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문제 정의
- 본 연구에서는 EGS 지열발전을 위한 수압파쇄 시 화강암의 결방향 특성이 수압파쇄 거동에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 또한, 결방향에 따른 수압파쇄거동의 차이를 평가하기 위해 압력증가율 및 유체주입속도에 따른 실내 수압파쇄실험을 수행하였고, 미세균열의 분포가 파쇄압력 및 시료 내부 구조 변화에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 화강암 내부의 미세균열 분포에 따라 나타나는 강도 이방 특성을 평가하기 위해 포천지역에서 추출한 화강암 시료를 사용하여 수압파쇄실험을 수행하였다. 수압파쇄실험 시 결방향에 따른 파쇄압력의 크기, 시료 내부의 변화에 따른 변화 및 시료 내부에 생성된 균열의 방향을 평가하였고, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 수압파쇄실험을 통해 화강암의 강도 이방성 및 미세균열 밀도에 대한 영향을 확인하기 위해 각 면에 대해 수직으로 직경 50 mm, 높이 100 mm인 시편을 추출하였다. Fig. 2처럼 하나의 결방향과 수직한 방향으로 나머지 두 개의 결방향이 존재하는 시료에 대해 중앙에 직경 8 mm, 깊이 100 mm 인 홀을 형성하여 수압파쇄용 시료를 가공하였다. 가공 후에는 각 시료의 함수율이 실험 결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해 24시간 건조 후 실험을 수행하였다.
- 수압파쇄용 삼축압축셀은 X-ray CT(Computed Tomography) 챔버 내부 혹은 외부에 설치하여 수압파쇄실험을 진행하면서 시료 내부에 발생하는 물리적 변화를 X-ray CT 촬영을 통해 확인할 수 있도록 제작되었다. Table 1에 나타난 수압파쇄실험 장비의 사양과 같이 최대 35 MPa의 주입압력, 21 MPa의 구속압력, 51.2 MPa의 수직압력을 가할 수 있고, 물과 기름을 주입유체로 사용할 수 있도록 설계되었다.
- 또한, 결방향에 따른 수압파쇄거동의 차이를 평가하기 위해 압력증가율 및 유체주입속도에 따른 실내 수압파쇄실험을 수행하였고, 미세균열의 분포가 파쇄압력 및 시료 내부 구조 변화에 미치는 영향을 분석하였다. X-ray CT 촬영을 통해 시료 내부에 생성된 균열의 방향과 미세균열 밀도의 관계도 고찰하였다.
- 2처럼 하나의 결방향과 수직한 방향으로 나머지 두 개의 결방향이 존재하는 시료에 대해 중앙에 직경 8 mm, 깊이 100 mm 인 홀을 형성하여 수압파쇄용 시료를 가공하였다. 가공 후에는 각 시료의 함수율이 실험 결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해 24시간 건조 후 실험을 수행하였다. 리프트면, 그레인면, 하드웨이면에 대해 수직으로 코어링한 시료는 각각 R시료, G시료, H시료로 나타내었다.
- 본 연구에서는 EGS 지열발전을 위한 수압파쇄 시 화강암의 결방향 특성이 수압파쇄 거동에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 또한, 결방향에 따른 수압파쇄거동의 차이를 평가하기 위해 압력증가율 및 유체주입속도에 따른 실내 수압파쇄실험을 수행하였고, 미세균열의 분포가 파쇄압력 및 시료 내부 구조 변화에 미치는 영향을 분석하였다. X-ray CT 촬영을 통해 시료 내부에 생성된 균열의 방향과 미세균열 밀도의 관계도 고찰하였다.
- 1 MPa/s 로 일정하게 설정하여 파쇄압력(breakdown pressure)을 평가하였다. 본 연구에서는 수평응력과 수직응력의 비는 고려하지 않았으며, 수직응력은 수압파쇄를 위한 주입압력 가압시 공 상하부의 패커 역할을 위해 적용하였다. 압력이 급격히 감소하는 지점에서의 압력을 파쇄압력으로 간주하여 시료의 결방향에 따른 파쇄압력의 크기 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 화강암 내부의 미세균열 분포에 따라 나타나는 강도 이방 특성을 평가하기 위해 포천지역에서 추출한 화강암 시료를 사용하여 수압파쇄실험을 수행하였다. 수압파쇄실험 시 결방향에 따른 파쇄압력의 크기, 시료 내부의 변화에 따른 변화 및 시료 내부에 생성된 균열의 방향을 평가하였고, 그 결과는 다음과 같다.
- 수압파쇄실험을 통해 생성된 균열의 방향은 X-ray CT 촬영으로 확인하였다. 시료의 원주방향으로 리프트면이 분포한 시료에서는 대부분 리프트면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었고, 원주방향으로 그레인면 혹은 하드웨이면이 분포한 시료에서는 모두 그레인면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었다.
- 1과 같이 채석장에서는 분리되는 정도가 용이한 순서대로 리프트면 (1결), 그레인면 (2결), 하드웨이면 (3결)으로 각각 명명하기도 하며, 이는 암석 내부의 미세균열 분포와 관련이 있다고 할 수 있다. 수압파쇄실험을 통해 화강암의 강도 이방성 및 미세균열 밀도에 대한 영향을 확인하기 위해 각 면에 대해 수직으로 직경 50 mm, 높이 100 mm인 시편을 추출하였다. Fig.
- 수평압력과 수직압력, 주입압력을 가하기 위해 설치된 유체 주입구에는 각각 압력 센서가 부착되어 있어 실험 과정에서 가해지는 압력을 측정할 수 있다. 수압파쇄용 삼축압축셀은 X-ray CT(Computed Tomography) 챔버 내부 혹은 외부에 설치하여 수압파쇄실험을 진행하면서 시료 내부에 발생하는 물리적 변화를 X-ray CT 촬영을 통해 확인할 수 있도록 제작되었다. Table 1에 나타난 수압파쇄실험 장비의 사양과 같이 최대 35 MPa의 주입압력, 21 MPa의 구속압력, 51.
- 시료 내부의 미세균열 분포는 수압파쇄 거동에도 영향을 미치고, 이를 확인하기 위해 결방향의 영향이 두드러지는 R시료와 H시료를 사용하여 구속응력 0 MPa, 수직응력 25.6 MPa 조건에서 서로 다른 주입속도(10 mm3/s, 25 mm3/s, 50 mm3/s)를 적용하여 수압파쇄실험을 수행하였다. Fig.
- 압력제어로 수압파쇄실험을 수행하는 경우에는 단위 시간에 따른 압력 증가량이 일정하게 실험 조건을 설정한다. 시료의 결방향에 따른 수압파쇄 거동 차이를 평가하기 위해 구속압력 5 MPa, 수직응력 25.6 MPa 조건에서 주입유체의 압력 증가율을 0.1 MPa/s 로 일정하게 설정하여 파쇄압력(breakdown pressure)을 평가하였다. 본 연구에서는 수평응력과 수직응력의 비는 고려하지 않았으며, 수직응력은 수압파쇄를 위한 주입압력 가압시 공 상하부의 패커 역할을 위해 적용하였다.
- 또한, 시료 내부에 분포한 결 중 상대적으로 결합력이 약한 결방향과 평행하게 균열이 발생할 확률이 높다. 이를 확인하기 위해 수압파쇄실험이 종료된 시료에 대해 X-ray CT 촬영을 수행하였고, Fig. 8의 시료 단면 촬영 사진을 통해 시료 내부에 생성된 균열의 방향을 확인하였다. 촬영 결과에서 확인할 수 있듯이, 주입속도가 작아 시료가 파괴되지 않은 실험(15번, 16번, 18번)을 제외한 총 15개의 시료 중, 10번 시료를 제외한 14개의 시료 (90% 이상)에 대해 수직 방향으로 형성된 결방향 중 결합력이 약한 방향으로 균열이 생성되었다.
대상 데이터
- 가공 후에는 각 시료의 함수율이 실험 결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해 24시간 건조 후 실험을 수행하였다. 리프트면, 그레인면, 하드웨이면에 대해 수직으로 코어링한 시료는 각각 R시료, G시료, H시료로 나타내었다. 한편, Diaz et al.
- 본 연구에서 사용한 대상 암석은 포천화강암으로서 화강암은 국내외 많은 EGS 지열 현장에서 수압파쇄의 대상이 되고 있는 암종이다. 특히, 포천 화강암은 지금까지 많은 연구를 통해 결방향에 따른 이방성이 매우 뚜렷이 나타나는 것으로 알려져 있다(Kang et al.
성능/효과
- Fig. 6(a)와 같이 주입압력이 증가함에 따라 유체 주입 속도의 변화는 초기에 큰 변화가 없다가 특정 구간을 지나면 시료 내부로 주입되는 유체의 양이 급격하게 증가하는 구간을 확인할 수 있는데, 이렇게 주입속도가 변화하기 시작하는 지점을 시료 내부의 공극 구조에 변화가 발생하는 지점으로 간주할 수 있다. 초기에 균열이 발생하기 시작하는 시점(fracture initiation)을 지나 암석 시료가 파괴되기 직전에는 유체 주입속도가 급격히 증가하는 구간이 발생하게 되는데, 이 구간은 초기에 발생한 균열이 점점 확장되는 구간으로 볼 수 있다.
- R시료의 경우, 파쇄압력에 대해 약 43%가 되는 압력에서 균열이 처음 생성되기 시작하였고, G시료, H시료의 경우에는 파쇄압력에 대해 약 59% 정도의 압력에서 균열이 발생하기 시작하였다. 균열이 생성된 이후, R시료, G시료, H시료에 대해 각각 파쇄압력 대비 평균 약 72%, 81%, 91% 수준의 압력에서 주입속도가 증가하기 시작하여 파괴에 이르는 것으로 확인되었다.
- 동일한 양의 유체가 주입될 경우, 시료 내부로 유체가 확장될 수 있는 경로가 넓을수록 압력의 증가율은 낮아지는데, R시료의 경우에는 횡방향으로 미세균열의 밀도가 낮은 그레인면 및 하드웨이면이 분포되어 있어 압력 증가율이 상대적으로 높게 나타났다. 또한, 동일한 유체 주입속도 하에서 미세균열의 밀도가 높은 리프트면 및 그레인면이 횡방향으로 분포한 H시료에 비해 미세균열의 밀도가 낮은 그레인면 및 하드웨이면이 횡방향으로 분포한 R시료에서 상대적으로 높은 파쇄압력을 나타내었다.
- 주입속도가 낮은 경우에는 시료 내부로 침투된 주입유체가 공극을 통과하여 시료 표면으로 유출되면서 균열을 생성시키기 위한 압력의 크기까지 도달하지 못하기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다. 동일한 주입속도 조건에서는 R시료를 사용한 경우에 최대주입압력(균열이 생성된 경우에는 파쇄압력)이 더 크게 나타난 것을 확인하였고, 압력 증가율도 R시료에서 크게 나타났다.
- 수직압력이 구속압력보다 높은 경우에는 종방향으로 균열이 발생하게 되는데, 압력이 증가하면서 생성되는 균열은 미세균열의 밀도가 높은 방향으로 형성된다. 따라서 미세균열의 밀도가 상대적으로 높은 리프트면으로 균열이 발생하면 파쇄압력이 상대적으로 작고, 미세균열의 밀도가 낮은 그레인면 및 하드웨이면이 분포한 시료의 파쇄압력은 높게 나타난 것이다.
- 동일한 양의 유체가 주입될 경우, 시료 내부로 유체가 확장될 수 있는 경로가 넓을수록 압력의 증가율은 낮아지는데, R시료의 경우에는 횡방향으로 미세균열의 밀도가 낮은 그레인면 및 하드웨이면이 분포되어 있어 압력 증가율이 상대적으로 높게 나타났다. 또한, 동일한 유체 주입속도 하에서 미세균열의 밀도가 높은 리프트면 및 그레인면이 횡방향으로 분포한 H시료에 비해 미세균열의 밀도가 낮은 그레인면 및 하드웨이면이 횡방향으로 분포한 R시료에서 상대적으로 높은 파쇄압력을 나타내었다. 한편, 유체 주입속도가 낮은 경우에는 파쇄압력에 도달하기 전에 내부로 침투된 유체가 외부로 유출되면서 시료가 파괴되지 않고 주입압력이 수렴하는 경향을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
- 시료의 원주방향으로 그레인면 및 하드웨이면이 분포되어 있는 시료의 파쇄압력이 가장 높게 측정되었고, 원주방향으로 리프트면이 포함된 시료의 파쇄압력은 서로 유사하게 평가되었다. 수직압력이 구속압력보다 높은 경우에는 종방향으로 균열이 발생하게 되는데, 압력이 증가하면서 생성되는 균열은 미세균열의 밀도가 높은 방향으로 형성된다.
- 수압파쇄실험을 통해 생성된 균열의 방향은 X-ray CT 촬영으로 확인하였다. 시료의 원주방향으로 리프트면이 분포한 시료에서는 대부분 리프트면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었고, 원주방향으로 그레인면 혹은 하드웨이면이 분포한 시료에서는 모두 그레인면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었다. 이와 같은 결과를 통해 미세균열의 밀도가 높아 분리성이 큰 결방향으로 균열이 생성되는 것을 알 수 있다.
- 1 MPa/s)을 유지하기 위해 주입되는 유체의 양이 급격히 증가하는 모습을 확인할 수 있다. 시험 결과, R 시료 4개, G 시료 5개, H 시료 3개의 파쇄압력의 평균값은 각각 13.9 MPa, 12.2 MPa, 11.2 MPa으로 R 시료에서 가장 높은 파쇄압력을 나타낸 것을 확인하였다. R 시료에는 그레인면과 하드웨이면이 균열 생성이 가능한 면에 해당되는데, 미세균열의 밀도가 낮으므로 상대적으로 높은 압력에서 균열이 발생하였다.
- 촬영 결과에서 확인할 수 있듯이, 주입속도가 작아 시료가 파괴되지 않은 실험(15번, 16번, 18번)을 제외한 총 15개의 시료 중, 10번 시료를 제외한 14개의 시료 (90% 이상)에 대해 수직 방향으로 형성된 결방향 중 결합력이 약한 방향으로 균열이 생성되었다. 즉, R시료의 경우에는 하드웨이면에 비해 결합력이 약한 그레인면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었고, G시료, H시료의 경우에는 그레인면과 하드웨이면에 비해 상대적으로 결합력이 약한 리프트 면과 평행한 방향으로 균열이 생성된 것을 알 수 있다. 시료 자체가 비교적 균질하다면 일반적으로 주입공을 기준으로 대칭하는 양방향 균열이 생성되는데, 실제로 수압파쇄실험시 생성되는 균열의 형상과 생성 방향, 개수는 원석 채취시의 정확도, 구성 광물의 분포, 시료 코어링의 정밀도, 주입공 가공의 정밀도, 시료 손상 여부, 주입 유체의 종류와 주입 방식 등 다양한 원인에 의해 결정될 수 있다.
- 8의 시료 단면 촬영 사진을 통해 시료 내부에 생성된 균열의 방향을 확인하였다. 촬영 결과에서 확인할 수 있듯이, 주입속도가 작아 시료가 파괴되지 않은 실험(15번, 16번, 18번)을 제외한 총 15개의 시료 중, 10번 시료를 제외한 14개의 시료 (90% 이상)에 대해 수직 방향으로 형성된 결방향 중 결합력이 약한 방향으로 균열이 생성되었다. 즉, R시료의 경우에는 하드웨이면에 비해 결합력이 약한 그레인면과 평행한 방향으로 균열이 생성되었고, G시료, H시료의 경우에는 그레인면과 하드웨이면에 비해 상대적으로 결합력이 약한 리프트 면과 평행한 방향으로 균열이 생성된 것을 알 수 있다.
- 동일한 유체 주입속도 조건에서는 시료의 원주방향으로 그레인면 및 하드웨이면이 분포했을 경우에는 리프트면이 분포했을 때에 비해 압력증가율이 높게 나타났고, 원주방향으로 유체가 침투할 수 있는 경로가 상대적으로 적게 분포한다고 볼 수 있다. 한편, 시료의 종류에 따라 파쇄압력 대비 균열이 생성되는 시점의 압력과 균열이 확장되는 시점의 압력에도 차이가 있는 것을 확인하였다.
- 한편, 유체를 주입시키기 시작한 시점부터 일정 구간까지는 압력의 증가와 관계없이 주입되는 유량의 변화가 거의 없는데, 시료 내부에서 균열이 발생하기 시작하는 등 구조적으로 미세한 변화로 인해 유체 주입속도 또한 증가하는 경향을 나타내었고, 변화하기 시작하는 시점 또한 결방향에 따라 차이를 나타내는 것을 확인하였다. 이렇게 시료가 파괴되기 전에 시료 내부에서 조금씩 균열이 생성되는 등 공극의 변화가 발생하면서 주입되는 유체의 양은 점점 증가하다가 적정 수준의 압력에 도달하게 되면 시료가 파괴된다.
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