가스하이드레이트 함유 퇴적암반의 역학적 특성이 회수생산시 해저지반 변형거동에 미치는 영향

김형목,Jonny Rutqvist 한국암반공학회 2014 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집 Vol.2014 No.3

Sensitivity analysis for fault reactivation in potential CO2-EOR site with multi-layers of permeable and impermeable formations

김형목,Jonny Rutqvist,배위섭 한국자원공학회 2014 Geosystem engineering Vol.17 No.5

CO2-EOR is considered as a promising solution for enhanced oil recovery (EOR) and is attracting attention as being a more economical CO2 geological sequestration solution along with oil recovery enhancement. However, injecting CO2 at high pressure may cause many geomechanical changes and potential instabilities in surrounding formation such as ground uplift, caprock fracturing, and nearby fault reactivation. Such instabilities could significantly influence the stability of both surface facilities and subsurface structures. Especially, miscible CO2-EOR, by which recovers more oil than immiscible one but, uses less CO2, requires an injection pressure exceeding the minimum miscible pressure (MMP), which is determined by characteristics of reservoir conditions and oil compositions. Thus, for successful and safe CO2-EOR operation, injection pressure interval between MMP and the maximum pressure that could be tolerated from geomechanics safety concerns should be appropriately designed considering site-specific reservoir conditions. In this study, we perform a numerical simulation of coupled multiphase fluid flow and geomechanical analysis using TOUGH-FLAC simulator for the potential CO2-EOR site in Indonesian oil field, and demonstrate how much fault reactivation is sensitive to fault structure, slip-weakening property of faults, reservoir permeability, and in situ stress conditions. The model site consists of impermeable shale and permeable sandstone reservoir units so that the potential for fault slip through this multilayered formation is highlighted in the simulations. Our simulation results showed that fault slip initiation can be reached earlier period when in situ stress is anisotropic and reservoir is more permeable, because the stress state at the faults is near the frictional strength limit and the pore pressure buildup reaches to the fault much faster. The analysis shows that multilayered formations with high- and low-permeability layers are advantageous in CO2-EOR since intense pore pressure buildup and subsequent fault reactivation could be impeded by pressure dissipation in high-permeability layers. However, we noted that fault reactivation may become substantial when the fault has a slip-weakening property and the residual frictional coefficient of the site-specific fault is very low.

복공식 압축공기에너지 지하암반 저장공동내 기밀라이너 시공효과의 수치해석적 검증

김형목,류동우,Jonny Rutqvist,박도현,송원경 한국자원공학회 2012 한국자원공학회지 Vol.49 No.2

In this study, we carried out numerical modeling to investigate the impact of air tight liner within the concrete linings of underground lined rock cavern for compressed air energy storage (CAES). For the numerical modeling, TOUGH-FLAC that can simulate coupled non-isothermal multiphase (air and groundwater) fluid flow and geomechanical behavior of both concrete linings and rock mass as well as within the cavern, was used. The calculated results of pressure, temperature and stress for two different lining options with and without impermeable inner liner showed that the installation of an inner air tight liner reduced the maximum effective tensile stress of the concrete linings which results in the increase of geomechanical stability as well as air tightness performance of the storage cavern. 본 연구에서는 수치해석을 통해 복공식 지하 압축공기에너지 암반 저장 공동의 콘크리트 라이닝 내부에 설치되는 비투과성의 기밀라이너의 시공효과를 검증하였다. 수치해석기법으로는 저장공동 내부, 콘크리트 라이닝 및 주변 암반에서의 압축공기 및 지하수 유동, 열전달, 역학적 변형의 복합 거동을 시뮬레이션할 수 있는 TOUGH-FLAC 연계해석을 이용하였다. 저장공동 내부에 기밀라이너 시공유무에 따른 콘크리트 라이닝 내 압력, 온도, 응력 계산결과를 비교․분석한 결과, 비투과성의 기밀라이너는 저장 압축공기의 누출을 방지하는 기밀성능 뿐만 아니라 콘크리트 라이닝 내 인장응력을 감소시켜 역학적 안정성을 증대하는 효과가 있는 것으로밝혀졌다.

CO₂ 지층 처분에서의 초기응력에 따른 덮개암 전단파괴 가능성 분석

이재원,민기복,Jonny Rutqvist 한국암반공학회 2013 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집 Vol.2013 No.10

CO₂ 지층 처분에서의 덮개암의 절리를 고려한 지반 융기 해석 및 CO₂ 누출 가능성 평가

이재원,민기복,Jonny Rutqvist 한국암반공학회 2012 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집 Vol.2012 No.3

TOUGH-UDEC 시뮬레이터

이재원,민기복,Jonny Rutqvist 한국방사성폐기물학회 2014 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.12 No.1

TOUGH-UDEC 시뮬레이터

이재원,민기복,Jonny Rutqvist 한국방사성폐기물학회 2014 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.12 No.2

열-수리-역학적 연계해석을 이용한 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 역학적 안정성 평가

김형목(Hyung-Mok Kim),Jonny Rutqvist,류동우(Dong-Woo Ryu),신중호(Joong-Ho Synn),송원경(Won-Kyong Song) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.5

본 연구에서는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 역학적 변형 및 누출 거동의 복합거동을 파악할 목적으로 비등온 다상다성분 유체유동 및 역학적 거동의 연계해석이 가능한 TOUGH-FLAC 해석을 실시하였다. 지하 압축공기에너지 저장 공동의 초기 및 장기 운영 과정에서 고압 압축공기 인입·입출에 따른 콘크리트 라이닝 내부에 발생하는 응력 양상을 살펴보고 저장공동 내부 압력 및 온도 변화를 파악함으로써 기밀성능을 평가하였다. 최대 저장공동 운영압력 8 ㎫ 조건에서 콘크리트 라이닝 내부에서는 공기침투압에 의한 유효응력의 감소와 접선방향의 인장응력의 증가에 따라 인장균열이 발생할 수 있음을 확인하였다. 콘크리트 라이닝 내부의 인장균열 발생에 따른 투과특성 증가 모델을 이용한 해석 결과 저장공동 천정부 및 측벽부 일부에서 인장파괴가 발생하여 이들 영역에서의 투과계수는 초기 1.0*10⁻²⁰㎡에서 5.0*10⁻¹³㎡까지 증가하였다. 한편 콘크리트 라이닝 내부 인장균열 발생 및 투과특성 증가에도 불구하고 저장공동 내부 압축공기 압력은 주변 암반의 기밀성능으로 인해 일정하게 유지되고 공기누출량은 일일주입량의 0.02%에도 못 미쳐 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 유효성을 확인할 수 있었다. 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*10⁻¹³㎡ from initially prescribed 1.0*10⁻²⁰㎡. 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.

암반 공동 열에너지저장소 주변 암반의 수리적 조건에 따른 열-수리-역학적 연계거동 분석

박정욱(Jung-Wook Park),Jonny Rutqvist,이항복(Hang Bok Lee),류동우(Dongwoo Ryu),신중호(Joong-Ho Synn),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2015 터널과지하공간 Vol.25 No.1

본 연구에서는 천부의 암반 공동에 대용량 고온의 열에너지를 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보고, 이에 지하수위와 암반 투수계수 등 수리적 조건이 미치는 영향을 검토하였다. 해석대상을 투수계수가 비교적 낮은 수준(10<SUP>-17</SUP>m<SUP>2</SUP>)인 결정질 암반으로 가정할 때 열에너지 저장으로 인한 암반 거동에 지하수가 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측되었다. 저장 공동이 지하수위 하부에 위치하는 경우의 온도, 주응력, 변위 분포 등은 저장공동이 불포화대에 위치하는 경우와 거의 동일하게 나타났다. 암반 내 열전달 특성은 암반의 투수계수에 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반의 투수계수를 10<SUP>-15</SUP>m<SUP>2</SUP>이하로 가정한 경우 열전달은 주로 암반에 전도에 의한 것으로 판단할 수 있었으나, 투수계수를 10<SUP>-12</SUP>m<SUP>2</SUP>으로 가정하는 경우 지하수 대류에 의한 상향 열유동이 뚜렷이 관찰되었다. 암반 투수계수의 크기에 따라 열수의 대류나 비등으로 인한 상변화 등 복합적인 유동 특성을 나타났으며, 온도, 압력, 포화도 분포가 상이하게 발달하였다. The thermal-hydrological-mechanical (T-H-M) behavior of rock mass surrounding a large-scale high-temperature cavern thermal energy storage (CTES) at a shallow depth has been investigated, and the effects of hydrological conditions such as water table and rock permeability on the behavior have been examined. The liquid saturation of ground water around a storage cavern may have a small impact on the overall heat transfer and mechanical behavior of surrounding rock mass for a relatively low rock permeability of 10<SUP>-17</SUP>m<SUP>2</SUP>. In terms of the distributions of temperature, stress and displacement of the surrounding rock mass, the results expected from the simulation with the cavern below the water table were almost identical to that obtained from the simulation with the cavern in the unsaturated zone. The heat transfer in the rock mass with reasonable permeability ≤ 10<SUP>-15</SUP>m<SUP>2</SUP>was dominated by the conduction. In the simulation with rock permeability of 10<SUP>-12</SUP>m<SUP>2</SUP>, however, the convective heat transfer by ground-water was dominant, accompanying the upward heat flow to near-ground surface. The temperature and pressure around a storage cavern showed different distributions according to the rock permeability, as a result of the complex coupled processes such as the heat transfer by multi-phase flow and the evaporation of ground-water.

Characterizing Excavation Damaged Zone and Stability of Pressurized Lined Rock Caverns for Underground Compressed Air Energy Storage

Kim, Hyung-Mok,Rutqvist, Jonny,Jeong, Ju-Hwan,Choi, Byung-Hee,Ryu, Dong-Woo,Song, Won-Kyong Springer-Verlag 2013 Rock mechanics and rock engineering Vol.46 No.5