循環高溫冷卻作用后花崗巖滲透率演變試驗

張凱， 段志波， 張帆， 柯寅松

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 武漢 430068)

干熱巖因其清潔、高效、可持續性等特點具有遠大發展前景。干熱巖遠景資源量折合標準煤856萬億噸[1]，它通常是位于地下3 km以下的高溫巖層，利用熱儲層進行熱量交換開采地熱能。干熱巖開發通常以水為熱交換介質，冷水注入井筒，隨著井筒方向向下，流體介質穿過不同溫度梯度的巖層進行熱能交換，在運作中面臨溫度循環的過程，長期的冷熱交替會導致巖石的內部結構開裂，干熱巖的裂縫間距和裂縫滲透率對其技術經濟性能和發電性能有顯著影響，較低的裂縫間距和較高的裂縫滲透率有利于系統性能[2]，因而關乎其生命周期，已有損傷模型對干熱巖運作周期內的滲透率量級改變做出評估[3]。為了最大程度提高干熱巖的利用率，保障干熱巖穩定提取，針對循環高溫損傷影響帶來的問題，需要對巖石內部裂紋網格里裂縫的萌生與擴展進行研究。探究循環高溫作用下巖石的滲透特性演變，可用于表征巖體內部結構的變化。

近年來，許多中外學者圍繞高溫對巖石裂縫和滲透率之間的影響開展了大量研究。陰偉濤等[4]對4種不同花崗巖在高溫下的滲透與裂縫之間的演變關系進行了研究。郤保平等[5]、吳陽春等[6]對青海地區花崗巖在不同高溫下的損傷開展了大量的試驗，從不同力學試驗破壞角度進行了研究。張帆等[7]進行了高溫水冷下花崗巖的試驗，針對不同溫度范圍，研究了軸向壓應力循環加卸載下巖石的氣體滲透率演化過程。張宇皓等[8]研究了高溫水冷后花崗巖的滲透性，從微觀層面分析納米級孔隙分布。文獻[9-12]采用超臨界二氧化碳誘導了花崗巖裂縫隨溫度和圍壓的演化，探究了巖樣裂縫與滲透性之間的關系，研究了不同溫度處理下花崗巖的裂紋演化，并基于聲學和滲透性測量分析溫度對巖石特性的影響，指出300、573 ℃是熱裂花崗巖的兩個溫度閾值。

隨著干熱巖開發技術不斷發展，循環高溫成為當下熱點研究方向，研究循環高溫作用可為干熱巖生命周期、采熱安全、地下圍巖穩定提供參考。目前循環溫度對花崗巖的影響，多集中在單軸力學方面，對于其循環溫度作用下的滲透性研究較少。滲透性是巖石宏觀特征的體現，可用于評價損傷破壞情況，有助于分析巖體內部結構。學者們開展了巖石循環高溫的試驗，李春等[13]研究了低、中、高三個循環溫度梯度的影響，發現花崗巖在低溫梯度變化不明顯，400～700 ℃下波速、強度特征的變形受溫度影響較大。Shu等[14]、朱小舟[15]分別研究了單次和多次高溫后花崗巖的單一裂隙演化過程與滲透率變化。一些學者們研究了循環高溫后巖石的力學性能，比較不同因素影響下的試驗，如粒徑[16-18]、冷卻方式[19-21]、循環次數[22-23]。上述研究表明：溫度和循環次數與單軸抗壓強度呈負相關；循環次數增加加劇巖石內部結構變化；脆性減弱，塑性和韌性增強。破壞主要集中于前幾個循環，小粒徑巖石對循環次數受循環作用更敏感。經歷4次循環后內部裂隙發育明顯，主要為晶界裂紋。400 ℃為質量損失率、彈性模量、波速的溫度閾值。崔翰博等[20]建立了不同注采參數下力學特征與波動特征擬合曲線，對采熱過程中巖體物理力學及波動特征影響強弱依次為：靶區溫度>遇水循環次數>水溫。以上均可歸為巖石受循環高溫的疲勞損傷試驗[24]，除上述冷卻方式，另有液氮做循環高溫下冷卻介質[25]。

基于此，現對花崗巖進行循環高溫冷卻后氣體滲透率試驗，探討溫度、循環次數、冷卻方式、圍壓對滲透率的影響，并分析其演變規律，上述條件可模擬干熱巖工程受到溫度循環作用下的反應情況，本試驗具有實際工程意義，為后續干熱巖的高效開發提供相關理論支撐。

1 試驗方法

選取湖北麻城地區的花崗巖，該巖石堅硬致密，外觀一致，巖樣呈藍灰色，自然密度為2.60 g/cm3，單軸抗壓強度250 MPa左右。依據國際巖石力學與工程學會(ISRM)提出的規程，使用切石機、打磨機等設備制成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體巖石試樣，其兩端面平整光滑，平行度、垂直度和直徑誤差均達到《水利水電工程巖石試驗規程》(SL/T 264—2020)的規定要求。

以上試樣，按照表1所示的分組編號。循環加熱冷卻過程如圖1所示，使用馬弗爐以5 ℃/min的速率升溫至目標溫度后繼續恒溫2 h，加熱完畢后以兩種不同方式冷卻，冷卻后將其放入烘干箱干燥，上述過程視為一次高溫冷卻過程，重復操作6次。下文循環高溫冷卻均稱為循環。

氣體滲透試驗率系統如圖2所示，從初始狀態下的0次到循環的第2次、4次、6次后，分別對花崗巖試樣進行氣體滲透率試驗。滲透率測試方法采用穩態法，以氬氣作為測試介質，上游進氣端初始氣壓設為1.5 MPa，下游出氣端與大氣相通，采用圍壓逐級加載的方式，圍壓值Pc=5、10、15、20 MPa，

表1 試樣組別Table 1 Sample group

圖1 循環加熱冷卻示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating-cooling cycles

圖2 氣體滲透率試驗裝置Fig.2 Gas permeability test device

采用Davy等[26]推導的公式計算滲透率，具體公式為

(1)

Pmoy=P1-ΔP/2

(2)

式中：k為氣體滲透率；μ為黏度系數；V1為上游進氣端體積；L為試樣高度；ΔP1為氣壓差；Δt為測試時間；S為橫截面積；P1為初始氣壓值；P0為標準大氣壓值；Pmoy為進氣壓平均值。

每次高溫冷卻后用天平稱其質量，計算質量損失率。在第0、2、4、6次循環后用真空排水法進行孔隙率測試。

2 試驗結果及分析

2.1 表觀變化

通過觀察圖3發現，隨著循環次數的增加，A組和B組試樣皆由藍灰色變為灰白色。A組到后期顏色更偏黃，高溫淬火的試樣先出現個別棕黃色斑點，隨著循環次數增加，黃棕色斑塊區域變大，顏色逐漸變深呈灰黃色[24]。參考文獻[11，27]，在573 ℃時，鐵鎂礦物產生脫水和氧化現象，導致花崗巖在高溫作用下出現黑斑，巖石內部礦物成分發生分解，導致α相轉為β相，影響表觀裂紋的擴展。關于高溫淬火對于巖石的熱沖擊，李春等[13]指出高溫淬火對試樣外觀影響尤其明顯。第4次循環后從黑斑處顯現擴展的裂紋，隨著后續循環，裂紋變得愈發明顯且無規則擴展開，數量逐漸變多。裂紋多出現在高溫淬火的試樣表面，因此裂紋的產生受冷卻方式影響大。對于B組，在第5次循環時，個別試樣在斑點處才有裂紋出現，但裂紋均較淺且數量不多。

圖3 高溫冷卻循環后試樣外觀Fig.3 Appearance of samples after heating-cooling cycles

圖4 質量損失率Fig.4 Mass loss rate

2.2 質量損失率和孔隙率

如圖4所示，所有試樣在第一次高溫冷卻時的損傷最大，隨著循環次數增加，質量損失率均呈現增加趨勢。每一次循環過程中，A組的質量損失率接近B組的兩倍。累計6次循環后，A組中質量損失率集中在0.2%～0.25%，B組質量損失率集中在0.1%。A組質量損失率在第2次后高溫淬火試樣增速開始加大，自然冷卻緩慢增長。B組兩不同工況試樣質量損失率增長幅度均很小，質量損失率相近，說明不同冷卻方式對質量損失率造成的差異影響較小。由于質量損失率與劣化程度相關，以上結果印證了曾嚴謹等[16]研究的花崗巖裂紋的演化規律：隨著循環次數的增加，裂紋增速減慢。循環后的質量損失率與余莉等[17]的結果有差異，可能與加熱速率、自然密度、產地等因素有關。

圖5 孔隙率Fig.5 Porosity

如圖5所示，初始狀態時孔隙率均為0.83%左右。A組中，隨著循環次數的增加，不同冷卻方式下的試樣孔隙率相差越來越大，高溫淬火的試樣增加較快，自然冷卻的試樣增速趨于平緩，第6次循環時不同冷卻方式的孔隙率分別達到2.6%、4.7%。B組中，孔隙率變化隨循環次數增加，孔隙率增長較小，第6次循環時分別達到1.1%、1.6%。

綜上可知，在前兩次循環中，試樣的質量損失率、孔隙率增幅皆約占6次循環總增幅的一半。自第二次后，400 ℃兩不同工況和600 ℃自然冷卻的數值雖有小幅度增加但曲線接近水平。隨循環依然有小幅增加。600 ℃高溫淬火的曲線繼第二次后依然隨循環次數增加而增加。文獻[20，25]也指出破壞發生在最初幾次循環，前幾次循環對巖石損傷影響最大。溫度越高，受溫度梯度作用引起開裂，此時破壞也較低溫大[13]。

2.3 循環高溫冷卻下的滲透率

2.3.1 表觀滲透率

圖6 循環高溫冷卻后滲透率Fig.6 Permeability after heating-cooling cycles

圖6各圖分別表示初始狀態和不同循環次數下滲透率演變情況。在圍壓加卸載作用下，荷載對巖石滲透率起抑制作用[28]，使得裂隙閉合，滲透率隨之減小。初始狀態時曲線幾乎重合，說明天然狀態下內部結構致密，微裂隙很少。初始狀態時測得的試樣表觀滲透率與張帆等[7]和Jin等[21]得到的數值基本在同一量級(10-18m2)。循環高溫作用下巖樣內部結構劣化，有微裂隙產生，曲線上表現為“開口”。加卸載前后在同一圍壓的滲透率有差異，溫度越高，“開口”越大。循環次數增加，加劇內部的微裂隙增多，高溫淬火比自然冷卻造成的影響更為顯著。說明高溫淬火冷卻方式時，由于溫度突變對巖石內部產生熱沖擊[5]，內部劣化效應更強烈。同溫度時不同冷卻方式的試樣其結果相隔1個數量級。 A組均比B組的滲透率大1～2個數量級，這是由于溫度超過573 ℃，達到溫度閾值點，巖樣內部發生相變。溫度越高，滲透率變化越快，說明溫度對滲透率影響很大。第4次和第6次循環，兩組高溫淬火的試樣均有一定幅度上移，自然冷卻的試樣變化均較小。圖7為圍壓5 MPa時滲透率與循環次數的關系。第2次循環時，B組高溫淬火試樣的滲透率比A組自然冷卻的小，到第4次循環后反而比A組自然冷卻要大，到第6次時超出A組自然冷卻的更多。這說明在400 ℃下，循環次數越多，滲透率依舊持續增長，但是600 ℃下隨循環增長，在第4次循環后基本變化不大。試樣在自然冷卻下，隨著循環次數的增加，滲透率水平基本保持不變。

圖7 不同循環次數下滲透率Fig.7 Permeability under different cycles

2.3.2 不同圍壓下的相對滲透率

將同循環次數下不同圍壓與初始圍壓5 MPa時的滲透率進行比值計算得出相對滲透率。由圖8可發現：初始階段的試樣在圍壓加卸載作用下相對滲透率變化不大，回到初始狀態的近80%。在第2次循環，A組從5～20 MPa圍壓時，圍壓加載后裂隙會閉合，導致滲透率下降，下降為5 MPa時的1/10。卸載以后，回到2/10，說明大部分裂隙未再張開。A組不同冷卻方式試樣在實際滲透率圖像中相隔1個量級，但是在相對滲透率的圖像中幾乎重疊，說明受圍壓加卸載裂隙的閉合和張開的影響程度基本一致。對比B組第2次循環，隨循環增加，相同圍壓時數值都不相近，不同冷卻方式的相對滲透率差異越來越大，說明相對滲透率受不同冷卻方式影響比較大。第4、6次循環中，相對滲透率在整體上數值變大，圖像有上移收縮。比較A組與B組數據，計算同階段的表觀相對滲透率(高溫淬火的滲透率/自然冷卻的滲透率)比值，B組均比A組同階段的表觀相對滲透率大，證明了400 ℃受冷卻方式影響更大。溫度越高，相對滲透率變化越大，圍壓加卸載過程中相對滲透率變化越小，說明內部結構損傷也越嚴重，裂隙開展和連通更顯著，圍壓增大使得裂隙閉合。相對滲透率與溫度有關，溫度越高受冷卻方式影響反而越小。

圖8 不同循環次數下相對滲透率Fig.8 Relative permeability under different cycles

將每偶次循環與各自對應初始狀態的滲透率進行計算得到相對滲透率，從圖9可發現：溫度越高，相對滲透率變化越大，高溫淬火試樣普遍比自然冷卻大。第2次循環時，不同冷卻方式相隔3～5倍，600 ℃不同工況試樣上升2個數量級以上，400 ℃高溫淬火試樣上升1個數量級以上，自然冷卻上升近2倍。自然冷卻作用下的相對滲透率自第2次循環后也無明顯變化，說明自然冷卻受循環次數的影響非常小。高溫淬火方式時，兩組試樣的相對滲透率都隨循環次數的增加而增加，但增長速率均變緩。溫度越高，相對滲透率變化相差越大。高溫淬火方式時，B組在后期增長幅度更大。在第6次循環時，A組在不同冷卻方式上的相對滲透率變化相差10倍左右，而B組的滲透率變化相差近50倍，再次驗證了B組受冷卻方式的影響更大，高溫淬火對相對滲透率變化影響更大。

圖9 不同循環次數下相對滲透率Fig.9 Relative permeability under cycles

3 結論

(1)溫度越高、循環次數越多，花崗巖劣化程度越嚴重，質量損失率和孔隙率變化越大，但二者在增速上變緩，高溫淬火增長普遍比自然冷卻更快，從而直接影響了花崗巖的表觀滲透率、相對滲透率變化，這反映了溫度、循環次數、冷卻方式對花崗巖的損傷程度。

(2)循環高溫作用后，第一次損傷對花崗巖損傷最為嚴重，此時質量損失率占6次循環后總質量損失率的近一半。

(3)花崗巖的表觀滲透率隨溫度、循環次數的增加而增大，在2次循環后增大了兩個數量級(從10-18～10-16m2)，之后受循環次數的影響減小。第4和第6次循環，表觀滲透率在高溫淬火冷卻下有緩慢增長，在自然冷卻下基本保持不變。

(4)同循環次數、不同圍壓條件下，600 ℃不同冷卻方式的相對滲透率比值相近，隨循環次數增加，相對滲透率也增加，其受循環次數的影響更大；400 ℃不同冷卻方式的相對滲透率比值有差異，其受冷卻方式的影響更大。