秦 浩,汪道兵,鄭 臣,董永存,張 偉,孫東亮,宇 波

(1.北京石油化工學院 機械工程學院,北京 102617； 2.中國石油化工股份有限公司 濟南分公司,山東 濟南 250101)

0 引言

能源資源(煤炭、油氣等)作為促進社會經(jīng)濟高速發(fā)展的支柱,在工業(yè)生產(chǎn)等方面起重要作用,隨中國推進綠色低碳循環(huán)發(fā)展,化石能源受到碳減排的制約,發(fā)展清潔能源成為為經(jīng)濟健康可持續(xù)發(fā)展提供能源保障的必然之選[1-3]。干熱巖作為一種新興的清潔可再生地熱能源,在工業(yè)和住宅領域的應用潛力受到重視和關注[4-5]。干熱巖地熱資源儲存于埋深為3～10 km的花崗巖或致密變質(zhì)巖,溫度一般高于150 ℃,干熱巖熱能有效開發(fā)利用需要借助水力壓裂、人工造縫在地下形成人工換熱系統(tǒng)[6-7]。為保證人工造縫在高溫條件下的有效進行,必須分析巖石的物理力學性質(zhì)的熱效應,明確高溫作用下干熱巖的物理力學性質(zhì)是進行儲層改造工程設計的基礎。

人們研究高溫作用下的巖石物理性質(zhì)及熱力學特性，孔隙度與滲透率作為重要的巖石物性參數(shù),受高溫作用后引起的巖石內(nèi)部熱損傷導致巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進而影響巖石的滲透性。徐小麗等[8]研究花崗巖在溫度作用下微孔隙結(jié)構(gòu)特征,認為巖石孔隙率隨溫度升高而增大,孔隙率的閾值溫度在800 ℃左右,巖樣孔隙分布分形維數(shù)隨溫度升高而降低。李林林等[9]通過高溫處理后花崗巖滲透特性試驗得出,隨溫度升高,花崗巖內(nèi)部微裂紋逐漸發(fā)育,等效滲透系數(shù)表現(xiàn)為逐漸增加趨勢,且溫度越高,增大幅度越顯著。CHEN S等[10]采用經(jīng)典瞬態(tài)方法測試,結(jié)果表明溫度超過500 ℃后,熱致裂紋大量增加,巖石孔隙度及滲透率顯著增加。TIAN H等[11]測試巖石總孔隙度得出,在熱處理溫度分別為600、800、1 000 ℃的情況下,總孔隙度比室溫下分別提高2倍、3倍、8倍。隨熱處理溫度升高,巖石孔隙度及滲透率呈指數(shù)式增加,且存在明顯的變化溫度閾值。巖石孔滲特性的變化主要是由高溫使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞和微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)育引起的,這種現(xiàn)象導致巖石熱力學性質(zhì)的改變。ZHAO X G等[12]觀察花崗巖熱致微裂紋在不同溫度下的分布情況,分析微裂紋造成的巖石孔隙度的變化,解釋溫度升高、導熱系數(shù)降低的原因。陳振鳴等[13]建立考慮巖石孔隙率為影響因素的花崗巖溫度—導熱系數(shù)關系模型,預測不同溫度下的花崗巖導熱系數(shù)。巖石受高溫影響后,巖石的抗壓強度、斷裂韌性、彈性模量及泊松比等隨溫度升高總體呈下降趨勢[14-18]。ZHANG L Y等[19]發(fā)現(xiàn)大理巖的峰值強度、彈性模量在常溫升至400 ℃時出現(xiàn)波動,當溫度超過400 ℃后，峰值強度、彈性模量隨溫度升高而逐漸下降。DING Q L等[20]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),溫度超過400 ℃后,巖石內(nèi)部出現(xiàn)新裂紋,且原裂紋擴展幅度變大,使巖石彈性模量與峰值強度下降,從脆性向延性破壞轉(zhuǎn)變。張志鎮(zhèn)等[21]研究花崗巖力學特性的溫度效應發(fā)現(xiàn),隨溫度升高,彈性段的斜率降低,彈性模量隨溫度升高而降低,溫度超過某閾值后,巖石峰值強度明顯降低。

干熱巖儲層巖石巖性大部分為火山巖,少量儲層為火山巖和變質(zhì)巖的混合體,儲層溫度高,巖石更為堅硬,在物理力學性質(zhì)方面與常規(guī)油氣儲層巖石存在明顯差異[22-24]。對常規(guī)石油開采中的儲層巖石研究較多,對干熱巖在高溫條件下的物理力學特性研究較少。筆者對不同溫度條件下干熱巖孔滲、導熱系數(shù)等進行巖心測試分析；基于高溫條件下孔滲性質(zhì)等,借助聯(lián)合研制的伺服控制高溫高壓巖石三軸測試系統(tǒng),通過巖石力學單軸、三軸加載實驗,揭示干熱巖在高溫作用下的變形破壞特征、抗壓強度，以及斷裂韌性等力學特征的變化規(guī)律,為干熱巖人工換熱系統(tǒng)儲層改造工程設計提供參考。

1 方案設計

(1)首先測試試樣質(zhì)量、尺寸,分組編號,放入馬弗爐熱處理,以5 ℃/min加熱速率,分別加熱至25、50、100、150、200、250、300、350、400 ℃溫度,加熱至指定溫度后,恒溫2 h；然后自然冷卻至常溫狀態(tài)。將待測試樣放入孔滲聯(lián)測儀孔隙度測量杯中,在進氣壓力為0.7 MPa下測試孔隙度；將試樣放入滲透率測試杯,在圍壓為5.0 MPa、進氣壓力為0.7 MPa下測試滲透率。

(2)采用與實驗(1)相同熱處理方式,分別加熱至25、50、100、150、200、250、300、350、400 ℃溫度,恒溫2 h后,自然冷卻至常溫狀態(tài)；將試樣放入導熱系數(shù)儀,實驗溫度控制在30 ℃,同時,監(jiān)測熱平衡,當溫度波動小于0.1 ℃時,停止監(jiān)測,測試導熱系數(shù)。

(3)采用伺服控制高溫高壓巖石三軸測試系統(tǒng)(見圖1)，在單軸和三軸加載條件下,分別開展干熱巖巖石力學性質(zhì)在高溫條件下的變化規(guī)律實驗測試,包括斷裂韌性、應力—應變特征、抗壓強度、彈性模量及泊松比等。斷裂韌性實驗選用直切槽半圓盤試樣(見圖2(a)),熱處理后采用單軸加載,位移控制加載模式,加載速率為0.15 mm/min,同時,監(jiān)測聲發(fā)射數(shù)據(jù)。巖石力學三軸實驗前,采用馬弗爐對直徑為25 mm、長度為50 mm的花崗巖試樣熱處理(見圖2(b～c)),以5 ℃/min恒定升溫速率加熱至預定溫度,達到相應目標溫度后,保持恒溫2 h。三軸加載時，圍壓及孔隙壓力分別為40.0、5.0 MPa,軸壓加載采用應變控制模式,以0.04 mm/min加載直至試樣破裂。

(4)每個溫度點下選擇3塊試樣加熱處理,對熱處理后的試樣測試孔隙度、滲透率和導熱系數(shù),將3塊試樣測試結(jié)果取平均值作為該溫度點下的測試參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔隙度和滲透率

在高溫條件下,干熱巖內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)因高溫熱損傷作用而產(chǎn)生相應變化,直接影響干熱巖滲透性。不同熱處理溫度下,干熱巖孔隙度及滲透率在相應進氣壓力及圍壓條件下測試結(jié)果見表1。由表1可知,隨溫度升高,干熱巖孔隙度及滲透率總體上呈不斷增大趨勢。不同溫度作用下干熱巖孔隙度、滲透率曲線變化見圖3。由圖3可知,隨溫度從常溫逐漸升至400 ℃的過程中,干熱巖孔隙度增大0.86%,接近常溫狀態(tài)下的2.4倍。溫度在25～50 ℃區(qū)間內(nèi),孔隙度變化不明顯,當溫度升至一定程度后,孔隙度增幅將逐漸減小至孔隙度相對穩(wěn)定。與孔隙度隨溫度變化趨勢相同,在50 ℃溫度下的干熱巖滲透率與常溫狀態(tài)下滲透率相對接近,滲透率隨溫度升高而逐漸增大,溫度由100 ℃逐漸升至400 ℃的過程中,由常溫狀態(tài)下滲透率的1.21倍提升至2.41倍,增幅超過140%。干熱巖在低于50 ℃溫度條件下,溫度對孔隙度、滲透率影響較??；隨溫度升高,孔隙度及滲透率將不同程度增大。

表1 不同溫度作用下干熱巖孔隙度、滲透率變化Table 1 Variation of porosity and permeability of hot dry rocks at different temperatures

干熱巖的孔隙度和滲透率隨溫度的升高而不斷提高,說明不同溫度的熱損傷作用破壞干熱巖原有的微觀孔隙結(jié)構(gòu),使原有微裂紋繼續(xù)擴展或開啟新的微裂紋；溫度越高,破壞程度越大,干熱巖的孔隙度和滲透率逐漸增大。

2.2 導熱系數(shù)

不同溫度條件下干熱巖導熱系數(shù)變化規(guī)律見圖4。由圖4可知,隨溫度升高,導熱系數(shù)逐漸降低。熱處理溫度由常溫狀態(tài)逐漸升至400 ℃的過程中,導熱系數(shù)下降超過49%。不同溫度區(qū)間下,干熱巖導熱系數(shù)下降幅度見圖5。由圖5可知,溫度在300 ℃范圍內(nèi)時,導熱系數(shù)下降幅度約為12%,下降幅度較慢,當溫度超過300 ℃后,干熱巖導熱系數(shù)下降幅度不斷增大,下降幅度超過30%,說明存在一定的溫度范圍,使干熱巖導熱系數(shù)出現(xiàn)較大變化。溫度逐漸升高,干熱巖內(nèi)部的微觀孔隙增大,巖心內(nèi)部各種礦物間原有孔隙增大和新生微裂紋數(shù)量增多,熱量在巖心內(nèi)部礦物顆粒間傳遞距離增大、傳遞時間增多,因此干熱巖導熱系數(shù)隨溫度升高呈降低趨勢。

2.3 干熱巖變形與破壞特征及抗壓強度

不同溫度作用下干熱巖應力—應變關系見圖6。由圖6可知,在較低應力作用下,隨應力水平逐漸增加,干熱巖應力—應變曲線變?yōu)榈湫偷姆蔷€性特征,主要是由干熱巖內(nèi)部已存在的微小裂隙在應力加載下閉合過程造成的。隨溫度增加,軸向應力—軸向應變曲線在初始階段的斜率逐漸減小,干熱巖的裂縫閉合階段越明顯,說明溫度升高促進干熱巖內(nèi)微裂隙的產(chǎn)生,導致不可逆變形增大。常溫狀態(tài)(25 ℃)下(見圖6(a)),當應力達到峰值時,巖樣迅速破裂,呈脆性破壞特征。當溫度升高至100 ℃時,干熱巖塑性逐漸增強而強度降低(見圖6(b))。應力加載過程中,屈服破壞階段逐漸明顯(見圖6(c)),干熱巖達到屈服極限后,應力—應變曲線斜率(彈性模量)迅速減小,同時,隨微裂縫進一步擴展,微裂縫在干熱巖內(nèi)部不斷連接貫通,從而形成宏觀裂縫；宏觀裂縫逐漸擴展,最終達到抗壓強度而發(fā)生宏觀破壞。不同熱處理溫度下巖石力學實驗裂縫特征見圖7。由圖7可知,在三軸加載作用下,干熱巖呈剪切破壞模式,隨溫度升高,干熱巖裂縫破裂角度(破裂面與試樣垂向中軸線間夾角)逐漸減小。

不同溫度作用下干熱巖抗壓強度變化見圖8。由圖8可知,干熱巖抗壓強度變化主要分3個階段。第一階段,當溫度在300 ℃范圍內(nèi)時,干熱巖抗壓強度呈緩慢上升趨勢,但增大程度有限,較常溫狀態(tài)增大1%；第二階段,當溫度超過300 ℃后,抗壓強度呈“斷崖式”下降,400 ℃溫度時，干熱巖抗壓強度為443.1 MPa,降低10%,存在明顯的溫度閾值,使抗壓強度大幅減小；第三階段,當溫度繼續(xù)上升,抗壓強度繼續(xù)緩速減小。

隨溫度升高,在300～400 ℃溫度時,干熱巖抗壓強度和導熱系數(shù)降低幅度最大,說明高溫作用能夠?qū)Ω蔁釒r內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成劣化作用,從而降低抗壓強度和導熱性能。

2.4 彈性模量、泊松比

處于彈性階段時,巖石應力應變的正比例關系為巖石彈性模量,計算式為

(1)

式中:E為彈性模量,即應力—應變曲線的斜率；Δσz、Δεz分別為軸向應力、應變的增量。

巖石處于彈性階段時,橫向應變與縱向應變之比定義為泊松比,即

(2)

式中:μ為泊松比；εc為徑向應變；εa為軸向應變。

通過巖石力學實驗測試,得到干熱巖在每個溫度段的應力—應變關系。由于應力—應變曲線通常是非線性的,在實際應用中通常在0.5破壞強度時的最大軸向應力處取定彈性模量E。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),計算得到干熱巖在不同溫度作用下的彈性模量、泊松比見表2。

表2 不同溫度下干熱巖彈性模量、泊松比Table 2 Young's modulus and Poisson's ratio of hot dry rock at different temperatures

不同溫度作用下干熱巖彈性模量、泊松比變化見圖9。由圖9可知,溫度在100 ℃范圍內(nèi),干熱巖彈性模量較常溫狀態(tài)下基本未發(fā)生變化,當溫度升高至300 ℃時,彈性模量發(fā)生明顯下降,降幅約為常溫狀態(tài)下的3%。溫度繼續(xù)升至400 ℃時,干熱巖彈性模量由常溫狀態(tài)下的45.101 GPa降低為40.582 GPa,降低幅度超過10%,與抗壓強度的變化趨勢相一致,說明存在某一臨界溫度,使干熱巖內(nèi)部形成大量裂隙。干熱巖泊松比隨溫度變化與彈性模量基本相似,溫度由常溫升至300 ℃時,泊松比逐漸減小,由常溫狀態(tài)下的0.136 4減至0.110 2,基本呈線性下降；當溫度升至300 ℃以上時,泊松比繼續(xù)緩慢減小。

隨溫度升高,干熱巖的彈性模量及泊松比呈不同程度的下降,主要原因:一方面隨溫度升高,干熱巖石中的水分逐漸脫離,使內(nèi)部孔隙度及滲透率增大；另一方面,隨溫度升高,巖石內(nèi)部顆粒受熱形成不均勻膨脹,產(chǎn)生大量微裂隙。

2.5 斷裂韌性

不同溫度作用下干熱巖軸向應力、聲發(fā)射率及累計聲發(fā)射數(shù)變化見圖10。由圖10可知,溫度變化對干熱巖聲發(fā)射特性有較大影響。通常,未經(jīng)熱處理的干熱巖試樣在初始變形階段聲發(fā)射率及累計聲發(fā)射數(shù)處于極低水平,隨軸向應力水平增加,聲發(fā)射事件在臨近峰值強度時迅速增加。隨溫度逐漸升高,在加載前期產(chǎn)生較多的聲發(fā)射事件,由于巖石中的聲發(fā)射活動與微裂紋萌生、擴展,微裂紋穿過礦物顆粒和在礦物顆粒之間的萌生、擴展和合并有關,說明高溫作用產(chǎn)生的熱應力使干熱巖內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。

實驗中,將斷裂韌性KIC作為干熱巖抵抗裂紋擴展能力的表征,是干熱巖固有的性能指標,不受形狀、尺寸和受力狀態(tài)的影響。采用半圓盤試樣進行三點彎曲實驗,斷裂韌性計算采用平面應變狀態(tài)下量綱一的應力強度因子計算公式：

(3)

Y*=-1.297+9.516(s/(2R))-[0.47+16.457(s/(2R))]β+[1.071+34.401(s/(2R))]β2，

(4)

式(3-4)中:a為裂縫長度；Pmax為破壞載荷；s為試樣底部兩加載點間距離；R為試樣半徑；B為試樣厚度；Y*為量綱一的應力強度因子；β=a/R。

干熱巖斷裂韌性隨溫度的變化規(guī)律見圖11。由圖11可知,隨溫度升高,斷裂韌性逐漸降低。當溫度超過400 ℃時,斷裂韌性為常溫狀態(tài)下的44.0%。當溫度達到600 ℃時,斷裂韌性減小為常溫狀態(tài)下的22.4%。隨溫度繼續(xù)升高,斷裂韌性低于常溫狀態(tài)下20%。斷裂韌性實驗試樣見圖12。由圖12可知,溫度升高后,干熱巖在受同樣力的作用下沿新的方向起裂擴展,因為高溫作用導致巖樣周圍形成應力弱面,使裂紋擴展方向發(fā)生變化。

當熱處理溫度逐漸升高,干熱巖的孔隙度和滲透率不斷提高,導熱系數(shù)不斷降低,干熱巖的力學參數(shù)隨溫度升高,說明干熱巖的物性參數(shù)與力學參數(shù)隨溫度變化呈相反趨勢,但整體的變化具有一致性。

2.6 干熱巖微觀結(jié)構(gòu)檢測

對300～400 ℃溫度干熱巖孔滲特性、抗壓強度和彈性模量呈 “斷崖式”下降的現(xiàn)象,分別在300和400 ℃溫度時檢測干熱巖微觀結(jié)構(gòu)(見圖13)。由圖13可知,在300 ℃溫度時,干熱巖內(nèi)部礦物間的界限較明顯,其中石英(Qtz)和長石(Kfs)呈區(qū)塊分布,干熱巖內(nèi)部微裂紋和微孔隙較少,從而使孔隙度、滲透率、抗壓強度和彈性模量變小。當加熱溫度為400 ℃時,干熱巖內(nèi)部礦物間的界限增多,各種巖石礦物分布散亂,部分區(qū)域出現(xiàn)礦物交代穿孔現(xiàn)象,造成巖心內(nèi)部微裂紋數(shù)量增多,在宏觀上,表現(xiàn)為孔隙度、滲透率小及抗壓強度和彈性模量的“斷崖式”下降。

對每個溫度點干熱巖礦物組分質(zhì)量分數(shù)進行測試,測試結(jié)果見表3。干熱巖中石英質(zhì)量分數(shù)最高,并且隨溫度升高,干熱巖中石英質(zhì)量分數(shù)呈降低趨勢；在300～400 ℃溫度時,石英質(zhì)量分數(shù)從46.3%降到39.8%,降幅最大為16.3%。因此,在300～400 ℃溫度時,抗壓強度和彈性模量出現(xiàn)“斷崖式”下降。隨溫度升高,石英質(zhì)量分數(shù)下降,導致干熱巖在進行抗壓強度等破壞性實驗時,在較低應力狀態(tài)下達到應力極限,從宏觀上表現(xiàn)為彈性模量和抗壓強度降低。

表3 不同溫度作用時干熱巖礦物組分質(zhì)量分數(shù)Table 3 Mass fraction of mineral composition of hot dry rock at different temperatures

3 結(jié)論

(1)在低于50 ℃溫度條件下,溫度對干熱巖孔隙度、滲透率的影響較?。浑S溫度升高,干熱巖內(nèi)部微裂紋逐漸發(fā)育,孔隙度、滲透率逐漸增大,400 ℃溫度時干熱巖孔隙度增大0.86%,接近常溫狀態(tài)下的2.4倍,滲透率增大超過140%；隨溫度升高,干熱巖導熱系數(shù)降低,溫度超過300 ℃時,干熱巖導熱系數(shù)下降幅度超過49%,說明存在一定的溫度范圍使干熱巖導熱系數(shù)出現(xiàn)較大變化。

(2)隨溫度升高，干熱巖塑性逐漸增強而強度降低。在300 ℃溫度內(nèi),干熱巖抗壓強度呈緩慢提升趨勢,超過300 ℃溫度后,抗壓強度呈“斷崖式”下降；干熱巖彈性模量、泊松比隨溫度升高而逐漸降低；溫度超過300 ℃溫度時,彈性模量較常溫狀態(tài)下降10%,泊松比基本呈線性下降。

(3)高溫作用產(chǎn)生的熱應力使干熱巖內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,隨溫度逐漸升高,在加載前期產(chǎn)生較多的聲發(fā)射事件；同時,高溫作用下，干熱巖斷裂韌性逐漸降低,溫度超過600 ℃溫度時,斷裂韌性為常溫狀態(tài)下的22.4%。