摘要
随着社会经济的持续发展,人口数量的不断增长,人类对于能源的需求不断增加。同时随着人类的不断开采,传统化石能源例如煤炭、石油和天然气日趋枯竭,其所带来的环境污染(酸雨和温室效应等)日益严重。清洁高效的能源是未来能源发展的方向,其中深部地热能在成本、可靠性和环境友好性方面具有很大的优势。因此,深部地热能开发目前被认为是一种可再生的替代能源。美国洛斯阿拉莫斯国家试验室(Los Alamos National Laboratory)于20世纪70年代设计并实现了增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS),该系统通过建立人工循环系统将注入井与生产井连接起来,形成双重系统,旨在提取深部干热岩中储存的热量,热能通过循环流经热裂干热岩的水或其他合适的流体泵送到地表的发电厂进行发电。在地热能钻采过程中,可能向地热储层裂缝注入和循环注入冷水,使得地热储层岩石(高温岩石)温度迅速降低,从而改变储层岩石的物理力学性质,进而影响地热井井壁的稳定性和安全性。因此,研究水冷循环热处理花岗岩的物理力学性能具有重要意义。此外,在钻井过程中和钻井后,岩体往往处于卸荷围压状态,这也会将导致岩石的严重破坏。同时,卸载应力条件也可能导致现有断层的复活、裂缝网络的产生甚至地震事件。因此,了解高温和卸载应力条件对深部岩石的作用机理,对于地热钻采工程的成功实现至关重要。因此,本文主要进行了高温自然冷却后南安(NA)花岗岩热学、可钻性和加卸载力学试验以及高温循环遇水冷却后随州(SZ)花岗岩力学试验,利用SEM和偏光显微镜对高温处理后的花岗岩试样微观结构进行观测,揭示其物理力学性质变化机理。在此基础上建立了高温损伤统计本构模型,并通过试验数据对所建立的模型进行验证,希望能为深部干热岩(Hot dry rock,HDR)钻井井眼稳定性的精确模拟和工程设计提供理论依据。全文主体内容共分为六个章节,具体内容如下:第一章:本章首先简单介绍了地热资源含义,指出了地热资源尤其是干热岩型地热资源研究的能源与环境意义,引出了论文研究的目的和意义,并对国内外干热花岗岩钻采过程中井壁围岩物理力学现状进行了概括,分析了当前研究中存在的不足之处,最后给出了本文拟解决的关键科学问题、研究内容以及技术路线。第二章:通过对NA花岗岩进行实时高温下体积、质量和密度,高温自然冷却和遇水冷却后纵波波速测定,得出高温下和高温后NA花岗岩物理参数随温度变化的关系,并利用偏光显微镜揭示其随温度变化机理。通过对SZ花岗岩进行高温循环遇水冷却后体积、质量、密度和纵波波速测定,得出高温遇水冷却后SZ花岗岩物理参数随温度和循环次数变化的关系,并利用SEM揭示其随温度和遇水循环次数变化的微观机理。第三章:本章主要进行了高温作用后NA花岗岩热膨胀率、热导率、热扩散率和比热容的测定,分析高温和遇水冷却对花岗岩热学性质的影响,并借助偏光显微镜观察高温作用后NA花岗岩微观变化,以揭示高温作用后NA花岗岩热学性质变化的微观机理。第四章:本章通过对NA花岗岩进行高温自然冷却和遇水冷却后单轴压缩试验和微钻试验,对比分析高温和遇水冷却对NA花岗岩力学特性及可钻性的影响。同时对NA花岗岩进行高温自然冷却后三轴加载和卸载试验,研究高温和围压及应力路径对NA花岗岩力学特征的影响,并利用偏光显微镜揭示其随温度变化机理。通过对SZ花岗岩进行高温循环遇水冷却后单轴压缩试验,得出高温遇水冷却后SZ花岗岩力学特征随温度和循环次数变化的关系,并利用微观手段揭示其随温度和遇水循环次数变化机理。第五章:本章在Lemaitre应变等效性理论损伤模型研究的基础上,考虑温度对岩石的损伤作用,引入热损伤变量D_T,建立未考虑孔隙压密阶段服从正态分布的统计热损伤本构模型,并依据岩石屈服的概念,利用极值法确定模型所需参数。在此基础上,结合有效介质理论对模型进行改进,建立了加卸载条件下考虑孔隙压密阶段的高温后岩石统计损伤本构模型,进而以本文高温作用后NA花岗岩加卸载试验所得数据对模型进行验证。第六章:总结了论文研究中得出的主要结论和认识,给出了论文的主要创新之处,并指出了本文研究中存在的不足之处以及今后的研究方向。通过上述研究工作,主要得到以下结论和认识:(1)物理性质方面,高温后NA花岗岩体积和比热容皆随温度的升高而增大,600℃分别增大1.60%和15.46%;而纵波波速、质量、密度、热导率和热扩散系数随温度升高而降低,600℃分别降低73.9%、0.23%、1.80%、30.71%和34.93%。同一温度下,高温下花岗岩物理性质变化量大于高温后物理性质变化量,600℃高温下花岗岩质量、体积和密度变化量分别大于高温后0.09%、2.72%和2.65%。(2)高温自然冷却NA花岗岩力学性能随温度的升高而降低,花岗岩的脆性逐渐向塑性转变,600℃且围压分别为20、40和60 MPa时,加载条件下峰值强度分别下降55.4%、58.6%和49.5%,E值分别下降45.9%、39.7%和33.5%。与常规三轴试验结果相比,卸荷条件下的力学性能有所降低,卸荷降低了花岗岩的承载力,600℃围压为20、40和60 MPa时,卸载条件下峰值强度分别下降53.9%、59.1%和49.8%,E值分别为40.2%、44.9%和25.4%。(3)高温自然冷却后NA花岗岩试样的薄片显示,高温后花岗岩试样的微裂纹密度和平均宽度均随温度的升高而增大,在600℃时微裂纹密度和平均宽度分别为1.97 mm/mm~2和25.16μm,且形成了微裂纹网络。花岗岩高温后物理力学性能的逐渐劣化,主要是由于热微裂纹的演化和各种矿物显微结构的变化引起的。卸荷作用下不同高温后NA花岗岩力学性质劣化的主要原因在于侧向卸荷相当于在岩石侧面产生一个拉应力。400℃可作为花岗岩显著劣化的起始温度,高温和卸荷均对岩石力学性能有劣化的影响,且400℃以上的温度对花岗岩强度和变形性能的影响大于卸载作用。(4)遇水冷却后花岗岩钻孔速率、塑性系数、试样质量损失及磨件质量损失平均值随温度升高呈指数增长,500℃分别增大89.71%、81.65%、185.58%和57.95%;载荷-压痕深度曲线随温度的变化由脆性向韧性转变。在600℃条件下,在微钻试验和摩擦磨损试验中,花岗岩井壁发生坍塌。花岗岩样品在不同加热和水冷条件下的可钻性随温度的升高而增大。花岗岩可钻性的提高有利于改善EGS钻井施工,同时也会引起HDR地层深井钻井过程中井筒的不稳定性。(5)高温循环遇水却后SZ花岗岩体积随循环次数的增加而增大,而质量、密度、纵波波速、单轴抗压强度和弹性模量随循环次数的增加而减小。经历第1次遇水冷却循环后,花岗岩物理力学性质迅速变化,500℃单轴抗压强度和弹性模量分别降低33.37%和38.82%;当循环次数大于5时,高温遇水循环冷却后花岗岩的物理性力学质变化不明显,之后变化量逐渐趋于平缓,500℃经10、20和30遇水循环后,平均UCS分别下降68.47%、77.64%和78.91%,平均E分别下降76.98%、88.17%和88.42%。通过高温后偏光显微镜图片分析发现高温后花岗岩微裂纹密度和宽度随温度的升高而降低,500℃经1、5、10、20、30遇水循环后,微裂纹密度分别为常温下的4.90、5.34、6.07、7.33和9.03倍,这与高温后花岗岩物理性质随温度变化的趋势一致。高温后花岗岩物理性质的变化主要与岩石矿物的变化和微裂纹的扩展有关。(6)单轴压缩条件下,NA花岗岩破坏形态由轴向劈裂向剪切破坏转变,600℃时高温作用后NA花岗岩呈现剪切破坏。常规三轴作用下,高温作用后NA花岗岩整体上呈现剪切破坏,围压对岩石破坏形态影响较小,但整体上使得破坏后的岩石更加破碎。卸荷作用下不同高温后NA花岗岩主要表现为双剪破坏,这是由于侧向卸荷相当于在岩石侧面产生一个拉应力。遇水冷却和循环作用皆对花岗岩的破坏模式都有很大的影响,在未热损伤的情况下,SZ花岗岩呈现轴向劈裂破坏模式,随温度和循环次数的升高,从轴向劈裂向剪切破坏过渡,且破坏后试样的完整度逐渐降低。(7)将高温后岩石的变形分为孔隙和骨架两部分,建立了考虑孔隙压密阶段的统计热损伤本构模型。模型可以很好的描述了加卸载条件下高温后NA花岗岩的完整应力-应变曲线,理论曲线与实验数据吻合度较高。考虑孔隙压实阶段特征的损伤-变形模型的理论结果与NA花岗岩在不同温度下的常规压缩试验结果吻合较好。通过理论可以推导出岩石高温后孔隙部分力学参数以及岩石的正态分布参数,便于工程应用,且正态统计分布与力学参数及岩性无关,对不同岩石具有普适性。