基于能量准则的XFEM在页岩对比层间弱界面处的水力裂缝扩展

非常规页岩地层中水力裂缝（HFs）的扩展行为受到各向异性断裂韧性以及与现有天然裂缝（NFs）或层理面（BPs）的相互作用的影响。这种复杂的传播行为尚未被完全理解。我们提出了一种新的基于能量的断裂扩展准则，用于预测对比层之间弱界面处的HFs扩展。基于HeHutchinson的理论，我们提出的准则考虑了HF的能量释放速率的方向变化，从而对HF的可能裂纹路径进行了详细分析。可以确定HF与弱界面相互作用的偏转、交叉和偏移行为。此外，通过扩展有限元法（XFEM）应用实际的富集函数，解决了断裂尖端处的应力奇异性。然后，通过考虑断裂尖端富集函数的所有分量，直接计算应力强度因子（SIF），无需额外的后处理。该技术保证了SIF计算的准确性，这对于确定所提出准则中的传播方向具有重要意义。通常，对于HFs在任意方向的弱界面处的传播，会仔细研究和讨论相交角、断裂韧性比和岩石性质对裂纹行为的影响。通过理论和数值方法的结合，我们的模型可以进一步揭示HFs与页岩中不同类型弱界面之间的相互作用机制，这有助于优化水力压裂手段的设计，促进复杂裂缝网络的生成。