[논문]GREAT 셀을 이용한 삼축압축시험의 수치모사: 예비연구

박도현; 박찬희

doi:10.7474/tus.2022.32.3.219

초록
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GREAT 셀은 실험실에서 심부지층의 열-수리-역학적 조건을 구현하기 위해 설계된 시험장비로서, 시료 길이방향 축을 중심으로 회전하는 측면의 가압장치를 이용하여 다축 응력장을 생성할 수 있고 균열이 포함된 시료에 대해 유체유동 실험이 가능하다. 본 연구에서는 GREAT 셀을 이용한 삼축압축시험을 수치 해석적으로 모사하고 시료 측면에 작용하는 구속압 조건에 따른 역학적 거동을 분석하였다. 균열이 없는 고분자 재질의 시료에 대한 삼축압축시험 사례를 수치모사하여 실험결과와 비교하였다. 수평 구속압의 균등 및 불균등 조건에서 시료 표면의 변형률(원주변형률)을 분석하였으며, 실험결과와 유사한 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 추가로 균열이 포함된 가상의 시료모델을 구성하여 균열면의 마찰 특성 및 형상이 시료 변형에 미치는 영향을 조사하였다.

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The Geo-Reservoir Experimental Analogue Technology (GREAT) cell was designed to recreate the thermal-hydro-mechanical conditions of deep subsurface in the laboratory. This apparatus can generate a polyaxial stress field using lateral loading elements, which rotate around the longitudinal axis of a s...

The Geo-Reservoir Experimental Analogue Technology (GREAT) cell was designed to recreate the thermal-hydro-mechanical conditions of deep subsurface in the laboratory. This apparatus can generate a polyaxial stress field using lateral loading elements, which rotate around the longitudinal axis of a sample and is capable of performing a fluid flow test for samples containing fractures. In the present study, numerical simulations were carried out for triaxial compression tests using the GREAT cell and the mechanical behavior of samples under different conditions of lateral loading was investigated. We simulated an actual case, in which triaxial compression tests were conducted for a polymer sample without fractures, and compared the results between the numerical analysis and experiment. The surface strain (circumferential strain) of the sample was analyzed for equal and non-equal horizontal confining pressures. The results of the comparison showed a good consistency. Additionally, for synthetic cases with a fracture, we investigated the effect of the friction and type of fracture surface on the deformation behavior.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of the GREAT cell set-up (McDermott et al., 2018, Fraser-Harris et al., 2020)
그림 Fig. 2. Schematic illustration of the pressure exerting elements for lateral loading (McDermott et al., 2018)
그림 Fig. 3. Numerical model used in McDermott et al. (2018)
표 Table 1. Lateral loading conditions applied in McDermott et al. (2018)
그림 Fig. 4. Numerical models of the polymer sample
그림 Fig. 5. Lateral loading conditions for Mesh-A
그림 Fig. 6. Circumferential strain evolution over the loading cycle in Table 1 (Mesh-A)
그림 Fig. 7. Comparison between numerical and experimental results for circumferential strain in (a) McDermott et al. (2018) and (b) the present study (Mesh-A) in which the experimental data were plotted by the screen-capture and digitization of the left figure
그림 Fig. 8. (a) Circumferential strains in (b) the case where the lateral loading of LS1 was improperly applied
그림 Fig. 9. (a) Comparison between the numerical and experimental strain results (Mesh-B) and (b)-(d) the numerical results under different lateral loading conditions for Mesh-A and Mesh-B
$Fig. 10. Numerical models with a fracture$ 그림 Fig. 10. Numerical models with a fracture
$Table 2. Parameters of fracture surface used in the present study$ 표 Table 2. Parameters of fracture surface used in the present study
$Fig. 11. Distributions of circumferential strain under different conditions of fracture friction$ 그림 Fig. 11. Distributions of circumferential strain under different conditions of fracture friction
$Fig. 12. Distributions of circumferential strain for different fracture types$ 그림 Fig. 12. Distributions of circumferential strain for different fracture types
$Fig. 13. Deformations of the model grid with the planar fracture for different values of fracture friction$ 그림 Fig. 13. Deformations of the model grid with the planar fracture for different values of fracture friction

참고문헌 (9)

European Commission, 2017, Report on HM fracking data, Report Ref. Ares(2017)5842423, European Commission, Brussels.
European Commission, 2018, Scientific report on furthering the knowledge base for reducing the environmental footprint of shale gas development, Report Ref. Ares(2018)5044406, European Commission, Brussels.
European Commission, 2022, FracRisk, http://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/projects/h2020-energy/shale-gas/fracrisk [Accessed May 11, 2022].
Fraser-Harris, A.P., McDermott, C.I., Couples, G.D., Edlmann, K., Lightbody, A., Cartwright-Taylor, A., Kendrick, J.E., Brondolo, F., Fazio, M. and Sauter, M., 2020, Experimental investigation of hydraulic fracturing and stress sensitivity of fracture permeability under changing polyaxial stress conditions, Journal of Geophysical Research: Solid Earth 125, e2020JB020044.
Itasca, 2022, FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) software, http://www.itascacg.com/software/flac3d [Accessed May 11, 2022].
McDermott, C.I., Fraser-Harris, A., Sauter, M., Couples, G.D., Edlmann, K., Koliditz, O., Lightbody, A., Somerville, J. and Wang, W. 2018, New experimental equipment recreating geo-reservoir conditions in large, fractured, porous samples to investigate coupled thermal, hydraulic and polyaxial stress processes, Scientific Reports 8, 14549.

상세보기
OpenGeoSys Community, 2022, OpenGeoSys - Open-source multi-physics, http://www.opengeosys.org [Accessed May 11, 2022].
The University of Edinburgh, 2022a, Research outputs and funding for applied geosciences, http://www.ed.ac.uk/geosciences/about/facilities/all/applied-geoscience/research-outputs-funding [Accessed May 11, 2022].
The University of Edinburgh, 2022b, GREAT cell laboratory, http://www.ed.ac.uk/geosciences/about/facilities/all/great-cell [Accessed May 11, 2022].

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