崔翰博，唐巨鵬，姜昕彤，邱于曼

遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000

1 前言

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）將開(kāi)發(fā)干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）作為研究目的，通過(guò)水力壓裂（Hydrofracturing method）的方式致裂儲(chǔ)層，利用水與HDR熱交換，提取熱量進(jìn)行應(yīng)用。HDR溫度是EGS熱采選址的首要因素，其決定了靶區(qū)的開(kāi)采前景與運(yùn)營(yíng)成本；水作為攜熱介質(zhì)，水溫是熱采的重要控制方法之一；高溫遇水循環(huán)次數(shù)也與儲(chǔ)層壽命密切相關(guān)，因此開(kāi)展巖樣溫度、水溫、高溫遇水循環(huán)次數(shù)與花崗巖物理力學(xué)、波動(dòng)特征間關(guān)系的研究對(duì)EGS高質(zhì)量開(kāi)采具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家針對(duì)注采參數(shù)與EGS關(guān)系已進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。Jing等（2014）、Vogt等（2012）、趙陽(yáng)升等（2004）發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層初始溫度與EGS產(chǎn)能密切相關(guān)，溫度越高，HDR產(chǎn)熱效率越好。隨采熱進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)層溫度降幅達(dá)到一定程度，產(chǎn)能降低。Fox等（2013）和翟海珍等（2017）指出產(chǎn)能降低，采熱效率明顯下降，此時(shí)需停止開(kāi)采，待熱能恢復(fù)后再進(jìn)行回采，在此期間HDR會(huì)經(jīng)歷多次高溫遇水冷卻循環(huán)過(guò)程。雷宏武（2014）和肖勇（2017）指出水溫與產(chǎn)熱效率、裂縫開(kāi)度、儲(chǔ)層沉降存在一定關(guān)系。此外，部分專(zhuān)家學(xué)者對(duì)高溫條件下巖石的物理力學(xué)、波動(dòng)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Jiang等（2018）進(jìn)行了高溫后花崗巖波動(dòng)特征測(cè)試試驗(yàn)，指出250～300℃為裂縫加速擴(kuò)展階段。Gautam等（2018）進(jìn)行了高溫下花崗巖單軸抗壓試驗(yàn)，指出300℃是花崗巖力學(xué)特征出現(xiàn)下降的起始溫度。秦嚴(yán)（2017）對(duì)自然冷卻后花崗巖進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，指出600℃是花崗巖力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生突變的閾值。黃真萍等（2016）進(jìn)行了高溫遇水冷卻后大理巖、石灰?guī)r物理力學(xué)特征試驗(yàn)研究，并對(duì)損傷因子進(jìn)行了簡(jiǎn)單界定。郤保平等（2010）研究發(fā)現(xiàn)高溫遇水冷卻后花崗巖的力學(xué)特征會(huì)產(chǎn)生明顯下降。Li和Ju（2018）進(jìn)行了多次熱循環(huán)后花崗巖力學(xué)、波動(dòng)特征試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫循環(huán)后花崗巖力學(xué)特征損失、波速降低多發(fā)生在5個(gè)熱循環(huán)之內(nèi)。

基于以上研究背景發(fā)現(xiàn)，前人多以產(chǎn)熱效率為主要目的對(duì)EGS熱采進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)高溫花崗巖的探究也多為自然冷卻后或?qū)崟r(shí)高溫條件下巖樣的物理力學(xué)特征。以HDR為研究背景，進(jìn)行高溫遇水冷卻或高溫遇水循環(huán)冷卻對(duì)巖樣物理力學(xué)特征影響的研究極為少見(jiàn)。此外，注采、熱恢復(fù)過(guò)程中低溫巖體受高溫區(qū)域影響，含水量是逐漸變化的，進(jìn)而引起力學(xué)、波動(dòng)特征發(fā)生改變，考慮擱置過(guò)程能夠提高對(duì)恢復(fù)過(guò)程中壓裂區(qū)巖體力學(xué)、波動(dòng)特征測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外，HDR處于深部地層，采用大量拉、壓試驗(yàn)盡管能夠獲取巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)，但在實(shí)際研究中并不現(xiàn)實(shí)。而通過(guò)超聲波測(cè)試的方法能夠很好的檢測(cè)出熱采靶區(qū)巖樣物理力學(xué)特征，且操作簡(jiǎn)單，適于在EGS熱采中應(yīng)用?；谝陨弦蛩?，為探究注采參數(shù)對(duì)HDR物理力學(xué)和波動(dòng)特征的作用，以松遼盆地HDR開(kāi)采為研究背景，對(duì)不同注采參數(shù)下巖樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)和縱、橫波波速測(cè)試試驗(yàn)，研究巖樣溫度、水溫、高溫遇水循環(huán)次數(shù)對(duì)波動(dòng)特征、物理力學(xué)特征的作用，并將其建立聯(lián)系，同時(shí)考慮擱置過(guò)程中HDR物理力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律。此研究有望為HDR力學(xué)特征無(wú)損檢測(cè)提供一種手段，同時(shí)為松遼盆地地?zé)崽镒⒉蓞?shù)的選取提供參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 地質(zhì)背景

松遼盆地地跨內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧四省，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，盆地基底斷裂發(fā)育明顯，火山活動(dòng)頻繁，存在多個(gè)地?zé)岙惓｜c(diǎn)（章鳳奇等，2008）。地?zé)崽餆嵩粗饕譃橐韵氯N：地幔對(duì)流、巖漿體侵入、巖體內(nèi)部放射性元素衰變。在三者共同作用下，大地?zé)崃髦翟?1.5～90.0 mW/m2間，平均地?zé)崽荻葹?.7℃/100 m，HDR資源總量可達(dá)0.62×106EJ（李野，2017）。目標(biāo)層上部主要由淺變質(zhì)巖系、花崗巖構(gòu)成；下部以深變質(zhì)巖系和片麻狀花崗巖為主。上覆泥巖蓋層，能夠保證熱能的貯存，且松花江水系位于地?zé)崽锔浇?。綜合以上地質(zhì)因素，松遼盆地地?zé)崽锞哂辛己玫責(zé)衢_(kāi)發(fā)前景。

2.2 巖樣制備

選取松遼盆地北部為EGS熱采目標(biāo)靶區(qū)進(jìn)行取樣。巖樣表觀呈灰白色，密度介于2.71～2.99 g/cm3間。利用取芯機(jī)、切割機(jī)、磨平機(jī)依次對(duì)巖樣進(jìn)行加工、打磨。巖樣尺寸為φ50 mm×100 mm，樣高、直徑誤差均小于3 mm），共進(jìn)行15組試驗(yàn)，每組3塊。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：HDR溫度介于100～650℃，因此巖樣分別加熱至100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，以下簡(jiǎn)稱(chēng)100～600℃（水溫20℃，高溫遇水循環(huán)次數(shù)1次）；松花江水溫介于1～25℃，考慮注水過(guò)程水溫上升，因此水溫分別選取1℃、20℃、40℃、60℃、80℃，以下簡(jiǎn)稱(chēng)1～80℃（巖樣溫度300℃，高溫遇水循環(huán)次數(shù)1次）；考慮循環(huán)注水過(guò)程和熱恢復(fù)作用（Fox，2013；翟海珍，2017），高溫遇水循環(huán)次數(shù)選取1、2、3、4、5次，以下簡(jiǎn)稱(chēng)循環(huán)1～5次（Li等，2018）（巖樣溫度300℃，水溫20℃）。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

表1為主要試驗(yàn)設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Table 1 Experiment equipments

2.5 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容分為：高溫遇水循環(huán)冷卻試驗(yàn)、縱、橫波波速測(cè)試試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)。遵循《巖石物理力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程》（中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部，2015），并根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整：

天然狀態(tài)巖樣性質(zhì)測(cè)定：天平測(cè)巖樣質(zhì)量；游標(biāo)卡尺測(cè)樣高、直徑；超聲檢測(cè)儀測(cè)縱、橫波波速。

縱、橫波波速測(cè)試試驗(yàn)：為避免巖樣上下表面凹凸對(duì)試驗(yàn)影響，用凡士林將上、下面和探頭間耦合，然后將巖樣置于收、發(fā)傳感器間，發(fā)射聲波，采集數(shù)據(jù)（波速測(cè)量精度為0.01 m/s）。

不同試驗(yàn)方案冷卻過(guò)程：不同巖樣溫度：利用電爐以30℃/min，分別加熱巖樣至設(shè)置溫度（100～600℃），為保證巖樣內(nèi)外受熱均勻，恒溫4 h（閆治國(guó)等，2006），然后將其置于堿骨料反應(yīng)箱中遇水冷卻4 h（水溫20℃，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖樣溫度不同，遇水冷卻4 h后均降至20℃左右，說(shuō)明水與巖樣間不再傳熱，且基本飽水）；不同水溫：將巖樣加熱至300℃恒溫4 h后，遇水冷卻4 h（水溫分別保持在1～80℃）；高溫遇水冷卻循環(huán)次數(shù)：將300℃巖樣恒溫4 h，置于20℃水中降溫冷卻4 h，此過(guò)程循環(huán)1～5次。

擱置過(guò)程：將冷卻后巖樣置于干燥箱中（溫度20℃，只控溫不鼓風(fēng)），擱置0、2、4、6、8 h，測(cè)量巖樣質(zhì)量和縱、橫波波速。

單軸抗壓試驗(yàn)：擱置8 h，取出巖樣，在巖樣兩側(cè)中間對(duì)稱(chēng)位置貼應(yīng)變片，連接動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，然后將其置于試驗(yàn)機(jī)上，以0.5 MPa/s加載速度進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，待試件破壞后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同注采參數(shù)下巖樣外觀特征

提高巖樣溫度、增加遇水循環(huán)次數(shù)，巖樣均由灰白向土黃色轉(zhuǎn)變。圖1為不同注采參數(shù)下巖樣外觀特征。巖樣溫度：100～200℃，巖樣與天然條件下相比變化微小，表面呈灰白色，局部存在黑斑；300～400℃，顏色變淺，黑斑略有減少；500～600℃，部分區(qū)域呈土黃色，局部存在灰斑，產(chǎn)生白色晶狀物。水溫：水溫變化，巖樣外觀特征改變不明顯。高溫遇水循環(huán)次數(shù)：循環(huán)次數(shù)增加，巖樣表觀黑斑減少，循環(huán)至5次，表面產(chǎn)生土黃色區(qū)域。由此可見(jiàn)，對(duì)巖樣外觀特征影響由大到小依次為巖樣溫度、高溫遇水循環(huán)次數(shù)、水溫，通過(guò)外觀特征的變化能夠判斷熱采區(qū)域所經(jīng)歷的注采條件。

3.2 擱置過(guò)程中巖樣力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律

注采、熱恢復(fù)過(guò)程中低溫區(qū)域受高溫巖體影響，含水量逐漸下降，進(jìn)而使壓裂區(qū)巖體物理力學(xué)、波動(dòng)特征產(chǎn)生一定改變，忽略此現(xiàn)象會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此考慮擱置過(guò)程對(duì)HDR物理力學(xué)、波動(dòng)特征的作用十分必要。

圖1 不同注采參數(shù)下巖樣外觀特征Fig.1 Granite superficial morphology under different injection-production parameters

3.2.1 擱置過(guò)程中不同溫度下巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：擱置初期，巖樣溫度越高，質(zhì)量、縱橫波波速、彈性模量降幅越大。

由于擱置初期是巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征發(fā)生改變的主要時(shí)刻，因此本文以擱置0～2 h為例，以100℃、600℃的試驗(yàn)結(jié)果作為研究對(duì)象展開(kāi)分析，彈性模量、泊松比、相鄰時(shí)間段參數(shù)變化率公式如（1）～（3）。

式中：E為彈性模量/GPa， μ為泊松比，VP為縱波波速/（m/s），VS為橫波波速/（m/s），P為相鄰時(shí)間段參數(shù)變化率，X為參數(shù)（依次為m為質(zhì)量/g，VP，VS，E， μ），i為上一時(shí)間段/h，i′為下一時(shí)間段/h。注：變化率正為降幅，變化率負(fù)為增幅。

圖2a為相鄰時(shí)間段巖樣質(zhì)量變化率。擱置0～2 h，100、600℃巖樣質(zhì)量降幅依次為0.066%、0.135%，提高溫度，質(zhì)量降幅增加，600℃巖樣質(zhì)量降幅約為100℃的2.05倍。圖2b,c為相鄰時(shí)間段巖樣縱、橫波波速變化率。擱置0～2 h，100℃、600℃縱波波速降幅依次為0.48%、3.46%，橫波波速降幅依次為0.52%、3.45%，提高溫度，縱、橫波波速降幅增加，600℃巖樣縱、橫波波速降幅依次為100℃的7.19和6.63倍。圖2d為相鄰時(shí)間段巖樣彈性模量變化率。彈性模量與縱、橫波波速的變化規(guī)律近似。擱置0～2 h，100℃、600℃彈性模量降幅依次為1.08%、6.94%，溫度越高，彈性模量降幅越多，600℃巖樣彈性模量降幅為100℃的6.43倍；圖2e為相鄰時(shí)間段巖樣泊松比變化率。能夠看出隨巖樣溫度和擱置時(shí)間變化，泊松比變化率呈無(wú)規(guī)則波動(dòng)，因此擱置時(shí)間、巖樣溫度對(duì)泊松比的影響有待進(jìn)一步研究。

圖2 相鄰時(shí)間段不同溫度下巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律Fig.2 The variationsof physico-mechanical and wave characteristics of rock samplesatdifferenttemperatures in adjacenttime periods

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果看出，擱置初期，不同溫度下巖樣質(zhì)量與力學(xué)、波動(dòng)特征變化規(guī)律呈一定關(guān)聯(lián)性。提高溫度，巖樣內(nèi)部裂縫增多，遇水后吸水量隨之增加（林睦曾，1991）。隨著擱置時(shí)間增長(zhǎng)，巖樣內(nèi)部的水產(chǎn)生逃逸。溫度越高，水逸出量越多，相同時(shí)間段巖樣質(zhì)量降幅越大。而聲波在巖石中的波速遠(yuǎn)低于水中的傳播速率，所以縱、橫波波速、彈性模量降幅增大。由此可見(jiàn)，巖樣內(nèi)部含水率的損失是導(dǎo)致其力學(xué)、波動(dòng)特征產(chǎn)生變化的重要因素之一。擱置后期，水大幅逸出，巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征的變化受試驗(yàn)條件影響較大，試驗(yàn)器材的精度、測(cè)量間隔的誤差、耦合劑涂抹的均勻程度、巖樣上、下面的粗糙度等均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。此外，在今后試驗(yàn)中應(yīng)縮短擱置初期（0～2 h）的時(shí)間間隔，能夠有效提高對(duì)熱恢復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.2.2 擱置過(guò)程中不同水溫下巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明：擱置初期，隨水溫升高，縱、橫波波速、彈性模量降幅先增大后減小。

圖3 相鄰時(shí)間段不同水溫下巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律Fig.3 The variations of physico-mechanical and wave characteristics of rock samples at different water temperatures in adjacent time periods

圖3 a為相鄰時(shí)間段巖樣質(zhì)量變化率。擱置0～2 h，1～80℃ 巖樣質(zhì)量降幅依次為 0.088%、0.086%、0.069%、0.066%、0.069%，1℃時(shí)質(zhì)量降幅約為80℃的1.28倍。圖3b，c為相鄰時(shí)間段巖樣縱、橫波波速變化率。擱置0～2 h，1～80℃，縱波波速分別降幅0.73%、1.04%、1.40%、1.19%、0.89%，橫波波速降幅0.93%、1.04%、1.50%、1.34%、0.90%，提高溫度，縱、橫波波速降幅均呈先增大后減小的趨勢(shì)。圖3d為相鄰時(shí)間段巖樣彈性模量變化率。擱置0～2 h，1～80℃彈性模量分別降幅1.82%、2.16%、3.02%、2.67%、1.89%，與縱、橫波波速的變化規(guī)律近似。圖3e為相鄰時(shí)間段巖樣泊松比變化率。能夠看出隨水溫和擱置時(shí)間變化，泊松比變化率呈上下波動(dòng)的趨勢(shì)，因此水溫對(duì)泊松比變化規(guī)律的影響有待進(jìn)一步討論。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果看出，擱置初期水溫是影響巖樣力學(xué)、波動(dòng)特征的主要因素。聲波在40～45℃的水中傳播速度最快（蘭朝鳳，2012）。擱置2 h巖樣溫度恢復(fù)至室溫，因此水溫40℃的巖樣所受影響最大，力學(xué)、波動(dòng)特征降幅最大。擱置4 h后，5組巖樣均接近室溫，力學(xué)及波動(dòng)特征的變化規(guī)律主要受巖樣內(nèi)部含水率和試驗(yàn)條件的影響。綜上所述，考慮擱置過(guò)程能夠提高對(duì)不同水溫條件下注采、熱恢復(fù)過(guò)程測(cè)量的精確度。

3.3 注采參數(shù)對(duì)巖樣波動(dòng)特征的影響

試驗(yàn)得到：提高巖樣溫度、增加高溫遇水循環(huán)次數(shù)，波速降幅增大；水溫升高，波速降幅減小。

圖4 不同注采參數(shù)下巖樣縱、橫波波速變化規(guī)律Fig.4 Changes of longitudinal and transverse wave velocity of rock samples under different injection-production parameters

參數(shù)相對(duì)值如公式（4）。

式中：Q為參數(shù)相對(duì)值，R為天然狀態(tài)下參數(shù)（依次為VP，VS，σ為峰值強(qiáng)度（/MPa），E， μ），Rn為高溫后參數(shù)。

波速一定程度上能夠體現(xiàn)熱采過(guò)程中壓裂層巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂縫擴(kuò)展特征。圖4（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣縱、橫波波速變化規(guī)律?？疾鞄r樣溫度對(duì)波速的影響可知，100～200℃，巖樣溫度的改變對(duì)波速影響較小；300～400℃，波速受巖樣溫度影響明顯，產(chǎn)生較大降幅，結(jié)果與朱振南等（2018）結(jié)論相似。400℃時(shí)降幅分別達(dá)到30.21%、40.02%；500～600℃，降幅趨勢(shì)減弱，經(jīng)歷600℃高溫，巖樣縱、橫波波速降幅依次達(dá)到天然狀態(tài)的53.44%、58.02%。由此可見(jiàn)，靶區(qū)巖層溫度越高，對(duì)波速降幅影響越大。這是因?yàn)閹r樣內(nèi)顆粒成分不同，注水冷卻后顆粒間產(chǎn)生差異性膨脹（即熱應(yīng)力），黏結(jié)力下降，促使拉應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)破碎，原本致密的巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，熱應(yīng)力作用下，裂縫延伸、貫通，形成裂縫區(qū)域，導(dǎo)致聲波傳遞受到影響，波速有較大降幅（方新宇等，2016；Zhang et al.，2016；朱振南等，2018；崔翰博等，2019）。溫度高于300℃，巖樣內(nèi)部結(jié)晶水爆裂轉(zhuǎn)化為自由水，產(chǎn)生大量裂縫，導(dǎo)致外界冷水注入，高溫巖體與冷水間產(chǎn)生復(fù)雜反應(yīng)，促使巖石發(fā)生熱破裂（朱振南等，2018），因此300～400℃間巖樣波速降幅明顯。

考察水溫對(duì)波速的影響發(fā)現(xiàn)，其與巖樣溫度不同時(shí)，波速間變化規(guī)律相反。水溫1℃，縱、橫波波速分別降低20.55%、18.65%；40～60℃時(shí)波速損失相差較?。?0℃時(shí)縱、橫波波速分別損失12.89%、10.33%。低溫注水，使水巖間溫差增大，提高了降溫速率，使巖樣所受熱沖擊作用增強(qiáng)，產(chǎn)生了更多裂縫，促使波速明顯降低。

考察高溫遇水循環(huán)次數(shù)對(duì)縱、橫波波速影響得到：循環(huán)1次，縱、橫波波速分別下降19.55%、16.44%；循環(huán)3次，縱、橫波波速出現(xiàn)明顯下降；循環(huán)至5次，縱、橫波波速損失分別達(dá)到33.61%、33.63%，隨循環(huán)次數(shù)增加，波速降幅增大。這是由于經(jīng)過(guò)多次遇水循環(huán)過(guò)程巖樣會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象（趙陽(yáng)升等，2004；康健，2008；郤保平等，2010），其結(jié)果必然使巖石內(nèi)顆粒間粘結(jié)力減弱，破壞了內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)。此外，熱巖循環(huán)遇水，巖樣遭受多次熱沖擊，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，也會(huì)促使波速降低。綜合以上因素可知，對(duì)波速變化規(guī)律影響由大到小的注采參數(shù)依次為靶區(qū)溫度、高溫遇水循環(huán)次數(shù)、注水溫度。

3.4 注采參數(shù)對(duì)巖樣力學(xué)特征的影響

熱采過(guò)程中HDR力學(xué)特征是逐漸改變的，進(jìn)而影響到采熱效率。選擇合適的注采參數(shù)能夠使巖石力學(xué)特征向有利于熱采的方向發(fā)展。

3.4.1 不同注采參數(shù)下巖樣受壓后破壞形態(tài)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：巖樣溫度300℃、500℃、水溫低于60℃、遇水循環(huán)至5次，巖樣破壞形態(tài)會(huì)發(fā)生改變。

圖5為不同注采參數(shù)下巖樣受壓后破壞形態(tài)。巖樣溫度：100～200℃，巖樣呈軸向拉剪破壞；300～400℃，為斜向剪切破裂；500～600℃，則近似呈橫向錐形破裂。水溫：1～60℃，巖樣破壞形態(tài)為斜向剪切破裂；80℃，呈軸向拉剪破裂。高溫遇水循環(huán)次數(shù)：循環(huán)1～4次，巖樣破壞形態(tài)為斜向剪切破裂；循環(huán)5次，趨近于橫向錐形破裂。通過(guò)巖樣受壓后的破壞形態(tài)，可為采熱過(guò)程中熱儲(chǔ)區(qū)變化規(guī)律的研究提供一定參考。

3.4.2 不同注采參數(shù)下巖樣單軸受壓下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)

圖6（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)。注采參數(shù)不同巖樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)均呈現(xiàn)4個(gè)過(guò)程，分別為（1）孔隙壓密；（2）彈性變形；（3）屈服-破壞；（4）卸荷（郤保平等，2010）。

圖5 不同注采參數(shù)下巖樣受壓后破壞形態(tài)Fig.5 Destruction morphology of rock samples under different injection and production parameters

圖6 不同注采參數(shù)下巖樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 Stress-strain curves of rock samples under different injection-production parameters

考察巖樣溫度對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)影響可知：提高溫度，巖樣孔隙率增大，縱向應(yīng)變?cè)黾樱瑥椥赃^(guò)程斜率降低；100～300℃對(duì)屈服—破壞過(guò)程影響較小，破壞時(shí)失穩(wěn)過(guò)程為突發(fā)失穩(wěn)；400～600℃，屈服—破壞過(guò)程延長(zhǎng)，卸荷過(guò)程斷面滑移增大，縱向應(yīng)變?cè)黾?。失穩(wěn)過(guò)程由400℃時(shí)的突發(fā)失穩(wěn)過(guò)渡為500℃時(shí)的準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)。

考察水溫對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)影響得到：水溫改變，應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)無(wú)明顯變化。

考察高溫遇水循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)影響得到：增加循環(huán)次數(shù)與提高巖樣溫度對(duì)巖樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)變化規(guī)律影響相似。循環(huán)次數(shù)增加，彈性過(guò)程斜率降低，經(jīng)歷5次循環(huán)后屈服—破壞過(guò)程巖樣的失穩(wěn)過(guò)程由突發(fā)失穩(wěn)過(guò)渡為準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)。

由此可見(jiàn)，巖樣溫度和高溫遇水循環(huán)次數(shù)改變會(huì)使巖樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)發(fā)生較大改變，水溫對(duì)其影響較小。

3.4.3 不同注采參數(shù)下巖樣峰值強(qiáng)度變化規(guī)律

試驗(yàn)表明：提高巖樣溫度、增加高溫遇水循環(huán)次數(shù)、低溫注水均會(huì)使巖樣峰值強(qiáng)度產(chǎn)生較大損失。

圖7（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣峰值強(qiáng)度變化規(guī)律?？疾鞄r樣溫度對(duì)巖樣峰值強(qiáng)度影響得到：100～200℃，溫度對(duì)峰值強(qiáng)度影響較??；提高溫度，峰值強(qiáng)度降低，300～400℃峰值強(qiáng)度產(chǎn)生明顯降低，降幅為36.60%；經(jīng)歷600℃高溫，與天然狀態(tài)相比，峰值強(qiáng)度損失達(dá)到66.56%，巖樣溫度升高，峰值強(qiáng)度損失隨之增大，所得結(jié)果與郤保平等（2010）得到的規(guī)律相似。

考察水溫對(duì)巖樣峰值強(qiáng)度影響得到：1～80℃時(shí)，巖樣峰值強(qiáng)度分別為127.57 MPa、129.86 MPa、133.66 MPa、 132.19 MPa、 135.15 MPa， 水 溫 升高，巖樣峰值強(qiáng)度隨之上升。低溫注水會(huì)加速巖層破碎產(chǎn)生新裂縫。

考察高溫遇水循環(huán)次數(shù)對(duì)巖樣峰值強(qiáng)度影響得到：循環(huán)次數(shù)增加，巖樣峰值強(qiáng)度降低，循環(huán)5次，強(qiáng)度損失達(dá)到天然狀態(tài)的34.22%。

由此可見(jiàn)，巖樣峰值強(qiáng)度與縱、橫波波速變化規(guī)律相似，為達(dá)到巖層破碎增透儲(chǔ)層的目的，可選取高溫儲(chǔ)層作為靶區(qū)鉆井，并選取低溫注水、多次冷水循環(huán)的方法。

3.4.4 不同注采參數(shù)下巖樣彈性模量變化規(guī)律

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：巖樣溫度300～400℃、循環(huán)至3次，彈性模量降幅最為明顯；注水溫度對(duì)彈性模量影響較小。

彈性模量決定了HDR對(duì)水力壓裂及循環(huán)過(guò)程中對(duì)彈性變形的抵抗能力。圖8（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣彈性模量變化規(guī)律。考察巖樣溫度變化對(duì)彈性模量影響得到：300～400℃，巖樣彈性模量明顯下降，降幅為64.04%；經(jīng)歷600℃高溫，彈性模量降幅為79.48%，由此可見(jiàn)，經(jīng)歷高溫后巖樣抵抗彈性變形的能力明顯降低。

考察水溫對(duì)巖樣彈性模量影響得到：水溫升高，巖樣彈性模量增大，0～40℃，彈性模量呈階梯形增長(zhǎng)，40～60℃水溫對(duì)彈性模量影響不大，60～80℃彈性模量又有所增加。1℃與80℃彈性模量相差為13.95%。因此采用低溫注水能夠使HDR變形增大，促進(jìn)儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育。

圖7 不同注采參數(shù)下巖樣峰值強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.7 Changes of compressive strength of rock samples under different injection-production parameters

考察高溫遇水循環(huán)次數(shù)對(duì)巖樣彈性模量影響得到：循環(huán)次數(shù)增加，彈性模量逐漸下降。循環(huán)次數(shù)2～3次，彈性模量降幅最大，為15%左右，經(jīng)歷5次高溫循環(huán)，彈性模量降幅達(dá)到56%。由此可知，高溫多次遇水循環(huán)后目標(biāo)熱儲(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生再次變形，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證采熱效率。

圖8 不同注采參數(shù)下巖樣彈性模量變化規(guī)律Fig.8 Changes of elastic modulus of rock samples under different injection-production parameters

3.4.5 不同注采參數(shù)下巖樣泊松比變化規(guī)律

泊松比為水力壓裂及循環(huán)過(guò)程中巖體橫、縱向應(yīng)變之比的絕對(duì)值。圖9（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣泊松比變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度100～200℃對(duì)巖樣泊松比的影響可以忽略，300℃時(shí)泊松比逐漸下降，600℃時(shí)泊松比降幅達(dá)到21.35%。因此經(jīng)歷高溫后巖體縱向應(yīng)變變化率明顯高于橫向應(yīng)變。水溫改變對(duì)巖樣泊松比影響較小。高溫遇水循環(huán)次數(shù)增加，巖樣泊松比逐漸上升，循環(huán)3次時(shí)泊松比上升趨勢(shì)明顯，循環(huán)5次，比天然狀態(tài)下巖樣泊松比高0.08%。由此可見(jiàn)，增加注水循環(huán)次數(shù)與提高巖樣溫度對(duì)泊松比變化規(guī)律的影響效果相反。

圖9 不同注采參數(shù)下巖樣泊松比變化規(guī)律Fig.9 Changes of Poisson’s ratio of rock samples under different injection-production parameters

3.5 不同注采參數(shù)下巖樣力學(xué)及波動(dòng)特征關(guān)系

通過(guò)所得結(jié)論能夠看出，熱采過(guò)程中不同注采參數(shù)下巖體力學(xué)及波動(dòng)特征間存在關(guān)聯(lián)性，利用波動(dòng)特征能夠很好的推斷熱采區(qū)巖體的力學(xué)特征。本文基于所得結(jié)論，對(duì)巖樣力學(xué)—波動(dòng)特征曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。圖10（a-c）為不同注采參數(shù)下巖樣縱、橫波波速—峰值強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)。

對(duì)巖樣縱、橫波波速—峰值強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，得到下列方程：

巖樣溫度：

圖10 不同注采參數(shù)下巖樣縱、橫波波速-峰值強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)Fig.10 Fitting curve of longitudinal and transverse wave velocity-compressive strength of rock samples under different injection-production parameters

根據(jù)式（5～10）看出，巖樣溫度不同，峰值強(qiáng)度和縱、橫波波速間存在較好關(guān)聯(lián)性，可決系數(shù)R2大于0.95；高溫遇水循環(huán)次數(shù)不同，關(guān)聯(lián)性次之，可決系數(shù)R2大于0.75；水溫不同，關(guān)聯(lián)性則較弱。這是因?yàn)槎喾N因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，既有巖體本身存在的差異，也有人為操作、試驗(yàn)設(shè)備引起的誤差，各因素使試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大離散性。而巖樣溫度、高溫遇水循環(huán)次數(shù)是影響熱采區(qū)巖體力學(xué)及波動(dòng)特征的主要因素，參數(shù)發(fā)生改變，巖體力學(xué)及波動(dòng)特征差值較大，變化規(guī)律較為顯著；注水溫度對(duì)采熱過(guò)程中巖體力學(xué)及波動(dòng)特征影響相對(duì)較弱，受客觀因素影響較大，但仍可體現(xiàn)出一定關(guān)聯(lián)性。因此通過(guò)波動(dòng)特征對(duì)熱采區(qū)HDR峰值強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估是一種可行的試驗(yàn)方法。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了不同注采參數(shù)下高溫遇水后巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征試驗(yàn)研究，所得結(jié)論如下。

注采參數(shù)不同，擱置時(shí)間增加，巖樣物理力學(xué)及波動(dòng)特征均產(chǎn)生一定的降幅。這主要與注水溫度、巖體內(nèi)部含水量、試驗(yàn)條件有關(guān)。擱置初期，注水溫度相同，隨擱置時(shí)間增加，巖樣溫度越高，水流損失越多，縱、橫波波速、彈性模量降幅增大；巖樣溫度相同，注水溫度升高，縱、橫波波速、彈性模量受水溫影響較大，擱置初期降幅呈先增大后減小的趨勢(shì)。擱置后期受試驗(yàn)條件影響較大，應(yīng)考慮其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差?；谝陨弦蛩?，考慮擱置時(shí)間的作用，提高了對(duì)EGS注采、熱恢復(fù)過(guò)程中力學(xué)及波動(dòng)特征預(yù)估的精確度。

提高巖樣溫度、增加高溫遇水循環(huán)次數(shù)，巖樣縱、橫波波速、峰值強(qiáng)度、彈性模量均逐漸下降。提升注水溫度對(duì)巖樣力學(xué)及波動(dòng)特征變化規(guī)律的影響與其相反。由此可見(jiàn)，對(duì)熱采區(qū)巖體物理力學(xué)及波動(dòng)特征影響由大到小的注采因素依次為靶區(qū)溫度、注水循環(huán)次數(shù)、注水溫度?；诖?，選取高溫儲(chǔ)層作為靶區(qū)鉆井，并采用低溫注水、多次冷水循環(huán)的方法，能夠達(dá)到巖層破碎增透儲(chǔ)層的目的。

影響力學(xué)及波動(dòng)特征關(guān)聯(lián)性的注采參數(shù)依次為靶區(qū)溫度、注水循環(huán)次數(shù)、注水溫度，可以利用波動(dòng)特征對(duì)熱采區(qū)巖體力學(xué)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，節(jié)約實(shí)際工程中消耗的成本。