수압파쇄

왜 배우는가: 수압파쇄는 암반의 초기 지중응력 측정, 저투과성 암석의 생산, 댐 차수벽 균열 해석 등 토질·암반 분야의 여러 문제에 쓰인다. 간극수압 상승으로 유효응력이 줄어 균열이 생기는 원리는 여러 문항에서 반복해 나온다. 이 원리를 알아야 시험 해석과 방지대책을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제134회 1교시 7번, 제110회 1교시 7번, 제104회 3교시 4번, 제93회 1교시 1번, 제92회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고압 유체로 시추공 벽에 인장균열을 만들어 지반을 파쇄하는 공법이다.

• 파쇄압력(breakdown pressure, Pb): 시추공 벽이 처음 찢어질 때의 주입 압력이다.
• 재개구압력(reopening pressure, Pr): 닫힌 균열을 다시 여는 데 필요한 압력이다.
• 순간폐쇄압력(ISIP, instantaneous shut-in pressure): 주입을 멈춘 직후 압력이 꺾이는 점의 압력이다.
• 최소주응력(minimum principal stress): 균열이 열리는 방향에 수직으로 작용하는 응력이다.
• 인장강도(tensile strength, T): 암반이 인장균열 발생에 저항하는 강도다.
• 균열 전파(crack propagation): 한 번 생긴 균열이 주입 압력에 따라 길이 방향으로 자라는 현상이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 땅속 깊이 구멍을 뚫고 그 안에 물을 세게 밀어 넣어 바위나 흙을 쪼개는 방법이다. 물이 들어가면 구멍 벽 어딘가가 찢어지고, 그 틈이 자라면서 주변 지반의 응력 상태가 드러난다.

정식으로는 수압파쇄(Hydraulic Fracturing)를 시추공 벽에 작용하는 유체 압력이 주변 암반의 인장강도와 최소주응력의 합을 넘을 때 인장균열이 발생하고 전파하는 현상, 그리고 이를 이용하는 기술로 정의한다. 균열은 최소주응력에 수직인 면을 따라 열린다.

핵심 원리는 두 가지다. 첫째, 균열은 가장 약한 방향, 즉 최소주응력에 수직인 면을 따라 열린다. 둘째, 열린 균열은 유체 압력이 최소주응력 아래로 떨어지면 닫힌다. 이 두 성질 때문에 재개구압력으로 최소주응력을 구할 수 있다.

시험 절차는 다음과 같다.

• 시추공에 패커(packer)를 넣어 시험 구간을 밀폐한다.
• 구간에 물을 일정한 유량으로 주입하여 압력을 높인다.
• 압력이 급강하하는 점에서 파쇄압력 Pb 를 기록한다.
• 주입을 멈추고 순간폐쇄압력 ISIP 를 읽는다.
• 압력을 다시 올려 재개구압력 Pr 을 읽고 감압 곡선을 분석한다.

해석식은 수직 시추공에서 많이 쓰는 Hubbert-Willis 식을 따른다.

$\sigma_h = P_r, \quad \sigma_H = 3\sigma_h - P_b + T$

여기서 σh 는 최소수평주응력(MPa), σH 는 최대수평주응력(MPa), Pb 는 파쇄압력(MPa), Pr 은 재개구압력(MPa), T 는 암반 인장강도(MPa)다. 재개구압력이 최소수평주응력과 같다는 점이 시험의 핵심이다.

재개구압력 = 최소수평주응력