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시멘트 시료에 대한 삼축압축 환경에서의 수압파쇄시험 연구
Investigation of Fracture Propagation in Cement by Hydraulic Fracturing Under the Tri-axial Stress Condition 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.27 no.3, 2017년, pp.233 - 244  

류희성 (강원대학교 지구물리학과) ,  장현식 (강원대학교 지구물리학과) ,  장보안 (강원대학교 지구물리학과)

초록
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주입액의 점성도와 응력상태에 따른 균열전파 특성을 분석하기 위해 실험실 규모의 수압파쇄시험을 실시하였다. 시험에 사용된 시료는 시멘트 몰탈을 사용하여 제작되었으며, 각 변의 길이가 20 cm인 정육면체 형태이다. 제작된 시료는 최대강도를 갖기 위해 수중에서 약 1달간 양생과정을 거쳤다. 독립적인 가압시스템을 가지고 있는 진삼축압축장치로 시료에 압력을 가하여, 실제의 지반에서 작용하는 원위치응력 상태를 재현하였다. 시추 환경 재현을 위해 시료에 소형 시추공을 천공한 후, 일정한 주입속도로 수압파쇄시험을 실시하였다. 수압파쇄시험 과정에서 시추공에 주입된 유체의 압력을 실시간으로 측정하였으며, 동시에 미소파괴음(AE) 신호를 측정하였다. 수압파쇄시험의 모든 과정이 끝난 후 생성된 균열의 형태를 육안으로 관찰하였다. 일차파쇄압력은 주입액의 점성도 증가에 따라 지수형태를 보이며 증가하였다. 수압파쇄시험으로 인해 생성된 균열의 형태는 최대주응력과 최소주응력의 차이인 편차응력의 크기에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 낮은 편차응력의 조건에서는 단일의 균열이 아닌 다중 균열이 생성되거나, 균열 성장과정에서 방향이 휘어지는 경향을 보였고, 이에 반해 높은 편차응력의 조건에서 생성된 균열은 단일 면상의 균열이 발생하였다. AE 분석에서도 편차응력이 클수록 미세균열이 단일 면상으로 집중되어 발생되는 경향을 보였다. 이러한 연구결과는 수압파쇄 방법을 이용한 암반파쇄에서 편차응력이 클 때보다 작을 때 더 복잡한 균열이 발생된다는 것을 보여준다. 따라서 셰일가스를 개발할 때 생산량을 높이기 위해서는 복잡한 균열을 발생시킬 수 있는 편차응력이 작은 조건에서 수압파쇄가 적용되는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We conducted hydraulic fracturing experiments on cement samples to investigate the dependency of fracture propagation on the viscosity of injection fluid and the in situ stress state. Ten cubic samples (20 cm side length) were produced using cement that was cured in water for more than one month. Sa...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 연구에서는 수압파쇄에 영향을 미치는 여러 가지 요인 중에서 주입액의 점성도와 원위치 응력이 수압파쇄 균열의 발달에 미치는 영향을 실내실험을 통하여 분석하였다. 수압파쇄 시험에 사용된 시료는 콘크리트 몰탈을 사용하여 제작되어 모든 시료가 일정한 물리적역학적 특성을 가지며, 원위치 응력은 3 방향의 독립적인 가압시스템을 가지고 있는 진삼축압축장치를 사용하여 지하의 암반 상태를 재현하였다.
  • 이 연구에서는 주입액의 점성도 변화와 지중응력의 편차에 따른 수압파쇄 특성 및 균열발달 과정을 관찰하고자, 지중응력이 재현된 환경에서 실험실규모의 수압파쇄시험을 실시하였다. 주입액은 5가지 종류의 점성도(1, 100, 200, 350, 500 cSt)를 사용하였으며, 편차응력 차이에 따른 수압파쇄 균열양상을 관찰하기 위해 최대수평주응력과 최소수평주응력이 작용하는 방향으로 각각 시추를 실시하여 주입액의 점성도와 편차응력의 크기를 달리하는 총 10회의 수압파쇄시험을 실시하였다.

가설 설정

  • 만약 고유 투수계수와 단위중량이 동일하다면, 시료의 투수계수는 유체의 점성도에 반비례한다. 이 연구에서 사용된 시료는 동일한 과정을 통해 제작되었으므로 고유투수계수와 단위중량은 동일한 것으로 가정할 수 있다. 그러므로 점성도가 1 cSt인 유체가 흐를 때 이 시료의 투수 계수는 100 cSt인 유체가 흐를 때에 비하여 100배 높다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
셰일가스와 전통적 천연가스의 차이점은? 21세기 에너지자원 시장에서 가장 큰 화두는 셰일가스의 개발이다. 셰일가스는 전통적 천연가스와 비교하여 부존형태에서 많은 차이가 있고 개발과정에서도 새로운 기술을 필요로 한다. 셰일은 점토 기원의 입자크기가 작은 암석으로 매우 낮은 투수성을 가지고 있다.
21세기 에너지자원 시장에서 가장 큰 화두는 무엇인가? 21세기 에너지자원 시장에서 가장 큰 화두는 셰일가스의 개발이다. 셰일가스는 전통적 천연가스와 비교하여 부존형태에서 많은 차이가 있고 개발과정에서도 새로운 기술을 필요로 한다.
수평시추법과 수압파쇄법의 특징은 무엇인가? 그러나 연구자들은 셰일의 매우 낮은 투수성을 보완하기 위한 많은 연구를 수행하였고, 그 결과로 개발된 수평시추법과 수압파쇄법이 셰일가스의 생산성 향상에 가장 널리 사용되고 있다. 수평시추법은 수평방향으로 연장성이 큰 셰일층을 따라 시추를 하는 공법으로, 시추공이 지속적으로 저류층을 통과하는 장점이 있다. 수압파쇄법은 매우 낮은 투수성을 가지는 셰일층에 인공적인 균열을 발생시켜 천연가스가 추출될 수 있는 통로를 생성하기 때문에 더욱 많은 천연가스 추출을 가능하게 한다. 그러므로 수평시추법과 수압파쇄법은 셰일가스 개발을 위한 가장 중요한 공법이 되었으며(Perry and Lee, 2007), 이 공법들을 이용하여 1990년대부터 북아메리카 대륙을 중심으로 활발한 셰일가스 개발이 실시되고 있다.
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참고문헌 (24)

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