In situ stress states at KURT, an underground research laboratory in South Korea for the study of high-level radioactive waste disposal

Jo, Yeonguk,Chang, Chandong,Ji, Sung-Hoon,Park, Kyung-Woo Elsevier 2019 Engineering geology Vol.259 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>The Korea Atomic Energy Research Institute Underground Research Tunnel (KURT) is an underground research laboratory in South Korea, built for investigations into the geological disposal of high-level radioactive waste. We characterize in situ stress states at KURT using data from a series of hydraulic fracturing (HF) tests and borehole image logs to depths of ~700 m in two boreholes. The tensile fractures induced by HF tests, plus several borehole stress indicators (e.g., drilling-induced tensile fractures and borehole breakouts) measured from image logs, consistently indicate an ESE–WNW oriented maximum horizontal principal compressive stress (<I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB>). This site-scale <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> orientation varies slightly from the regional-scale <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> orientation, likely reflecting a local stress perturbation resulting from a fault network that traverses the site. Estimated magnitudes of the minimum horizontal principal compressive stress (<I>S</I> <SUB> <I>hmin</I> </SUB>), determined either from the shut-in pressures recorded during HF tests or from stress indicators on image logs, are comparable to the vertical stress, indicating that the stress regime at the KURT site straddles the boundary between strike-slip and reverse faulting. The depth-dependent trend in estimated <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> magnitudes deviates at ~500 m depth, which we attribute to variations in the distribution of natural fractures in the granitic rock mass. This depth-dependent variation in <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> magnitudes has implications for the slip stability of pre-existing fractures at the site. That is, at shallow depths, <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> lies within the Coulomb stress limit for optimally oriented fractures and faults with a frictional coefficient of 0.6, whereas at greater depths, <I>S</I> <SUB> <I>Hmax</I> </SUB> exceeds this limit, meaning that pre-existing fractures at shallow depth are more susceptible to slip reactivation. Our stress estimation results suggest that the site-scale stress state is strongly coupled with characteristics of natural fractures, emphasizing the importance of detailed geologic and stress data for subsurface utilization and its stability evaluation.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> The stress at KURT is estimated from hydrofrac tests and borehole stress indicators. </LI> <LI> Site-scale stress orientations deviate from regional stress due to local faults. </LI> <LI> Horizontal stress magnitudes vary with the distribution of natural fractures. </LI> </UL> </P>

Correlations Among Fracture Distribution, in Situ Stress States and Hydraulic Conductivity of Fractured Rock Mass

Yeonguk Jo,Kyung-Woo Park,Sung-Hoon Ji 한국방사성폐기물학회 2018 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.2018 No.05

Fracture Stress Condition and its Relationship With Hydraulic Conductivity in the

Yeonguk Jo,Kyung-Woo Park,Sung-Hoon Ji 한국방사성폐기물학회 2018 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.2018 No.10

Investigation of Present-Day Stress States at KURT Site

Yeonguk Jo,Kyung-Woo Park,Sung-Hoon Ji,Changsoo Lee 한국방사성폐기물학회 2017 한국방사성폐기물학회 학술논문요약집 Vol.2017 No.10

Effect of host rock properties on shear behavior of discontinuities in sandstones

Jo, Yeonguk,Chang, Chandong Elsevier 2017 International journal of rock mechanics and mining Vol.100 No.-

암반 단열 특성이 초기 응력 상태에 미치는 영향

조영욱(Yeonguk Jo),박경우(Kyung-Woo Park),김경수(Kyung-Su Kim),지성훈(Sung-Hoon Ji),이창수(Changsoo Lee) 대한지질학회 2017 대한지질학회 학술대회 Vol.2017 No.10

영일만 이산화탄소 주입 저류층 덮개암 물성측정 및 활용

조영욱(Yeonguk Jo),장찬동(Chandong Chang),이희권(Hikweon Lee),송인선(Insun Song) 대한지질학회 2015 대한지질학회 학술대회 Vol.2015 No.10

수압파쇄시험 해석을 위한 중공원통 인장시험과 압열인장시험 화강암 인장강도 비교

조영욱(Yeonguk Jo),장찬동(Chandong Chang),이태종(Tae Jong Lee),김광염(Kwang-Yeom Kim) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.5

수압파쇄법으로 최대수평주응력 크기 규명에 필요한 요소 중 하나인 암반의 인장강도를 측정하는 방법에 대해 연구하였다. 석모도 시추공에서 회수한 화강암 시료에 대해 두 가지 실내시험(중공원통 인장시험 및 압열인장시험)으로 인장강도를 측정하고 두 결과가 차이를 보이는지 비교하였다. 중공원통 인장시험에서는 높은 수압증가율 상태에서 더 높은 인장강도를 보여, 현장의 수압파쇄시험에서 보인 수압 증가율 상태에서 측정된 인장강도나 그 증가율로 보정된 인장강도를 이용해야한다는 점을 보였다. 인장강도에 대한 수압 증가율 효과와 크기 효과를 보정하면 중공원통 인장시험 결과는 압열인장시험 결과와 유사하게 나타났으며 이는 수압파쇄 인장강도를 위해 압열인장강도를 이용할 수도 있다는 점을 시사한다. We conducted hollow cylinder tensile strength tests and Brazilian tests in Seokmo granite to measure tensile strength necessary for estimating the magnitude of the maximum horizontal principal stress in hydraulic fracturing stress measurements. Two different pressurization rates were used in hollow cylinder tests. Tensile strengths were determined to be higher at higher pressurization rate, which suggests that tensile strength should be measurement at the same rate used in actual in situ hydraulic fracturing tests. Considering the effect of pressurization rate and specimen size on tensile strength, the hollow cylinder tests and Brazilian tests yield similar results each other. This demonstrates that Brazilian tests can be utilized to produce representative tensile strengths for interpretation of hydraulic fracturing test results.

감마선 검층자료를 이용한 국내 대심도 시추공 암반의 열생산율 평가

조영욱 ( Yeonguk Jo ),김명선 ( Myung Sun Kim ),이근수 ( Keun-soo Lee ),박인화 ( In Hwa Park ) 한국지구물리·물리탐사학회 2021 지구물리와 물리탐사 Vol.24 No.1

암석의 열생산율은 구성 광물 내 방사성 동위원소의 방사성 붕괴와 감마선 방출에 의한 열에너지에 기인하며, 그 크기는 주요 방사성 동위원소인 U, Th, K의 함량에 지배적이다. 그러므로 암반의 열생산율은 암석의 밀도와 주요 동위원소의 함량에 기반해 평가할 수 있다. 심부 암반의 열생산율 평가에 필요한 방사성 동위원소의 농도는 시추공에서 회수된 암추 또는 암편에 대한 질량분석을 통해 파악할 수 있는데, 대심도 시추공의 경우 요구되는 분석량과 그에 따른 시간 및 비용의 문제로 적용이 제한적일 수 밖에 없다. 시추공을 대상으로 하는 물리검층 중 암반의 감마선 스펙트럼으로부터 U, Th, K의 함량을 유추할 수 있는 기술이 있지만, 열생산율 평가를 위해 별개의 밀도검층 자료를 필요로 하며, 상용화된 장비의 적용 심도 또한 아직은 제한적이다. 이에 대한 대안으로 시추공 암반이 방출하는 감마선의 강도를 측정하는 자연 감마선 검층 결과로부터 열생산율을 유추하는 방법이 제안된 바 있으며, 국내외에서 비교적 쉽게 암반의 열생산율을 평가할 수 있는 방법으로 사용되고 있다. 본 기술보고에서는 국내 상용화된 대심도 시추공 물리검층 장비 및 기술을 활용해 감마선 검층 기반의 열생산율 평가 기법을 개발하고, 국내 약 2 km 깊이의 대심도 시추공에 대한 적용 및 검증 사례를 소개하고자 한다. Subsurface rock produces heat from the decay of radioactive isotopes in constituent minerals and gamma-ray emissions, of which the magnitude is dominated by the contents of the major radioactive isotopes (e.g., U, Th, and K). The heat production is generally calculated from the rock density and contents of major isotopes, which can be determined by mass spectrometry of drilled core samples or rock fragments. However, such methods are not easily applicable to deep boreholes because core samples recovered from depths of several hundred meters to a few kilometers are rarely available. A geophysical logging technique for boreholes is available where the U, Th, and K contents are measured from the gamma-ray spectrum. However, this technique requires the density to be measured separately, and the measurement depth of the equipment is still limited. As an alternative method, a normal gamma-ray logging tool was adopted to estimate the heat production from the total gamma activity, which is relatively easy to measure. This technical report introduces the development of the proposed method for evaluating the heat production of a granitic rock mass with domestic commercial borehole logging tools, as well as its application to a ~2 km deep borehole for verification.

국내 대구경 시추공 굴진 중 Extended Leak-Off Test 수행 사례 보고

조영욱(Yeonguk Jo),송윤호(Yoonho Song),박세혁(Sehyeok Park),김명선(Myung Sun Kim),박인화(In-Hwa Park),이창현(Changhyun Lee) 한국암반공학회 2022 터널과지하공간 Vol.32 No.5

본 고에서는 한반도 동남권에 분포하는 주요 단층대에 대한 장기 거동 및 미소진동 관찰을 목적으로 하는 시추공 기반 심부 복합지구물리 모니터링 시스템 구축의 일환으로 수행된 대구경 시추공 굴착 현장에서 이루어진 Extended Leak-Off Test (XLOT)에 대한 내용 및 결과를 보고한다. 다양한 시추공 센서 설치를 위한 모니터링공의 굴착은 ~1 km 깊이에서 최종 구경 200 mm 이상을 확보하는 것을 목표로 하여, 중간 깊이까지 12 구경의 시추공 굴진 및 케이싱 설치, 이후 최종 심도까지 7-7/8 구경의 시추공을 굴진하는 것으로 설계되었다. 현장 여건에 맞추어 약 504 m 깊이까지 12 구경의 시추공이 굴착되었으며, API 규격의 8-5/8 케이싱을 설치하고 배면과 암반 간의 틈새(annulus)에 대한 세멘팅 작업을 수행하였다. 이후 하부 구간 굴진(7-7/8)에 앞서 세멘팅 건정성 확인 및 암반 응력 측정 등을 목적으로 XLOT를 수행하였다. 약 4 m 길이의 나공 구간(open hole)을 확보하고, 상부에 설치된 케이싱을 이용해 물을 주입하여 시험 심도의 암반을 가압하였다. XLOT 수행 과정에서 주입 유량에 따른 시험 구간 내압력 변화 양상을 실시간 모니터링 하였으며, 이 자료들을 일부 활용하여 현장 시추공 조건에서의 암반투수율을 해석하였다. We report results of Extended Leak-Off Test (XLOT) conducted in a large diameter borehole, which is drilled for installation of deep borehole geophysical monitoring system to monitor micro-earthquakes and fault behavior of major fault zones in the southeastern Korean Peninsula. The borehole was planned to secure a final diameter of 200 mm (or more) at a depth of ~1 km, with 12 diameter wellbore to intermediate depths, and 7-7/8 (~200 mm) to the bottom hole depth. We drilled first the 12 borehole to approximately 504 m deep and installed American Petroleum Institute standard 8-5/8 casing, then annulus between the casing and bedrock was fully cemented. XLOT was carried out for several purposes such as confirming casing and cementing integrity, measuring rock stress states. To that end, we drilled additional 4 m long open hole interval to directly inject water and pressurize into the rock mass using the upper API casings. During the XLOT, flow rates and interval pressures were recorded in real time. Based on the logs we tried to analyze hydraulic conductivity of the test interval.