Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô hình hóa số hiệu ứng đóng của bề mặt đứt gãy tự nhiên của đá lên hành vi của dòng chảy chất lỏng
Tóm tắt
Việc hiểu rõ hành vi thủy lực của các khe nứt trong đá là rất cần thiết, vì nó ảnh hưởng đến lộ trình dòng chảy chất lỏng trong khối đá. Các tham số hình học của khe nứt như độ nhám của mặt tường và chiều rộng khe nứt có tác động đáng kể đến hành vi thủy động học. Trong bài báo này, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu, sau đó, các điều kiện trong phòng thí nghiệm được mô phỏng số. Quá trình quét ba chiều (3D) các mặt tường của các khe nứt tự nhiên được sử dụng để chuẩn bị mô hình hình học, và phần mềm ICEM CFD được sử dụng để chuẩn bị hình học của các khe nứt. Ngoài ra, sử dụng phần mềm Ansys Fluent và xem xét các phương trình Navier-Stokes trong mô hình, dòng chảy chất lỏng trong các khe nứt đá được mô phỏng. Vì hai bề mặt đứt gãy tiếp xúc với nhau, nên hình học mô hình được xây dựng trong trường hợp hai khe nứt tiếp xúc với nhau và có liên kết ở một tỷ lệ nhất định. Bằng cách này, các hình học được chuẩn bị cho tỷ lệ tiếp xúc 15, 30, 45, 60, 75, và 90% giữa bề mặt trên và bề mặt dưới. Mô hình hóa số cũng được xác minh bởi công thức Darcy phân tích, điều này cho thấy độ chính xác của kỹ thuật mô hình hóa. Kết quả mô hình hóa cho thấy mối quan hệ Forchheimer đại diện tốt cho dòng chảy chất lỏng phi tuyến tính trong khe nứt đá. Giá trị của các hệ số tuyến tính và phi tuyến tính của phương trình Forchheimer được ước lượng cho từng mô hình hình học. Kết quả cho thấy các hệ số Forchheimer có mối quan hệ trực tiếp với diện tích bề mặt tiếp xúc của khe đứt theo dạng hàm mũ, và chiều rộng thủy lực tăng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc các khe đứt.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Blöcher, G., Kluge C, Harald M, Cacace M, Jacquey AB, Schmittbuhl J (2019). Permeability of matrix-fracture systems under mechanical loading constraints from laboratory experiments and 3D numerical modeling. Adv Geosci 95–104
Crandall D, Bromhal G, Karpyn Z (2010) Numerical simulations examining the relationship between wall-roughness and fluid flow in rock fractures. Rock Mech Min Sci 784–796
Elsworth D, Goodman R (1986) Characterization of rock fissure hydraulic conductivity using idealized wall roughness profiles. Int J Rock Mech Min Sci Geomech 233–243
Javadi M, Sharifzadeh M, Shahriar K (2010) A new geometrical model for non-linear fluid flow through rough fractures. J Hydrol 18–30
Javadi M, Sharifzadeh M, Shahriar K, Mitani Y (2014) Critical Reynolds number for non-linear flow through rough-walled fractures: the role of shear processes. Water Resour Res 1789–1804
Jinyong P (2005) Experimental and numerical investigations of fluid flow for natural single rock fractures. ARIZONA: Department Of Mining And Geological Engineering. The University Of Arizona
Kong B, Chen S (2018) Numerical simulation of fluid flow and sensitivity analysis in rough-wall fractures. J Pet Sci Eng 546–561
Koyama T, Li B, Jiang Y, Jing L (2009) Numerical modelling of fluid flow tests in a rock fracture with a special algorithm for contact areas. Comput Geotech 291–303
Lee H, Cho T (2002) Hydraulic characteristics of rough fractures in linear flow under normal and shear load. Rock Mech Rock Eng 299–318
Li B, Jiang Y, Koyama T, Jing L, Tanabashi T (2008) Experimental study of the hydro-mechanical behavior of rock joints using a parallel-plate model containing contact areas and artificial fractures. Int J Rock Mech Min Sci 362–375
Nasri-Fakherdavood MJ, Ramezanzadeh A, Jenabi H (2019) Laboratory investigation of nonlinear flow characteristics through natural rock fractures. Q J Eng Geol Hydrogeol 519–528
Nazirdoust K, Ahmadi G, Smith D (2006) A new friction factor correlation for laminar, single-phase flows through rock fractures. J Hydrol 315–328
Nowamooz A, Radilla G, Fourar M (2009) Non-Darcian two-phase flow in a transparent replica of a rough-walled rock fracture. Water Resour Res W07406
Ranjith P, Darlington W (2007) Nonlinear single-phase flow in real rock joints. Water Resour Res W09502
Sharma M, Manchanda R (2015) The Role of induced un-propped (IU) fractures in unconventional oil and gas wells. SPE Annual Technical Conference and Exhibition (pp. 28–30). September, Houston, Texas, USA: Society of Petroleum Engineers
Tse R, Cruden D (1979) Estimating joint roughness coefficients. Int J Rock Mech Min Sci 303–307
Wang M, Chen YF, Ma GW, Zhou JQ, Zhou CB (2016) Influence of surface roughness on nonlinear flow behaviors in 3D self-affine rough fractures: lattice Boltzmann simulations. Adv Water Resour 373–388
Witherspoon P, Wang J, Iwai K, Gale E (1980) Validity of cubic law for fluid flow in a deformable rock fracture. Water Resour Res 1016–1024
Xu HF, Zhao PS, Li CF, Tong Q (2012) Predicting joint roughness coefficients using fractal dimension of rock joint profiles. Appl Mech Mater 443–448
Zhang Z, Nemcik J (2013) Fluid flow regimes and nonlinear flow characteristics in deformable rock fractures. J Hydrol 139–151
Zhou J, Hu S, Fang S, Chen Y, Zhou C (2015) Nonlinear flow behavior at low Reynolds numbers through rough-walled fractures subjected to normal compressive loading. Int J Rock Mech Min Sci 202–208
Zimmerman R, Al-Yaarubi A, Pain C, Grattoni C (2004) Non-linear regimes of fluid flow in rock fractures. Int J Rock Mech Min Sci 163–169
Zimmerman R, Bodvarsson G (1996) Effective transmissivity of two-dimensional fracture networks. Int J Rock Mech Min Sci Geomech 433–438
Zimmerman R, Yeo I (2000) Fluid flow in Rock Fractures: From the Navier-Stokes Equations to the Cubic Law. Dyn Fluids Fract Rock 213–224