Micro- and macro-behaviour of fluid flow through rock fractures: an experimental study

Abstract

Microscopic and macroscopic behaviour of fluid flow through rough-walled rock fractures was experimentally investigated. Advanced microfluidic technology was introduced to examine the microscopic viscous and inertial effects of water flow through rock fractures in the vicinity of voids under different flow velocities, while the macroscopic behaviour of fracture flow was investigated by carrying out triaxial flow tests through fractured sandstone under confining stresses ranging from 0.5 to 3.0 MPa. The flow tests show that the microscopic inertial forces increase with the flow velocity with significant effects on the local flow pattern near the voids. With the increase in flow velocity, the deviation of the flow trajectories is reduced but small eddies appear inside the cavities. The results of the macroscopic flow tests show that the linear Darcy flow occurs for mated rock fractures due to small aperture, while a nonlinear deviation of the flow occurs at relatively high Reynolds numbers in non-mated rock fracture (Re > 32). The microscopic experiments suggest that the pressure loss consumed by the eddies inside cavities could contribute to the nonlinear fluid flow behaviour through rock joints. It is found that such nonlinear flow behaviour is best matched with the quadratic-termed Forchheimer equation.

Résumé

Le comportement microscopique et macroscopique d’un fluide s’écoulant dans les fractures à parois rugueuses d’une roche a été étudié expérimentalement. La technique avancée sur les microfluides a été introduite afin d’examiner les effets visqueux et inertiels microscopiques de l’écoulement de l’eau dans les fractures d’une roche au voisinage des vides pour différentes vitesses, tandis que le comportement macroscopique de l’écoulement en fracture a été étudié en réalisant des tests triaxiaux sur (des) un grès fracturés, sous des pressions de confinement comprises entre 0.5 et 3.0 MPa. Les tests montrent que les forces inertielles microscopiques augmentent avec la vitesse, avec des effets significatifs sur le mode d’écoulement local près des bords. Avec l’augmentation de la vitesse, la déviation des trajectoires d’écoulement est réduite mais des petites turbulences apparaissent à l’intérieur des cavités. Les résultats des tests montrent que l’écoulement linéaire de Darcy se produit dans des fractures communicantes de la roche, en raison d’une faible ouverture, cependant que dans les fractures non communicantes une déviation non linéaire de l’écoulement survient pour des nombres de Reynolds relativement élevés (Re > 32). Les expériences microscopiques suggèrent que la baisse de la pression, dissipée par les remous à l’intérieur des cavités, pourrait contribuer à un écoulement non linéaire du fluide à travers les joints de la roche. On constate que c’est ce comportement non linéaire qui correspond le mieux au terme quadratique de l’équation de Forcheimer.

Resumen

Se investigó experimentalmente el comportamiento microscópico y macroscópico del flujo de un fluido a través de fracturas de rocas de paredes rugosas. Se introdujo la tecnología microfluídica de avanzada para examinar los efectos microscópicos viscosos e inerciales del flujo de agua a través de las fracturas de rocas en la vecindad de vacíos bajo diferentes velocidades de flujo, mientras que se investigó el comportamiento macroscópico del flujo de fracturas llevando a cabo pruebas triaxiales de flujo a través de areniscas fracturadas bajo presiones de confinamiento que varían de 0.5 a 3.0 MPa. Las pruebas de flujo mostraron que las fuerzas inerciales microscópicas se incrementan con la velocidad de flujo con efectos significativos en el esquema de flujo local cerca de los vacíos. Con el incremento de la velocidad de flujo, la desviación de las trayectorias de flujo se reduce pero aparecen pequeños vórtices dentro de las cavidades. Los resultados de las pruebas del flujo macroscópico muestran que el flujo linear de Darcy tiene lugar para fracturas de rocas apareadas debido a la pequeña apertura, en tanto que una desviación no linear del flujo ocurre para números de Reynolds los relativamente altos en fracturas de rocas no apareadas (Re > 32). El experimento microscópico sugiere que las pérdidas de presión consumida por los vórtices dentro de las cavidades podría contribuir al comportamiento no linear del flujo del fluido a través de las juntas de las rocas. Se encontró que tal comportamiento no linear de flujo se ajusta mejor por la ecuación cuadrática de Forchheimer.

Abstrakt

Mikroskopická a makroskopická chování proudění přes drsné stěny skalních lomenin byl experimentálně zkoumán. Vyspělá mikrofluidní technologie byla zavedena zkoumat mikroskopické viskózní a setrvačné efekty proudění vody různých rychlostni přes skalní lomy v okolí malych dutin, zatímco makroskopické chování toku v pukline byla sledována prováděním toku přes punlinu v pískovci pod napětím v rozsahu od 0.5 do 3.0 MPa. Průtokové experimentální studie ukazují, že mikroskopické setrvačné síly rostou s rychlostí proudění s významným vlivem na lokální proudění v blízkosti malych dutin. S nárůstem rychlosti proudění, je odchylka průtoku snížena, ale malé víry jsou vytvořene na vnitřní straně malych dutin. Ve výsledkach makroskopických toků testy ukazují, že k lineárním Darcy proudění dochází u zavřených kamenných lomenin kvůli malému otvoru, zatímco nelineární odchylka průtoku se vyskytuje při relativně vysokých Reynoldsovych číslel v rozsiřene kamenné pokliňe (Re > 32). Mikroskopické experimenty naznačují, že tlaková ztráta spotřebovana víry uvnitř dutiny by mohla přispět k nelineárnímu chování proudění tekutiny přes skalní puklinu. Je zjištěno, že takové nelineární chování se nejlépe da vyjadrit kvadratickou rovnicí, nazvanou Forchheimer rovnice.

摘要

对通过高低不平岩石断裂的液体流微观和宏观特征进行了实验调查。采用了先进的微流体技术来检验不同水流速度下孔洞附近水流通过岩石断裂的微观粘性和惯性影响,而通过进行围压应力(0.5 到3.0 MPa)下三维水流实验对断裂流的宏观特征进行了调查。水流实验显示微观惯力随着水流 速度的增加而增加,对孔洞附近的局部水流 模式产生较大影响。随着水流速度的增加,水流轨迹的偏差降低,但在孔洞内会出现小的漩涡。宏观水流实验结果显示,由于空穴很小,成双的岩石断裂会出现线性达西水流。而在非成双的岩石断裂(Re>32)中,水流的非线性偏差以高雷若数出现。微观实验表明孔穴内漩涡消耗的压力损耗可以有助于通过岩石节理的非线性液体流行为。发现这样的非线性水流行为与二次Forchheimer 方程最为匹配。

Resumo

Foi experimentalmente investigado o comportamento microscópico e macroscópico do escoamento de fluidos através de rochas com fraturas com paredes rugosas. Introduziu-se uma avançada tecnologia de microfluidos para examinar os efeitos microscópicos, resultantes da viscosidade e da inércia, do escoamento da água através de fraturas de rochas nas imediações de cavidades, utilizando diferentes velocidades de fluxo; por outro lado, o comportamento macroscópico do escoamento nas fraturas foi investigado através a realização de testes de fluxo triaxiais num arenito fraturado, sob tensões confinantes variando de 0.5 a 3.0 MPa. Os testes de escoamento mostram que as forças microscópicas inerciais aumentam com a velocidade do escoamento, com efeitos significativos sobre o padrão local do escoamento perto das cavidades. Com o aumento da velocidade do escoamento, o desvio das trajetórias de escoamento é reduzido, mas surgem pequenos turbilhões dentro das cavidades. Os resultados dos testes macroscópicos de escoamento mostram que o escoamento linear de Darcy ocorre em fraturas da rocha acopladas, devido à pequena abertura entre si, enquanto em fraturas de rocha não acopladas ocorre um desvio linear do fluxo para números relativamente elevados de Reynolds (Re > 32). Os ensaios microscópicos sugerem que a perda de pressão consumida pelos remoinhos no interior das cavidades pode contribuir para o comportamento do escoamento de fluido não-linear através das fraturas da rocha. Verifica-se que este comportamento do fluxo não-linear combina melhor com a equação quadrática de Forechheimer.