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문제 정의
- )의 정의를 적용하는지에 따라 동일한 시료에 대해서 강도특성(압축강도, 인장강도) 혹은 변형특성(탄성계수, 포아송비)과 같은 서로 다른 물성 값으로 암석의 취성도를 산정하게 된다. 따라서 서로 다른 정의들 간의 상관관계를 분석함으로써 취성도들 간 상호 연관성에 대해 살펴보고자 한다.
제안 방법
- 8개 대상지역(강원도 정선, 경남 사천, 경남 울주, 경북 청송, 경북 칠곡, 대구, 전북 완주, 충남 보령)의 48개의 실내암석시험 물성 값들을 토대로 암석의 B1, B2, B3을 각각 구하였으며, 세 취성도와 탄성계수 및 포아송비와의 상관관계와 취성도들 간의 상관관계에 대하여 고찰하였다. 여기서 B1은 암석의 일축압축강도와 인장강도를 이용하여 구하였고, B3은 실내시험결과 얻은 정탄성계수와 정포아송비를 이용하여 구하였다.
- 본 연구를 통해 셰일의 취성도에 관한 다양한 정의를 살펴보았고, 국내 8개 지역에서 채취한 셰일 시료 48개에 대하여 대표적인 취성도에 대한 상관분석을 실시하였다. 먼저 암석의 물성인 탄성계수 및 포아송비와 각각의 취성도 B1, B2, B3 간의 관계를 비교해보았다. 세 취성도 모두 탄성계수와는 양의 상관관계를 보였으나 포아송비와는 일관된 상관관계를 보이지 않았다.
- 본 연구를 통해 셰일의 취성도에 관한 다양한 정의를 살펴보았고, 국내 8개 지역에서 채취한 셰일 시료 48개에 대하여 대표적인 취성도에 대한 상관분석을 실시하였다. 먼저 암석의 물성인 탄성계수 및 포아송비와 각각의 취성도 B1, B2, B3 간의 관계를 비교해보았다.
- 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 취성도인 B1, B2, B3을 국내 셰일을 대상으로 수행한 실내 시험결과 측정된 물성 값을 이용하여 각각 구한 뒤, 서로 비교함으로써 취성도 간의 상관관계를 살펴보았다. 대상이 된 총 48개의 국내 셰일의 물성 값들(일축압축 강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, P파 속도, S파 속도)의 대상지역은 총 8군데이며, 심도는 0 m(노두)에서 187 m에 이른다.
- 본 연구에서는 실내암석시험을 통해 구한 정탄성계수와 정포아송비를 이용하여 취성도 B3,를 구하였고 이를 일축압축강도와 인장강도를 이용한 취성도 B1 및 B2와의 상관성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 취성도의 다양한 정의를 살펴보고 각 정의들의 상호 연관성 등을 알아보고자 지난 10년간 8개 지역(강원도 정선, 경남 사천, 경남 울주, 경북 청송, 경북 칠곡, 대구, 전북 완주, 충남 보령)의 셰일을 대상으로 측정한 압축강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, 탄성파 속도 등을 이용하여 취성도를 구하고 상관분석을 실시하였다.
- 암석의 대표 물성 값인 탄성계수 및 포아송비와 취성도와의 상관관계를 알아보았다. 셰일의 취성도에 대한 사전연구에서는 탄성계수와 취성도는 양의 상관관계를, 포아송비와 취성도는 음의 상관관계를 갖는다는 결과(Fig.
- 을 각각 구하였으며, 세 취성도와 탄성계수 및 포아송비와의 상관관계와 취성도들 간의 상관관계에 대하여 고찰하였다. 여기서 B1은 암석의 일축압축강도와 인장강도를 이용하여 구하였고, B3은 실내시험결과 얻은 정탄성계수와 정포아송비를 이용하여 구하였다.
대상 데이터
- 을 국내 셰일을 대상으로 수행한 실내 시험결과 측정된 물성 값을 이용하여 각각 구한 뒤, 서로 비교함으로써 취성도 간의 상관관계를 살펴보았다. 대상이 된 총 48개의 국내 셰일의 물성 값들(일축압축 강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, P파 속도, S파 속도)의 대상지역은 총 8군데이며, 심도는 0 m(노두)에서 187 m에 이른다. B3에서 사용하는 정탄성계수와 정포아송비는 구하는 방법은 직접적인 방법과 간접적인 방법이 있다.
이론/모형
- 먼저 직접적인 방법으로는 실내암석시험을 수행하여 구하는 것이고, 간접적인 방법으로는 물리검층자료를 통해 얻은 탄성파 속도를 이용하여 동탄성계수와 동포아송비를 구한 후 경험적인 관계식을 이용하여 계산하는 것이다. 암석의 동탄성계수와 동포아송비는 암석의 밀도와 물리검층자료로부터 측정된 P파, S파 속도를 이용하여 식 (10), (11) (Goodman, 1989)을 적용하여 구했다. 또한 본 연구에서는 Rickman et al.
성능/효과
- 반면 대상 암반이 연성에 가깝다면 OAB 수준의 에너지로는 파쇄가 발생하여도 균열의 성장이 진행되기 위해서는 더 큰 에너지가 암반에 전해져야 한다. 따라서 셰일가스층에서의 균열의 생성 및 전파속도는 해당 셰일층의 취성도에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 강도특성을 기반으로 구한 두 가지 취성도(B1과 B2)와 변형특성을 기반으로 한 취성도(B3) 간의 선형적 관계에 대한 상관계수는 각각 0.118과 -0.262로 낮은 것을 확인하였다. 이는 암석의 균열전파 생성 및 속도를 정량적으로 나타내는 취성도에 산정에 영향을 주는 강도특성 및 변형특성을 보다 명확히 하여 표준화 된 수식을 제안하는 것이 필요함을 의미하며, 이는 향후 셰일가스정에서 수압파쇄의 효율에 미치는 암석역학적 특성 규명을 위한 추가적인 연구가 필요함을 시사한다.
- 77로 나타났다. 본 연구의 대상이 된 셰일의 일축압축강도 대 인장강도의 비는 대개 5-10 사이(평균 9.4)로 비교적 낮은 값을 갖는데 이는 풍화나 셰일 내 연약면인층리의 존재가 압축강도의 저하에 보다 큰 영향을 끼친 것이 원인 중 하나일 것으로 생각된다.
- 먼저 암석의 물성인 탄성계수 및 포아송비와 각각의 취성도 B1, B2, B3 간의 관계를 비교해보았다. 세 취성도 모두 탄성계수와는 양의 상관관계를 보였으나 포아송비와는 일관된 상관관계를 보이지 않았다. 특히 일축압축강도와 인장강도를 이용해서 구한 B1과 B2의 경우에는 포아송비와 음의 상관관계를 보이지 않았으며 이는 포아송비가 실제로 취성도를 산정하는데 영향인자로 포함이 되어야 하는가에 대한 추가적인 논의가 이루어져야 함을 시사한다.
- 2는 암석이 파괴되는 전과정 유효응력-변형 곡선을 그린 것으로 암석이 취성에 가까울수록 그래프 상에서 OAE를 따라 취성파괴가 발생하고, 연성에 가까울수록 OAD를 따라 연성파괴가 발생하는 것을 보여준다. 여기서 OAE의 면적과 OAD의 면적은 각각 취성파괴 혹은 연성파괴가 진행되기 위해 필요한 에너지의 양을 의미하는 것으로 파괴 이후(OA 이후)에 암석이 연성에 가까울수록 균열의 성장에 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 알 수 있다. 만약 수압파쇄 후 암반에 전달되는 에너지의 양이 OAB의 면적과 같을 때, 대상 암반이 취성에 가깝다면 취성파괴를 야기하고 남은 에너지의 양(그림 상 회색 면적부분)은 암반 내 균열을 전파시키는데 쓰이게 되므로 취성파괴 후에 균열을 더 빠른 속도로 성장시키게 된다.
- B1과 B2는 서로 동일한 변수를 사용하여 구한 취성도로그 상관관계가 산술적으로 계산이 되므로 본 논의에서는 제외하였다. 일부 값을 제외하고 전반적인 경향을 볼 때는 B1과 B3 사이에는 양수의 기울기가 얻어졌으나 두 취성도 간의 선형적 관계에 대한 상관계수가 0.118로 매우 약한 양의 상관관계가 있는 것을 확인할 수 있었고, B2와 B3 사이에는 반대로 음의 기울기가 얻어졌으며 역시 마찬가지로 상관계수가 -0.262인 매우 약학 음의 상관관계가 있는 것을 확인하였다. 따라서 서로 다른 분야에서 통용되는 취성도들(B1과 B3, B2와 B3)간에는 그 상관성이 미미하다고 생각되며 한 분야에서 취성도가 크다고 평가되는 암석들이 다른 분야에서는 취성도가 작다고 평가 될 가능성이 있을 수 있기 때문에 취성도의 정의 확립의 중요성을 시사한다.
- 7은 각각 탄성계수와 포아송비를 x축으로 하였을 때 y축에 서로 다른 취성도(B1, B2, B3)를 각각 도시한 결과이다. 일부 값을 제외하고 탄성계수 값이 커질수록 세 취성도가 모두 증가하는 양의 상관관계를 확인할 수 있었지만, 포아송비의 경우에는 B3는 포아송비가 증가함에 따라 그 값이 감소하는 음의 상관관계를 보인데 반해 B1과 B2는 포아송비의 값과 별다른 상관관계가 없는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 일축압축 시험을 수행할 때 강도가 높고 취성을 띠는 암석은 대개 높은 탄성계수 값을 갖는 경향이 관측되는데, 실제로 Fig.
- 7의 결과를 섞어놓은 결과로 간주할 수 있으며, B3는 탄성계수와 양의 상관관계를 갖고 포아송비와 음의 상관관계를 갖기 때문에 그래프의 좌측 하단으로 갈수록 취성도 값이 커지는 것을 알 수 있었다. 하지만 B1과 B2는 탄성계수에는 양의 상관관계를 보였으나 포아송비와는 주목할 만한 상관관계를 보이지 않았기 때문에 그래프 상에서 좌측 하단으로 갈수록 취성도 값이 커지는 현상은 나타나지 않았고 하단으로 갈수록 탄성계수의 영향으로 전반적으로 취성도 값이 커지는 현상이 나타났다.
후속연구
- 4는 실내암석시험을 통해 구한 탄성계수(Lab_Estatic)와 경험식 (12)를 이용하여 구한 탄성계수(Empirical_Estatic) 를 서로 비교한 결과로, 물리검층자료를 가지고 경험식을 통해 산정한 탄성계수가 실내암석시험에서 측정된 탄성계수보다 약간 작은 값으로 계산되는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 사용한 실험값에 의하면 식 (12)는 적용하기 적합하지 않은 것으로 나타났으며, 암석의 물성을 탄성파 속도를 통해 산정하는 방식의 정확성에 대해서는 추가적인 논의가 필요한 것으로 판단된다.
- 7의 (a)에서 나타난 것처럼 강도특성을 반영한 취성도(B1) 는 포아송비와 상관성이 미약함을 알 수 있다. 식 (3)에서 제안한 물리검층자료를 통한 취성도(B3) 산정은 취성도와 포아송비의 음의 상관관계를 반영한 식인데, B1, B2와 포아송비의 미약한 상관성에 미루어본다면 취성도를 산정하는 식에서 포아송비의 영향을 고려하는 것에 대해서 추가적인 논의가 필요할 것으로 사료된다.
- 262로 낮은 것을 확인하였다. 이는 암석의 균열전파 생성 및 속도를 정량적으로 나타내는 취성도에 산정에 영향을 주는 강도특성 및 변형특성을 보다 명확히 하여 표준화 된 수식을 제안하는 것이 필요함을 의미하며, 이는 향후 셰일가스정에서 수압파쇄의 효율에 미치는 암석역학적 특성 규명을 위한 추가적인 연구가 필요함을 시사한다.
- 세 취성도 모두 탄성계수와는 양의 상관관계를 보였으나 포아송비와는 일관된 상관관계를 보이지 않았다. 특히 일축압축강도와 인장강도를 이용해서 구한 B1과 B2의 경우에는 포아송비와 음의 상관관계를 보이지 않았으며 이는 포아송비가 실제로 취성도를 산정하는데 영향인자로 포함이 되어야 하는가에 대한 추가적인 논의가 이루어져야 함을 시사한다.
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