地层流体注入常见于碳封存和石油开采等领域。以页岩油气压裂开发为例，压裂液的注入改变了地层应力状态，能够实现页岩的可控破裂与渗流通道构建，从而提高采收率。

近日，中国科学技术大学计算力学实验室教授吴恒安研究团队深入揭示了多孔材料中流体驱动断裂的准静态振荡失稳物理机制，突破了裂纹振荡失稳发生于动态扩展的传统认知，提出了定量预测准脆性材料裂尖振荡、分叉等复杂模式演化的渐近稳定性分析理论。相关成果2月24日发表于国际学术期刊《物理评论快报》。

根据经典断裂力学理论，裂纹路径直接决定了材料的失效模式。均质材料中的裂纹以准静态速率扩展时，在局部对称性原理作用下保持直线扩展；只有当裂尖速度接近材料的瑞利波速时，强烈的惯性效应才会诱发裂纹的振荡或分叉。然而，现有实验观测表明，准静态流体驱动断裂存在不稳定扩展因素，出现了波状振荡轨迹，但其固有失稳模式和机制尚不清楚。

对此，研究团队开展了相场断裂模拟与渐近稳定性分析，推导了流体驱动裂纹尖端的应力场解析解，发现了渗流-断裂耦合下裂尖“偏离-回归”竞争机制，成功解释了波状裂纹振荡扩展模式的成因。

研究进一步定义了流体驱动多孔材料断裂的无量纲Péclet数，成功量化了裂纹扩展速度与流体侵入速度之间的动态竞争关系，构建了系统的流体驱动断裂稳定性相图，实现了对裂纹直线扩展、周期振荡以及分叉等不同模式的准确刻画。

该研究工作为地层流体注入相关工程问题提供了裂缝形貌演化判据。它可作为流体泵注压力、粘性、排量等施工参数对裂缝扩展调控的量化依据，可以实现对裂缝形貌的精准控制，如促使分叉产生缝网或保持直线扩展提高穿层能力。

自1940年代水力压裂技术问世以来，相关的压裂理论长期局限于描述裂缝直线扩展（I型断裂）或偏折分叉（I+II型混合断裂）。本研究首次提出了波状振荡模式（周期性混合断裂），丰富了水力压裂理论的内涵。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/6fks-qtvp