摘要
温度梯度引发的岩石热破裂在地热开采的井筒建造、储层改造、长期地热提取等各个过程中广泛存在。干热岩钻井过程中由于循环泥浆的使用,井筒围岩急剧冷却,力学性能劣化,造成井壁坍塌、失稳;人工热储建造过程中,高温花岗岩体经低温介质的急剧冷却作用产生热冲击破裂,岩体的物理力学性能发生改变;长期地热提取过程中,储层岩体裂隙(循环通道)表面受低温水的冷却作用会有新的微裂纹产生,增大储层的渗流和换热能力,提高采热能力。急剧冷却作用下岩石开裂的基本机理是温度梯度引发的热应力。因此,研究急剧冷却作用下花岗岩力学特性和传热规律对地热资源的开发有重要意义。为研究中温度梯度诱发的热破裂对花岗岩物理力学性能的影响,对100℃、200℃、300℃高温花岗岩在0℃、20℃、60℃水中急剧冷却后的物理力学特性进行试验研究,得到急剧冷却作用下高温花岗岩力学特性劣化规律。其次,通过对急剧冷却过程中试样内部温度场、冷却速率、温度梯度的演化规律进行了试验研究,从传热学角度解释急剧冷却作用下花岗岩力学特性劣化的根本原因。基于试验结果,通过软件COMSOL Multiphysics 5.4对不同加热-冷却作用下的花岗岩传热规律进行数值模拟,研究急剧冷却作用下温度梯度诱发高温花岗岩热破裂的机理。得到如下结论:(1)通过对不同加热-冷却作用下的花岗岩进行物理性质测试试验、单轴压缩试验、巴西劈裂试验和渗透率测试试验,得到了不同加热-冷却作用后的物理力学及渗透特性变化规律。随着加热温度的升高和冷却介质温度的降低,纵波速度、单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度持续降低,渗透性升高。高温花岗岩在0℃、20℃、60℃水中急剧冷却后力学强度依次为:0℃水中急剧冷却强度<20℃水中急剧冷却强度