Jihoon Kim;Junhyung Choi;Doyoung Kim;Taeil Park;Daesung Lee
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.24
no.1
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pp.51-60
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2023
Unlike the vertical drilling in the directional drilling should be minimized torque and drag in the well trajectory that avoided problems such as drillstring transformation, casing wear and key-seating. These torque and drag magnitude is determined by variations such as the well trajectory geometry, drilling mud, drillstring type and kick-off point. Therefore, it is essential to consider these variations for designing directional well trajectory. In this study, it was selected well trajectory by the most common build-hold type well and calculated torque and drag on each section by Analytical friction model. Analysis indicates that torque and drag could be minimized by using high lubricity drilling mud, kick-off point appropriate according to the well geometry and possible minimize dogleg severity. The results of this study is useful to minimize torque and drag from directional well trajectory design.
Since healed microcracks in quartz grain of grantic rocks within the same mass have identical preferred orientations, the oreintations of granitic cores may be determined if the distinctive feature of healed microcracks can be used.In this study, the possibility of determining orientations of granitic cores using healed microcrack orientations were examined using samples from the borehole drilled to 200 m in depth at the Hongcheon. Eight sections whose core recoveries are 100% were selected. Two to six samples were collected in each section and orientations of healed microcracks in each sample were measured. Healed microcracks in samples from each section show almost identical orientations. The error range for sections with only one preferred orientations is within $\pm$5$^{\circ}$, indicating that correct orientations of core can be determined. However, orientations of cores in sections which have 2 or more healed microcrack orientations should be determined using orientations as well as distribution of peaks of orientations. The error range for this case is lager than former one and is within $\pm$15$^{\circ}$. The orientations of joint which is very impontant factor for designing tunnel and slope stability can be determined using healed microcrack orientation in cores.
Field investigations of the orientations of discontinuity planes inside the borehole for designing the underground rock structures have been depend solely on the borehole image-taking techniques. But, borehole image-taking has to be processed after the completion of drilling operation and also requires the handling of highly expensive apparatus so that practical application is very restricted. In this study Discontinuity Orientation Measurement (DOM) drilling system and discontinuity analysis model RoSA-DOM are developed to acquire the reliable information of rock structure by analyzing the characteristics of joint distribution. DOM drilling system retrieves the rock core on which the reference line of pre-fixed drilling orientation is engraved. Coordinates of three arbitrary points on the joint surface relative to the position of reference line are assessed to determine the orientation of joint plane. The position of joint plane is also allocated by calculating the location of core axis at which joint plane is intersected. Then, the formation of joint set is analyzed by utilizing the clustering algorithm. Total and set spacings are calculated by considering the borehole axis as the scanline. Engineering applicability of in-situ rock mass around the borehole is also estimated by calculating the total and regional RQDs along the borehole axis.
In this study, fracture network in rock mass was interpreted using borehole wall images obtained by televiewer. The orientation and JRC value of major joint set were evaluated adopting image analysis techniques, of which process were written in macro-program code. As linking JRC to joint stiffness using Barton-Bandis model, fracture network map was produced for application to jointed rock modelling in numerical analysis of underground structure.
Sliding aspects of rock slope, where large-scaled tension cracks are induced during preliminary excavation, have been analyzed. Structure of rock mass is investigated by performing the electrical resistivity survey and the orientations and positions of discontinuities are measured from DOM-drilled core log. Geological evidence far primary failure movement has been detected and clay minerals which possess swelling properties are identified through XRD analysis. Slope stability is examined by considering the orientations of discontinuities and their trace distributions on the cut-face and neighboring natural slope surface. Both orientations and positions of failure-invoking discontinuity planes, traces of which are exposed within the anticipated sliding region, are concerned fur analyzing the preferred sliding directions. Regional sliding vectors are assessed based on the relative positions of potential sliding planes in the boreholes and the general trend of anticipated failure movement of rock slope is also investigated.
We have carried out Pearson-type chi-square tests on the orientation data of joints from different depths in order to estimate the homogeneity of joint orientations obtained from a borehole. The orientation data of joints were collected from two non-foliated massive rocks of granitic gneisses in South Korea since orientations of joints in folded metamorphic rocks, for example, are controlled by foliation and also changes as the orientations of foliation change by folding. Borehole images were used for the analysis of the orientations of individual joints. The orientation data were subdivided into the upper level data and lower level data. The data from these two levels are plotted on the patch net consisting of 21 orientation patches. Then, the two patterns on the patch net were analyzed using a contingency table. From the chi-square test on the data collected from two sites, we found that some data sets show statistically meaningful differences in orientations of joints. Since joints are one of the important parameters in determining the physical properties of rock masses, in situ investigation of joints are desirable in the geotechnical investigation and also in design of subsurface structures (e.g. tunnels and underground storages).
The borehole radar methods used to tunnel detection are mainly classified into borehole radar reflection, directional antenna, crosshole scanning, and radar tomography methods. In this study, we have investigated the feasibility and limitation of each method to tunnel detection through case studies. In the borehole radar reflection data, there were much more clear diffraction signals of the upper wings than lower wings of the hyperbolas reflected from the tunnel, and their upper and lower wings were spreaded out to more than 10m higher and lower traces from the peaks of the hyperbolas. As the ratio of borehole diameter to antenna length increases, the ringing gets stronger on the data due to the increase in the impedance mismatching between antennas and water in the boreholes. It is also found that the reflection signals from the tunnel could be enhanced using the optimal offset distance between transmitter and receiver antennas. Nevertheless, the borehole radar reflection data could not provide directional information of the reflectors in the subsurface. Direction finding antenna system had a advantage to take a three dimensional location of a tunnel with only one borehole survey even though the cost is still very high and it required very high expertise. The data from crosshole scanning could be a good indicator for tunnel detection and it could give more reliable result when the borehole radar reflection survey is carried out together. The images of the subsurface also can be reconstructed using travel time tomography which could provide the physical property of the medium and would be effective for imaging the underground structure such as tunnels. Based on the results described above, we suggest a cost-effective field procedure for detection of a tunnel using borehole radar techniques; borehole radar reflection survey using dipole antenna can firstly be applied to pick up anomalous regions within the borehole, and crosshole scanning or reflection survey using directional antenna can then be applied only to the anomalous regions to detect the tunnel.
Hydraulic-mechanical (H-M) coupled numerical modeling was used to evaluate the evolution of hydrogeological properties in response to the installation and expansion of a borehole. A domain with a discrete fracture network was adopted for discontinuum modeling to simulate changes in fracture apertures. Comparison with real hydraulic test data shows that the effects of principal stress direction and expansion of borehole diameter were reasonably simulated by H-M coupled numerical modeling. The modeling confirmed that aperture changes depended on the principal stress direction, with an increase in aperture size due to vertical displacement being the dominant effect. A concentration of shear dilation around the borehole had an additional, subsidiary, effect on the hydrogeological evolution. These results show that the permeability of fractured rock can be increased by changing the hydraulic properties of a fracture through stress redistribution caused by the installation and expansion of a borehole.
To delineate the inhomogeneities including fractures and to estimate the freshness of rock borehole radar consisting of the reflection and tomography methods, and GPR surveys were conducted at a granite quarry mine. The borehole reflection survey using the direction finding antenna was also conducted to get the spatial orientations of reflectors. 20 MHz was adopted as the central frequency for the borehole radar reflection and tomography surveys and 100 MHz was for GPR. Through the interpretation of borehole reflection data using dipole and direction finding antenna as well as GPR images, which are good agreement with each other, we could determine the orientation of the major fractures in three dimensional way. Parts of travel time curves of tomography data showed the anisotropy, which is uncommon in granite quarry. By comparing the tomography data and TeleViewer images, the anisotropy effect in this area are closely related to fine fissures aligned in the same direction. The area confined by the two fractures, MF2 and MF5, might consist of the most fresh granite in the surveyed area, which was concluded from the borehole radar tomography, and GPR images as well as the distribution of anisotropy.
In this study, the current horizontal stress characteristics of the Tertiary rock formations in the Pohang Basin are investigated on the basis of the in-situ rock stress measurements at depths from 75 m to 716 m of the 3 test boreholes in the Doumsan area, Pohang. The deep hydraulic fracturing stress measurement results indicated that the horizontal stress components in the test site appear far lower than the average ones by the linear fit for the data set measured from the other domestic sites. But, borehole scanning revealed clearly that lots of small and large scale borehole failures occurred due to the low strength characteristics of the existing rocks. To obtain more accurate and overall information on the horizontal stress direction, the integrated analysis combining the hydraulic fracturing stress measurement and borehole scanning data set were additionally carried out. The analysis results showed that in the upper sedimentary and the lower volcanic rock formation, the dominant orientations of the current maximum horizontal stress components were appeared in the range of $80^{\circ}{\sim}100^{\circ}$ (N80E~N80W) and $120^{\circ}{\sim}140^{\circ}$ (N60W~N40W), respectively. From this study result it was found that the maximum horizontal stress directions have a tendency to rotate in a clockwise direction as the rock formation changes with depth in the test site.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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