하여 수압파쇄 시험 장치를 구축하여 수압파쇄 시험을 실시하였다. 또한 그 결과를 토대로 물성과 역학적인 특성을 취득하여 3차원 개별 요소 프로그램인 3DEC을 이용한 수치해석적 모델링 값과 비교 분석함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다. 그 결과 유도홈을 이용할 경우 효과적인 균열 발생이 가능할 것으로 사료된다.
Hydraulic fracturing technique has been applied in various fields in order to improve the recovery of energy resources such as gas, oil and geothermal energy and research about finding out hydraulic fracturing mechanism and application has been steadily proceeded. In this study, for effective hydrau...
Hydraulic fracturing technique has been applied in various fields in order to improve the recovery of energy resources such as gas, oil and geothermal energy and research about finding out hydraulic fracturing mechanism and application has been steadily proceeded. In this study, for effective hydraulic fracturing, a scale modeling was progressed to simulate similarly with the actual site. In order to analyze the development aspect of surface crack initiation pressure during hydraulic fracturing followed by different conditions, the number of guide holes hydraulic fracturing test was carried out by setting up a hydraulic fracturing test equipment. Also, through the result, we tried to derive reliable results by comparing and analyzing the value of numerical modeling which is obtained based on the physical properties and mechanical properties with 3DEC, a three-dimensional discrete element method program. As a result, it is considered possible to generate effective crack using the guide hole.
Hydraulic fracturing technique has been applied in various fields in order to improve the recovery of energy resources such as gas, oil and geothermal energy and research about finding out hydraulic fracturing mechanism and application has been steadily proceeded. In this study, for effective hydraulic fracturing, a scale modeling was progressed to simulate similarly with the actual site. In order to analyze the development aspect of surface crack initiation pressure during hydraulic fracturing followed by different conditions, the number of guide holes hydraulic fracturing test was carried out by setting up a hydraulic fracturing test equipment. Also, through the result, we tried to derive reliable results by comparing and analyzing the value of numerical modeling which is obtained based on the physical properties and mechanical properties with 3DEC, a three-dimensional discrete element method program. As a result, it is considered possible to generate effective crack using the guide hole.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 효과적인 수압파쇄를 위하여 실제 현장과 유사한 상황을 구현할 수 있는 유도홈을 이용한 축소모형 실험을 통해 유도홈의 개수에 따른 수압파쇄시 균열발생 압력을 중심으로 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 토대로 물성과 역학적인 특성을 취득하여 3차원 개별요소 프로그램인 3DEC을 이용한 수치해석적 모델링 값과 비교･분석함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다.
대개의 수압파쇄 모델실험에서는 연직방향, 즉 수압파쇄공과 평행한 방향으로의 재하는 수압파쇄 조건식과 무관하여 해석에 있어서 그다지 중요한 역할을 하지 못한다는 이유와 시험편 내로 삽입되어 있는 패커의 돌출 부분으로 인해 시험편의 상부를 재하한다는 것이 그리 쉽지 않다. 따라서 이와 같은 내용을 근거로 본 실험에서는 이축재하의 수압파쇄 모델실험을 계획하였다.
따라서 본 연구에서는 효과적인 수압파쇄를 위하여 실제 현장과 유사한 상황을 구현할 수 있는 유도홈을 이용한 축소모형 실험을 통해 유도홈의 개수에 따른 수압파쇄시 균열발생 압력을 중심으로 실험을 수행하였다. 또한 그 결과를 토대로 물성과 역학적인 특성을 취득하여 3차원 개별요소 프로그램인 3DEC을 이용한 수치해석적 모델링 값과 비교･분석함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다.
제안 방법
개별요소법에 기초한 3차원 수치해석 프로그램 3DEC을 이용하여 수압파쇄시험을 모델링하였다. 수압파쇄시험과 동일한 조건을 나타내기 위해 Fig.
본 연구에서는 실내 수압파쇄시험을 실시하여 유도홈이 있는 경우와 없는 경우를 비교․분석하여 유도홈에 따른 균열의 발전양상에 대하여 파악하고 3차원 개별요소법에 근거한 3DEC을 사용하여 수압파쇄시험을 수치적으로 모사했다. 기초물성 및 실내시험과 수행된 수압파쇄시험 결과의 역산을 통해 얻은 시험편의 역학적 물성을 이용하여 수치해석 결과를 획득하고, 실험실 수압파쇄시험과 비교․분석하여 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있었다.
본 연구에서는 실내 수압파쇄시험을 실시하여 유도홈이 있는 경우와 없는 경우를 비교․분석하여 유도홈에 따른 균열의 발전양상에 대하여 파악하고 3차원 개별요소법에 근거한 3DEC을 사용하여 수압파쇄시험을 수치적으로 모사했다. 기초물성 및 실내시험과 수행된 수압파쇄시험 결과의 역산을 통해 얻은 시험편의 역학적 물성을 이용하여 수치해석 결과를 획득하고, 실험실 수압파쇄시험과 비교․분석하여 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있었다.
수압파쇄 시험모델의 형상과 변위를 파악하기 위한 grid point는 패커의 위치를 고려하여 패커의 최하단부와 유도홈의 벽면, 유도홈과 유도홈 사이에 배열하여 각 지점의 변위 분포 결과를 파악하고자 하였다. 각 지점에서의 발생된 변위는 Fig.
수평방향으로 압력을 가하기 위해 4개의 원형 플랫잭을 이용하였고, 가해지는 시험편이 사각형 모양인 관계로 두께 20 mm의 사각형 스틸판을 이용하여 시험편에 압력을 가하며, 시험편에 가해지는 압력은 servo-motor 를 이용하여 일정한 압력이 가해지도록 제어를 하였다.
시료성형틀을 사용하여 유도홈의 길이가 좌, 우 각각 13 mm 높이가 10 mm가 되도록 수압파쇄시험편을 제작하였다. 각 시험편은 200 mm×200 mm×200 mm의 정육면체 모양이 되게 제작하였다.
시험모델편은 deformable body로 제작하여 압축 및 팽창이 가능하게 하였고 시험편 내에 압력이 가해졌을 때 변위의 파악이 가능하도록 모델링하였다.
시험편 중앙에 직경 26 mm의 시험편을 관통하는 홀을 만들어 수압파쇄공을 모사하고, 유도홈이 있는 시험편과 없는 시험편을 제작하였다.
본 연구에서 사용된 시험편은 인공 모의 암체로서 시멘트 모르타르를 사용하였다. 실험에 사용되는 시험편은 클수록 외부조건에 따라 발생되는 물리적 변화량의 측정과 모니터링이 용이하나 제작상의 어려움과 적용되는 하중조건이 크게 증가하기 때문에 제반 조건을 종합적으로 고려하여 시멘트 모르타르 시험편을 제작하였다. 시멘트 모르타르는 1종 포틀랜드 시멘트(KS L 5201)를 사용하였으며, 시험편은 시멘트와 물의 중량혼합비를 1:0.
실험장치는 수압파쇄 시험을 위한 유압장치, 수압장치 및 자료처리장치로 나눌 수 있으며 수압파쇄시험의 설계에 있어 제어 가능한 유체 주입속도, 유체의 점성도, 천공, 유체유출 등을 고려하여 장치를 설계하였다.
유도홈이 있는 경우와 없는 경우의 수압파쇄시 발생균열을 파악하기 위해 먼저 유도홈이 없는 일반적인 모델에서 수압파쇄에 의한 발생균열을 확인하였다. 시험편 model #1은 유도홈이 없는 경우로 시험편 중앙에는 직경 26 mm, 길이 200 mm의 시추공만 존재한다.
수압장치는 주입 유량을 일정하게 유지할 수 있는 전기식 유압펌프를 사용하였다. 자료처리장치는 PCI-PID01보드를 이용하여 시험편에 가해지는 측압과 수압장치에서 발생하는 압력을 변환하여 기록하였다. 제작된 수압파쇄시험장치의 모습은 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 시험편은 인공 모의 암체로서 시멘트 모르타르를 사용하였다. 실험에 사용되는 시험편은 클수록 외부조건에 따라 발생되는 물리적 변화량의 측정과 모니터링이 용이하나 제작상의 어려움과 적용되는 하중조건이 크게 증가하기 때문에 제반 조건을 종합적으로 고려하여 시멘트 모르타르 시험편을 제작하였다.
수압장치는 주입 유량을 일정하게 유지할 수 있는 전기식 유압펌프를 사용하였다. 자료처리장치는 PCI-PID01보드를 이용하여 시험편에 가해지는 측압과 수압장치에서 발생하는 압력을 변환하여 기록하였다.
실험에 사용되는 시험편은 클수록 외부조건에 따라 발생되는 물리적 변화량의 측정과 모니터링이 용이하나 제작상의 어려움과 적용되는 하중조건이 크게 증가하기 때문에 제반 조건을 종합적으로 고려하여 시멘트 모르타르 시험편을 제작하였다. 시멘트 모르타르는 1종 포틀랜드 시멘트(KS L 5201)를 사용하였으며, 시험편은 시멘트와 물의 중량혼합비를 1:0.4로 양생기간을 3일로 하였다. 기초물성을 측정한 결과는 Table 1과 같다.
유도홈이 있는 경우와 없는 경우의 수압파쇄시 발생균열을 파악하기 위해 먼저 유도홈이 없는 일반적인 모델에서 수압파쇄에 의한 발생균열을 확인하였다. 시험편 model #1은 유도홈이 없는 경우로 시험편 중앙에는 직경 26 mm, 길이 200 mm의 시추공만 존재한다. 시험편에 가해지는 측압은 2.
5MPa로 일정하게 유지 시키면서 패커에는 100 ml/min의 일정 주입속도로 물을 주입 하였다. 유도홈이 있는 모델(model #2, model #3)은 높이가 10 mm인 유도홈을 각각 2개, 3개씩 만들어 수압파쇄시험을 실시하였다.
성능/효과
43 mm로 유도홈이 있는 경우 유도홈과 유도홈 사이의 변위가 가장 많이 발생하였다. 따라서 유도홈 개수가 증가할수록 균열발생의 효율이 높아질 것으로 보여진다.
수압파쇄 시험의 결과 정지기준을 90%로 하였을 때 유도홈이 없는 경우 균열의 발생압력이 40.27MPa, 유도홈이 2개인 경우 8.13 MPa, 유도홈이 3개인 경우 7.04 MPa로 유도홈이 있는 경우가 유도홈이 없는 경우에 비해 최대 약 80%까지 감소하였다. 따라서 현장에서 수압파쇄를 실시할 때 유도홈을 이용하면 효과적인 균열 발생 결과를 나타낼 수 있을 것이라 사료된다.
최대압력을 균열발생 압력이라 하였을 때 유도홈이 없는 경우는 40.27 MPa까지 나타났으며, 유도홈이 2개인 경우 8.13 MPa, 유도홈이 3개인 경우 7.04 MPa로 낮게 측정되었다. 이를 통해 유도홈이 있을 경우 균열 발생압력이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
최대주입압력을 90%로 시험하였을 때 유도홈이 없는 경우의 균열개시 최대유량/시간은 303.93 ml/mim, 유도홈이 있는 경우의 최대유량/시간은 주입속도와 거의 일치하며, 최대주입압력의 70%로 설정한 실험모델에서는 유도홈이 있는 경우 주입속도와 거의 일치하나 유도홈이 없는 경우 조금 높게 나타났다. 따라서, 유도홈이 없는 경우는 정지기준을 높게 설정하는 것이 바람직하다고 판단된다.
후속연구
3차원 수치해석 프로그램인 3DEC를 이용하여 수압파쇄 모델을 구현할수 있었으며, 이를 토대로 실제 수압파쇄 시험을 하기에 앞서 현장의 지반물성을 토대로 균열의 발생 압력을 추정하는 것이 가능하다고 사료된다.
따라서 현장에서 수압파쇄를 실시할 때 유도홈을 이용하면 효과적인 균열 발생 결과를 나타낼 수 있을 것이라 사료된다. 다만, 정지기준을 다르게 설정할 경우는 이에 대한 추가 실험이 필요한 것으로 판단된다.
04 MPa로 유도홈이 있는 경우가 유도홈이 없는 경우에 비해 최대 약 80%까지 감소하였다. 따라서 현장에서 수압파쇄를 실시할 때 유도홈을 이용하면 효과적인 균열 발생 결과를 나타낼 수 있을 것이라 사료된다. 다만, 정지기준을 다르게 설정할 경우는 이에 대한 추가 실험이 필요한 것으로 판단된다.
실제로 발생하는 균열의 양상을 표현하기 위해서는 균열의 분포를 구체적으로 표현할수 있는 방법이 추가적으로 필요할 것으로 사료되며, 본 연구 결과를 이용하여 실제 현장에서의 균열의 발생 압력 및 균열의 발전 양상을 3차원 수치해석을 통해 보다 정확하게 구현할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서, 유도홈이 없는 경우는 정지기준을 높게 설정하는 것이 바람직하다고 판단된다. 유도홈이 있는 경우도 정지기준을 높게 설정하는 것이 균열 발생압력을 감소시키는데 유리한 것으로 나타났으나, 이 경우는 차후 정지기준을 다양하게 변화시키면서 실험을 수행할 필요가 있는 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수압파쇄 기술이 다양한 분야에서 응용되는 이유는 무엇인가?
수압파쇄 기술은 가스나 석유, 지열 등 에너지자원의 회수율을 향상시키기 위해 다양한 분야에서 응용되고 있으며 수압파쇄 메커니즘 규명 및 응용분야에 대한 연구는 꾸준히 진행되어 왔다. 본 연구에서는 효과적인 수압파쇄를 위하여 실제 현장과 유사한 상황을 구현할 수 있는 축소모형실험을 통해 유도홈의 개수에 따른 수압파쇄시 균열발생 압력을 분석하기 위하여 수압파쇄 시험 장치를 구축하여 수압파쇄 시험을 실시하였다.
수평시추, 수압파쇄 기술 발전의 긍정적인 영향은 무엇인가?
에너지자원의 생산성 향상을 위한 수압파쇄 기술은 수평시추와 더불어 1940년대 말부터 개발되어 현재까지 꾸준히 진보해 왔으며, 대형 전통유전의 발굴 감소및 기존 유전의 생산성 향상 방안 모색, 고유가에 따른 비전통자원개발의 경제성 확보 등으로 2000년대 들어서 현장에서 활발히 적용되고 있다. 이러한 수평시추, 수압파쇄 기술의 발전으로 최근 비전통자원개발이 전세계적으로 급성장하고 있다(Kim et al, 2014).
이축재하의 수압파쇄 모델실험을 계획한 이유는 무엇인가?
대개의 수압파쇄 모델실험에서는 연직방향, 즉 수압파쇄공과 평행한 방향으로의 재하는 수압파쇄 조건식과 무관하여 해석에 있어서 그다지 중요한 역할을 하지 못한다는 이유와 시험편 내로 삽입되어 있는 패커의 돌출 부분으로 인해 시험편의 상부를 재하한다는 것이 그리 쉽지 않다. 따라서 이와 같은 내용을 근거로 본 실험에서는 이축재하의 수압파쇄 모델실험을 계획하였다.
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