A range of phenomena in the subsurface is characterised by the interplay between coupled thermal, hydraulic and mechanical processes and deforming structures such as fractures. Modelling subsurface dynamics can provide valuable phenomenological understanding, but requires models which faithfully represent the dynamics involved; these models, therefore are themselves highly complex. This paper presents a mixed-dimensional thermo-hydro-mechanical model designed to capture the process-structure interplay using a discrete-fracture-matrix framework. It incorporates tightly coupled thermo-hydro-mechanical processes based on laws for momentum, mass and entropy in subdomains representing the matrix and the lower-dimensional fractures and fracture intersections. The deformation of explicitly represented fractures is modelled by contact mechanics relations and a Coulomb friction law, with particular attention on coupling of fracture dilation to the governing equations in both fractures and matrix. The model is discretised using multi-point finite volumes for the balance equations and a semismooth Newton scheme for the contact conditions and is implemented in the open source fracture simulation toolbox PorePy. Finally, simulation studies demonstrate the model's convergence, investigate process-structure coupling effects, explore different fracture dilation models and show an application of the model to a 3d geothermal pressure stimulation and long-term cooling scenario.


翻译:地表下的一系列现象以热、液压和机械过程以及骨折等变形结构之间的相互作用为特征。 模拟地表下动态可以提供宝贵的苯球学理解,但需要模型,忠实地代表所涉动态; 因此,这些模型本身非常复杂。 本文展示了一个混合的热水-氢-机械模型,目的是利用离散的裂痕-马特基框架来捕捉过程结构的相互作用。 它包含基于代表矩阵和低维骨折和骨折交叉点的亚田内动力、质量和酶定律的紧密结合热水-水-机械过程。 明确表示的骨折的变形通过接触机理关系和库摩擦法来模拟,特别注意骨折与骨折和矩阵中调节方程的混合。 模型采用多点定量的平衡方程式和接触条件的半摩擦牛顿-牛顿计划,并在开放源骨折模拟工具箱PorePy中实施。 最后, 模拟研究模型的变压模型和变压模型的模型展示了一种长期的趋同性模型。

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