Numerical modeling of hydro-mechanical coupling in deformable porous media: compaction and fractures

The aim of this thesis is the analysis and modeling of the different mechanisms that couple the mechanics of a porous rock with the fluid flow inside the pores. The first part of the thesis models underground reactive flows, focusing on those specific reactions that involve the exchange of species between solid rock and fluid, hence affecting rock porosity. The second part of the thesis studies the hydro-mechanical coupling in the presence of a fluid-filled fracture in a poroelastic medium. A novel method to efficiently simulate crack propagation, called Xfield, is proposed. It consists in solving a large scale problem with the extended finite elements method, while crack propagation is achieved by the solution of a local phase field problem at the tip scale. The Xfield is then tested with preliminary but promising results in the application of hydraulic fracture.

L’obiettivo della tesi è quello di analizzare e modellare i diversi meccanismi che accoppiano la meccanica di un mezzo poroso con il flusso del fluido contenuto nei pori. La prima parte della tesi è dedicata ai flussi reattivi sotterranei, accoppiati con reazioni chimiche che convertono specie solide in specie fluide, e viceversa, modificando quindi la porosità della roccia. La seconda parte della tesi studia l’accoppiamento idromeccanico in presenza di fratture in mezzi poroelastici. Con l’obiettivo di simulare efficientemente la meccanica di un mezzo fratturato, si introduce un nuovo metodo, chiamato Xfield, che consiste nell’ottenere la propagazione della frattura mediante la soluzione, alla scala locale dell’estremo della frattura, di un problema ridotto di tipo phase-field, dopo aver ottenuto la deformazione del mezzo su larga scala con il metodo degli elementi finiti XFEM. Il metodo Xfield è, infine, testato nell’ambito della fratturazione idraulica con risultati preliminari ma promettenti.