Thermal Expansion and Stress Redistribution in Fractured Rocks: A Study Using COMSOL Multiphysics. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc THESIS.pdf Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (11MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الرسالة في تأثير التمدد والانكماش الحراري على إعادة توزيع الإجهادات في الصخور المتشققة باستخدام منهج متعدد الفيزياء مقترن ومطبق من خلال برنامج COMSOL Multiphysics. تنبع أهمية هذه الدراسة من التزايد المستمر في الاعتماد على العمليات تحت السطحية المدفوعة حراريًا، حيث تتأثر استقرارية الآبار، وموصلية الشقوق، وسلامة الغطاء الصخري بشكل كبير بتغيرات درجة الحرارة. ونظرًا لأن الأوساط الجيولوجية المتشققة تتسم بعدم التجانس ووجود انقطاعات ميكانيكية، فإن التحميل الحراري قد يؤدي إلى اضطرابات إجهادية موضعية تُغيّر من تطور مجال الإجهادات في الموقع وتؤثر على استقرار الكتلة الصخرية المحيطة. لمعالجة هذه الإشكالية، تم تطوير إطار عددي هرمي يبدأ من نموذج ثنائي الأبعاد شعاعي للبئر، ثم نموذج شعاعي مع وجود شق، يليه نموذج ثنائي الأبعاد محوري متماثل متشقق، ثم نموذج ثلاثي الأبعاد لكتلة صخرية متشققة، وصولًا إلى نموذج بئر أفقي متعدد الشقوق. عبر هذه النماذج، تمت مقارنة الاستجابات الثرموإلاستيكية والثرمو-بوروإلاستيكية مع التركيز على تطور درجة الحرارة، وخطوط تساوي الحرارة، وإعادة توزيع إجهاد فون ميزس تحت ظروف التسخين والتبريد. وتُظهر النتائج أن التبريد يعزز بشكل عام الانكماش الحراري وتطور الإجهادات الشدية، في حين يؤدي التسخين إلى التمدد الحراري واستجابة انضغاطية أقوى. كما أن وجود الشقوق يزيد من تمركز الإجهادات ويؤثر على انتقال الحرارة، مما يبرز أهمية تمثيل الانقطاعات بشكل صريح في النمذجة المقترنة. تشير النتائج إلى أن التأثيرات الحرارية ليست مجرد اضطرابات ثانوية، بل تُعد عوامل أساسية من الدرجة الأولى تتحكم في تطور الإجهادات في الأنظمة الصخرية المتشققة. كما تُظهر الدراسة أن الاقتران الثرمو-بوروإلاستيكي يمكن أن يُحدث تغيرات كبيرة في الاستجابة الميكانيكية المتوقعة مقارنة بالافتراضات الثرموإلاستيكية فقط، خاصةً بالقرب من جدران الآبار وأطراف الشقوق. وتوفر هذه النتائج إرشادات مهمة لتصميم وتشغيل آمن للأنظمة الجيوحرارية المحسّنة، ومشاريع احتجاز وتخزين الكربون، وغيرها من تطبيقات الطاقة تحت السطحية العميقة، حيث يلعب التحميل الحراري دورًا حاسمًا في التحكم بالتشوه وسلوك الشقوق والسلامة طويلة الأمد.:

English Abstract

This thesis investigates the influence of thermal expansion and contraction on stress redistribution in fractured rocks using a coupled multiphysics approach implemented in COMSOL Multiphysics. The study is motivated by the growing importance of thermally driven subsurface operations, where wellbore stability, fracture conductivity, and caprock integrity can be strongly affected by temperature changes. Because fractured geological media are heterogeneous and mechanically discontinuous, thermal loading may induce localized stress perturbations that alter the evolution of the in-situ stress field and affect the stability of the surrounding rock mass. To address this problem, a hierarchical numerical framework was developed, progressing from a two-dimensional radial wellbore model to a radial model with fracture, a two-dimensional axisymmetric fractured model, a three-dimensional fractured block, and a multi-fractured horizontal wellbore model. Across these configurations, the thesis compared thermoelastic and thermo-poroelastic responses, with particular attention to temperature evolution, isothermal contours, and Von Mises stress redistribution under heating and cooling scenarios. The results show that cooling generally promotes thermal contraction and tensile stress development, while heating produces thermal expansion and a stronger compressive response. The presence of fractures intensifies stress localization and modifies heat propagation, highlighting the importance of explicit discontinuity representation in coupled simulations. The findings indicate that thermal effects are not secondary perturbations but first-order controls on stress evolution in fractured rock systems. The study demonstrates that thermo-poroelastic coupling can significantly alter the predicted mechanical response relative to thermoelastic assumptions alone, especially in the vicinity of boreholes and fracture tips. These results provide useful guidance for the design and safe operation of enhanced geothermal systems, carbon capture and storage projects, and other deep subsurface energy applications where thermal loading governs deformation, fracture behavior, and long-term integrity.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Petroleum Petroleum > Reservoir Modelling and Simulation Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Abdulazeez Abdulraheem,
Thesis Co-Advisor:	Arshad Raza Rizvi,
Thesis Committee Members:	Mohamed Mahmoud,
Depositing User:	AGUSTIN MAMANI SINKA (g202392870)
Date Deposited:	19 May 2026 05:15
Last Modified:	19 May 2026 05:15
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144341