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页岩在冲击载荷下模式I和模式II断裂的动态特性
Dynamic properties of mode I and mode II fractures of shale under impact loading
1. 主要摘要
本文研究了页岩在冲击载荷下模式I和模式II断裂的动态特性，重点分析了页岩的断裂韧性、能量耗散和裂纹扩展速度等特性。通过采用国际推荐的半圆弯曲（NSCB）样本和新提出的双边缘刻痕巴西圆盘（DNFBD）样本结合分裂霍普金森压力杆（SHPB）系统，对模式I和模式II断裂的各向异性进行了对比分析。结果表明，模式II断裂的韧性和能量耗散较模式I更高，尤其是分隔方向（Divider orientation）具有最高的断裂韧性。这些研究结果为控制性冲击波压裂技术的优化提供了理论依据。
2. 引言
随着化石燃料需求的不断增长，页岩油资源的开发愈发重要。然而，传统的水力压裂技术在深部页岩油藏中的表现并不理想。近年来，控制性冲击波压裂技术作为一种新型的工程技术被提出，用于通过高密度的冲击波裂开页岩储层，形成复杂的裂缝网络。在该过程中，页岩的动态断裂行为显得尤为重要。本文通过实验和理论分析，系统研究了页岩在冲击载荷下的模式I和模式II断裂行为，尤其关注其各向异性特性。
3. 主要内容
(1)实验方法：使用半圆弯曲（NSCB）样本和双边缘刻痕巴西圆盘（DNFBD）样本，结合SHPB系统，研究页岩的动态断裂韧性。通过高效能相机捕捉断裂过程，结合数字图像相关技术（DIC）和裂纹传播测量装置（CPG），对裂纹传播速度进行分析。
(2)数值分析：基于有限元模型（FEM），对样本的几何因子和断裂韧性进行数值预测，并通过实验数据验证了数值模拟的准确性。
(3)实验结果：实验结果表明，页岩的断裂韧性随着加载率的增加而提高，模式II断裂表现出比模式I更高的韧性和能量耗散。此外，分隔方向的裂纹扩展速度较高，而短横方向（Short-transverse）表现出较低的断裂韧性。
(4)能量耗散分析：通过实验测得的应变数据，计算出页岩在断裂过程中吸收的能量，并分析其能量耗散的分布特性。结果表明，模式II断裂消耗的能量明显高于模式I。
4. 主要结论
本文的实验结果表明，页岩在冲击载荷下的动态断裂行为具有显著的各向异性特性，尤其是在模式II断裂中表现出更高的韧性和能量耗散。这些研究为页岩储层的控制性冲击波压裂技术提供了重要的理论依据，并为未来的页岩油开发提供了优化方向。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
