주입속도에 따른 화강암 시료의 수압파쇄 거동과 유체 침투량의 관계
저자
정성규 ; ( Melvin Diaz ) ; 김광염 ; ( Zhuang Li ) ; 정자혜 ; 염선 ; 신휴성 연구자관계분석
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2016
작성언어
-KDC
500
자료형태
학술저널
수록면
207-208(2쪽)
제공처
EGS (Enhanced Geothermal System) 지열발전에서 핵심 요소인 수압파쇄 기술은 유체의 압력을 높여 인공적으로 균열을 발생시키는 기술이다. 이 때, 암석에 생성되는 균열의 형상과 크기, 균열 발생 메커니즘에 영향을 미치는 요소로는 암석 내부의 미세균열의 분포, 유체의 주입속도, 지중 응력의 크기와 방향 등이 존재한다. 균열의 생성 특성을 파악하는 것은 암반지열발전 시스템의 효율, 수압파쇄 시 암석의 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 중요하기 때문에여러 가지 영향인자에 따른 수압파쇄 거동을 평가하는 연구가 다양하게 진행되어 왔다. 특히,Lockner & Byerlee (1977), Zoback et al. (1977), Zeng & Roegiers (2002)은 주입속도에 따라 수압파쇄 거동과 균열 생성 메커니즘의 차이가 발생하는 것을 확인하였고, 국내에서는 허찬(2014)이 실내실험을 통해 주입속도의 영향을 확인하였다. 본 연구에서는 화강암 코어 시료에 대해서로 다른 주입속도 조건에서 실내 수압파쇄 실험을 수행하였고, 주입속도와 유체 침투량이 수압파쇄 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 시험에 사용한 시료는 직경 50 mm, 높이 100 mm인 화강암 코어 시료로, 중앙에 직경 8 mm인 구멍이 형성되어 있다. 수직압력 25.6 MPa, 구속압력 0 MPa 인 조건에서 주입속도를 각각 1mm3/sec 와 100 mm3/sec로 설정하여 실험을 수행하였고, 시간 경과에 따른 주입압력의 증가를 확인하였다. 또한, 각 주입속도 조건에서 유체 침투량의 영향을 확인하기 위해 동일한 주입속도조건에서 시간 경과에 따른 물 침투량을 측정하였다. 실내 실험 결과, 실험에 사용한 시료의 공극 부피는 약 1.29 cm3, 공극률이 0.66 %로 산정되었고, 이를 바탕으로 시간 경과에 따른 포화도를 산정하여 주입속도 증가 추이를 비교하였다. 그림 1과 같이 주입속도가 1 mm3/sec인 경우에는 시간이 지남에 따라 주입압력이 미세하게 증가하여 일정 크기로 수렴하는 경향을 나타내었다. 반면, 주입속도가 100 mm3/sec인 경우에는 주입압력이 급격히 증가하여 약 7.5 MPa 지점에서 떨어지는 것을 확인하였다. 주입속도가 낮은 경우에는 시료 내부에서 균열을 발생시킬 정도의 압력까지 증가하기 전에 유체가 공극을 통과하여 흐르기 때문인 것으로 판단되고, 이와 같은 현상은 그림 2에 나타난 것과 같이 일정시간 경과 후에 시료 표면에 물방울이 맺힌 것을 통해 유추해볼 수 있다. 반면, 주입 속도가 높은 경우에는 유체의 침투 속도보다 주입속도가 크기 때문에 시료 내부의 압력이 증가하다가 균열개시압력에 도달하여 균열이 발생하는 것으로 판단된다. 측정한 유체 침투량을 바탕으로 시간에 따른 포화도 증가경향을 나타낸 결과, 주입속도가 1 mm3/sec인 경우에는 최대 주입압력에 도달하기 전에 포화도가 100 %에 이르렀고, 주입속도가 100 mm3/sec인 경우에는 최대주입압력(균열개시압력)지점을 지나서 포화도 100 %인 지점이 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 주입속도가 증가함에 따라 시료 내부로의 유체 침투 속도도 증가한 것을 확인하였다. 이를 통해 주입속도는 시료 내부로의 침투 속도에 영향을 미치고, 침투 속도에 따라 시료 내부에 작용하는 압력 증가량이 달라지므로 궁극적으로는 수압파쇄 거동과 균열의 형성 유무를 결정한다고 할 수 있다.
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