비전통 에너지 자원의 하나인 셰일가스를 개발하기 위해서는 수평시추와 수압파쇄가 필요하고 이 작업들은 수평응력차비가 낮은 곳에서 실시한다. 수평응력차비는 일반적으로 최대 수평응력과 최소 수평응력을 측정하여 구하지만 동탄성계수와 이방성변수를 활용하여 구하기도 한다. 본 연구에서는 단양 석회암 암석코어 시료실험을 통해 이방성 특성을 살펴보고 수평응력차비를 구하였다. 단양 석회암체에서 퇴적 층리면에 수직, 45도, 수평방향으로 된 암석코어 시료를 성형하고 P파 속도, S파 속도, 밀도를 측정한 후 동탄성계수, 컴플라이언스계수를 구하여 수평응력차비를 계산하였다. 시료분석결과 수평응력차비는 약 0.185로 제시하였다. 단양 석회암은 층리대칭축에 따라서 P파, S파의 속도가 변화하여 Thomsen 매개변수 값도 이와 같은 특징을 잘 반영하고 있으며 수평응력차비는 포아송 비보다 컴플라이언스 값에 영향을 많이 받고 있다. 향후 SH파 속도를 측정할 경우 좀 더 정확한 암석물리 물성을 구할 수 있을 것으로 판단된다.
비전통 에너지 자원의 하나인 셰일가스를 개발하기 위해서는 수평시추와 수압파쇄가 필요하고 이 작업들은 수평응력차비가 낮은 곳에서 실시한다. 수평응력차비는 일반적으로 최대 수평응력과 최소 수평응력을 측정하여 구하지만 동탄성계수와 이방성변수를 활용하여 구하기도 한다. 본 연구에서는 단양 석회암 암석코어 시료실험을 통해 이방성 특성을 살펴보고 수평응력차비를 구하였다. 단양 석회암체에서 퇴적 층리면에 수직, 45도, 수평방향으로 된 암석코어 시료를 성형하고 P파 속도, S파 속도, 밀도를 측정한 후 동탄성계수, 컴플라이언스계수를 구하여 수평응력차비를 계산하였다. 시료분석결과 수평응력차비는 약 0.185로 제시하였다. 단양 석회암은 층리 대칭축에 따라서 P파, S파의 속도가 변화하여 Thomsen 매개변수 값도 이와 같은 특징을 잘 반영하고 있으며 수평응력차비는 포아송 비보다 컴플라이언스 값에 영향을 많이 받고 있다. 향후 SH파 속도를 측정할 경우 좀 더 정확한 암석물리 물성을 구할 수 있을 것으로 판단된다.
To develope shale play which is one of unconventional energy resources, horizontal drilling and hydraulic fracturing are necessary and those are applied to the place where the differential horizontal stress ratio (DHSR) is low. The differential horizontal stress ratio is generally calculated by the ...
To develope shale play which is one of unconventional energy resources, horizontal drilling and hydraulic fracturing are necessary and those are applied to the place where the differential horizontal stress ratio (DHSR) is low. The differential horizontal stress ratio is generally calculated by the minimum and maximum horizontal stress, but it is also calculated from dynamic elastic constants and anisotropic parameters. In this study we analyzed anisotropic properties through the core samples from Danyang limestone and calculated DHSR. The three types of core samples shaped in three directions (vertical, parallel and 45 degree to bedding) were used for laboratory test. We measured P-, S-wave velocities, and density and then calculated dynamic elastic constants, compliance and DHSR. According to the results of the core sample analysis the calculated DHSR is 0.185. Thomsen parameters of the Danyang limestone used in this study are characterized by the P- and S-wave velocities varying along the bedding symmetry axis. It is observed that the DHSR value is more affected by the change in compliance value than the Poisson's ratio. It is necessary to measure SH-wave velocity for more correct petrophysical properties.
To develope shale play which is one of unconventional energy resources, horizontal drilling and hydraulic fracturing are necessary and those are applied to the place where the differential horizontal stress ratio (DHSR) is low. The differential horizontal stress ratio is generally calculated by the minimum and maximum horizontal stress, but it is also calculated from dynamic elastic constants and anisotropic parameters. In this study we analyzed anisotropic properties through the core samples from Danyang limestone and calculated DHSR. The three types of core samples shaped in three directions (vertical, parallel and 45 degree to bedding) were used for laboratory test. We measured P-, S-wave velocities, and density and then calculated dynamic elastic constants, compliance and DHSR. According to the results of the core sample analysis the calculated DHSR is 0.185. Thomsen parameters of the Danyang limestone used in this study are characterized by the P- and S-wave velocities varying along the bedding symmetry axis. It is observed that the DHSR value is more affected by the change in compliance value than the Poisson's ratio. It is necessary to measure SH-wave velocity for more correct petrophysical properties.
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문제 정의
(2012)는 이방성 동탄성계수와 컴플라이언스 계수(compliance, 강성행렬 역수)에서 수평응력차비를 계산할 수 있는 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 단양 석회암 블록에서 퇴적 층리면에 수평, 수직, 45도 세 방향 코어 시료를 제작하여 탄성파속도를 측정하고 이로부터 톰슨 이방성변수(Thomsen, 1986), 동탄성계수, 컴플라이언스 계수를 구하고 이를 활용하여 수평응력차비를 구하 고자 한다.
본 연구에서는 초음파 송수신기를 이용하여 암석코어 시료에 대한 P파, S파 속도, 밀도를 측정하여 동적 이방성 탄성계수를 계산하고자 하였다.
제안 방법
Table 5. Dynamic stiffness coefficients, Thomsen anisotropic parameter, and DHSR from laboratory core test (Unit for stiffness coefficients:GPa).
대형 석회암 블록에서 전문가의 도움을 받아 퇴적 방향을 결정하고 가로×세로×높이 각각 30 cm의 정사각형으로 가공하여 방향에 따른 코어링으로 이방성 시료를 제작하였다.
본 연구에서는 초음파 송수신기를 이용하여 암석코어 시료에 대한 P파, S파 속도, 밀도를 측정하여 동적 이방성 탄성계수를 계산하고자 하였다. 방향에 따른 동탄성계수의 변화특성을 확인하기 위해 퇴적 층리면에 0도, 45도, 90도 방향의 단양 석회암 코어 시료를 채취하여 P파, S파, 밀도를 측정하였다. 단양 석회암을 실험의 대상으로 선택한 이유는 퇴적층의 층리가 잘 확인되고 또한 실험에 필요한 시료확보에 용이하기 때문이다.
P파 속도는 전파방향과 대칭축 사이의 각도가 평행(90도 코어 시료에 해당)에 가까울수록 빨라지고 영률은 P파 속도에 비례하므로 실험결과는 이에 상응한 결과를 보여준다. 본 그림을 통해 파동전파 방향에 따른 P파 속도변화를 확인하고 P파 속도변화에 따른 영률변화를 확인 할 수 있었다. 단양 석회암의 영률의 범위는 60 ~ 70 GPa 이고 P파 속도 증가에 따라 동시에 증가함을 알 수 있다.
, 1994; Kebaili and Schmitt, 1997). 본 논문에서는 두번째 방법을 채택하여 물성실험을 수행하였다. 이방성매질에 서의 P파, S파 속도는 파동 전파방향과 입자극성에 따라 변화하고 각각 전파방향에서 하나의 P파와 직교하는 2개의 S파가 존재한다.
본 연구에서는 단양 석회암 블록에서 퇴적 층리면에 세 방향 코어 시료를 가공하여 탄성파속도를 측정하였고 동탄성계수와 이방성변수를 구하고 이로부터 수평응력차비를 계산하였다.
본 연구에서는 단양 석회암체의 퇴적 층리면에 0, 45, 90도의 세 방향 코어 시료 물성 값(P파 속도, S파 속도, 밀도)을 측정하여 동적 톰슨 이방성변수 ε, δ, η 와 연약균열변수, 컴플라이언스 계수(강성행렬 역수), 수평응력차비를 정량화하였다.
대상 데이터
대형 석회암 블록에서 전문가의 도움을 받아 퇴적 방향을 결정하고 가로×세로×높이 각각 30 cm의 정사각형으로 가공하여 방향에 따른 코어링으로 이방성 시료를 제작하였다. 세 방향 코어의 크기는 평균적으로 길이 105 mm, 지름 53 mm, 무게 634 g이며 수직방향으로 21개, 수평방향으로 22개, 45도 방향 18개로 Fig. 3과 같이 전체 59개를 제작 하였다. 암석시료에 대한 물성측정은 한국인정기구(KOLAS:Korea Laboratory Accreditation Scheme) 지정 기관인 한국지질자원연구원(기관인정번호(Accreditation number) KT013, 규격번호(Standard number) ASTM D 2845-08, ASTM C 97/C, 97M-15)에서 수행하였다.
Table 4의 측정된 탄성파속도를 비교하면 대칭축에 따라 속도 값이 달라짐을 알 수 있고 P파의 경우 파동전파 진행방향과 대칭축이 평행할 때(대칭축 90도) 전파속도가 가장 빠르게 나타남을 알 수 있다. 측정된 P파, S파, 밀도로부터 포아송 비, 영률, 체적탄성률, 전단계수, 라메 상수 등 5개 탄성계수를 구할 수 있다(Table 4). Table 4에서 보듯이 대칭축에 따라 동탄성계수 변화가 발생하고 그 크기는 수직대칭축보다 수평대칭축일 때 더 커짐을 알 수 있다.
이론/모형
3과 같이 전체 59개를 제작 하였다. 암석시료에 대한 물성측정은 한국인정기구(KOLAS:Korea Laboratory Accreditation Scheme) 지정 기관인 한국지질자원연구원(기관인정번호(Accreditation number) KT013, 규격번호(Standard number) ASTM D 2845-08, ASTM C 97/C, 97M-15)에서 수행하였다.
성능/효과
6은 P파 속도와 포아송 비 관계를 나타낸 것이다. P파 속도는 대칭축 방향이 증가하여 평행에 가까울수록 속도가 빨라지고 포아송 비는 P파 속도에 비례하므로 본 실험을 통해 이를 확인할 수 있었다. 단양 석회암의 포아송 비 분포범위는0.
본 연구에서는 단양 석회암체의 퇴적 층리면에 0, 45, 90도의 세 방향 코어 시료 물성 값(P파 속도, S파 속도, 밀도)을 측정하여 동적 톰슨 이방성변수 ε, δ, η 와 연약균열변수, 컴플라이언스 계수(강성행렬 역수), 수평응력차비를 정량화하였다. 총 59개 코어 시료(평균 직경 53 mm, 길이 102 mm, 무게 634 g)에서 측정된 단양 석회암의 P파 속도는 퇴적 층리면에 대칭축이 수직인 코어 시료의 경우 6.040 km/s, 대칭축과 45도인 경우 6.376 km/s, 90도인 경우 6.662 km/s로 대칭축과 전파방향 사이의 각이 증가할수록 점점 증가하여 전형적인 횡적 등방성매질 특징을 보이고 있다. S파 속도도 0도에서 2.
이는 파동진행 방향이 수평방향으로 퇴적된 VTI 매질에서 퇴적방향과 같은 경우 속도가 빠르다는 것을 의미한다. 코어 시료 방향은 입사각에 따른 탄성파속도를 의미하므로 P파 속도와 S파 속도 상관관계로부터 탄성파 전파방향에 따라 속도차이가 있음을 확인할 수 있다. 단양 석회암의 경우 P파 속도는 5.
일반적으로 VTI 매질에서 대칭축이 0도인 경우, S파 수직성분 VSV속도와 S파 수평성분 VSH속도는 같으며, 대칭축이 90도인 경우는 VSH가 VSV 보다 속도가 빠르다. 파동전파 방향과 입자진동 방향을 고려할 때 대칭축이 0, 45, 90로 증가할수록 P파 속도도 증가한다. 이로 인해 탄성계수 C11이 C33 보다 크고 C66이 C44 보다 크게 나타나는 경향이 있다.
후속연구
향후 SH파 속도를 측정할 경우 C66 그리고 γ 를 구할 수 있어 좀 더 정확한 수압파쇄 설계변수를 구할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
셰일가스를 개발하기 위해서 무엇을 적용해야 하나?
비전통 에너지자원중 하나인 셰일가스를 개발하기 위해서는 셰일가스 집중구간(sweet spot)에 수평시추와 수압파쇄 기술을 적용한다(Hwang and Jin, 2012; Zou, 2013; Ahmed and Meehan, 2016). 셰일가스층 집중 구간에 대한 수압파쇄 설계는 지구물리적, 지구화학적 분석이 필요하며 특히 셰일 층은 이방성 특징을 보이고 있어 이를 고려한 분석이 필요하다.
셰일 층의 탄성파 속도 이방성 원인은?
셰일 층의 탄성파 속도 이방성 특성은 이방성 측정값에 대해 복잡한 해석이 존재할 만큼 다양한 원인을 지니고 있다.셰일 층의 탄성파 속도 이방성 원인은 판상구조를 갖는 점토의 배열상태, 유기물, 응력, 균열 등이다. Hornby (1998)와 Sayers (2008)은 셰일 층의 수직방향으로 최대 응력이 가해지면 점토 내의 압밀이 증가되고 이에 따라 판상구조 점토의 영향으로 이방성 특성이 나타나는 것으로 해석하였으며 Vernik and Nur (1992), Sondergeld et al.
횡적등방성 구조는 어떻게 나눌 수 있나?
이방성 특성은 탄성 계수, 속도, 밀도 등의 물리적인 특성 값들이 방향에 따라 달라지는 현상으로 가장 단순한 형태의 이방성 특성은 횡적으로 퇴적된 구조를 갖는 횡적등방성 구조를 들 수 있다. 횡적 등방성 구조는 대칭축이 수직인 수직 횡적등방성구조 (Vertical Transversely Isotropy: VTI), 대칭축이 수평인 수평 횡적등방성구조(Horizontal Transversely Isotropy: HTI) 그리고 대칭면이 임의 각도로 기울어진 경사 횡적등방성구조 (Tilted Transversely Isotropy: TTI)로 나눌 수 있다. 암석코어 특히, 셰일 층과 같은 퇴적층 암석코어의 경우, 탄성계수는 측정방향에 따라 많은 차이를 보이고 있어 세 방향(이방성 대칭축에 수직, 수평, 45도) 코어 시료를 이용하여 탄성계수를 측정해야 한다(Wang, 2002).
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