[论文解读] A Conceptual Approach to Two-Scale Constitutive Modelling For Hydro-Mechanical Coupling

Giang D. Nguyen, Abbas El‐Zein+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2014

Rock Mechanics and Modeling参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于变形岩石中水-力耦合的双尺度本构框架，将局部非弹性变形区与弹性基质连续体相结合。通过在代表性体积元（RVE）内嵌入与尺度相关的水力传导率演化，该模型能够捕捉在扩散性和局部化变形过程中的渗透率变化，展示出在大规模地热和储层模拟中提升渗透率预测精度的前景。

ABSTRACT

Large scale modelling of fluid flow coupled with solid failure in geothermal reservoirs or hydrocarbon extraction from reservoir rocks usually involves behaviours at two scales: lower scale of the inelastic localization zone, and larger scale of the bulk continuum where elastic behaviour can be reasonably assumed. The hydraulic conductivities corresponding to the mechanical properties at these two scales are different. In the bulk elastic host rock, the hydraulic conductivity does not vary much with the deformation, while it significantly changes in the lower scale of the localization zone due to inelastic deformation. Increase of permeability due to fracture and/or dilation, or reduction of permeability due to material compaction can take place inside this zone. The challenge is to predict the evolution of hydraulic conductivities coupled with the mechanical behaviour of the material in all stages of the deformation process. In the early stage of diffuse deformation, the permeability of the material can be reasonably assumed to be homogenous over the whole Representative Volume Element (RVE) However, localized failure results in distinctly different conductivities in different parts of the RVE. This paper establishes a general framework and corresponding field equations to describe the hydro-mechanical coupling in both diffuse and localized stages of deformation in rocks. In particular, embedding the lower scale hydro-mechanical behaviour of the localization zone inside an elastic bulk, together with their corresponding effective sizes, helps effectively deal with scaling issues in large-scale modelling. Preliminary results are presented which demonstrate the promising features of this new approach.

研究动机与目标

• 为解决在地热和油气储层中跨多尺度建模水-力耦合的挑战。
• 考虑在扩散性变形（均匀RVE）与局部化破坏（非均匀RVE）中不同的水力传导率行为。
• 开发一种可扩展的本构模型，将微尺度非弹性变形与宏观有效性能关联起来。
• 实现对岩石渐进变形过程中渗透率演化的大规模精确模拟。
• 为将低尺度水-力行为嵌入大尺度连续体模型提供概念框架。

提出的方法

• 提出一种双尺度方法，包含一个弹性基质连续体和在代表性体积元（RVE）内的局部非弹性区域。
• 引入与尺度相关的水力传导率，其在局部化区域因裂缝、张开或压密而显著变化。
• 使用有效尺寸参数来表征局部化区域对宏观响应的影响。
• 推导出跨尺度耦合机械行为与流体流动的场方程，确保应力场与通量场的一致性。
• 将该框架应用于扩散性和局部化变形阶段，后者中渗透率被视为空间异质的。
• 采用概念性但数学上一致的公式，连接微尺度水-力过程与宏观连续介质力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在变形岩石中有效建模跨多尺度的水-力耦合？
• RQ2 局部化非弹性变形对RVE尺度上的水力传导率有何影响？
• RQ3 在渐进破坏过程中捕捉渗透率演化时，如何保持尺度分离？
• RQ4 何种本构框架能够实现扩散性和局部化变形区域中流体流动与机械响应的一致耦合？
• RQ5 如何在大规模模拟中表征非均质RVE的有效水力特性？

主要发现

• 双尺度框架成功捕捉了从扩散变形中的均匀渗透率到局部化区域中的非均匀渗透率的转变。
• 研究表明，由于破裂和压密等非弹性过程，局部化区域的水力传导率显著变化。
• 通过有效尺寸参数和有效性能参数，模型在微尺度水-力行为与宏观连续体响应之间保持了一致性。
• 初步结果表明，该模型在地热和储层系统的大规模模拟中具有巨大潜力。
• 该方法提供了一种可扩展且概念稳健的方法，可将复杂的微尺度水-力过程整合到宏观尺度模型中。