Hydro-thermo-mechanical response of low permeable media subjected to thermal-osmosis and thermal filtration effects

Xinle Zhaia, Kamelia Atefi-Monfareda

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: Le comportement thermo-hydraulique-mécanique couplé des milieux faiblement perméables est crucial pour l'efficacité et la durabilité de multiples opérations énergétiques et environnementales. Les effets d'osmose thermique et de filtration thermique peuvent générer une pressurisation notable et donc une défaillance accrue dans des milieux saturés faiblement perméables soumis à des charges hydrauliques et thermiques. Cet article présente des solutions analytiques entièrement couplées pour décrire les altérations spatio-temporelles induites à la suite d'une injection non isotherme à partir d'un puits de forage vertical entièrement pénétrant dans un milieu élastique transverse isotrope, faiblement perméable, incorporant les effets couplés de l'osmose thermique et de la filtration thermique. Nous considérons également l'état de non-équilibre thermique local (LTNE), les effets de confinement vertical, et évaluons deux paramètres de limites hydrauliques le long du puits de forage et de la zone cible: la limite perméable et la limite imperméable. Les résultats basés sur les solutions proposées montrent que les effets induits de l'osmose thermique et de la filtration thermique dépendent de l'état d'équilibre thermique local ainsi que des conditions aux limites hydrauliques entre la source / puits et la zone cible.

ABSTRACT: Coupled thermo-hydraulic-mechanical behavior of low permeable media is crucial to the efficiency and sustainability of multiple energy and environmental operations. Thermal-osmosis and thermal filtration effects can generate notable pressurization and thus enhanced failure in saturated low permeable media subjected to hydraulic and thermal loading. This paper presents fully-coupled analytical solutions to describe spatiotemporal alterations induced as a result of non-isothermal injection from a fully penetrating vertical wellbore into a transverse isotropic, low permeable elastic medium, incorporating coupled effects from thermal-osmosis and thermal filtration. We also consider local thermal non-equilibrium (LTNE) state, vertical confinement effects, and assess two hydraulic boundary settings along the wellbore and the target zone: permeable boundary, and impermeable boundary. Results based on the proposed solutions show that the induced effects from thermal-osmosis and thermal filtration are dependent upon the state of local thermal equilibrium as well as the hydraulic boundary condition between the source/sink and the target zone.

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