암석 시추코어 단면 변형 및 절리면 거칠기 이방성을 이용한 현지응력 평가에 관한 연구

Abstract

지하심부를 대상으로 한 이산화탄소지중저장, 심부지열발전(Enhanced Geothermal System, EGS), 방사선 폐기물 처리장 등 에서 현지응력의 정확한 측정은 중요하다. 전통적으로 현지응력을 측정하기 위해 수압파쇄법을 적용하였으나, 이는 심부 응력측정에 있어 심부 고온, 고압 환경에서의 장비적 제한과 경제적인 이유로 적용에 제약이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위하여 비교적 간단하면서 경제적으로 현지응력을 평가할 수 있는 방법들에 대한 연구가 지속되어 왔다.

암반의 응력이력과 지질학적 거동이 반영된 시추코어는 지반조사 시 암반의 물성 특성 분석 등을 위해 비교적 손쉽게 확보할 수 있는 재료이다. 이러한 시추코어를 이용하여 현지응력을 추정하기 위해 많은 연구가 수행되었으며, 최근에는 시추코어 단면의 변형형상을 이용한 현지응력 추정 방법이 제안되었다. 이 방법은 암반에 작용하고 있던 응력으로부터 해방된 시추코어의 탄성적 거동에 기초하여 단면이 타원형상을 가지게 된다는 사실을 이용하여 현지응력을 추정하는 방법이다. 또한, 시추코어에 존재하는 절리와 같은 지질학적 구조와 현지응력과의 상관성에 대해서도 보고가 되고 있다. 본 연구에서는 X선 단층촬영 기술을 이용하여 시추코어를 3차원 형상화 하고, 단면 변형형상의 정확한 평가를 통해 현지응력의 방향과 크기에 대한 평가 가능성을 확인하고자 하였다. 또한, 시추코어 절리면의 3차원 이미지를 통해 거칠기의 이방성을 분석하고 이방성 방향과 현지응력과의 상관성을 검토하였다. 국내 포항 EXP-1 시추공과 석모도 KG-1 시추공에서 추출된 시추코어를 이용하여 상기 분석을 수행하였다. 해당 지역은 암반 물성 값과 수압파쇄로 측정된 현지응력 정보가 보고된 지역으로 분석결과를 분석결과의 검증이 가능하였다. 추정 응력의 정확한 평가를 위해서는 방향성이 확인된 시추코어가 필요하나 본 연구에서 활용한 시추코어 샘플은 추출 당시 별도의 절대응력 방향을 표시하기 않았기 때문에 본 연구에서는 상대적인 방향성 평가만 수행하였다. 각 지역의 시추코어의 X선 단층촬영 이미지를 분석을 통해 시추코어의 단면형상이 타원의 비대칭성을 나타냄을 확인하였다. 시추코어 단면이 타원인 경우 장축 방향은 최대수평주응력 방향을 의미한다. 두 지역의 시추코어를 통해 응력방향과 편차주응력 값을 추정하였으며, 이를 수압파쇄법측정 값과 비교하였다. 그 결과, 시추코어 단면형상을 이용한 추정편차응력 값은 수압파쇄로 측정한 응력 값과 차이가 발생함을 확인하였다. 시추코어 절리면 거칠기 분석은 3차원 점군 데이터를 이용하여 절리면 거칠기의 대표적 지수인 JRC값을 산출하였으며, 연구대상 샘플의 절리면들 대부분에 거칠기 이방성이 존재함을 확인하였다. 절리면 거칠기 이방성 방향과 시추코어의 단면형상을 통해 추정된 최대주응력 방향을 비교한 결과 두 방향이 일치하지 않으나 일정한 각도를 이루는 것을 확인하였다. 이를 통해 거칠기 이방성은 현세응력이 아닌 고응력장에 영향을 받은 전단거동에 의해 발생했을 수 있다는 추정을 도출하였다.

마지막으로 시추코어 형상을 이용한 응력평가에 영향을 미치는 여러 가지 요소 중 이러한 차이를 발생시키는 여러 가지 요소 중 암석의 탄성계수, 포와송 비 등의 물성과 암석의 탄성이방성, 시추공의 공곡도에 대한 영향을 검토하였다.

Accurate in-situ stress measurement is important in various research and development processes such as Carbon Capture and Storage(CCS), Enhanced Geothermal system(EGS), and geological disposal of high-level radioactive waste. Hydraulic fracturing has been widely used to measure in-situ stress. However, technical difficulties arise at great depths due to equipment limitations at high temperature and high pressure environments. Therefore, complementary methods to measure in-situ stresses are needed to overcome these disadvantages.

A drill core, which reflects the stress history and geological behavior of the bedrock, is a material that can be obtained relatively easily for analysis of the physical properties of the bedrock during field investigation. Many studies have been conducted to estimate the local stresses using drill cores. Recently, a method that uses the deformed shape of the core cross-section has been proposed. The method uses the fact that the cross section deforms elliptically due to the elastic behavior of the rock after being released from the stresses acting on the bedrock. Also, the correlation between geological structures such as joints in drill cores and local stresses has been reported.

In this study, the three-dimensional shape of the drill core was acquired using X-ray tomography technology, and the feasibility of evaluating the direction and magnitude of the local stress was confirmed through accurate measurements of the shape of the deformed cross-section. In addition, the anisotropy of joint roughness was analyzed through three-dimensional images of the joints present in the cores, and the correlation between the direction of joint roughness anisotropy and the local stresses was examined.

The above analysis was performed using drill cores extracted from Pohang EXP-1 and Seokmodo KG-1 boreholes in South Korea. The cores come from an area in which rock material properties ​​and local stress information measured by hydraulic fracturing were previously reported. For accurate stress estimation, the location and orientation of the extracted core are required. However, since the absolute orientation of the drill cores was not marked at the moment of extraction, the stress evaluation was performed using a relative orientation for different depth sections.

By analyzing the X-ray tomography images of the drill cores in each region, it was confirmed that the cross-sectional shape of the drill cores exhibited an elliptical asymmetry. When the cross section of the drill core is elliptical, the major axis direction corresponds to the maximum horizontal principal stress direction. The stress direction and the difference between principal stresses ​​were estimated through the drilling cores in the two regions, and these values ​​were compared with those reported from hydraulic fracturing measurements. The results indicate that the estimated stress difference value obtained from the cross-sectional shape of the drill core was different from that measured through hydraulic fracturing.

For the roughness analysis of the joint surfaces present in the rock cores, the JRC, which is a representative index of joint surface roughness, was calculated using three-dimensional point cloud data. A roughness anisotropy was observed in most of the joint surfaces analyzed in this study. As a result of comparing the anisotropy direction of the joint roughness and the direction of the maximum principal stress estimated through the cross-sectional shape of the drill core, it was confirmed that the two directions did not coincide but formed a constant angle. It is possible that previous stress states had induced shearing of these joints and caused the joint roughness anisotropy, but do not correspond to the present state of stresses.

Finally, among the various factors that affect stress difference values obtained using this method, the influence of the physical properties such as the elastic modulus, the Poisson's ratio, the elastic anisotropy, and the tortuosity of the borehole were analyzed.