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Phase-field method of crack branching during SC-CO2 fracturing: A new energy release rate criterion coupling pore pressure gradient

超临界流体 材料科学 机械 离散化 孔隙水压力 有限元法 复合材料 结构工程 地质学 热力学 物理 岩土工程 数学 工程类 数学分析
作者
Wenlong Xu,Hao Yu,Jianing Zhang,ChengSi Lyu,Quan Wang,Marembo Micheal,HengAn Wu
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:399: 115366-115366 被引量:43
标识
DOI:10.1016/j.cma.2022.115366
摘要

The critical energy release rate of the crack is always set as an inherent material property (constant value) in the phase-field method (PFM) to depict the compression-shear and mixed-mode failures of the shale rock. However, the recent experimental results about supercritical carbon dioxide (SC-CO 2 ) fracturing indicate that the degradation in strength of the porous medium is of significant importance because of the associated effect of fluid infiltration . To capture this tendency, a modified phase-field method is developed to fully consider the mixed-mode failure and shear strength degradation during the SC-CO 2 fracturing (SCF) process. Precisely, the finite element method (FEM) is used to discretize the solution space and staggered scheme is employed to solve the system of non-linear equations derived from the proposed PFM. A new critical energy release rate criterion that considers the pore pressure gradient is generated and a distinction between two different failure modes (Mode-I and Mode-II) is made through the spectral decomposition of strain energy. The model is validated against experimental results and depicts the crack branching behavior with a wide range of fluid viscosities and injection rates . Tension and shear failure modes alternately dominate the behavior of branching, followed by periodic fluctuation of the crack tip velocity and equivalent driving term, which is quantitatively depicted by the phase diagram. • A modified phase-field model (PFM) is developed for SC-CO 2 fracturing process. • The mixed-mode failure and shear strength degradation are fully considered by the model. • A new critical energy release rate criterion coupling pore pressure gradient is constructed. • Tension and shear failure modes alternately dominate the behavior of crack branching. • Regime transformation of branching is revealed by the phase diagram of the energy driving terms.

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