高溫作用下干熱巖物理性質實驗

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)作為促進社會經濟高速發展的支柱,在工業生產等方面起重要作用,隨中國推進綠色低碳循環發展,化石能源受到碳減排的制約,發展清潔能源成為為經濟健康可持續發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巖,溫度一般高于150 ℃,干熱巖熱能有效開發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[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的熱效應,明確高溫作用下干熱巖的物理力學性質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及熱力學特性，孔隙度與滲透率作為重要的巖石物性參數,受高溫作用后引起的巖石內部熱損傷導致巖石微觀孔隙結構發生變化,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構特征,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,花崗巖內部微裂紋逐漸發育,等效滲透系數表現為逐漸增加趨勢,且溫度越高,增大幅度越顯著。CHEN S等[10]采用經典瞬態方法測試,結果表明溫度超過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部結構破壞和微裂紋的產生及發育引起的,這種現象導致巖石熱力學性質的改變。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—導熱系數關系模型,預測不同溫度下的花崗巖導熱系數。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]發現大理巖的峰值強度、彈性模量在常溫升至400 ℃時出現波動,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現,溫度超過400 ℃后,巖石內部出現新裂紋,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變。張志鎮等[21]研究花崗巖力學特性的溫度效應發現,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巖的混合體,儲層溫度高,巖石更為堅硬,在物理力學性質方面與常規油氣儲層巖石存在明顯差異[22-24]。對常規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、導熱系數等進行巖心測試分析；基于高溫條件下孔滲性質等,借助聯合研制的伺服控制高溫高壓巖石三軸測試系統,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律,為干熱巖人工換熱系統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。將待測試樣放入孔滲聯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；將試樣放入導熱系數儀,實驗溫度控制在30 ℃,同時,監測熱平衡,當溫度波動小于0.1 ℃時,停止監測,測試導熱系數。

(3)采用伺服控制高溫高壓巖石三軸測試系統(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在高溫條件下的變化規律實驗測試,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,監測聲發射數據。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,將3塊試樣測試結果取平均值作為該溫度點下的測試參數。

2 結果與分析

2.1 孔隙度和滲透率

在高溫條件下,干熱巖內部微觀孔隙結構因高溫熱損傷作用而產生相應變化,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%,接近常溫狀態下的2.4倍。溫度在25～50 ℃區間內,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、滲透率影響較小；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構,使原有微裂紋繼續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

不同溫度條件下干熱巖導熱系數變化規律見圖4。由圖4可知,隨溫度升高,導熱系數逐漸降低。熱處理溫度由常溫狀態逐漸升至400 ℃的過程中,導熱系數下降超過49%。不同溫度區間下,干熱巖導熱系數下降幅度見圖5。由圖5可知,溫度在300 ℃范圍內時,導熱系數下降幅度約為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,使干熱巖導熱系數出現較大變化。溫度逐漸升高,干熱巖內部的微觀孔隙增大,巖心內部各種礦物間原有孔隙增大和新生微裂紋數量增多,熱量在巖心內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—應變曲線變為典型的非線性特征,主要是由干熱巖內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微裂隙的產生,導致不可逆變形增大。常溫狀態(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,當溫度繼續上升,抗壓強度繼續緩速減小。

隨溫度升高,在300～400 ℃溫度時,干熱巖抗壓強度和導熱系數降低幅度最大,說明高溫作用能夠對干熱巖內部結構形成劣化作用,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。根據實驗數據,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,干熱巖彈性模量較常溫狀態下基本未發生變化,當溫度升高至300 ℃時,彈性模量發生明顯下降,降幅約為常溫狀態下的3%。溫度繼續升至400 ℃時,干熱巖彈性模量由常溫狀態下的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,使內部孔隙度及滲透率增大；另一方面,隨溫度升高,巖石內部顆粒受熱形成不均勻膨脹,產生大量微裂隙。

2.5 斷裂韌性

不同溫度作用下干熱巖軸向應力、聲發射率及累計聲發射數變化見圖10。由圖10可知,溫度變化對干熱巖聲發射特性有較大影響。通常,未經熱處理的干熱巖試樣在初始變形階段聲發射率及累計聲發射數處于極低水平,隨軸向應力水平增加,聲發射事件在臨近峰值強度時迅速增加。隨溫度逐漸升高,在加載前期產生較多的聲發射事件,由于巖石中的聲發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,說明高溫作用產生的熱應力使干熱巖內部產生微裂紋。

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下的44.0%。當溫度達到600 ℃時,斷裂韌性減小為常溫狀態下的22.4%。隨溫度繼續升高,斷裂韌性低于常溫狀態下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,導熱系數不斷降低,干熱巖的力學參數隨溫度升高,說明干熱巖的物性參數與力學參數隨溫度變化呈相反趨勢,但整體的變化具有一致性。

2.6 干熱巖微觀結構檢測

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”下降的現象,分別在300和400 ℃溫度時檢測干熱巖微觀結構(見圖13)。由圖13可知,在300 ℃溫度時,干熱巖內部礦物間的界限較明顯,其中石英(Qtz)和長石(Kfs)呈區塊分布,干熱巖內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,干熱巖內部礦物間的界限增多,各種巖石礦物分布散亂,部分區域出現礦物交代穿孔現象,造成巖心內部微裂紋數量增多,在宏觀上,表現為孔隙度、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量分數進行測試,測試結果見表3。干熱巖中石英質量分數最高,并且隨溫度升高,干熱巖中石英質量分數呈降低趨勢；在300～400 ℃溫度時,石英質量分數從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“斷崖式”下降。隨溫度升高,石英質量分數下降,導致干熱巖在進行抗壓強度等破壞性實驗時,在較低應力狀態下達到應力極限,從宏觀上表現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量分數Table 3 Mass fraction of mineral composition of hot dry rock at different temperatures

3 結論

(1)在低于50 ℃溫度條件下,溫度對干熱巖孔隙度、滲透率的影響較小；隨溫度升高,干熱巖內部微裂紋逐漸發育,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,干熱巖導熱系數降低,溫度超過300 ℃時,干熱巖導熱系數下降幅度超過49%,說明存在一定的溫度范圍使干熱巖導熱系數出現較大變化。

(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,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下降10%,泊松比基本呈線性下降。

(3)高溫作用產生的熱應力使干熱巖內部產生微裂紋,隨溫度逐漸升高,在加載前期產生較多的聲發射事件；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下的22.4%。