地应力的作用在组织流动通路在天然裂缝网络渗流阈值

文摘

我们调查了原位应力对流体流动的影响在一个天然裂缝网络。裂缝网络模型是基于一个实际的批判性(即连接。,close to the percolation threshold) fracture pattern mapped from a field outcrop. We derive stress-dependent fracture aperture fields using a hybrid finite-discrete element method. We analyze the changes of aperture distribution and fluid flow field with variations of in situ stress orientation and magnitude. Our simulations show that an isotropic stress loading tends to reduce fracture apertures and suppress fluid flow, resulting in a decrease of equivalent permeability of the fractured rock. Anisotropic stresses may cause a significant amount of sliding of fracture walls accompanied with shear-induced dilation along some preferentially oriented fractures, resulting in enhanced flow heterogeneity and channelization. When the differential stress is further elevated, fracture propagation becomes prevailing and creates some new flow paths via linking preexisting natural fractures, which attempts to increase the bulk permeability but attenuates the flow channelization. Comparing to the shear-induced dilation effect, it appears that the propagation of new cracks leads to a more prominent permeability enhancement for the natural fracture system. The results have particularly important implications for predicting the hydraulic responses of fractured rocks to in situ stress fields and may provide useful guidance for the strategy design of geofluid production from naturally fractured reservoirs.

1。介绍

破碎岩石主机世界georesources的很大一部分,如地下水、碳氢化合物和地热能。裂缝储层,高度异构与主流动路径由复杂的裂缝网络。天然裂缝的空间分布和组织的地下是高度复杂的,常常表现出长程相关性和空间。此外,骨折的透射率显示强大的大小和空间的变化。因此,骨折水库经常适应强流跨多个长度尺度(异构性问题1- - - - - -3]。

裂缝性储层特征的典型工作流开始通过构造一个流模型,这就需要研究断裂的几何和液压特性网络定义(4]。这样一个模型通常是由于有限的地下测量难以建立。因此,从露头裂缝模式类似物通常用来加强有关断裂网络的主要特征的理解(5- - - - - -8]。彻底断裂特征,紧急地质模型提供了一个很好的研究断裂的几何表示系统;然而,它可能仍然不能完全复制系统的水动力行为。这个失败的表面表征地下裂缝网络性质相关的困难(如骨折孔径和连接),由于地球物理分辨率限制工具(9]。此外,由于骨折原位强调在地下环境中,骨折光阑可以从他们经常强烈修改初始值和表现出高度异构分布(10- - - - - -12]。孔径的异质性可能会导致一个高度信道流型(7,13- - - - - -15]。广泛的野外观察表明,个人的贡献骨折在网络总流量不平等(16- - - - - -18]。相反,大多数的流体仅局限于少量的骨折(19- - - - - -22]。因此,为了预测破碎岩石的水动力行为,是至关重要的,包括原位应力对流体流动的影响。

一些最近的研究表明,原位压力可能产生复杂影响大部分液压破碎岩石的性质由于各种断裂反应,如关闭滑动,膨胀,传播23- - - - - -29日]。基于正交施加压力边界条件,数值模拟表明,封闭压力倾向于减少骨折光阑和流量大小(23,28],而大型微分压力经常引起强烈滑动沿着优先面向粗糙的骨折,膨胀断裂孔径和导致渗透性增强,流动渠道化(7,14,25,26,28,30.]。另一方面,新裂纹的传播也可能产生的变化总体流动特性通过修改断裂网络的连通性。这种效应可能是重要的天然裂缝网络经常发现接近渗流阈值,即:关键连接(31日,32]。

回顾文献,发现小的努力一直致力于量化流动结构的变化关键连接断裂系统由于应力加载和理解地质效应的机制,改变流体流动。在特定的地质过程(例如,裂缝扩张或传播)主导流结构改变仍然是一个悬而未决的问题。在这项工作中,我们使用高保真执行一个通用的研究具有代表性的参数的数值模拟,探讨流体性质变化与原位应力的天然裂缝网络连接状态接近渗流阈值,并进一步阐明机制支撑更改。本文的其余部分组织如下。节2,我们现在使用的数值方法为建模工作裂缝网络几何、地质变形和流体流动的自然断裂的岩石。数值实验的设置和边界条件提出了部分3。数值模拟结果给出了部分4重点是比较的相对变化流大小和组织造成shear-induced扩张和裂缝延伸。最后,给出一个简短的讨论和结论部分5。

2。模型和方法

2.1。天然裂缝网络

我们的模拟中使用的天然裂缝网络映射在泥盆纪的野外露头砂岩Hornelen盆地,挪威(图1(一))[33]。由于直接实地测量一个完整的3 d特征难以获得,仅限于二维采样断裂模式。裂缝网络占地面积 由三个主要骨折组设置5°,取向50°、120°(数字1 (b)- - - - - -1 (d))。这种2 d天然裂缝网络连通性接近渗流阈值,系统处于临界状态之间的关系和断开连接34,35]。裂缝网络已经被广泛的研究在过去的调查骨折的几何组织和分布(2,34,36)及其对流体流动的影响(8,37和质量输运5,33破碎岩石的性质。在本文中,我们使用这个裂缝网络进一步检查原位应力对流动结构的影响。

2.2。地质模型

地质变形断裂网络的反应原位应力模拟使用混合有限离散单元法[38]。地质模型可以实际捕获完整岩石的变形,交互矩阵块,当地应力的可变性,先前存在的骨折的位移,传播新裂缝的14,27]。关闭的岩石下骨折压缩计算基于双曲线关系(Bandis et al ., 1983): 在哪里是正常的关闭,是有效正常的压应力,正常是初始刚度,最大允许关闭。骨折的剪切行为的依赖在正常应力加载使用一个常数描述位移模型parameterised固定和值(39]。在这个模型中,剪应力峰值是由(40]: 在哪里裂缝总面积的比例是通过表面微凸体剪切,是扩张角,是粗糙的剪切强度(即。完整岩石的凝聚力),是基本的摩擦角代替使用残余摩擦角(41]。如果不超过完整岩石的单轴抗压强度 ,的值和分别是,作为(40]: 在哪里是最初的扩张角什么时候 ,和和经验参数建议值为1.5和4.0,分别。残余剪切应力(给药41]:

dilational位移与剪切位移在增量形式(40]:

骨折孔径耦合下正常和剪切载荷是由(10]: 在哪里是初始孔径,是反对的分离断裂张力下墙如果骨折。

2.3。流体流动模型

我们模型单相稳态不可压缩流体流动通过破碎岩石(断裂形成的人口和渗透矩阵)通过求解拉普拉斯方程, 在哪里内在的渗透率和吗流体压力。域是由一个非结构化网格离散模型与二维三角矩阵元素和1 d低维断裂元素。压力场使用有限元方法解决。每个元素的流速在重心计算基于压力梯度向量场通过应用达西定律: 而速度矢量场,是当地的压力元素节点,是动态流体粘度,是当地的渗透率。在计算网格,当地的渗透性常数矩阵所有元素而断裂空间变量元素。确定了裂缝渗透率根据立方定律(42基于stress-dependent骨折光阑。

2.4。为流场定量指标评价

量化的应力对流体流动的影响,计算三个network-scale指数:(i)网络等效渗透率,(ii)流速场的关联维数,和(3)流动通道密度指标。网络等效磁导率提供了一个衡量的总体流量(43,44)断裂网络的,而相关维度和流动通道密度指标描述流动的空间组织系统中(30.,45- - - - - -48]。

网络等效渗透率得到使用达西定律: 在哪里通过进口体积流量的破碎岩石,的长度是域的模型,是出口截面面积,和分别在进口和出口水头。

流速场的关联维数被定义为(49,50]: 在哪里流的比例在一个象素的累积量流在整个网格,然后呢网格元素的尺寸。在这项工作中,我们使用一个30 30平方网格计算的 ,因此等于0.6米。

引导流密度指标 ,类似于物理参与比文献[51,52),被定义为(46,47]: 在哪里是骨折流量,裂缝长度,是整个网络的累积断裂长度。的倒数定义主要流路径的平均间距(46]。一个小表明大距离主要流路径,因此一个高度引导流模式。

3所示。模型设置

在这项研究中,stress-dependent骨折孔径字段是通过实施有效的远场应力断裂网络在不同的角度从0°- 170°的增量10°(图2(一个))。我们考虑五个不同的压力情景:(我) MPa(参考);(2) MPa;(3) MPa, MPa;(iv) MPa, MPa;和(v) MPa, MPa。初始孔径场假定常数 毫米,这是代表自然骨折(53- - - - - -55]。

我们模拟一个单相稳态流动通过变形断裂网络应用古典permeameter-type边界条件(图2 (b)):两种截然相反的模型边界恒液压头,创建一个固定的压力梯度(即。,10 kPa),而两个正交边界平行于流动方向不透水。基质渗透率假定常数在空间的价值 米²。破碎岩石的材料特性和流体模拟中使用(表1)是典型的砂岩地层(5]。在这项工作中,我们重点讨论的是沿着流动的情况 - - - - - -方向;的结果 - - - - - -方向流给出了补充文档(可用在这里)。

4所示。结果

我们分析的地质响应不同的远场应力条件下破碎岩石。图3显示骨折孔径的分布在断裂的岩石在不同应力条件的代表 ,30°、60°、90°、120°、150°。概率密度函数(pdf)的情况下给出了图4。

当 MPa,所有骨折都有一个相同的光圈,即。,规定的初始值0.1毫米(数字3和4)。强调,如果破碎岩石各向同性的 MPa,所有骨折趋向于均匀压缩,这样畸形的孔径比初始值较低。如果anisotropically强调破碎岩石,裂缝网络变得适应异构孔径分布的叠加效应的结果shear-induced扩张和compression-induced关闭(数字3和4)。当 MPa和 MPa,大多数骨折被压缩封闭,只有一些小骨折展览孔径大于0.1毫米的初始值(数字3和4)。当 MPa和 MPa, shear-induced扩张断裂孔径更普遍一些长期骨折(图3)。当进一步增加到20 MPa,骨折与大光圈的数量大大增加,由于增强剪切位移由微分压力升高(图3)。骨折的剪切行为强烈控制之间的相对角的方向远场应力和裂缝的平均取向集。例如,当旋转角度的远场应力等于30°,0°和50°骨折组表现出增强的剪切位移,而120°剪切更压抑,因为它是面向几乎垂直地最大主应力, 。破碎岩石的各向异性地质响应进一步揭示了不同形状的孔pdf为不同方向的远场应力场(图4)。

我们获得流速度场变形破碎岩石的解决(即单相稳态流方程。方程(7)和(8))。图5显示了不同应力加载情况下的流场。骨折的pdf文档流图提供了速度6。如图5,是高度信道在一个子网主要包括骨折5°和30°集,如果应用远场应力为零。当加载破裂岩石各向同性的(例如, MPa),裂缝网络系统中的流速降低由于compression-induced正常关闭骨折(图5和6)。如果破碎岩石的各向异性应力场的含量都很高 MPa和 MPa,流网络的主要仍然显示了整体流速减少由于compression-induced孔径关闭(数字5和6),而本地一些骨折表现出增强的速度值由于温和shear-induced孔径扩张(图5)。流速度场为各种远场应力方向(图是相似的5)。这种相似性的流动分布还透露与pdf文档的各种形状例(图6)。当 MPa和 MPa,流场变得更加异构和敏感的变化(图5)。可见流场的变化,反映在PDF形状和范围的差异,与远场应力方向发生(图6)。在特定方向的远场应力场,例如,30°、60°,我们观察到一个明显的增加,流速在一些断裂集群在右下角的裂缝网络的一部分,而不是一个原始的主要流网络的一部分在零压力载荷(图5)。当进一步增加到20 MPa,更依赖流场的远场应力取向是观察(图5)。pdf的程度对高的传播速度随压力(图6)。似乎两个高应力比下的流场改变条件(例如, 或20 MPa)是由一个不同的机制与各向同性压力情况下,低压力之下(即各向异性情况下。的情况下 MPa和 MPa)。确实,我们看到许多新裂缝形成的高微分压力(图7)。这些传播骨折,虽然规模较小,可以创建新的流路径连接既存的断开连接的集群在断裂的岩石。为了进一步阐明这种效果,我们把流分布裂缝相交的出口,即。,正确的模型边界(图8)。我们注意到废水骨折的相对流量大小的变化可能表明一个变更内部流动的组织。当 MPa和 MPa,只有量变的断裂时流的相对大小是不同的;然而,当 MPa和 MPa或 MPa和 MPa,除了更剧烈的变化与压力流量大小,流动骨折的位置也改变定性变化(图8)。我们将进一步分析哪些地质效果,即。,shear-induced dilation or new crack propagation, dominates this enhanced sensitivity to stress towards the end of this section.

量化的影响压力变化流大小和组织,我们进一步推导出三个流指标,即。,相当于网络渗透率 ,流量的关联维数 ,和引导流密度指标 ,各种压力条件。等效磁导率可能量化通过破碎岩石整体流级,和进一步表明断裂网络内的流动分布。

如图9(一个)加载,如果破碎岩石各向同性的( 或5 MPa),不随应力场旋转,流量分布(也没有数据吗9 (b)和9 (c))。随着应力水平的增加(即。在的情况下 MPa和 MPa),减少了几次由于compression-induced孔径闭包(图3)。另一方面,两者兼而有之和增加,表明减少信道流量分布在断裂的岩石。如果anisotropically强调破碎岩石,随远场应力取向。当 MPa和 MPa,变得比各向同性的加载情况下的压力 MPa和 MPa但仍小于零应力加载的情况下(例如, MPa和 MPa)由于主导围压力下正常关闭效果。的变化与远场应力取向是很小。的变化和也会发生。这表明流结构变得依赖于远场应力取向。的增加微分压力大小(即。,当 MPa和 MPa),远场应力方向的函数变化的影响下变得非常复杂compression-induced关闭,shear-induced扩张,新裂缝的形成。一般来说,增加微分压力的增加到目前为止,但仍小于零应力加载下岩石破碎。此外,和也变得更小,表明更高层次的流动渠道化。变化的大小和压力变得越来越突出。的变化趋势和远场应力场方向出现类似(数字9 (b)和9 (c))。作为进一步增加到20 MPa,总体上有一个明显的增加(图9(一个))。对于所有远场应力方向,现在值大于零应力加载下的破碎岩石。这两个和展览增加变异性与远场应力取向。此外,他们不再是相似的变化趋势。当在70°和90°之间,和值居高不下和类似的情况 MPa和 MPa。当 ,130°和140°,增强的减少观察(数据9 (b)和9 (c)),而有略微下降 。似乎大部分渗透率高的情况下,减少局部流动,虽然这种相关性与巨大的不确定性。

进一步调查剪切位移的相对贡献,新裂缝延伸渗透增强和流动结构交替在高微分压力(图7),我们的节目,在图10,派生 , ,和值后删除所有新裂缝从强调断裂网络传播。通过比较图10对图9可以看出,大部分渗透性减少几次删除新裂缝。此外,还有一个系统在降低和 ,意味着更高层次的流动渠道化没有新裂缝。这些结果与我们的观察是一致的新传播造成的裂缝(数据流路径5和8)。数据之间的比较9和10进一步表明,渗透性增强可能更主导的传播新骨折而shear-induced扩张起到二阶的作用。它同样明显的是,高流渠道化由于剪切位移衰减了新的流动路径的存在由裂缝传播。这一现象被认为是相关的天然裂缝网络渗流阈值附近,这样新裂缝可以批判性过渡系统断开连接(在下一节中看到更多的讨论)。

5。讨论和结论

在这项研究中,我们演示了地应力的变化如何影响流体流动的2 d天然裂缝网络批判性(即连接。网络连接是接近渗流阈值)。我们已经表明,压力变化可能引起大部分渗透率的变化和流动的组织。随着压力大小的增加,断裂孔径降低系统,进而减少裂缝流动速度和渗透。各向异性压力条件下,可能发生重大shear-induced扩张以及优先面向骨折对各向异性应力场。尽管剪切位移可能引起重大变化在组织内部流程(通常提高流渠道化强度),它对网络的宏观影响水力性质温和。这些观察结果与之前的研究相一致,相似的结果关于2 d stress-dependent渗透率的裂缝网络报道(7,11,14,23,26,28]。我们进一步表明,在高应力差条件下,新裂缝的形成也盛行在裂缝网络,这可能改变优先流路径的数量和位置。因此,大部分渗透率可能会显著增加。新裂缝一般减少网络内的流动渠道化他们可能桥无关的骨折或集群形成新的路径分支流。这种效果尤为突出极度破碎岩石时强调(即。,应力比大于3)。

这些观测结果表明,在天然裂缝网络的渗流阈值,网络连接有主控制流体流动,而shear-related地质效应仅构成二阶影响液压破碎岩石的性质。然而,裂缝延伸的影响仍然保留权力调节水力裂缝网络的连通性。这些研究成果突出的重要性,结合地质分析实践中理解和预测流体在天然裂缝系统大多是批判性的连接(32和临界应力条件下56]。显然我们的数值模拟表明,没有考虑到压力影响,我们可能很大程度上低估的水平流动渠道化和高估大部分自然破碎岩石的渗透性使各向异性载荷与中间压力大小。然而,当破碎岩石的各向异性应力加载高震级,我们倾向于低估了大部分渗透率和高估了流引导强度而不考虑裂缝延伸的过程。此外,减少液压连接由压力引起的定向变异也可能被忽视,这可能会导致复杂性甚至实现,下生产计划的失败往往发生在自应力的重新geofluids的生产。

虽然目前的工作提供了一个更好的理解流体力学的自然裂缝网络的行为在不同的压力条件下,特别是流的演化路径原位强调,在未来的工作问题仍有待解决。首先,目前的工作需要扩展到三维,进一步验证一致性和通用性的主要基于二维模拟结果发现。3 d几何和连接的断裂网络是复杂的(Bour和戴维,1998)。压力影响从而将复杂得多。根据我们最近的3 d建模工作的结果(例如,27]),这里给出的2 d分析可能会提供一些指示性近似,但肯定不能完全揭示多轴stress-dependent三维断裂网络的行为。然而,由于非常昂贵的3 d FEMDEM模拟运行时,骨折的三维模型的数量是非常有限的。大规模仿真需要解决的挑战在执行之前,可用于驱动相关的3 d特征应力影响的天然裂缝系统的规模。此外,我们的工作只检查了流体力学的一个特定的天然裂缝网络的行为。研究结果的有效性和普遍性其他天然裂缝系统需要进一步调查。此外,空间变异性和相关性的初始裂缝孔径也可能需要集成到模型更加逼真地模拟实际系统。

数据可用性

仿真数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

附加分

突出了。(1)对流动应力影响组织在天然裂缝网络调查。(2)shear-induced扩张的作用,stress-driven断裂评估流体流动。(3)新裂缝可以作为红色链接关键提高网络连接。(4)Shear-induced扩张往往是一个二阶因素改变磁导率

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

z承认中国的国家自然科学基金资助(51774317号),中央大学的基础研究基金(18 cx2100a号)和国家科技重大项目(2016号zx05011004 - 004)。本文中的所有数据的数值模拟结果可按照客户要求定制的通信作者x王(xiaoguang.wang@umontpellier.fr)。

补充材料

在此补充文件,我们提供流动仿真结果 - - - - - -方向为各种压力的情况下。如图S1计算流场时,垂直水力梯度应用于裂缝网络,在骨折与零,光阑来自地质模拟各向同性和各向异性远场应力载荷。裂缝网络的材料特性和流体中使用这些模拟表中列出的一样1。图S2显示不同应力加载情况下的流场。总的来说,结果的 - - - - - -方向(图S2、S3、S4和S5)是类似的 - - - - - -方向(数据5,6,9,10),揭示地质变形的影响取决于最大应力之间的角度和流动方向。的 - - - - - -方向流主要局限于50°、120°骨折组。pdf的很大程度上向高速度往往发生在蔓延 的情况下 - - - - - -方向,而它时 和150° - - - - - -方向(图S3和图6)。请注意,最大应力之间的角度和吗积极的方向。定量流动指数的变化趋势( , ,和 )在不同的压力条件下(S4数据和S5)是一致的情况下 - - - - - -方向(数据9和10),除了相应的过渡点转移和改变曲线的形状与各自的理由 - - - - - -方向流动。的结果之间的差异 - - - - - -和 - - - - - -方向可能是由于最大应力之间的相互作用方向,平均流量方向,断裂网络几何(例如,主断裂的方向集和骨折的不同的组织)。(补充材料)

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