Publication

Shearing and opening of a pre-existing discontinuity in response to fluid injection

Résumé

We investigate the fluid-driven growth of a shear crack along a frictional discontinuity and its transition to hydraulic fracturing (sometimes referred to as hydraulic jacking) under plane-strain conditions. We focus on the case of a constant friction coefficient and account for the permeability changes associated with the fracture opening. By combining the scaling analysis and numerical simulations, we examine the evolution of both the shear and opening fronts as a function of the hydro-mechanical properties of the pre-existing discontinuity, in-situ stress state, and the fluid injection conditions. Further, we derive an approximate analytical solution for the relation between the positions of the slip and opening fronts at large times. We notably show that the ratio between the slip and opening fronts converges to a constant value at late times which only depends on the ratio between the shear stress and shear strength acting initially along the discontinuity. We compare this approximate solution against numerical simulations and demonstrate its usage to serve as a benchmark solution in the development of coupled hydro-mechanical numerical solvers for frictional fluid-driven fractures.

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Concepts associés (32)
Module de cisaillement
En résistance des matériaux, le module de cisaillement, module de glissement, module de rigidité, module de Coulomb ou second coefficient de Lamé, est une grandeur physique intrinsèque à chaque matériau et qui intervient dans la caractérisation des déformations causées par des efforts de cisaillement. La définition du module de rigidité , parfois aussi noté μ, estoù (voir l'image ci-contre) est la contrainte de cisaillement, la force, l'aire sur laquelle la force agit, le déplacement latéral relatif et l'écart à l'angle droit, le déplacement latéral et enfin l'épaisseur.
Contrainte de cisaillement
vignette|Une force est appliquée à la partie supérieure d'un carré, dont la base est bloquée. La déformation en résultant transforme le carré en parallélogramme. Une contrainte de cisaillement τ (lettre grecque « tau ») est une contrainte mécanique appliquée parallèlement à la section transversale d'un élément allongé, par opposition aux contraintes normales qui sont appliquées perpendiculairement à cette surface (donc longitudinalement, c.-à-d. selon l'axe principal de la pièce). C'est le rapport d'une force à une surface.
Essai triaxial
L’essai triaxial est une méthode de laboratoire courante pour mesurer les caractéristiques mécaniques des matériaux granulaires, en particulier celles des sols (par ex. le sable, l’argile), des roches et des poudres. Il existe plusieurs variantes de cet essai, aujourd'hui entièrement normalisé. vignette|L'essai danois. vignette|Enregistrement typique d'un essai triaxial. vignette|Bandes de cisaillement dans une argile verte.
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