[논문 리뷰] Permeability, compressibility, and friction coefficient measurements under confining pressure and strain, Leg 190, Nankai Trough

S. Bourlange, Laurence Jouniaux외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 20.

Rock Mechanics and ModelingEngineering참고 문헌 17인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 삼축 시험을 통해 고립 압력과 변형 조건 하에서 낫산 트러프 퇴적물의 투과도, 압축성 및 마찰 계수를 측정한다. 결과는 유효 압력이 1.5 MPa 이하일 때 투과도가 감소하고, 1.5 MPa 이상에서는 1–4×10⁻¹⁹ m²로 안정화되며, 파손 시에는 낮은 유효 압력에서만 투과도가 증가하는 것으로 나타났다. 마찰 계수는 스리켄라인드 표면에서 약 0.4로 측정되었다.

ABSTRACT

Permeability measured on three samples in a triaxial cell under effective confining pressure from 0.2 to 2.5 MPa ranges from 10E-18 to 10E-19m2. Overall, results indicate that permeability decreases with effective confining pressure up to 1.5 MPa; however, measurements at low effec-tive pressure are too dispersed to yield a precise general relationship between permeability and pressure. When the effective pressure is increased from 1.5 to 2.5 MPa, permeability is roughly constant (~1-4 x 10E-19 m2). Samples deformed in the triaxial cell developed slickenlined fractures, and permeability measurements were performed before and after failure. A permeability increase is observed when the sample fails under low effective confining pressure (0.2 MPa), but not under effective pressure corresponding to the overburden stress. Under isotropic stress conditions, permeability decrease related to fracture closure occurs at a relatively high effective pressure of ~1.5 MPa. Coefficients of friction on the fractures formed in the triaxial cell are ~0.4.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 유효 고립 압력과 변형 조건에 대한 낫산 트러프 퇴적물의 투과도 반응을 정량화하기 위해.
• 삼축 변형 및 파손 중 압축성과 마찰 계수의 변화를 평가하기 위해.
• 다양한 응력 상태에서 균열 형성의 유체 이동 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 구조적 부하대사역학 퇴적물에서 유효 압력과 투과도 변화 간의 관계를 규명하기 위해.
• 통제된 응력 조건 하에서 실험적으로 형성된 스리켄라인드 표면에서 마찰 계수를 측정하기 위해.

제안 방법

• 오션 드릴링 프로그램 레그 190의 세 가지 퇴적물 샘플에 대해 삼축 압축 시험을 수행하였다.
• 현장 응력 조건을 시뮬레이션하기 위해 0.2~2.5 MPa 범위의 유효 고립 압력을 적용하였다.
• 유체 흐름 특성의 동적 변화를 평가하기 위해 파손 전후의 투과도 측정을 실시하였다.
• 국부적 균열 형성과 스리켄라인드 표면에서의 마찰 거동 기록을 위해 변형률 제어 변형을 사용하였다.
• 증가하는 유효 압력에 대한 체적 변형 반응을 통해 압축성을 측정하였다.
• 파손 사건 동안의 전단 응력과 수직 응력 데이터로부터 마찰 계수를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낫산 트러프 퇴적물의 투과도는 증가하는 유효 고립 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 낮은 대비 높은 유효 압력 조건에서 파손에 따른 투과도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 균열 폐쇄가 투과도를 상당히 감소시키는 유효 압력 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 이 퇴적물에서 실험적으로 유도된 스리켄라인드 표면에서의 마찰 계수는 얼마인가?
• RQ5 퇴적물의 압축성은 유효 압력과 변형 상태와 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 유효 고립 압력 0.2–2.5 MPa 범위에서 투과도는 10⁻¹⁸ ~ 10⁻¹⁹ m² 사이였다.
• 유효 압력이 증가함에 따라 투과도는 약 1.5 MPa까지 감소하였고, 이후 1–4×10⁻¹⁹ m²로 안정화되었다.
• 파손 시 낮은 유효 압력(0.2 MPa)에서만 투과도가 상당히 증가하여, 낮은 상부 하중 응력에서의 변형 약화 거동을 시사한다.
• 등방성 응력 하에서 균열 폐쇄는 상대적으로 높은 유효 압력 약 1.5 MPa에서 투과도 감소를 초래하였다.
• 삼축 변형 중 형성된 스리켄라인드 표면에서의 마찰 계수는 일관되게 약 0.4였다.
• 낮은 유효 압력에서의 투과도 측정치는 산산이 흩어져 있어, 이러한 조건에서 투과도와 압력 간의 정밀한 일반적 관계를 설정할 수 없었다.