含液孔隙介质断裂特性研究

Living bone and wood chalk, oil and gas shale, and coal bed are typical examples of porous media filled with fluid. Most available studies on the fracturing of porous media are phenomenological. In those studies, the effects of crack tip microstructure and fluid permeation into the solid skeleton of porous media cannot be taken into account. The purpose of this project is to formulate a reliable theory for the fracture toughness and crack growth characteristic of porous media with fluids so that the effects of microstructure and fluid permeation can be quantified. Furthermore, numerical algorithm and implementation of the developed theory will be developed. Outputs of the project are believed to be beneficial for scientific understanding of the cracking of porous media and thus facilitating their practical applications.

存活的动物骨骼、植物枝干、含油气页岩和煤层等均属于典型的含液孔隙介质。现有含液孔隙介质的断裂特性研究主要是以宏观唯象研究为主，无法考虑裂尖微结构对断裂特性的影响以及骨架材料因液体渗透而引起的弹塑性力学参数改变和微结构演化，导致预测的断裂载荷远低于实际结果。本项目将主要研究液体渗透作用下孔隙介质宏观弹塑性参数的变化规律，侧重于裂尖微结构及液体渗透对其裂纹起裂和扩展的影响规律。目标是建立含液孔隙介质的断裂韧性和裂纹扩展等断裂特性的准确可靠理论，并发展相应的数值模拟方法，不仅具有重要的科学意义，也对含油气的页岩和煤层等典型含液孔隙介质的开发、利用和保护具有重要的应用价值。

含液孔隙介质在自然界和人工材料中广泛存在，但人们对其断裂特性研究多以宏观唯象的方法为主，至于微结构对裂纹起裂和扩展的影响规律以及骨架材料因液体渗透而引起的力学参数改变和微结构演化，则是有待解决的问题。上述问题的解决，不仅具有重要的科学意义，也对含油气的页岩和煤层等典型含液孔隙介质的开发、利用和保护具有重要的应用价值。本项目通过对含液孔隙介质的系统研究，建立了含液孔隙介质等效弹性参数和孔隙载荷模量的多尺度模型，揭示了含微结构孔隙介质裂尖应力集中效应及断裂特性，提出了含液孔隙介质扩散和毛细渗透的调控方法。