Experimental Simulations of Borehole Breakouts and Their Relationship to In Situ Stress Magnitudes

시추공벽 파쇄 모의 시험 및 현장 응력과의 관계 연구

We conducted laboratory simulations of deep vertical drilling into the earth's crust to induce borehole breakouts and investigated their potential use for estimating in situ stress magnitudes in Westerly granite and Berea sandstone. Our experiments consisted of two major stages, a series of triaxial tests and borehole-breakout formation tests under a wide range of far-field stresses. We derived the Mohr-Coulomb, Nadai and Mogi failure criteria from the triaxial test results. Each criterion was compared with the stress condition at breakout boundaries. We concluded that the well known Mohr-Coulomb criterion is not compatible with the stress condition at breakout failure. On the other hand, polyaxial (truly triaxial) failure criteria such as the Nadai criterion for Berea sandstone and the Mogi criterion for Westerly granite were much more suitable for predicting breakout failure zone. Such failure criteria appeared to enable the reliable estimation of the magnitude of one of two horizontal principal stresses if the other one is known.

웨스터리 화강암과 베리아 사암 시료에 지하 심부에 상당하는 현장 응력을 가한 후 시추를 함으로써 시추공벽 파쇄를 발생시켰으며, 이를 통하여 현장 응력의 크기를 추정할 수 있는지 연구하였다. 실험은 삼축압축 및 시추공벽 파쇄시험 등 두 단계로 나뉘어 수행되었다. 삼축압축 시험 결과로부터 모아-쿨롱, 나다이, 그리고 모기파괴 기준을 구하였다. 각 파괴 기준을 공벽 파쇄 경계 지점에서의 응력 상태와 비교한 결과, 모아-쿨공 파괴 기준은 공벽에서의 파쇄 응력과는 전혀 일치하지 않았다. 반면, 베리아 사암에서는 나다이기준, 그리고 웨스터리 화강암에서는 모기파괴 기준과 같은 다축(혹은 진 삼축) 파괴 기준이 공벽 주변에서 파쇄를 일으키는 응력 상태와 잘 일치하였다. 적당한 파괴 기준 및 시추공벽 파쇄 크기를 이용하여 두 개의 현장 수평 주응력 중 하나가 알려졌을 경우 다른 하나를 비교적 신뢰할 수 있는 정도로 추정할 수 있다는 것이 밝혀졌다.