Role of seepage forces on hydraulic fracturing and failure patterns
Rôle des forces de succion sur la fracturation hydraulique
Résumé
The mechanical role of seepage forces on hydraulic fracturing and failure patterns was studied both by the analytical methods of the continuum mechanics and by numerical simulations. Seepage forces are frictional forces caused by gradients of pore-fluid pressure. Formation of different failure patterns (localized shear bands or tensile fractures) driven by the localized fluid overpressure in the poro-elasto-plastic medium was studied using a numerical code specially developed for this purpose. The pre-failure condition for different failure patterns and fluid pressure at the failure onset was predicted using a new analytical solution.
In the analytical solution the elliptical cavity filled with fluid in the non-hydrostatic far-field stress-state is considered. Since, the fluid pressure inside cavity differs from the far-field pore-fluid pressure; the poroelastic coupling is taking into account in the calculation of the deformation. Using Griffith's theory for failure and this analytical solution, the generalized equation for the effective stress law was obtained. This generalized effective stress law controls the failure in the fluid-saturated porous medium with a non-homogeneous fluid pressure distribution.
In the analytical solution the elliptical cavity filled with fluid in the non-hydrostatic far-field stress-state is considered. Since, the fluid pressure inside cavity differs from the far-field pore-fluid pressure; the poroelastic coupling is taking into account in the calculation of the deformation. Using Griffith's theory for failure and this analytical solution, the generalized equation for the effective stress law was obtained. This generalized effective stress law controls the failure in the fluid-saturated porous medium with a non-homogeneous fluid pressure distribution.
L'effet mécanique des forces de succion, forces exercées par un fluide qui se déplace dans un milieu poreux, a été étudié dans le cadre de la fracturation hydraulique des roches de la croûte terrestre. Cet effet a été étudié par des méthodes analytiques issues de la mécanique des milieux continus, et par des simulations numériques. Ces forces de succion sont des forces de frottement causées par des gradients de pression fluide dans les milieux poreux. Différents modes de fracturation (bandes de cisaillement localisées, fractures en mode I) causés par une augmentation localisée de la pression fluide dans la croûte ont été reproduits dans un milieu poro-élastique grâce à plusieurs codes numériques spécialement développés à cet effet. La valeur de la pression fluide lors de la nucléation de la fracturation est aussi prédite à l'aide d'une nouvelle solution analytique.
Dans la solution analytique, une cavité elliptique dans un solide poreux est remplie avec un fluide à une pression non-hydrostatique. On considère aussi que le milieu poreux est soumis à un champ de contrainte externe. Puisque la pression du fluide dans la cavité est différente de la pression de pore dans la roche; le couplage poro-élastique est pris en compte dans le calcul des déformations. A partir de la théorie de Griffith qui donne une condition pour la propagation d'une fracture, et en utilisant la solution analytique obtenue, une équation généralisée a été obtenue pour la contrainte effective dans le milieu. Cette nouvelle loi décrit la fracturation dans un milieu poreux saturé avec un fluide, et dans lequel la distribution de pression fluide n'est pas homogène.
Dans la solution analytique, une cavité elliptique dans un solide poreux est remplie avec un fluide à une pression non-hydrostatique. On considère aussi que le milieu poreux est soumis à un champ de contrainte externe. Puisque la pression du fluide dans la cavité est différente de la pression de pore dans la roche; le couplage poro-élastique est pris en compte dans le calcul des déformations. A partir de la théorie de Griffith qui donne une condition pour la propagation d'une fracture, et en utilisant la solution analytique obtenue, une équation généralisée a été obtenue pour la contrainte effective dans le milieu. Cette nouvelle loi décrit la fracturation dans un milieu poreux saturé avec un fluide, et dans lequel la distribution de pression fluide n'est pas homogène.
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