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문제 정의
- 현재 국내 공사 시방서나 설계지침에서는 천공 시 공벽 붕괴방지공법으로 안정액 사용이나 그라우팅을 이용한 지반보강을 언급할 뿐 공벽붕괴방지공법에 대한 구체적인 방법론 및 안정액 재료 배합비별 공학적 성능에 대한 언급을 하지 않고 있어 시추 시 시추공 붕괴 발생 시, 효율적인 대처가 어렵다. 따라서 본 논문에서는 안정액의 재료별 공학적 특성을 기반으로 배합수에 따른 안정액의 비중, 점성, 필터케익, 여과수량 및 분리수에 대한 전반적인 공학적 특성을 연구하였다.
- 한편, CMC 혼입률 증가 시 점성이 증가하는 경향을 관찰할 수 있지만 폴리머에 비해 점성 증가가 낮은 것으로 검토되었다. 또한 CMC 단일 안정액 사용보다는 벤토나이트와 같은 재료를 첨가하여 사용하는 것을 권장한다.
- 배합수에 따른 재료의 분리차를 분석하기 위해 분리수 실험을 수행하였으며 분리수 시험은 안정액을 구성하는 배합수와 안정액 재료간의 높이차를 측정하여 안정액의 재료분리 성능을 확인하는데 목적이 있다. 안정액을 10시간 이상 방치하여 전체 안정액 높이에 5%이하가 되는지 여부를 측정하지만 본 연구에서는 30분 간 방치하여 약식으로 측정을 수행하였다(Fig.
- 본 논문에서는 해상 시추공의 공벽 붕괴 방지를 위해 사용되는 안정액의 재료별 공학적 성질을 분석하기위해 다양한 실험조건을 도출하고 다양한 배합비에 대해 점성, 비중, 여과손실량, 필터 케이크 두께 등에 대한 공학적 성능 실험을 수행하였다. 이 때 배합수에 따른 안정액은 벤토나이트 및 내염성점토 와 아울러 폴리머, CMC 혼합 조건을 고려하여 배합비별 공학적 성능을 비교하였다.
제안 방법
- Table 3~15은 안정액 재료별 배합비를 나타낸 것으로 배합수에 따른 안정액의 공학적특성을 분석하기 위해 해수와 청수에 대해서 동일한 배합비로 실험을 수행하였으며 자세한 Series 별 목적은 다음과 같다. Series-A 및 F 목적은 각각의 배합수에 대해 벤토나이트만으로 안정액을 제조하였을 경우 벤토나이트 혼입률에 따른 공학적 특성 분석을 통한 최적 혼입률 산정에 목적을 두었으며 벤토나이트 혼입률을 1.0~12.0% 범위에서 변화시켜 성능지표 변화를 고찰하였다.
- Series-B 및 H는 각각의 배합수에 대해서 폴리머만으로 안정액을 제조하였을 경우 폴리머 혼입율에 따른 성능지표 변화 고찰에 목적이 있으며 예비 실험을 통해 점성을 고려하여 폴리머 혼입율은 0.2~2.0% 범위로 정하였다. Series-C 및 I은 Series-B 및 H와 성능 비교를 위해 동일한 혼입율 0.
- 0% 범위로 정하였다. Series-C 및 I은 Series-B 및 H와 성능 비교를 위해 동일한 혼입율 0.2~2.0% 범위로 정하였으며 CMC만으로 안정액을 제조하였을 경우 CMC 혼입율에 따른 성능지표 변화를 고찰하였다. Series-D 및 K의 경우 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액의 각각의 배합비에 따른 성능지표 변화 특성 분석에 있다.
- Series-G의 목적은 해수에 대해서 내염성점토단일 안정액에 대해서 벤토나이트와 비교를 위해서 동일한 배합비 1.0~12.0% 범위에서 변화 시켜 성능지표 변화를 고찰하였으며 Series-M 및 N은 혼합안정액에 대해 폴리머 및 CMC 첨가 시 내염성 점토의 공학적 특성 변화를 고찰을 위해 0.05~0.4% 범위에서 변화시켜 실험을 수행하고 앞서 수행한 벤토나이트 Series와 비교 하였다.
- 본 논문에서는 안정액의 공학적 특성을 분석하기 위해 총 5가지의 실험을 수행하였으며 비중, 점성, 여과수량, 필터케이크, 분리수의 높이를 측정하였다. 시추 시 사용되는 안정액의 비중이 증가할 경우 굴착 시 작업 능률을 저하시키는 문제가 발생하므로 비중 관리가 무엇보다도 중요하다.
- 안정액의 배합비는 [시료/물]비를 %로 표현하여 물 1kg 당 안정액 재료의 첨가량으로 나타냈다. 실험 조건 설계에서는 총 열세가지 Series를 도출하였으며 이때 벤토나이트의 혼입량은 실제 현장에서 많이 사용되는 4~6%를 기본으로 하여 보다 다양한 배합비 별 공학적 성능을 분석하고자 1%에서 최대 12%까지 고려하였다. 폴리머의 경우 현장에서는 점성 때문에 최대 2%이상 쓰지 않는 점을 고려하여 최대 2%까지 실험을 수행하였다.
- 배합수에 따른 재료의 분리차를 분석하기 위해 분리수 실험을 수행하였으며 분리수 시험은 안정액을 구성하는 배합수와 안정액 재료간의 높이차를 측정하여 안정액의 재료분리 성능을 확인하는데 목적이 있다. 안정액을 10시간 이상 방치하여 전체 안정액 높이에 5%이하가 되는지 여부를 측정하지만 본 연구에서는 30분 간 방치하여 약식으로 측정을 수행하였다(Fig. 6 참조).
- 본 논문에서는 해상 시추공의 공벽 붕괴 방지를 위해 사용되는 안정액의 재료별 공학적 성질을 분석하기위해 다양한 실험조건을 도출하고 다양한 배합비에 대해 점성, 비중, 여과손실량, 필터 케이크 두께 등에 대한 공학적 성능 실험을 수행하였다. 이 때 배합수에 따른 안정액은 벤토나이트 및 내염성점토 와 아울러 폴리머, CMC 혼합 조건을 고려하여 배합비별 공학적 성능을 비교하였다. 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- Series-D 및 K의 경우 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액의 각각의 배합비에 따른 성능지표 변화 특성 분석에 있다. 이때 Series-A의 결과를 반영하여 벤토나이트의 혼입률을 8%로 고정하고 폴리머 혼입률을 0.05~0.4% 범위에서 변화시키며 실험을 수행하였으며 Series-E와 L은 SeriesD와 K 결과를 비교 하기위해 벤토나이트의 혼입률을 8 %로 고정하고 CMC 혼입률을 0.05~0.4% 범위로 동일하게 변화시키며 실험을 수행하였다.
- 해상 시추공의 공벽 붕괴 방지용 안정액의 다양한 배합설계기준을 도출하기 위한 실험조건을 설정하였다. 이때 안정액은 벤토나이트 및 폴리머 단일 안정액과 아울러 벤토나이트 + 폴리머 혼합 안정액을 고려하였으며 배합비에 따른 성능지표(점성, 비중, 여과손실량, 필터 케이크 두께, 분리수) 변화를 고찰하였다.
- 해상 시추공의 공벽 붕괴 방지용 안정액의 다양한 배합설계기준을 도출하기 위한 실험조건을 설정하였다. 이때 안정액은 벤토나이트 및 폴리머 단일 안정액과 아울러 벤토나이트 + 폴리머 혼합 안정액을 고려하였으며 배합비에 따른 성능지표(점성, 비중, 여과손실량, 필터 케이크 두께, 분리수) 변화를 고찰하였다.
대상 데이터
- Fig. 10~11은 청수에 대한 혼합 안정액의 공학적 특성 실험 결과를 나타낸 것으로 첨가제로는 CMC와 폴리머를 사용하였다. Series-A의 결과를 토대로 벤토나이트 배합비 8%를 산정하여 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 시추 시 사용되는 안정액의 비중이 증가할 경우 굴착 시 작업 능률을 저하시키는 문제가 발생하므로 비중 관리가 무엇보다도 중요하다. 비중측정은 ASTM에서 제시한 표준비중측정시험법(ASTM D-4380, 2001)을 준용하여 Mud Balance라는 기구(Fig. 3 참조)를 사용하였다. 점성의 경우 굴착률에 가장 큰 영향을 미치는 인자로서 안정액의 일정한 점성을 유지하는 것이 매우 중요하며 점성측정은 ASTM에서 지정한 표준 점성측정시험법(ASTM D-6910, 2004)에 근거한 콘을 이용하여 시간을 측정하여 점성을 실험을 수행하였다(Fig.
- 여과 손실량 시험은 안정액의 침투 손실과 필터 케이크를 구성하는 물질의 여과수량을 측정하여 안정액의 조벽성을 확인하는 시험이며 여기서 조벽성이 좋은 안정액은 필터 케이크가 얇고 단단하게 형성되어 적은 여과 손실량이 발생하는 것을 의미한다. 여과 손실량 시험은 ASTM에서 지정한(ASTMD-5891, 2010)의 시험 방법에 준하여 수행했으며 내경 76.2mm 높이 89mm의 몰드에 밀폐된 상태에서 30 분간 300kPa의 공압을 가하여 여과수를 측정한다(Fig. 5 참조).
- 3 참조)를 사용하였다. 점성의 경우 굴착률에 가장 큰 영향을 미치는 인자로서 안정액의 일정한 점성을 유지하는 것이 매우 중요하며 점성측정은 ASTM에서 지정한 표준 점성측정시험법(ASTM D-6910, 2004)에 근거한 콘을 이용하여 시간을 측정하여 점성을 실험을 수행하였다(Fig. 4 참조). 여과 손실량 시험은 안정액의 침투 손실과 필터 케이크를 구성하는 물질의 여과수량을 측정하여 안정액의 조벽성을 확인하는 시험이며 여기서 조벽성이 좋은 안정액은 필터 케이크가 얇고 단단하게 형성되어 적은 여과 손실량이 발생하는 것을 의미한다.
성능/효과
- (1) 벤토나이트 단일 안정액을 청수에 배합한 경우 벤토나이트 혼입률이 증가할수록 안정액의 성능이 향상되는 것으로 검토되었으나 실험 조건 중 벤토나이트 혼입률 10% 이상의 조건들은 반죽의 질기가 질긴 것으로 나타나 적용 불가한 것으로 검토되었다. 이들을 제외한 나머지 1.
- (2) 폴리머 단일 안정액을 청수에 배합한 경우 벤토나이트 단일 안정액과 마찬가지로 여과손실량을 제외하고는 폴리머 혼입률 증가 시 모든 지표들이 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 폴리머 혼입률 검토범위(0.
- (3) CMC 단일 안정액을 청수에 배합한 경우 폴리머 단일 안정액과 마찬가지로 혼입율에 따른 점성이 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. CMC 혼입률 검토범위(0.
- (4) 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액을 청수에 배합한 경우 폴리머의 혼입률을 0.05에서 0.4%까지 매우 적은 양으로 변화시켰음에도 불구하고 현격한 점성의 증가(30~80sec) 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 적은 양의 폴리머 혼입으로 점성을 증가 시킬 수 있음을 의미한다고 하겠으나 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가 시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다.
- (5) 벤토나이트+CMC 혼합 안정액을 청수에 배합한 경우 폴리머와 동일한 혼입률을 0.05에서 0.4%까지 변화시켰음에도 불구하고 폴리머에 비해 현격한 점성의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 폴리머에 비해 CMC의 증점성이 낮은 것을 의미한다고 하겠으며 폴리머와 동일하게 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다.
- (6) 해수에 안정액을 배합 할 경우 내염성점토를 제외한 나머지 재료에 대해서 청수에 비해 공학적 특성 결과가 낮은 것으로 검토 되었으며 벤토나이트는 열화 반응에 의해 안정액으로서 기능을 상실 하는 것으로 검토되었다. 반면 폴리머 첨가에 의한 벤토나이트의 안정액 성능의 향상이 발생하며 0.
- (3) CMC 단일 안정액을 청수에 배합한 경우 폴리머 단일 안정액과 마찬가지로 혼입율에 따른 점성이 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. CMC 혼입률 검토범위(0.2~2.0%)에서 필터케이크 생성이 불가능 한 것으로 확인되었다. 그로 인해 여과수가 과잉배출 되는 것으로 확인되었다.
- 아래 Table 16~17은 배합수에 따른 안정액의 공학적 특성에 대해서 나타낸 것으로 실험 결과 벤토나이트와 내염성점토의 비중 차이는 작으나 점성 및 여과 수량은 확연한 차이를 보였다. 내염성점토의 필터케이크의 두께는 두껍지만 여과수량이 높아 조막성이 나쁜 것으로 검토되었으며 벤토나이트에 비해 청수로 배합하는 안정액 재료로 사용하는 것은 무리가 있다고 판단된다. 따라서 폴리머나 CMC를 첨가하여 성능을 개선해야 되는 것으로 판단된다.
- 점성은 청수에 비해 낮으며 벤토나이트가 염분에 의해 열화 반응이 일어나면서 현탁콜로이드분의 입경이 커지게 되며 필터케이크가 두꺼워져 안정액으로서의 기능이 낮아지는 것으로 판단된다. 반면 Series-G의 경우 내염성 점토 혼입률이 증가 할수록 비중, 점성 및 필터케이크가 증가하며 여과수량이 감소하는 것으로 검토되었다. 이러한 결과는 벤토나이트에 비해 내염성점토가 내염성은 갖으며 해수에 적합한 안정액 재료로 판단된다.
- 폴리머의 점성 증가효과로 염분에 의한 열화 반응 억제 효과가 나타난 것으로 판단되며 SeriesK와 비교 할 때 CMC 의 경우 증점 효과는 있지만 증가량이 미비하며 열화 반응 효과가 폴리머에 비해 낮은 것으로 검토되었다. 반면 Series-L의 경우 폴리머 혼입량이 증가 할수록 여과수량을 제외한 나머지 공학적 성능이 증가하는 것으로 확인되었으며 Series-M과 비교 할 때 CMC에 비해 폴리머의 안정액 성능향상 효과가 높은 것으로 검토 되었다.
- (6) 해수에 안정액을 배합 할 경우 내염성점토를 제외한 나머지 재료에 대해서 청수에 비해 공학적 특성 결과가 낮은 것으로 검토 되었으며 벤토나이트는 열화 반응에 의해 안정액으로서 기능을 상실 하는 것으로 검토되었다. 반면 폴리머 첨가에 의한 벤토나이트의 안정액 성능의 향상이 발생하며 0.7% 이상 혼입 시 발현되는 것으로 확인되었다. CMC의 경우 안정액의 증점 효과는 있으나 폴리머에 비해 낮은 것으로 검토되었다.
- Series-A의 결과를 토대로 벤토나이트 배합비 8%를 산정하여 실험을 수행하였다. 수행 결과 Series-D의 경우 폴리머의 혼입률이 증가 할수록 여과 수량을 제외한 나머지 공학적 특성(비중, 점성, 필터케이크 두께)이 증가하였으며 여과수량의 경우 혼입량이 증가할수록 오히려 감소하는 경향을 보였다. 적은양의 폴리머를 변화시켰음에도 불구하고 현격한 점성의 증가 경향을 보이는 것으로 나타났다.
- 7%로 확인되었다. 이 결과를 바탕으로 벤토나이트에 폴리머 0.7%를 첨가 시 청수에 배합한 벤토나이트 공학적 특성만큼의 성능은 발휘되지 않으나 안정액으로서 기능은 발휘하는 것으로 검토되었다.
- 수행 결과 Series-D의 경우 폴리머의 혼입률이 증가 할수록 여과 수량을 제외한 나머지 공학적 특성(비중, 점성, 필터케이크 두께)이 증가하였으며 여과수량의 경우 혼입량이 증가할수록 오히려 감소하는 경향을 보였다. 적은양의 폴리머를 변화시켰음에도 불구하고 현격한 점성의 증가 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 벤토나이트와 폴리머가 혼합될 경우 폴리머의 안정액 점성증진 효과가 배가 됨을 보여주는 것으로서 적은 양의 폴리머 혼입으로 점성을 증가 시킬 수는 것으로 판단된다.
- 비중의 경우 증가를 하지만 그 증가량이 낮아 폴리머의 경우 비중의 증가 효과가 낮은 것으로 검토되었다. 점성의 경우 적은 혼입률에도 급격하게 증가하는 경향을 나타냈으며 여과수량 및 필터 케이크 형성 기능이 우수한 것으로 검토되었다. 반면 Series C의 경우 점성 및 비중에 대해서 Series B와 유사한 경향을 보이지만 증가량은 Polymer에 비해 낮으며 필터케이크의 경우 혼입률을 증가 시켜도 생성되지 않아 과잉 여과수량이 발생하는 것으로 검토되었다.
- (2) 폴리머 단일 안정액을 청수에 배합한 경우 벤토나이트 단일 안정액과 마찬가지로 여과손실량을 제외하고는 폴리머 혼입률 증가 시 모든 지표들이 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 폴리머 혼입률 검토범위(0.2~2.0%)에서 폴리머 혼입률 증가 시 점성이 급격히 증가하는 경향을 관찰할 수 있어 폴리머 과다 혼입은 점성 관리에 어려움이 있을 수 있는 것으로 검토되었다.
- 16~19은 해수에 대한 혼합 안정액의 공학적 특성 실험 결과를 나타낸 것으로 Series-J의 경우 폴리머의 혼입량이 증가할수록 비중 및 점성이 증가하며 여과수량 및 머드케이크의 두께가 감소하는 것으로 확인되었다. 폴리머의 점성 증가효과로 염분에 의한 열화 반응 억제 효과가 나타난 것으로 판단되며 SeriesK와 비교 할 때 CMC 의 경우 증점 효과는 있지만 증가량이 미비하며 열화 반응 효과가 폴리머에 비해 낮은 것으로 검토되었다. 반면 Series-L의 경우 폴리머 혼입량이 증가 할수록 여과수량을 제외한 나머지 공학적 성능이 증가하는 것으로 확인되었으며 Series-M과 비교 할 때 CMC에 비해 폴리머의 안정액 성능향상 효과가 높은 것으로 검토 되었다.
- 한편 Series E의 경우 폴리머와 동일한 혼입률로 CMC를 변화 시킨 결과 점성이 증가 경향을 보이지만 그 증가량이 폴리머에 비해 낮은 것으로 검토되었다. 필터케이크의 경우 혼입률을 증가 시켜도 두께의 변화가 미비한 것으로 확인되었으며 그에 따른 여과수량의 감소가 폴리머에 비해 낮은 것으로 검토되었다.
- 여과수량의 경우 혼입량이 증가할수록 오히려 감소하는 경향을 보였으며 이러한 결과는 혼입률 증가에 따른 필터케이크의 성능이 향상되는 것을 의미한다. 한편 벤토나이트의 혼입률이 10% 이상이 되면 물에 완전히 희석되지 않는 것을 확인하였으며 필터 케이크의 두께가 급격하게 증가하는 것으로 검토되었다.
- 그로 인해 여과수가 과잉배출 되는 것으로 확인되었다. 한편, CMC 혼입률 증가 시 점성이 증가하는 경향을 관찰할 수 있지만 폴리머에 비해 점성 증가가 낮은 것으로 검토되었다. 또한 CMC 단일 안정액 사용보다는 벤토나이트와 같은 재료를 첨가하여 사용하는 것을 권장한다.
- 이러한 경향은 폴리머에 비해 CMC의 증점성이 낮은 것을 의미한다고 하겠으며 폴리머와 동일하게 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다. 한편, 벤토나이트+CMC 혼합 안정액에 있어 CMC의 역할은 점성 증가 및 여과손실량 감소를 통해 안정액의 성능을 향상시키는 것으로 검토되었다.
- 이러한 경향은 적은 양의 폴리머 혼입으로 점성을 증가 시킬 수 있음을 의미한다고 하겠으나 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가 시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다. 한편, 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액에 있어 폴리머의 역할은 점성 및 필터 케이크 두께 증가와 여과손실량 감소를 통해 안정액의 성능을 향상 시키는 것으로 검토되었다.
후속연구
- 4%까지 매우 적은 양으로 변화시켰음에도 불구하고 현격한 점성의 증가(30~80sec) 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 적은 양의 폴리머 혼입으로 점성을 증가 시킬 수 있음을 의미한다고 하겠으나 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가 시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다. 한편, 벤토나이트+폴리머 혼합 안정액에 있어 폴리머의 역할은 점성 및 필터 케이크 두께 증가와 여과손실량 감소를 통해 안정액의 성능을 향상 시키는 것으로 검토되었다.
- 4%까지 변화시켰음에도 불구하고 폴리머에 비해 현격한 점성의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 폴리머에 비해 CMC의 증점성이 낮은 것을 의미한다고 하겠으며 폴리머와 동일하게 비중 증가 효과는 매우 미미하여 비중을 증가시키는 첨가제를 추가하는 것이 필요할 것으로 검토되었다. 한편, 벤토나이트+CMC 혼합 안정액에 있어 CMC의 역할은 점성 증가 및 여과손실량 감소를 통해 안정액의 성능을 향상시키는 것으로 검토되었다.
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