MCNP를 이용한 밀도검층에 대한 수치모델링을 수행하였고, 인공 모형 시추공에 대한 교정곡선과의 비교를 통하여 MCNP 수치모델링의 신뢰성을 검토하였다. 이를 바탕으로 케이싱의 유무와 종류, 공내수의 유무, 존데와 공벽과의 거리 변화 등 국내 물리검층 자료 취득 현장에서 쉽게 접하는 3인치 시추공 환경에 대한 밀도검층 수치모델링을 수행하였다. 수치모델링 결과는 케이싱과 공내수의 영향을 정량적으로 반영하고 있으며 공벽으로부터의 간격 변화에 따른 일정한 양상을 보여준다. 본 연구를 통하여 MCNP를 이용한 수치모델링의 적용성을 파악할 수 있었으며 이를 활용하여 효과적인 검층 보정이 가능할 것으로 판단된다.
MCNP를 이용한 밀도검층에 대한 수치모델링을 수행하였고, 인공 모형 시추공에 대한 교정곡선과의 비교를 통하여 MCNP 수치모델링의 신뢰성을 검토하였다. 이를 바탕으로 케이싱의 유무와 종류, 공내수의 유무, 존데와 공벽과의 거리 변화 등 국내 물리검층 자료 취득 현장에서 쉽게 접하는 3인치 시추공 환경에 대한 밀도검층 수치모델링을 수행하였다. 수치모델링 결과는 케이싱과 공내수의 영향을 정량적으로 반영하고 있으며 공벽으로부터의 간격 변화에 따른 일정한 양상을 보여준다. 본 연구를 통하여 MCNP를 이용한 수치모델링의 적용성을 파악할 수 있었으며 이를 활용하여 효과적인 검층 보정이 가능할 것으로 판단된다.
We performed MCNP modeling for density log, and examined its reliability and validity comparing the correction curves from physical borehole model. Based on the constructed numerical model, numerical modelings of density sonde in three-inch borehole were carried out under the various conditions such...
We performed MCNP modeling for density log, and examined its reliability and validity comparing the correction curves from physical borehole model. Based on the constructed numerical model, numerical modelings of density sonde in three-inch borehole were carried out under the various conditions such as the existence and type of casing or fluid, and also the stand-off between the sonde and borehole wall. These results of numerical modeling quantitatively reflect effects of casing and fluid in borehole, and moreover, demonstrate constant patterns with interval change from borehole wall. From this study, numerical modeling using MCNP shows a good applicability for well logging, and therefore, can be efficiently used for the calibration of well logging data under the various borehole conditions.
We performed MCNP modeling for density log, and examined its reliability and validity comparing the correction curves from physical borehole model. Based on the constructed numerical model, numerical modelings of density sonde in three-inch borehole were carried out under the various conditions such as the existence and type of casing or fluid, and also the stand-off between the sonde and borehole wall. These results of numerical modeling quantitatively reflect effects of casing and fluid in borehole, and moreover, demonstrate constant patterns with interval change from borehole wall. From this study, numerical modeling using MCNP shows a good applicability for well logging, and therefore, can be efficiently used for the calibration of well logging data under the various borehole conditions.
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문제 정의
(2012)가 이용한 존데와 동일하나 일부 동위원소나 검출기의 윈도 설정, tally의 분석 등에서 차이가 있다. 또한 기존의 연구자들의 정성적인 연구 결과와는 달리 MCNP 수치모델링이 실질적으로 다양한 시추공 환경에 대한 정량적인 분석 및 밀도검층 현장 자료처리에 활용됨을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 제조사의 2, 4인치 공경의 물리적 교정(physical calibration) 결과와 수치모델링 결과를 비교하였으며 이들 결과를 바탕으로 공내수의 유무, 케이싱, 공벽과 존데 사이의 간격 변화 등에 대한 영향을 수치모델링을 통해 고찰하였다.
본 논문에서는 직경 3인치 시추공 규모를 중심으로 소구경 밀도검층 존데에 대한 수치모델링을 수행하고 인공 모형시추공에 대한 교정곡선과 수치모델링 방법으로 작성한 교정곡선을 비교, 수치모델링의 신뢰성을 검토하고자 하였다. 또한, 케이싱의 유무와 종류, 공내수의 유무, 공벽과 존데 사이의 간격 증가 등 국내의 물리검층 자료취득 현장에서 쉽게 접할 수 있는 시추공 환경에 대한 수치 모델링을 수행하였다.
진흙벽의 영향이 아닌 존데와 공벽 간에 일정한 거리가 발생하는 경우는 지름이 작은 시추공 내에서 공경 측정용 팔을 벌리지 못하고 자료를 취득하는 경우에 발생한다. 이와 같은 경우 측정 속도나 간격을 조절하여 계수율을 높이거나 반복 측정하여 자료의 S/N비를 높이고자 한다. 3인치의 시추공 내에서 직경 50 mm의 밀도검층 존데가 시추공 중앙에 위치하면 공벽에서 약 12 mm 정도의 거리가 떨어지게 된다.
가설 설정
3인치의 시추공 내에서 직경 50 mm의 밀도검층 존데가 시추공 중앙에 위치하면 공벽에서 약 12 mm 정도의 거리가 떨어지게 된다. 따라서 공벽에서 밀도검층 존데까지의 거리를 2, 4, 8, 12 mm로 하여 모델링을 수행하였으며 시추공 안에는 물로 채워져 있는 것으로 가정하였다. Fig.
제안 방법
4) 공내수 유무의 영향에 대한 수치모델링을 통해 공을 채운 매질에 따른 반응 곡선의 변화를 확인하였다. 본 연구에서 다루어진 지하수위를 기준으로 고려된 물과 공기의 영향 외에도 시추공 공벽 붕괴 방지를 위해 사용되는 폴리머(polymer)와 시추이수 등의 영향도 고려될 수 있으며 이들의 성분과 밀도를 이용하여 각각의 상황에 대한 보정곡선이 작성되어 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
국내 대부분의 시추는 3인치로 진행되는 점을 고려하여 3인치 수치모형 시추공을 대상으로 위에서 검토된 존데 수치모델을 이용해 공벽과 존데와의 거리 변화, 케이싱의 영향, 공내수의 유무에 대한 모델링을 수행하였다. 결과 값은 밀도가 아닌 현장 자료취득 과정에서 쉽게 접하는 상황인 계수율로 나타내었다.
본 논문에서는 직경 3인치 시추공 규모를 중심으로 소구경 밀도검층 존데에 대한 수치모델링을 수행하고 인공 모형시추공에 대한 교정곡선과 수치모델링 방법으로 작성한 교정곡선을 비교, 수치모델링의 신뢰성을 검토하고자 하였다. 또한, 케이싱의 유무와 종류, 공내수의 유무, 공벽과 존데 사이의 간격 증가 등 국내의 물리검층 자료취득 현장에서 쉽게 접할 수 있는 시추공 환경에 대한 수치 모델링을 수행하였다. 수치모델링은 Monte Carlo 방법을 이용하였으며 이 방법은 미국 Los Alomas National Laboratory에서 MCNP (Monte Carlo N-Particle) 코드로 개발되어 왔다.
24 MeV 이하의 에너지 영역에서는 평균 원자번호(Z)가 낮으면 계수율이 높고, 평균 원자번호가 높으면 반대로 계수율이 낮게 된다. 본 논문에서는 Fig. 2의 결과를 토대로 콤프턴 산란 영역인 0.24 ~ 0.62 MeV 구간의 에너지 영역에서 계수율을 취득하였다.
따라서 수치모델링 결과와 현장시험 결과의 지속적인 비교, 보완과정을 통해 케이싱 영향을 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 논문에서는 물로 채워진 3인치 시추공에서 두께가 2.2 mm인 steel 및 PVC 케이싱의 영향을 MCNP 코드를 이용하여 모델링을 수행하였다. 케이싱이 설치되는 주변 지층은 물, 황, 알루미늄이고 PVC의 체적밀도는 1.
이는 제조사 교정곡선의 신뢰구간을 고려할 때 상당히 일치하는 결과로서 MCNP 수치모델링의 적용성을 보여준다. 이를 바탕으로 국내에서 가장 많이 굴착되는 3인치 시추공에 대한 수치모델링을 수행하였다.
또한 기존의 연구자들의 정성적인 연구 결과와는 달리 MCNP 수치모델링이 실질적으로 다양한 시추공 환경에 대한 정량적인 분석 및 밀도검층 현장 자료처리에 활용됨을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 제조사의 2, 4인치 공경의 물리적 교정(physical calibration) 결과와 수치모델링 결과를 비교하였으며 이들 결과를 바탕으로 공내수의 유무, 케이싱, 공벽과 존데 사이의 간격 변화 등에 대한 영향을 수치모델링을 통해 고찰하였다.
물리검층 자료를 취득하는 시추공 내부는 지하수면을 기준으로 하부는 지하수(물), 상부는 지하수가 없는 구간(공기)으로 단순화 할 수 있다. 지하수면 하부는 100% 물로 포화된 구간이며 상부는 0% 또는 이와 근사한 불포화대로 가정할 수 있는데 본 MCNP 모델링에서는 공극률이 0%인 지층을 대상으로 시추공 내에 물이 있거나 없는 경우에 대한 모델링을 수행하였다. 모델링의 입력 자료로 이용한 공기의 체적밀도는 2.
6 MeV 사이의 에너지 영역을 이용한다. 콤프턴 산란 효과를 이용한 밀도검층의 측정 원리를 고찰하기 위하여 사암(sandstone), 석회암(limestone), 백운암(dolostone)을 수치모형에 구현하였으며 이들의 공극률을 조정하여 모두 동일한 2.6 g/cm3의 밀도 값을 갖도록 하였다. 137Cs 선원으로부터 24 cm 거리에 위치하는 HRD 검출기에서 감마선을 측정하였는데, Fig.
대상 데이터
Fig. 3의 (a)는 FDGS의 기본 구조로서 100mCi 137Cs 선원을 사용하며 감마선 검출 효율이 좋은 NaI(Tl) 신틸레이션 검출기를 이용한다. 137Cs 선원은 존데 하부에 위치하며 검출기의 위치는 선원으로부터 HRD는 24 cm에 LSD는 48 cm에 위치한다.
이론/모형
MCNP 수치모델링을 위하여 현재 한국지질자원연구원에서 보유한 FDGS를 바탕으로 수치모형을 구성하였다. Fig.
Monte Carlo 방법을 이용하여 소구경 밀도검층 상용 존데에 대한 반응 특성을 연구하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 영국 Robertson Geologging사의 밀도검층 존데인 FDGS (Formation Density Gamma Sonde)의 실제 크기, 선원 및 검출기의 위치 등을 3차원 기하구조 및 면을 조합한 형태로 모델링 입력 자료로 활용 하였으며 계산시간 및 통계적 오차를 줄이기 위해 분산감소기법을 활용하였다(LANL, 2008). 밀도검층 존데 하단에는 100mCi 137Cs 선원이 위치하며 존데 내부에는 선원으로부터 24 cm와 48 cm의 거리에 검출기가 각각 위치한다.
성능/효과
1) 장비제조 회사의 교정곡선과 MCNP를 통해 구현된 2, 4인치 수치모델의 결과는 약 9% 이내의 오차를 보인다. 이는 제조사 교정곡선의 신뢰구간을 고려할 때 상당히 일치하는 결과로서 MCNP 수치모델링의 적용성을 보여준다.
2) PVC와 steel 케이싱에서의 수치실험 결과는 케이싱의 밀도에 의한 계수율 변화를 보여준다. 본 수치모델링에서 사용된 PVC와 steel 케이싱뿐만 아니라 다양한 두께, 재질, 밀도를 가진 케이싱 구현이 가능하며 이는 MCNP 수치모델링을 통한 케이싱 영향 보정의 가능성을 보여준다.
3) 공벽으로부터 존데가 멀어질수록 시추공을 채운 공내수(물)의 영향으로 밀도가 일정하게 감소함을 확인하였으며 이러한 변화는 거리 변화에 따른 영향 파악이 가능함을 지시한다.
위 식을 이용하여 2인치 시추공에서 계산한 계수율은 물에서는 약 11,000 CPS, 알루미늄은 약 282 CPS의 값을 보인다. MCNP 모델링 결과, 물인 경우 약 10,700 CPS, 알루미늄은 약 285 CPS이며 두 매질 사이의 밀도를 가지는 마그네슘, 황, 규소는 각각 약 2,280 CPS, 1,128 CPS, 516 CPS를 보인다 (Fig. 4).
87 g/cm3이다. MCNP 모델링 결과, 지층의 밀도와 큰 차이를 가지는 steel 케이싱은 나공의 경우와 비교하여 계수율이 일정하게 감소하는 것을 알 수 있다. PVC 케이싱의 경우, 밀도가 높은 경우에는 계수율이 약간 증가하고 지층과 PVC의 밀도가 같아지는 1.
(2012)에 의해 케이싱 시추공에 대한 모델링 결과가 일부 추가되었다. 본 논문에서 이용한 동일한 소구경용 밀도검층 존데에 대한 MCNP 수치모델링은 Souza et al. (2010)이 있으며 이들 연구 결과도 계수율을 정량적으로 활용하기 보다는 주로 다양한 시추공 환경에 대한 전형적인 반응을 보여주고 있다.
2) PVC와 steel 케이싱에서의 수치실험 결과는 케이싱의 밀도에 의한 계수율 변화를 보여준다. 본 수치모델링에서 사용된 PVC와 steel 케이싱뿐만 아니라 다양한 두께, 재질, 밀도를 가진 케이싱 구현이 가능하며 이는 MCNP 수치모델링을 통한 케이싱 영향 보정의 가능성을 보여준다.
후속연구
이와 같은 경우는 steel 케이싱이 설치되는 암반 구간과 비교할 때, 측정되는 밀도 값의 변화가 크지는 않지만 케이싱 영향 보정이 현실적으로 더 어려운 환경이다. 따라서 수치모델링 결과와 현장시험 결과의 지속적인 비교, 보완과정을 통해 케이싱 영향을 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 논문에서는 물로 채워진 3인치 시추공에서 두께가 2.
이러한 결과를 통해 MCNP를 이용한 수치모델링의 신뢰성 있는 적용성을 파악할 수 있었으며 MCNP 수치모델링 방법을 이용하여 밀도존데의 반응 예상 곡선과 효과적인 검층 보정이 가능할 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서 다루어진 일반적인 시추공 환경에 대한 반응 특성 연구 외에도 시추공과 연결된 공동 구현을 통한 존데의 반응 연구 및 다양한 공극과 이들 공극을 채운 oil 또는 gas 등의 유체를 가진 지층 구현에 대한 반응 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4) 공내수 유무의 영향에 대한 수치모델링을 통해 공을 채운 매질에 따른 반응 곡선의 변화를 확인하였다. 본 연구에서 다루어진 지하수위를 기준으로 고려된 물과 공기의 영향 외에도 시추공 공벽 붕괴 방지를 위해 사용되는 폴리머(polymer)와 시추이수 등의 영향도 고려될 수 있으며 이들의 성분과 밀도를 이용하여 각각의 상황에 대한 보정곡선이 작성되어 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통해 MCNP를 이용한 수치모델링의 신뢰성 있는 적용성을 파악할 수 있었으며 MCNP 수치모델링 방법을 이용하여 밀도존데의 반응 예상 곡선과 효과적인 검층 보정이 가능할 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서 다루어진 일반적인 시추공 환경에 대한 반응 특성 연구 외에도 시추공과 연결된 공동 구현을 통한 존데의 반응 연구 및 다양한 공극과 이들 공극을 채운 oil 또는 gas 등의 유체를 가진 지층 구현에 대한 반응 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
6). 이와 같은 결과는 현장에서 케이싱과 나공 상태에서 취득한 시험결과를 기준으로 지속적으로 비교, 분석 과정을 반복한다면 MCNP 수치모델링을 이용한 방법도 신뢰성 높은 케이싱 영향보정이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물리검층에는 어떤 방법이 적용되고 있는가?
육상에서의 물리검층은 주로 소구경 시추공에 적합한 물리검층 시스템을 이용하여 자료 취득, 처리 및 해석을 직접 수행하였으며 해상에서는 주로 석유 가스 자원 탐사를 목적으로 Schlumberger와 같은 전문 서비스 기업에서 자료를 취득하였다. 대부분의 물리검층은 방사능 선원을 이용하지 않는 온도검층, 자연감마선검층, 전기비저항검층, 시추공영상화검층 등이 주로 적용되었으며 최근 137Cs이나 60Co 선원을 이용하는 밀도검층이 주로 지반조사용으로 적용되기 시작하였다. 밀도검층에서 측정하는 원위치 밀도 값은 주로 암반 평가에 많이 이용되었으며 적용성이 높을 것으로 예상되는 연약지반 평가 분야는 아직 초보단계 수준이다.
밀도검층이란 무엇인가?
밀도검층은 이미 잘 알려진 바와 같이 방사성 동위원소에서 방출된 감마선 콤프턴 산란(compton scattering) 효과를 이용하는 것으로 밀도검층에서 측정하는 감마선의 계수율(count per second, CPS)은 지층의 전자밀도에 대한 반응이다. 방사성 동위원소를 이용하는 대부분의 물리검층 시스템은 제조사에서 측정한 계수율을 밀도나 공극률 값으로 환산하는 교정곡선(calibration curve)를 제공한다.
시추 로드를 제거하고 나공상태에서 자료를 취득해 시추롯드의 영향을 제거하는 방법은 어떤 단점이 있는가?
이와 같은 경우 시추 롯드 내에서 자료를 취득하고 1 ∼ 2개의 시추 로드를 제거하고 나공 상태에서 자료를 취득하여 시추 롯드의 영향을 제거하기도 한다. 이와 같은 방법으로 도출되는 결과는 적용한 밀도존데의 특성이나 137Cs 및 60Co 동위원소의 세기에 따라서 변하는 단점이 있다. 또한 연안지역이나 미고결 지층 구간에서 굴착하는 경우도 시추공 붕락 방지를 위해 PVC 케이싱을 설치한다.
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