溫度循環(huán)及滲透壓對(duì)單裂隙花崗巖裂隙開度影響的實(shí)驗(yàn)研究

徐軼塵，胡耀青，朱小舟，宋家琪，靳佩樺

(1.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2.上海寶冶集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200941)

0 引 言

干熱巖地?zé)崮芤蚱鋬?chǔ)量大、安全穩(wěn)定和清潔等優(yōu)點(diǎn)被世界各國認(rèn)為是未來重點(diǎn)開發(fā)能源之一[1]，干熱巖地?zé)崮荛_采過程中，由于長期注入冷水，人工熱儲(chǔ)層及其周圍巖體的溫度會(huì)發(fā)生變化，引起儲(chǔ)層裂隙開度的變化，尤其在注入井附近，該效應(yīng)更為明顯[2-3]。儲(chǔ)層的溫度變化導(dǎo)致花崗巖的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響熱交換效率[4]。此外，由于注入冷水而引起儲(chǔ)層的二次破裂也可提高熱能提取效率。熱儲(chǔ)層的破裂及裂隙的演化直接影響熱能的提取效率，因此本文重點(diǎn)研究單一裂隙花崗巖受溫度及水力循環(huán)作用過程中，花崗巖裂隙的演化規(guī)律，目的在于通過人為的控制方法，控制裂隙的演化，增加裂隙的滲透性及熱交換面積，進(jìn)而提高熱能的提取效率。

賈春蘭等[5]通過25～90 ℃下巖體裂隙的滲透性實(shí)驗(yàn)指出，初始時(shí)刻裂隙開度有一個(gè)增大過程，但最終趨于穩(wěn)定；郤保平等[6]發(fā)現(xiàn)500 ℃內(nèi)花崗巖滲透率隨著經(jīng)歷溫度呈增大趨勢(shì)，但其增大幅度較小；盛金昌等[7]開展了25～90 ℃和0.40 MPa滲透壓條件下的裂隙巖體滲流實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖體裂隙開度隨時(shí)間的變化而減小；王志良等[8]用數(shù)值模擬得出了巖體單裂隙面在壓力下的滲流特征；LUO等[9]測(cè)試不同圍壓和溫度下的單裂隙花崗巖的滲透性，結(jié)果表明花崗巖的溫度升高裂隙開度呈減小趨勢(shì)。SHU等[10]發(fā)現(xiàn)25～200 ℃下，升溫及降溫過程中花崗巖的裂隙開度逐漸降低。POLAK等[11]測(cè)試20～150 ℃下石英巖裂隙的滲透性，結(jié)果表明，圍壓恒定時(shí)隨溫度升高石英巖裂隙開度呈下降趨勢(shì)，且在升溫階段裂隙開度變化較大。

綜上所述，前人關(guān)于溫度循環(huán)變化對(duì)裂隙滲流過程裂隙開度變化的研究較少，因此本文對(duì)100～300 ℃的花崗巖進(jìn)行溫度循環(huán)滲流實(shí)驗(yàn)，并對(duì)花崗巖裂隙的演變規(guī)律進(jìn)行分析，為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 巖樣制備

本試驗(yàn)所用的花崗巖試樣來自山東日照，該地區(qū)屬于山東沂沭斷裂帶干熱巖資源勘查的預(yù)測(cè)靶區(qū)[12]。該花崗巖主要成分為：斜長石(30%)、鉀長石(40%～45%)、石英(20%～25%)，黑云母(3%～5%)及少量角閃石。常溫下該花崗巖的部分物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 花崗巖物理參數(shù)Table 1 Physical and parameters of granite

按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將取自山東日照的大塊花崗巖巖樣加工為直徑50 mm，高度100 mm，兩端面不平行度小于0.02 mm的圓柱形試樣，見圖1(a)。利用2 000 kN伺服壓力機(jī)及劈裂裝置將圓柱形試樣沿中心矩形界面劈為兩部分，見圖1(b)。花崗巖試樣的裂隙面粗糙不平，其凹凸程度也不同，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，本實(shí)驗(yàn)取三塊試件數(shù)據(jù)的平均值分析[13]。

圖1 試驗(yàn)所用花崗巖試樣Fig.1 Granite samples used in the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用儀器為太原理工大學(xué)自主研發(fā)的多功能高溫三軸伺服控制試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。該試驗(yàn)機(jī)最高軸向力為1 000 kN，最大側(cè)向壓力為2 000 kN。該試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)最高溫度為650 ℃的高溫巖石滲流試驗(yàn)，由液壓加載系統(tǒng)、高溫三軸壓力室、溫控加熱系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、滲流測(cè)試系統(tǒng)及水溫測(cè)試系統(tǒng)組成。

圖2 多功能高溫三軸伺服控制試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Multifunctional high temperature triaxialservo control testing machine

本試驗(yàn)溫控精度為±1 ℃，滲流液體由出口的燒杯收集，并采用精度為0.01 g的電子天平進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重。本實(shí)驗(yàn)采用的恒壓泵流量范圍為0.1～30.0 mL/min，工作壓力范圍0～20 MPa。記錄出口、入口處的壓力及流量，通過計(jì)算可得裂隙開度，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：L為試件長度，m；q為流量，m3/s；D為試件直徑，m；ΔP為滲透壓差，滲透壓力與背壓的差值，Pa；μ為水的動(dòng)力黏度系數(shù)，Pa·s，其值與溫度有關(guān)。查閱文獻(xiàn)[14]后，本試驗(yàn)所用流體的動(dòng)力黏度系數(shù)見表2。

表2 水的動(dòng)力黏度與溫度的關(guān)系Table 2 Relationship between the dynamic viscosity ofwater and temperature

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 用錫箔紙纏繞劈裂的單裂隙試件，并將其固定在高溫三軸壓力容器底座上，按照試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程，將純耐高溫石墨盤根裝入高溫三軸壓力室內(nèi)，石墨盤根起密封及傳遞側(cè)向壓力的作用，并連接滲流測(cè)試系統(tǒng)。

2) 對(duì)試件加載軸壓及圍壓至15 MPa，待壓力穩(wěn)定后保壓2 h，檢查試驗(yàn)系統(tǒng)的密封性。

3) 將試件升溫至設(shè)定值后保溫2 h。然后在底座的入水口以恒定的壓力注水，同時(shí)在壓力室出口收集流出水，采用電子天平實(shí)時(shí)稱重校核，待流量穩(wěn)定后再記錄流量數(shù)據(jù)。

4) 在預(yù)定溫度下逐級(jí)增加注水壓(1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa)，并記錄流量數(shù)據(jù)，再將試件降至常溫，保溫4 h后再加熱試件至預(yù)定值，此為一次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。本試驗(yàn)共設(shè)置100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃五個(gè)溫度梯度，各溫度下分別進(jìn)行10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

1.4 測(cè)量結(jié)果

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)后，將測(cè)量數(shù)據(jù)用式(1)計(jì)算，其結(jié)果見表3。

表3 各級(jí)溫度下的平均裂隙開度Table 3 Average fracture aperture at different temperatures

續(xù)表3

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滲透壓對(duì)裂隙開度的影響

圖3是100～300 ℃時(shí)10次溫度循環(huán)作用過程中，花崗巖裂隙開度與滲透壓力的關(guān)系曲線圖。由圖3可知，不同溫度下裂隙開度隨滲透壓增大而增大的幅度不同。

圖3 花崗巖裂隙開度與滲透壓關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between granite fracture opening and osmotic pressure

在100 ℃時(shí)，滲透壓從1 MPa增加到3 MPa時(shí)，閉合的裂隙張開，裂隙開度增大；當(dāng)滲透壓高于3 MPa時(shí)，裂隙開度增大的趨勢(shì)放緩，這可能是當(dāng)滲透壓高于3 MPa時(shí)，一方面裂隙在張開，另一方面由于高滲透壓使得裂隙面上一些細(xì)小的黏結(jié)力差的顆粒剝離，這些顆粒的一部分會(huì)充填滲透通道，另一部分隨水流出，顆粒充填導(dǎo)致流量變小，所以計(jì)算所得裂隙開度相對(duì)減小。

因計(jì)算裂隙開度采用式(1)，在式(1)中，變化的參數(shù)只有流量與滲透壓，在滲透壓一定時(shí)，流量決定了裂隙開度的大小，而流量不僅與裂隙開度有關(guān)，同時(shí)還與裂隙的充填物有關(guān)，而式(1)中并未反映充填物的影響，這也可能是造成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要原因之一。

150～250 ℃時(shí)，裂隙開度隨滲透壓的變化趨勢(shì)與100 ℃時(shí)基本相同，但裂隙開度變化幅度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是滲透壓為4 MPa，即低于4 MPa時(shí)裂隙開度增大幅度比較大，高于4 MPa時(shí)，裂隙開度增大幅度比較小，其原因一方面與100 ℃時(shí)相同，另一方面由于溫度增高，相應(yīng)的花崗巖熱膨脹應(yīng)力增加，導(dǎo)致裂隙開度有所下降。

300 ℃時(shí)，裂隙開度的變化規(guī)律整體趨勢(shì)與100～250 ℃時(shí)相同，但最本質(zhì)的區(qū)別是裂隙開度增加的幅度變小，突變點(diǎn)變?yōu)? MPa，且5 MPa之前裂隙開度增加的幅度低于5 MPa之后裂隙開度增加的幅度，由圖5(c)可以明顯看出這一點(diǎn)，正好與100～250 ℃的相反，此原因可以歸結(jié)為溫度的影響，300 ℃時(shí)，由于花崗巖的溫度較高，在注水過程中，裂隙面急劇冷卻產(chǎn)生熱破裂，即裂隙表面產(chǎn)生微裂紋或表面顆粒剝離，充填了裂隙，同時(shí)熱膨脹力使得裂隙有一定程度的閉合，導(dǎo)致裂隙開度增加的幅度在同樣條件下(同樣循環(huán)次數(shù)與滲透壓)小于前兩個(gè)溫度點(diǎn)。 另一方面，當(dāng)滲透壓增加到一定程度時(shí)(5 MPa)，剝離的顆粒在高滲透壓力作用下沿裂隙流出，造成滲透能力增加，流量增加，最終表現(xiàn)為有效裂隙開度(總裂隙開度減去充填物的厚度)的增加，而在300 ℃之前，由于其剝離的顆粒相對(duì)少，顆粒與裂隙面的摩擦力大，滲透水壓力不足以沖走顆粒或很少顆粒被沖走，使裂隙開度增加變緩。

2.2 溫度對(duì)裂隙開度的影響

由于實(shí)驗(yàn)中溫度循環(huán)次數(shù)較多，因此圖4給出了循環(huán)次數(shù)為1次、4次、7次和10次花崗巖裂隙開度與溫度關(guān)系曲線圖。從圖4可以看出，無論溫度循環(huán)次數(shù)為多少，裂隙開度都隨溫度的升高而降低，但其降低的趨勢(shì)略有不同，由于裂隙開度不僅受溫度的影響，同時(shí)還受到滲透壓力、溫度循環(huán)次數(shù)以及應(yīng)力狀態(tài)等的影響，是眾多因素綜合作用的結(jié)果。溫度對(duì)裂隙開度的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一方面是熱膨脹力，使得裂隙開度減小，另一方面是高溫?zé)崞屏旬a(chǎn)生的剝離顆粒充填了裂隙，導(dǎo)致有效裂隙開度降低。

圖4 花崗巖裂隙開度與溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between granite fracture opening and temperature

2.3 循環(huán)次數(shù)對(duì)裂隙開度的影響

圖5繪制了10次溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，裂隙開度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖5可知，在100 ℃、滲透壓1 MPa時(shí)，10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，裂隙開度基本保持不變，而在滲透壓2～6 MPa時(shí)，前9次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后裂隙開度明顯變小，但當(dāng)循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，裂隙開度有微小的反彈趨勢(shì)。其原因?yàn)?00 ℃時(shí)，溫度相對(duì)低，熱破裂作用相對(duì)較小，裂隙的張開度主要受滲透壓和熱膨脹力的作用，而滲透壓為1 MPa時(shí)，引起的裂隙開度變化相對(duì)比較小，經(jīng)溫度循環(huán)后，不足以導(dǎo)致裂隙的變化，所以其裂隙開度基本保持不變。但當(dāng)滲透壓大于等于2 MPa時(shí)，滲透壓使得裂隙張開程度變大，溫度循環(huán)使得熱膨脹力循環(huán)變化，導(dǎo)致裂隙張開、閉合循環(huán)作用，這種循環(huán)作用可使非嚙合的裂隙變?yōu)閲Ш狭严叮植诹严掇D(zhuǎn)化為光滑裂隙或充填裂隙，最終導(dǎo)致有效裂隙開度降低，當(dāng)循環(huán)次數(shù)再增加時(shí)，充填會(huì)繼續(xù)增加，同時(shí)充填物在滲透水壓力的作用下會(huì)被沖刷帶走，嚙合裂隙又轉(zhuǎn)化為非嚙合裂隙，導(dǎo)致有效裂隙開度又增大。

150～250 ℃時(shí)裂隙開度的變化比較相似，由圖5可知，三個(gè)溫度下首次循環(huán)與二次循環(huán)裂隙開度下降的幅度比較大。后面的循環(huán)中，在150 ℃下，1～6 MPa循環(huán)次數(shù)增加，裂隙開度一直呈降低趨勢(shì)。在200 ℃下，滲透壓低于5 MPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)增加，裂隙開度也增大，滲透壓力高于5 MPa時(shí)，裂隙開度一直呈降低趨勢(shì)；而在250℃下，該現(xiàn)象的分界滲透壓為3 MPa。但在循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，150～250 ℃下裂隙開度都有反彈增大的趨勢(shì)。在300 ℃下，滲透壓為1 MPa時(shí)，10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后裂隙開度基本不變。滲透壓為2～6 MPa時(shí)，裂隙開度在前幾次循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中呈下降趨勢(shì)，之后又緩慢增大，裂隙開度整體上有增大的趨勢(shì)，其原因與100 ℃時(shí)的說明相同。

圖5 花崗巖裂隙開度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between granite fracture opening and cycle times

本實(shí)驗(yàn)的溫度-水力循環(huán)只有10次，但從整體推演，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，裂隙開度最終有增加的趨勢(shì)，溫度越高，增加的趨勢(shì)越明顯。如本實(shí)驗(yàn)300 ℃時(shí)，5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的裂隙開度逐漸增大。裂隙開度隨著溫度循環(huán)次數(shù)的變化是一個(gè)起伏波動(dòng)的趨勢(shì)，溫度越高，起伏波動(dòng)越復(fù)雜，其主要原因除了以上的解釋外，還有隨溫度的升高，裂隙內(nèi)既有水的滲透，又有水蒸氣的滲透，可以說是氣液二相流體，而氣液二相流的滲透本身就比較復(fù)雜，滲透不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也可以說明這一點(diǎn)，盡管在出水管端設(shè)置了冷卻降溫系統(tǒng)，保證出水口為液態(tài)水，但其出水量并不穩(wěn)定均勻，時(shí)大時(shí)小，滲透壓增大時(shí)，該現(xiàn)象更加明顯。

3 討 論

3.1 溫度引起的裂隙損傷對(duì)裂隙開度的影響

花崗巖在300 ℃時(shí)發(fā)生熱破裂[15]，而當(dāng)花崗巖低于300 ℃時(shí)，受熱使其裂隙面間產(chǎn)生熱應(yīng)力，與花崗巖外部高壓同時(shí)作用下，導(dǎo)致裂隙面之間相互擠壓，當(dāng)壓力超過裂隙面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，裂隙面就會(huì)破壞，導(dǎo)致裂隙開度減小。

當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，一方面高溫使花崗巖受熱膨脹，其物理力學(xué)特性發(fā)生變化[16-17]，特別是膨脹變形使裂隙產(chǎn)生閉合。另一方面花崗巖產(chǎn)生熱破裂，裂隙面內(nèi)部也產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋連通網(wǎng)絡(luò)時(shí)，裂隙整體滲透率會(huì)產(chǎn)生明顯的變化[18]，即滲透通道張開，裂隙開度增大。與此同時(shí)，裂隙表面也會(huì)產(chǎn)生損傷，造成顆粒的剝離，當(dāng)顆粒積累到一定程度時(shí)，充填了裂隙滲透通道，有效的裂隙開度將降低。從裂隙的滲透能力來講，這是兩個(gè)互為相反的作用，本實(shí)驗(yàn)可以說明，如沒有其他作用影響(如水力沖刷)，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致有效裂隙開度的降低，即熱膨脹變形與熱破裂顆粒充填降低滲透能力的程度大于熱破裂形成裂隙網(wǎng)絡(luò)增加滲透能力的程度。

3.2 滲透壓力對(duì)裂隙開度的作用

前人的研究表明滲透壓力的增大導(dǎo)致裂隙開度變大，本文也得出相同的結(jié)論，但本文涉及到了溫度及溫度的循環(huán)作用，即在不同的溫度下，滲透壓力導(dǎo)致裂隙開度變化的程度是不同的，如在同一滲透壓作用下，溫度越高，裂隙開度增大的數(shù)值越小，圖3和圖4可以充分說明這一點(diǎn)。而溫度的循環(huán)作用，無論循環(huán)溫度為多少，在同一滲透壓下，起初的數(shù)次溫度循環(huán)中，裂隙開度是降低的，但循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，裂隙開度有增大的趨勢(shì)，且溫度越高增大的趨勢(shì)越明顯，其原因在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析部分中已說明，但循環(huán)次數(shù)為多少時(shí)裂隙開度開始增大，本次實(shí)驗(yàn)還不能定量分析。由于本次實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行了10次溫度循環(huán)，在100 ℃時(shí)，第10次循環(huán)裂隙開度開始增大，150～250 ℃時(shí)，第9次循環(huán)裂隙開度開始增大，300 ℃時(shí)，第6次循環(huán)裂隙開度開始增大，由此可見溫度越高，裂隙開度則越快開始增大。

3.3 溫度循環(huán)引起的裂隙損傷對(duì)裂隙開度的影響

溫度的高低循環(huán)無疑會(huì)引起圍巖及裂隙的膨脹與收縮，導(dǎo)致裂隙面產(chǎn)生疲勞損傷[18]，溫度越高這種作用越明顯，疲勞損傷與熱破裂增加了裂隙的厚度，但裂隙的滲透性并不一定會(huì)增加，如當(dāng)細(xì)小的熱破裂顆粒充填了滲透通道時(shí)，滲透能力會(huì)降低，最終表現(xiàn)為有效裂隙開度的降低，但當(dāng)這些細(xì)小的顆粒被壓力水沖走時(shí)，表現(xiàn)為滲透性的增加及有效裂隙開度的增加。溫度循環(huán)次數(shù)的多少?zèng)Q定力損傷及破裂的程度，循環(huán)次數(shù)越多，這種損傷破裂程度越高，細(xì)小顆粒被水沖走的可能性越大，最終表現(xiàn)為有效裂隙開度的增加。

4 結(jié) 論

本文是在一定圍巖應(yīng)力作用下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，即垂向與側(cè)向都為15 MPa時(shí)的實(shí)驗(yàn)，近似模擬600 m深的靜水壓力狀態(tài)，模擬的地層溫度為100～300 ℃，在這種狀態(tài)下研究溫度循環(huán)及注水壓力對(duì)裂隙開度的影響，目的是揭示溫度狀態(tài)、溫度循環(huán)及滲透壓力對(duì)裂隙開度的影響，可以通過人為控制的方法，增加裂隙的滲透能力，進(jìn)而提升熱開采效率。實(shí)質(zhì)上，地層應(yīng)力的大小及方向?qū)α严堕_度的影響是很大的，本文未進(jìn)行研究，今后將深入開展這方面的研究，通過本文固定應(yīng)力狀態(tài)下相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)歸納結(jié)論如下所述。

1) 無論溫度為多高，裂隙開度隨滲透壓的增加也逐漸增大，溫度不同，裂隙開度隨滲透壓增加而增大的幅度不同，并存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。100 ℃滲透壓高于3 MPa時(shí)，裂隙開度增加的幅度變小。150～250 ℃滲透壓高于4 MPa時(shí)，裂隙開度增加的幅度變小。而300 ℃滲透壓高于5 MPa時(shí)，裂隙開度增加的幅度變大。

2) 滲透壓為1～6 MPa時(shí)，裂隙開度都隨溫度的升高而降低，但降低的幅度略有不同。

3) 在100～300 ℃時(shí)，同一滲透壓下，起初的數(shù)次溫度循環(huán)中，裂隙開度呈減小趨勢(shì)。當(dāng)循環(huán)次數(shù)時(shí)，裂隙開度也增大，且溫度越高增大趨勢(shì)越明顯。100 ℃第10次循環(huán)時(shí)，裂隙開度開始增大，150～250 ℃第9次循環(huán)時(shí)，裂隙開度開始增大，300 ℃裂隙開度則在第6次循環(huán)開始增大。