The fracturing by liquid carbon dioxide ($LCO_2$) as a fracking fluid has been an alternative to mitigate the environmental issues often caused by the conventional hydraulic fracking since it facilitates the fluid permeation owing to its low viscosity. This study presents how $LCO_2$ injection influences the breakdown pressure, acoustic emission, and fracture morphology. Three fracturing fluids such as $LCO_2$, water, and oil are injected with different pressurization rate to the synthetic and porous mortar specimens. Also, the shale which has been a major target formation in conventional fracking practices is also tested to examine the failure characteristics. The results show that $LCO_2$ injection induces more tortuous and undulated fractures, and particularly the larger fractures are developed in cases of shale specimen. On the other hand, the relationship between the fracturing fluids and the breakdown pressure shows opposite tendency in the tests of mortar and shale specimens.
This paper presents a case study of an enhanced geothermal system(EGS) demonstration project conducted in $Gro{\ss}$$Sch{\ddot{o}}nebeck$, Northerm Germany, focusing on hydraulic stimulation. The project was conducted with doublet system in sandstone and volcanic formations at 4 - 4.4 km depth. Under normal faulting to strike-slip faulting stress regime, hydraulic stimulations were conducted at injection and production wells by massive waterfrac and gel-proppant fracturing. Injectivity index increased from $0.97m^3/(hr^*MPa)$ to $7.5m^3/(hr^*MPa)$ and productivity index increased from $2.4m^3/(hr^*MPa)$ to $10.1m^3/(hr^*MPa)$ by a series of hydraulic stimulations at both wells. After circulation tests through injection and production wells, however, productivity index decreased from $8.9m^3/(hr^*MPa)$ to $0.6m^3/(hr^*MPa)$ in two years. Slip tendency analysis for the stimulation in volcanic layer estimated the required pressure for shear slip and its preferred orientations and it showed reasonable match with actual stimulation results. Through the microseismicity observation for the stimulation of volcanic formation, only 80 seismic events with its moment magnitudes in -1.8<$M_W$<-1.0 were observed, which are unexpectedly low for EGS hydraulic stimulation.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.3
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pp.600-608
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2017
The presence of piping in a levee body allows water seepage to occur by producing a large cavity or water tunnel within it, ultimately resulting in the failure of the river levee and differential settlement. In order to properly cope with river levee failure due to piping and establish a proper remediation method for this problem, it is necessary to analyze the failure mechanism of the river levee due to piping. Therefore, this study analyzed the shape and mechanism of river levee failure due to piping through small-scale and large-scale models and evaluated the seepage pressure distribution characteristics in the hydraulic well, which has been suggested as a remediation method for piping. According to the results of this study, as the safety factor for the piping in the river levee decreased, the river levee failure shape was more clearly shown through the small-scale model test. In the large-scale model test, the type of local damage to the levee due to the piping was identified and the evaluation showed that the hydraulic well had the largest effect on the inhibition of piping below the center of the well. A follow-up study is needed to confirm the reliability of the results. However, it is thought that this study can be utilized as the baseline data for research into the piping-induced river levee failure mechanism and for the preparation of a remediation method.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.1
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pp.25-36
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2008
When constructing subsea underground structures, the influence of high water and seepage pressure acting on the structures can not be neglected. Thus hydro-mechanical coupled analysis should be performed to estimate the behavior of the structures precisely In practice, relaxed rock load is generally used for the design of tunnel concrete lining. A method based on the distribution of local safety factor around a tunnel was proposed for the estimation of a height of relaxed rock mass ($H_{relaxed}$). In this study, the validation of the suggested method is investigated in the framework of hydro-mechanical coupled analyses. It was suggested that inducing inflow by pumping through a drainage well gave more reliable results than inducing inflow with shotcrete hydraulic characteristics in case of rock condition of Class III. In this study, therefore, inducing inflow by pumping through a drainage well are adopted in estimating $H_{relaxed}$ due to a tunnel excavation with the rock condition of Class I, III, and V. Also the estimated $H_{relaxed}$ results are compared with those of the existing suggested methods. As the result of this study, it is confirmed that estimating $H_{relaxed}$ based on the distribution of local safety factor around a tunnel can be effectively used even for the case of hydro-mechanical coupled analysis. It is also found that inducing inflow pumping through a drainage well gives more precise and consistent Hrelaxed of a subsea structure.
Currently, the design reference temperature of the buffer material for disposing of high-level radioactive waste is less than 100℃, so if the heat dissipation capacity of the buffer material is improved, the spacings of the disposal tunnel and the deposition hole in the repository can be reduced. First of all, this study tries to analyze the criteria for thermal-hydraulic-mechanical performance of the buffer materials and to investigate the researches regarding the enhanced buffer materials with improved thermal conductivity. First, the thermal conductivity should be as high as possible and is affected by dry density, water content, temperature, mineral composition, and bentonite type. the organic content of the buffer material can have a significant effect on the corrosion performance of a canister, so the organic content should be low. In addition, hydraulic conductivity of the buffer material should be less than that of near-field rock and swelling pressure should be appropriate for buffer materials to function properly. For the development of enhanced buffer materials, additives such as sand, graphite, and graphite oxide are typically used, and a thermal conductivity can be greatly improved with a very small amount of graphite addition compared to sand.
The numerical simulations of Heater Experiment-D (HE-D) at the Mont Terri rock laboratory in Switzerland were performed to investigate an applicability of FLAC3D to reproduce the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour in Opalinus Clay, as part of the DECOVLEX-2015 project Task B. To investigate the reliability of numerical simulations of the coupled behaviour using FLAC3D code, the simulation results were compared with the observations from the in-situ experiment, such as temperature at 16 sensors, pore pressure at 6 sensors, and strain at 22 measurement points. An anisotropic heat conduction model, fluid flow model, and transversely isotropic elastic model in FLAC3D successfully represented the coupled thermo-hydraulic behaviour in terms of evolution for temperature and pore pressure, however, performance of the models for mechanical behavior is not satisfactory compared with the measured strain.
Hangbok Lee;Chan Park;Dae-Sung Cheon;Junhyung Choi;Eui-Seob Park
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.4
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pp.374-392
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2024
In order to successfully select a site for deep geological disposal of high-level radioactive waste, it is important to perform the stepwise approach along with the systematic selection and survey of evaluation parameters of geological environmental characteristics suitable for the domestic geological environment. In this study, we evaluated the characteristics of hydraulic conductivity, which is considered the most important evaluation parameter in the field of hydrogeology, targeting a deep-depth rock aquifer where actual disposal facilities are expected to be located. In particular, for the first time in Korea, we obtained in-situ pressure-flow data by directly conducting hydraulic tests in boreholes at depths ranging from 500 m to 750 m in various rock types distributed in Korea (granite/volcanic rock/gneiss/mudstone). And we derived hydraulic conductivity values by rock types and depth using verified analytical methods. For this purpose, precision hydraulic testing equipment developed in-house through this study was used, and detailed investigation procedures based on standard test methods were applied to field tests. As a result of the analysis, the average hydraulic conductivity value was found to be in the range of 10-9 m/s in all granite/volcanic rock/gneiss areas. In the mudstone area, an average hydraulic conductivity value of 10-11 m/s was derived, which was about 100 times (2 orders of magnitude) lower than that of the fractured rock aquifers. Moreover, permeability tended to slightly decrease with depth in fractured rock aquifers (granite and volcanic rock areas) containing many rock fractures. The gneiss area tended to have large local differences in permeability according to the composition of the stratum and the development of fracture zones rather than depth. In mudstone areas with weak fracture development, there was no significant variation in rock permeability according to depth. The hydraulic conductivity results by various rock types and depth presented in this study are expected to be utilized in building a foundational database for the site selection, design, and construction of disposal facilities in Korea.
It is very Important to predict the damage zone of a rock mass induced by blasting for the excavation of an underground cavity such as a tunnel, as the damage zones incur mechanical and hydraulic instability of the rock mass potentially. Complicated blasting processes that can hinder the proper characterization of the damage zone can be effectively represented by two loading mechanisms. The first mechanism is the dynamic impulsive load-generating stress waves that radiate outwards immediately after detonation. This load creates a crushed annulus along with cracks around the blasthole. The second is the gas pressure that remains for an extended time after detonation. As the gas pressure reopens some arrested cracks and extends these, it contributes to the final structure of the damage zone induced by the blasting. This paper presents a simple method to evaluate the damage zone induced by gas pressure during rock blasting. The damage zone is characterized by analyzing crack propagations from the blasthole. To do this, a model of a blasthole with a number of radial cracks that are equal in length in a homogeneous infinite elastic plane is considered. In this model, crack propagation is simulated through the use of only two conditions: a crack propagation criterion and the mass conservation of the gas. The results show that the stress intensity factor of a crack decreases as the crack propagates from the blasthole, which determines the crack length. In addition, it was found that the blasthole pressure continues to decrease during crack propagation.
Kim, Hyung-Mok;Rutqvist, Jonny;Ryu, Dong-Woo;Synn, Joong-Ho;Song, Won-Kyong
Tunnel and Underground Space
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v.21
no.5
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pp.394-405
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2011
In this paper, we applied coupled non-isothermal, multiphase fluid flow and geomechanical numerical modeling using TOUGH-FLAC coupled analysis to study the complex thermodynamic and geomechanical performance of underground lined rock caverns (LRC) for compressed air energy storage (CAES). Mechanical stress in concrete linings as well as pressure and temperature within a storage cavern were examined during initial and long-term operation of the storage cavern for CAES. Our geomechanical analysis showed that effective stresses could decrease due to air penetration pressure, and tangential tensile stress could develop in the linings as a result of the air pressure exerted on the inner surface of the lining, which would result in tensile fracturing. According to the simulation in which the tensile tangential stresses resulted in radial cracks, increment of linings' permeability and air leakage though the linings, tensile fracturing occurred at the top and at the side wall of the cavern, and the permeability could increase to $5.0{\times}10^{-13}m^2$ from initially prescribed $10{\times}10^{-20}m^2$. However, this air leakage was minor (about 0.02% of the daily air injection rate) and did not significantly impact the overall storage pressure that was kept constant thanks to sufficiently air tight surrounding rocks, which supports the validity of the concrete-lined underground caverns for CAES.
The engineered barrier system of high-level radioactive waste disposal must maintain its performance in the long term, because it must play a role in slowing the rate of leakage to the surrounding rock mass even if a radionuclide leak occurs from the canister. In particular, it is very important to clarify gas dilation flow phenomenon clearly, that occurs only in a medium containing a large amount of clay material such as a bentonite buffer, which can affect the long-term performance of the bentonite buffer. Accordingly, DECOVALEX-2019 Task A was conducted to identify the hydraulic-mechanical mechanism for the dilation flow, and to develop and verify a new numerical analysis technique for quantitative evaluation of gas migration phenomena. In this study, based on the conventional two-phase flow and mechanical behavior with effective stresses in the porous medium, the hydraulic-mechanical model was developed considering the concept of damage to simulate the formation of micro-cracks and expansion of the medium and the corresponding change in the hydraulic properties. Model verification and validation were conducted through comparison with the results of 1D and 3D gas injection tests. As a result of the numerical analysis, it was possible to model the sudden increase in pore water pressure, stress, gas inflow and outflow rate due to the dilation flow induced by gas pressure, however, the influence of the hydraulic-mechanical interaction was underestimated. Nevertheless, this study can provide a preliminary model for the dilation flow and a basis for developing an advanced model. It is believed that it can be used not only for analyzing data from laboratory and field tests, but also for long-term performance evaluation of the high-level radioactive waste disposal system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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