• 터널과지하공간
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• 제23권6호
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• pp.538-546
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• 2013

본 보고에서는 석유산업에서 석유 및 가스의 생산성과 회수율을 극대화시키기 위한 방안의 하나인 수압파쇄기술에 대하여 다루고 있다. 수압파쇄기술은 인위적으로 저류층에 균열을 발생시켜 발생된 균열을 통해 저류층 유체의 유정 내 유입을 용이하게 하는 방법으로, 최근 셰일가스나 오일셰일과 같은 비전통석유가스 개발에서 널리 사용되고 있다. 수압파쇄는 크게 세 가지 단계의 과정을 통해 이루어지며, 효율적인 수압파쇄 설계를 위해 제안된 모델과 수압파쇄 후 결과를 분석, 평가하는 방법에 대해 소개하고 있다. 또한 수압파쇄과정에서 발생하는 다양한 문제점과 이를 해결하는 데 필요한 저류층 암반역학에 대해서도 간략하게 다루고 있다.

• 터널과지하공간
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• 제29권1호
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• pp.12-29
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• 2019

최근의 이산화탄소 심지층 처분, 인공지열저류층 형성 및 발전, 원유회수증진 사업 등에는 고압의 유체를 주입하는 과정이 수반되고 이들 사업의 안전하고 성공적인 수행을 위해서는 대상 부지 절리 암반의 투수 특성 및 주입압에 의한 역학적 변형에 기인한 변화를 정확하게 평가하는 것이 중요하다. 본 고에서는 절리 암반 수리-역학 특성 파악을 위한 해석적 및 실험적 평가 방법에 대해 검토하였다. 먼저 유체 주입 전 절리 암반 초기 투과 특성 및 수리-역학 특성 평가에 고려해야 할 기술요소를 분석하고 현장 시추공 실험을 통해 이들 수리-역학 특성을 직접 측정하기 위한 최근의 SIMFIP 실험장치의 특징 및 활용방안에 대해서도 검토하였다.

• 터널과지하공간
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• 제26권1호
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• pp.12-23
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• 2016

향후 국내에서 수행될 이산화탄소 지중저장 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 현장 지질조건에 최적화된 주입 조건을 설계하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 주입량 및 주입온도 등의 주입조건이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 열-수리-역학 연계해석기법의 하나인 TOUGH-FLAC 해석기법을 이용하여 평가하였다. 저장시스템의 역학적 안정성은 기존 균열의 전단미끄러짐 발생가능성을 활동마찰각 및 응력원을 이용하여 분석하였다. 이산화탄소의 주입온도가 저류층의 초기온도보다 낮은 저온주입의 조건에도 열응력으로 인한 인장균열은 발생하지 않는 것으로 파악되었으나, 저류층에서 전단미끄러짐이 발생하는 결과를 보였다. 단위시간당 이산화탄소 주입량을 변화시킨 시나리오 해석에서는 단계별로 주입량을 감소시키는 주입시나리오에서 기존 균열들의 전단미끄러짐 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 평가되었다.

• 터널과지하공간
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• 제33권1호
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• pp.57-69
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• 2023

본 연구에서는 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)을 사용하여 네델란드 그로닝엔(Groningen) 천연가스전 저류층의 유발지진을 모사하였다. 수치해석 코드는 ITASCA社의 상용프로그램인 PFC2D (Particle Flow Code 2D)를 사용하였으며 본 수치해석 연구에 적용하기 위해 수리-역학적 연계 모델 외 1) 비균질 저류층 압력분포 초기화, 2) 비선형 압력-시간이력 경계조건, 3) 국소 응력 분포 계산 등의 개별모듈을 추가개발, 적용하였다. 그로닝엔 가스전에 분포하는 복잡한 단층 형상을 포함하는 40 × 50 km² 크기의 2차원 모델을 생성하였고, 1960년부터 2020년까지 약 60년 동안의 가스생산, 즉 압 력저하로 인한 단층의 파괴거동을 모사하였다. 유발지진의 시공간적 발생을 수치해석모델로 재현하였고 그 발생 메커니즘을 규명하였다. 또한 저류층 압축으로부터 지표에서의 지반침하의 분포를 예측하였고 그로닝엔에서의 실측자료 사이에 유사성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 소개한 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)의 복잡한 지질조건과 수리-역학적 연계 프로세스에 의한 단층거동을 구현할 수 있는 툴(tool)로서의 활용성을 확인하였다.

• 터널과지하공간
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• 제23권6호
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• pp.493-505
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• 2013

본 수치해석논문에서는 절리와 단층대를 포함한 지열저류층에 수리자극을 가할 시 수반되는 유도지진과 단층대의 변형을 개별요소법을 사용하여 모델링하였다. 수채해석기법은 2차원 입자유동코드를 기반으로 하며 수리역학적 상호작용기법과 미소파괴음의 모멘트텐서 역산알고리즘이 결합되었다. 수치해석의 주요결과로는 시공간적으로 변하는 유도지진의 분포와 규모 그리고 단층대의 변형(파괴 및 전단변위)과 주입유체압력의 시공간적 분포와의 상관관계이다. 첫 번째 수치해석으로부터 절리가 분포하는 지열저류층에서의 수리자극에 의한 유도지진의 분포는 주입유체의 점성에 상당한 영향을 받는 것으로 나타났다. 주입유체의 점성이 낮은 경우 (1 cP), 유도지진의 발생범위가 큰 것으로 나타났으며, 주입 후 발생하는 유도지진의 개수와 규모 또한 높게 나타났다. 단층대가 존재하는 지열저류층의 수리자극 모델링의 결과, 주입정의 위치가 단층대와 가까운 경우 작은 주입수 압력분포(<0.1 MPa)로도 단층대의 파괴와 전단변형을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서 소개한 수치해석기법은 수리자극을 통한 지열저류층 개발 시 유도지진의 분포와 규모를 실제 유체주입작업전에 예측할 수 있게 함으로써 지열에너지개발 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

• 터널과지하공간
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• 제22권4호
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• pp.266-275
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• 2012

$CO_2$ 저장에 따른 암반 물성의 변화 분석은 지중저장소 정밀 모니터링을 위해 필수적인 요소로서 이에 대한 다양한 각도의 시험 수행과 모델링이 요구된다. 하지만 국내의 경우는 대부분 모델링 연구에 집중되고 있으며, 수치모델에서 필요로 하는 입력자료 대부분이 문헌에 기반을 둔 가정치를 사용하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 $CO_2$ 주입 환경을 모사하는 기술을 고안하고, 초임계 $CO_2$와 반응하는 저류층 암반의 거동 분석을 위해 암석 시료를 이용한 역학적 물성 변화 위주의 실험실 시험을 실시하였다. 시험 대상은 저류층 내에서 덮개암 및 저장층 역할을 하는 셰일 및 사암으로 하였으며, 층간 결합력이 약해 팽창성이 높은 것으로 보고된 셰일에 대해서는 추가적으로 초임계 $CO_2$에 의한 팽창성을 검토 하고자 하였다. 반응 전 후의 변형 거동과 물성변화 관찰을 위해 파괴 및 비파괴 분석 시험을 실시하였다. 단축압축시험 결과 분석을 위해 균열닫힘, 균열개시, 불안정한 균열 성장 구간을 찾아서 검토하였으며, 선형탄성 구간에서의 탄성계수 및 포아송비를 비교 분석하였다. 그리고 비파괴 시험 중 탄성파 속도 측정 시험을 통하여 초임계 $CO_2$에 의한 암석 내부물성변화를 추정하였다. 실험결과, 초임계 $CO_2$ 및 염수, 물 등 반응 조건이 변화함에 따라 암석의 변형거동 양상은 크게 달랐으며 물성 변화도 관측되었다. 덮개암 역할을 하는 셰일의 경우 사암에 비해 반응조건에 따라 물성이 민감하게 변화하였는데 셰일의 이와 같은 특성은 저류층의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 앞으로 추가 실험을 통해 저류층의 지중저장 능력 및 안정성에 영향을 미치는 주요변수들의 상호관계를 규명하는데 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.

• 터널과지하공간
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• 제33권5호
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• pp.399-413
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• 2023

본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 사용하여 장기분지 유망 저장소 부지에서의 CO₂ 주입을 수치적으로 모델링하고, 주변 지층과 단층에 야기되는 수리-역학적 안정성을 검토하였다. 대상부지의 현장조사와 3D 지질모델을 기반으로 3년간 32,850톤의 CO₂ 주입을 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 저류층의 투수계수에 따른 CO₂ 플럼의 유동 경로를 분석한 결과, 투수계수를 10^-14 m²로 가정한 경우 방사형 유동을 보이며 2년 9개월 경과 시 단층에 도달하는 것으로 나타났다. 투수계수를 10^-13 m²로 가정한 경우에는 저류층을 따라 서쪽 방향의 유동이 우세하게 나타났으며 단층 방향으로의 유동은 거의 발생하지 않았다. 주입공 주변의 압력 변화는 3년 동안 0.6 MPa 이하로, 지층 및 단층의 역학적 안정성에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다.

• 터널과지하공간
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• 제21권1호
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• pp.11-19
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• 2011

지열에너지는 여러 신재생에너지원 중에서도 기저부하를 담당할 수 있는 중요한 자원으로 인식되고 있다. 국내에서도 천부지열을 이용한 지열냉난방은 효율 높은 신재생에너지 활용 사업으로 그 보급이 활성화 되어 있다. 반면, 전세계적으로 지열 발전 기술이 진일보하고, 그 시장이 크게 확대되고 있는 상황에서 아직까지 국내의 심부 지열을 이용한 지열 발전 기술은 낮은 단계에 머무르고 있다. 이러한 조건에서 2010년 12월에 국내 최초의 EGS(Enhanced Geothermal System) 지열 발전 상용화 기술 개발 과제가 착수되었다. 총 5개년의 기간으로 수행되는 이 과제는 2단계로 구분되어 진행될 계획이다. 처음 2년의 1단계에서는 3 km 심도에서 최소 $100^{\circ}C$의 지열저류층 온도를 확인하는 것을 주요 과제 내용으로 하여 지중 지열수 순환시스템의 설계가 이루어질 예정이다. 이후 3년을 통해 수행될 2단계에서는 5 km 심도의 생산정과 주입정 등 두 개의 지열발전정을 설치하고, 수리자극을 통하여 온도 $180^{\circ}C$의 지열저류층에서 유량 40 kg/s 이상의 지열수를 활용하는 MW급 지열발전소를 건립 운영하게 된다. 이 사업을 성공적으로 추진하기 위하여 현재 지질, 수리지질, 지구물리, 암석역학, 플랜트 엔지니어링 등 다양한 분야의 산학연 연구 기관 등이 망라되어 연구진을 구성한 상태이며, 이후 관심있는 여러 기관과 연구자들의 지원과 참여를 기대하고 있다.