[论文解读] Numerical computation of stress-permeability relationships of fracture networks in a shale rock

Rafael March, D. Egya+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2020

Groundwater flow and contamination studies参考文献 19被引用 6

一句话总结

本文提出一种数值方法，用于计算在奥帕林泥岩中二维裂隙网络的应力-渗透率关系，结合实验测得的裂隙开度与线弹性力学模型中的接触相互作用算法。该方法可准确实现不同应力条件下有效渗透率的尺度提升，显示从1 MPa到20 MPa应力变化时，渗透率最大可改变四个数量级，且由于裂隙取向和连通性导致显著各向异性。

ABSTRACT

We present stress-sensitive permeability relationships for two-dimensional fracture networks in the Opalinus Clay from the Mont Terri underground rock laboratory. These relationships may be used as a proxy for fracture network permeability in numerical models that resolve large spatial scales and are used in a variety of GeoEnergy applications involving flow in shaly rocks. To obtain these relationships we present a numerical procedure that uses experimentally determined stress-permeability relationships to numerically compute the effective permeability of the network. The material discontinuities stemming from the fractures are treated by a simple contact-interaction algorithm that accounts for normal interaction between fracture walls, allowing us to calculate the permeability of a fracture network under different stress conditions. We apply the procedure to four fracture networks digitized from two galleries of the Mont Terri rock laboratory. These fracture networks are mapped from the damage zone of the Main Fault that intersects the Opalinus Clay. The networks show a maximum variation of four orders of magnitude when stress ranges from 1MPa to 20 MPa. Our numerical procedure not only establishes representative stress-permeability relationships for a fractured rock mass under stress, but also provides a proxy for fracture network permeability for simulation in fractured formations.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的数值方法，用于估算在可变应力条件下裂隙岩体的有效渗透率。
• 弥合实验室尺度单裂隙测量与低渗透率页岩中大规模现场模拟之间的差距。
• 考虑裂隙网络几何形态、连通性及取向对应力敏感性渗透率的影响。
• 为大规模地质能源模拟（如CO2封存与地热系统）中的裂隙网络渗透率提供可预测的代理模型。
• 通过蒙特泰里地下岩石实验室的现场数据验证模型，确保其与真实地质条件的相关性。

提出的方法

• 将实验测得的单裂隙应力-渗透率关系整合到二维离散裂隙网络（DFN）模型中。
• 采用基于虚拟单元的力学求解器与接触相互作用算法，模拟裂隙壁面在法向应力作用下的闭合行为。
• 应用线弹性材料行为，结合应力相关的开度变化，模拟外部荷载作用下裂隙的闭合。
• 通过基于DFN的渗流模拟，计算考虑裂隙连通性与取向的网络尺度有效渗透率。
• 通过在不同主应力条件下求解类似斯托克斯流方程的模型，实现渗透率的尺度提升。
• 将结果与蒙特泰里岩石实验室的现场测量数据进行对比，特别是在主断层损伤带区域的测量结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在奥帕林泥岩中，裂隙网络的有效渗透率如何随施加应力变化？在实际应力范围内，其变化幅度有多大？
• RQ2 裂隙取向与连通性在多大程度上影响页岩裂隙层中应力-渗透率响应的各向异性？
• RQ3 结合实验裂隙数据与机械接触算法的数值模型，能否准确预测大规模渗透率行为？
• RQ4 水平与垂直应力的变化在多大程度上差异性地影响以垂直裂隙为主导的裂隙网络的渗透率？
• RQ5 在应力作用下，网络几何形态相对于单裂隙特性，在决定有效渗透率方面占据主导地位的程度如何？

主要发现

• 随着应力从1 MPa增加到20 MPa，奥帕林泥岩中裂隙网络的有效渗透率最大可改变四个数量级。
• 由于主要裂隙呈近垂直取向，垂直方向的渗透率对水平应力（σxx）的敏感性高于对垂直应力（σyy）的敏感性。
• 由于长而导流性好的裂隙与流动方向对齐，模型预测在y方向（垂直方向）具有更高的渗透率。
• 在各向同性应力条件下，尺度提升后的渗透率与实验测得的奥帕林泥岩岩芯裂隙渗透率结果高度一致，表明模型具有有效性。
• 裂隙网络的连通性与几何形态对有效渗透率的影响大于单裂隙特性，强调了开展网络尺度建模的必要性。
• 该模型为大规模模拟中的应力敏感性渗透率提供了可靠的代理模型，适用于CO2封存、地热能及油气开采等应用。