Fluid‐Driven Particle Migration and Its Impact on Hydraulic Transmissivity of Stressed Filled Fractures

水力压裂 粒子(生态学) 机械 岩土工程 地质学 环境科学 物理 海洋学
作者
Jie Tan,Bingchen Li,Changdong Li,Hongbin Zhan,Jiaqing Zhou,Yating Tang,Huiming Tang
出处
期刊:Journal Of Geophysical Research: Solid Earth [Wiley]
卷期号:129 (7)
标识
DOI:10.1029/2024jb029066
摘要

Abstract The accurate assessment of hydraulic transmissivity in rock fractures filled with particles is not only a scientific challenge but also a critical need for various industrial applications. However, the intricate dynamics of particle erosion and pore clogging that govern transmissivity evolution remain largely unexplored. In this study, we experimentally examine the fluid‐driven particle migration behavior in filled fractures and its consequent impact on fracture transmissivity under various hydraulic gradients, normal stresses, and fracture apertures. We find that escalating hydraulic gradients not only intensify particle erosion through amplified fluid drag forces and hydro‐mechanical coupling effects but also lead to an increase in the size of migrating particles, thereby augmenting pore clogging. The dynamics of erosion and clogging define four distinct migration phases within the filled fractures. Variations in normal stress and initial fracture aperture significantly alter the particle arrangement and the soil structure stability within the fractures, thereby modulating the progress of particle migration in response to hydraulic gradients. The pattern of particle migration in filled fractures dictates the development of the internal pore structure and normal deformation, ultimately affecting fracture transmissivity. We propose an empirical expression to encapsulate the comprehensive evolution of fracture transmissivity across different particle migration patterns. Our research advances the understanding of fluid‐driven particle migration within filled fractures and provides a practical tool for the precise determination of hydraulic properties of fractured rocks amidst complex geological settings.
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