Die Auswirkungen der porösen Mikrostruktur auf die Druckfestigkeit von porösen Stützmitteln basierend auf der Finite-Elemente- und diskreten Elementemethode

Keramische Kugeln, typischerweise mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 0,8 mm, werden häufig als kritisches Stützmaterial in der hydraulischen Frakturierung zur Förderung von Erdöl und Erdgas verwendet. Poröse keramische Kugeln mit künstlichen inhärenten Poren sind eine wichtige Art von leichten Stützmitteln, die ihren Transport zu entfernten Bruchenden ermöglichen und die Bruchleitfähigkeit erhöhen. Oft steht jedoch der Vorteil der niedrigen Dichte im Vordergrund, während die Auswirkungen der Porengeometrie auf die Druckfestigkeit durch traditionelle Festigkeitsevaluation oft übersehen werden. Dieses Papier umgeht solche Einschränkungen numerisch, indem es eine kombinierte Finite-Elemente- und diskrete Elementemethode (FDEM) unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse verwendet. Die Maschenweite des Modells wird validiert, gefolgt von der Kalibrierung der kohäsiven Elementparameter durch den Einzelpartikel-Kompressionstest. Die Anregung verdeutlicht, dass Stützmittel mit einer kleineren Porengröße (40 µm) die Entwicklung der Rissausbreitung im Vergleich zu ihren größeren Porenverwandten schneller zeigen, obwohl der Einfluss des Porendurchmessers auf die Gesamfestigkeit subtil ist. Das Auftreten von Poren verändert nicht nur den Verlauf der Rissfortschreitung, sondern führt auch bei zunehmender Porosität zu einem merklichen Rückgang der Druckfestigkeit des Stützmittels. Interessanterweise wird der Rückgang der Festigkeit beim Überschreiten einer Porositätsgrenze von 10% allmählicher. Eine dichtere Ansammlung von Poren beschleunigt die Rissausbreitung, was die Robustheit des Stützmittels untergräbt und darauf hindeutet, dass unter ähnlichen Bedingungen hohle Stützmittel möglicherweise nicht mit der Festigkeit ihrer porösen Gegenstücke mithalten können. Diese Untersuchung verdeutlicht die zugrunde liegenden Mechanismen des Versagens von Stützmitteln aus einer mikrostrukturellen Perspektive und bietet entscheidende Einblicke, die zukünftige Verfeinerungen im architektonischen Design von porösen Stützmitteln leiten können.