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Confinement-controlled infiltration–fracturing transition in two-phase flow through deformable porous media

机械 多孔介质 物理 流离失所(心理学) 磁导率 流体力学 有效应力 变形(气象学) 粘性指进 边值问题 身体力量 流入 不稳定性 压力(语言学) 非线性系统 各向异性 流体静力平衡 岩土工程 粘度 覆岩压力 经典力学 无量纲量 毛细管数 Péclet编号 流量(数学) 相对渗透率 边界(拓扑) 多物理 多相流 导水率 水力压裂 基质(化学分析) 断裂(地质)
作者
Quanwei Dai,Chung-Yee Kwok,Kang Duan
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (1)
标识
DOI:10.1063/5.0301288
摘要

Stable fluid displacement in porous media under confining stress underpins processes from gas extraction to geological storage. While the onset of hydraulic fracturing is well characterized, the confinement-controlled transition to stable infiltration—governed by evolving permeability and matrix stiffness—remains poorly resolved. Laboratory studies rarely combine precise stress control with pore-scale visualization of invasion patterns, and many numerical approaches neglect boundary compliance (fixed vs movable confinement) and grain-scale force chains that are critical for predicting regime transitions. Here we use a fully coupled hydromechanical pore-network–discrete element method model to capture two-way feedbacks among pore-pressure buildup, permeability evolution, and granular mechanics under fixed and movable confinement boundaries. Increasing confining stress suppresses grain deformation and shifts displacement from fracturing- to infiltration-dominated regimes. Decreasing the viscosity ratio weakens viscous forcing and further favors infiltration, whereas boundary mobility and stress anisotropy promote fracture growth and directional channeling. We introduce a composite, morphology-based classification factor with an empirical transition band (0.19–0.33) that, together with dimensionless velocity and force ratios, delineates nonlinear transition boundaries across variations in fluid viscosity, inflow rate, matrix stiffness, and permeability. Energy analysis shows that confinement and boundary mobility jointly control displacement efficiency and reservoir integrity and that fixed-boundary Hele–Shaw idealizations can underestimate displacement efficiency and fracture propensity under low confinement. The framework links pore-scale mechanisms to field-relevant efficiency–damage tradeoffs, providing guidance for injection strategies that improve displacement while minimizing reservoir damage.
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