A study about the influence of polyaxial (true-triaxial) stresses on the permeability of a three-dimensional (3D) fractured rock layer is presented. The 3D fracture system is constructed by extruding a two-dimensional (2D) outcrop pattern of a limestone bed that exhibits a ladder structure consisting of a "through-going" joint set abutted by later-stage short fractures. Geomechanical behaviour of the 3D fractured rock in response to in-situ stresses is modelled by the finite-discrete element method, which can capture the deformation of matrix blocks, variation of stress fields, reactivation of pre-existing rough fractures and propagation of new cracks. A series of numerical simulations is designed to load the fractured rock using various polyaxial in-situ stresses and the stress-dependent flow properties are further calculated. The fractured layer tends to exhibit stronger flow localisation and higher equivalent permeability as the far-field stress ratio is increased and the stress field is rotated such that fractures are preferentially oriented for shearing. The shear dilation of pre-existing fractures has dominant effects on flow localisation in the system, while the propagation of new fractures has minor impacts. The role of the overburden stress suggests that the conventional 2D analysis that neglects the effect of the out-of-plane stress (perpendicular to the bedding interface) may provide indicative approximations but not fully capture the polyaxial stress-dependent fracture network behaviour. The results of this study have important implications for understanding the heterogeneous flow of geological fluids (e.g. groundwater, petroleum) in subsurface and upscaling permeability for large-scale assessments.
Une étude sur l’influence des tensions polyaxiales (triaxiales véritables) sur la perméabilité d’une couche de roche fracturée en 3D est. présentée. Le système de fractures 3D est. construit en extrayant le motif d’affleurement 2D d’un niveau calcaire qui présente une structure en échelle consistant en un ensemble de joints parallèles contigu à des fractures courtes d’un stade ultérieur. Le comportement géomécanique de la roche fracturée en 3D en réponse aux contraintes in-situ est. modélisé par la méthode des éléments finis discrets, qui peut saisir la déformation des blocs de matrice, les variations du champ de contraintes, la réactivation de fractures préexistantes rugueuses et la propagation de nouvelles fissures. Une série de simulations numériques est. conçue pour imposer des contraintes à une roche fracturée en utilisant différentes tensions in situ polyaxiales et les propriétés d’écoulement dépendantes des tensions sont ensuite calculées. La couche fracturée a tendance à présenter une localisation plus forte des flux et une perméabilité équivalente supérieure lorsque le rapport des contraintes du champ éloigné augmente et que le champ de contraintes pivote de telle manière que les fractures sont orientées préférentiellement en faveur du cisaillement. La dilatation par cisaillement de fractures préexistantes a des effets dominants sur la localisation du flux dans le système, tandis que la propagation de nouvelles fractures a des impacts mineurs. Le rôle de la contrainte liée à la surcharge suggère que l’analyse conventionnelle 2D qui néglige l’effet de la contrainte hors plan (perpendiculaire à l’interface de stratification) peut fournir des approximations indicatives mais ne traduit pas entièrement le comportement du réseau de fractures soumis à des tensions polyaxiales. Les résultats de cette étude ont d’importantes implications pour comprendre l’écoulement hétérogène de fluides géologiques (par ex. eau souterraine, pétrole) en milieu souterrain et pour améliorer la perméabilité pour des évaluations à grande échelle.
Se presenta un estudio sobre la influencia de los esfuerzos poliaxiales (triaxiales verdaderas) sobre la permeabilidad de una capa tridimensional (3D) de rocas fracturadas. El sistema de fractura en 3D se construye mediante la extrusión de un patrón de afloramiento 2D de un lecho de caliza que exhibe una estructura de escalera que consiste en un conjunto articulado limitado por fracturas cortas de una etapa posterior. El comportamiento geomecánico de la roca fracturada en 3D en respuesta a los esfuerzos in situ es modelado por el método de elementos finitos y discretos, que puede capturar la deformación de bloques de matriz, la variación de campos de esfuerzos, la reactivación de fracturas irregulares preexistentes y la propagación de nuevas grietas. Una serie de simulaciones numéricas está diseñada para cargar la roca fracturada utilizando diferentes esfuerzos poliaxiales in situ y se calculan además las propiedades de flujo dependientes del esfuerzo. La capa fracturada tiende a exhibir una localización de flujo más fuerte y una permeabilidad equivalente más alta a medida que se incrementa la relación del esfuerzo en el campo lejano y se hace girar el campo de esfuerzo de tal manera que las fracturas se orientan preferentemente para el cizallamiento. La dilatación por cizalladura de fracturas preexistentes tiene efectos dominantes sobre la localización del flujo en el sistema, mientras que la propagación de nuevas fracturas tiene impactos menores. El papel del esfuerzo de la sobrecarga sugiere que el análisis 2D convencional que descuida el efecto del esfuerzo fuera del plano (perpendicular a la interfase del lecho) puede proporcionar aproximaciones indicativas pero no capturar completamente el comportamiento de la red de fractura dependiente del esfuerzo poliaxial. Los resultados de este estudio tienen importantes implicancias para la comprensión del flujo heterogéneo de fluidos geológicos (por ejemplo, aguas subterráneas, petróleo) en el subsuelo y en el escalado de la permeabilidad para evaluaciones a gran escala.
本文论述了多轴(真三轴)应力对三维裂隙岩层渗透率影响的研究成果。该石灰岩层具有阶梯结构,早期裂缝贯穿整个系统,后期较短的裂缝毗连早期裂缝。通过对两维露头 的几何沿岩层方向进行延申,建立了三维裂隙系统的几何模型。通过有限-离散元方法模拟了现场应力作用下三维裂隙岩体的力学特性,该方法能捕获岩块变形、应力场变化、自然裂缝的变形以及新裂隙的扩展。本文 设计了一系列的数值模拟实验,模拟加载多种多轴现场应力,进一步分析了渗透率对应力场的依赖性。随着远场应力比的 增加以及应力场的旋转,有些裂缝表现出很强的滑移,岩层也因此表现出很强的局部流动及很高的渗透率。研究表明,已有裂缝的滑移及剪涨效应对渗透率有非常重要的影响,而新裂缝的扩展影响较小。本文中发现的纵向应力效应表明,忽略平面外应力(垂直于层理界面)影响的传统二维分析可能提供了象征性的近似值,但无法完全捕获取决于多轴应力的裂缝网络的特性。本研究的结果对于了解地质流体(如地下水、石油)的不均匀流动、预测大尺度渗透率等具有重要的意义。.
Um estudo é apresentado sobre a influência de esforço poliaxial (verdadeiramente triaxial) sobre a permeabilidade de uma camada de rocha fraturada tridimensional. O sistema fraturado 3D é construído extraindo-se um padrão de afloramento 2D de uma camada de calcário que exibe uma estrutura de escada consistindo de um conjunto de juntas interceptadas posteriormente por fraturas pequenas. O comportamento geomecânico 3D da rocha fraturada em resposta aos esforços locais é modelado pelo método de elementos discretos finitos, que pode capturar a deformação da matriz dos blocos, variação do campo de esforços, reativação de fraturas pré-existentes e propagação de novas rachaduras. Uma serie de simulações numéricas é desenvolvida para sobrecarregar a rocha fraturada usando diversos esforços poliaxiais locais e as propriedades de fluxo dependente dos esforços são posteriormente calculadas. A camada fraturada tende a mostrar forte fluxo localizado e maior permeabilidade equivalente assim que a taxa de esforço do campo externo é aumentada e o campo de esforço é rotacionado de forma que as fraturas são preferencialmente orientadas para cisalhamento. A dilatação por cisalhamento de fraturas pré-existentes tem efeitos dominantes no sistema de fluxo localizado, enquanto que a propagação de novas fraturas tem um impacto menor. O efeito do esforço do sobrecarregamento sugere que a análise 2D convencional que negligencia os efeitos dos esforços de fora do plano (perpendicular à interface do acamamento) pode fornecer indicações aproximadas, porém não captar integralmente o comportamento a rede de fraturas dependente do esforço poliaxial. Os resultados deste estudo possuem importantes implicações para entender o fluxo heterogêneo de fluidos geológicos (ex. águas subterrâneas e petróleo) em subsuperfície e aumentar a escala da avaliação da permeabilidade em grande escala.
Keywords: FEMDEM; Fractured rocks; Heterogeneity; Hydraulic properties; Stress.
© The Author(s) 2017.