Hydraulic fracturing is widely used to enhance the hydrocarbon productivity in low-permeability reservoirs or to enhance heat recovery in deep geothermal systems. Predicting fracture propagation and geometry is an important but daunting task because of complexities associated with natural geologic rock conditions, including stress anisotropy, heterogeneities, natural fractures, and formation discontinuity. Therefore, this study explored the interactions between hydraulic fracture and interfaces in layered geologic formations. Hydraulic fracture propagation behaviors in gelatin plates were monitored via scaled laboratory experiments. Three kinds of bounding layers were tested with low-, medium-, and high-stiffness gelatins. Hydraulic fracturing processes were recorded using a digital camera while measuring fluid injection pressure, and the captured images were analyzed to extract the fracture geometry. When the bounding layer had lower stiffness, the fracture was observed to cross the interface and continued growing. Contrary to that, when the bounding layer had the same or higher stiffness, the fracture did not penetrate the bounding layer and propagated along the layer interface. Comparing with a simple geometry model, such as PKN model, it was found that a decrease in material stiffness increased the growth rate of fracture. The PKN model prediction was found to be quite different from the experiment results, possibly owing to the different shape of fracture cross-section and plastic deformation in gelatin. The photoelastic analysis was conducted to identify the variations in the stress intensity factor at the tip when the fracture met the interface. The stress intensity factor was fairly consistent in homogeneous media. However, when the fracture met a soft bounding layer, as it crossed the interface, the stress intensity factor was reduced significantly and became close to the toughness value of the soft bounding layer. When the fracture approached the bounding layer of the same or higher stiffness, the stress intensity factor increased for a short period of time. After the fracture followed along the interface, the stress distribution at the tip was different on the side of original medium and on the other side of bounding layer because of different stiffness. The presented results contribute to better understanding of interactions between hydraulic fracture and naturally existing discontinuities by visualizing the fracture propagation process and providing the experimental results on variations in fracture geometry and stress intensity factor with time.
수압파쇄 공법은 높은 압력으로 물을 분사하여 지층에 균열을 일으키는 기술로 공극률이 낮은 셰일층에 적용되어 가스 회수율을 높이는데 기여하고 있다. 그러나 균열의 진행을 확인하는 것은 매우 어렵고, 대부분의 예측모델도 균질한 암반 조건에 대해서만 제시되고 있다. 실제 암반에는 불연속면이 존재하기 때문에 기존의 제시된 모델로 수압파쇄 균열의 진행 및 크기를 판단하기가 어렵다. 따라서 이번 연구에서는 불연속면이 존재하는 암반에서 수압파쇄 균열의 진행을 분석하기 위해 젤라틴을 이용하여 실험적 연구를 진행하였다. 투명한 젤라틴은 광탄성 물질로써, 편광 된 빛을 투사할 경우, 응력분포를 영상화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 이용하여, 젤라틴의 강도는 물의 농도를 다르게 하여 조절한 뒤 이를 차례로 쌓아 두 층 사이의 불연속면을 모사하였으며, 주입 유체는 10 cp의 설탕물을 사용하였다. 실험 분석은 비디오 녹화를 통한 이미지 분석 그리고 광탄성 분석을 통해 수행하였다. 저탄성매질에서 시작한 수압파쇄 균열이 고탄성매질을 만나면, 균열이 더 이상 진행하지 않고, 층사이의 불연속면을 따라서 진행함을 확인하였다. 반대로, 고탄성매질에서 시작한 수압파쇄 균열은 저탄성매질을 만날 경우, 쉽게 통과하여 진행하고, 특히 균열의 너비가 증가하는 것을 확인하였다. 이 같은 균열의 형상(너비, 길이 및 부피)과 진행 양상을 수압파쇄 균열예측 모델인 PKN model과 비교해본 결과 균열 단면적 모양 및 젤라틴의 소성변형 때문에 다른 양상을 갖는 것을 확인하였다. 광탄성 분석을 통한 응력 확대 계수는 균질한 매질 내에서는 일정한 값을 보이지만, 균열이 경계면을 만나면 값에 변화를 보였다. 고탄성매질에서 저탄성매질로 진행하는 균열은 경계면 통과 이후 감소된 응력 확대 계수를 보였고, 저탄성매질에서 고탄성매질로 진행하는 균열은 경계면에서 급격하게 증가하는 응력 확대 계수 값을 가졌다. 또한 균열이 경계면을 따라 진행할 경우에는 균열 양 옆의 매질 특성에 따라 균열 선단에서의 응력 분포가 달라짐을 확인하였다.
