热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度

冯子军,赵阳升,张 渊,万志军

(1．太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2．淮阴工学院建筑工程学院,江苏淮安 223003;3．中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度

冯子军1,赵阳升1,张 渊2,万志军3

(1．太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2．淮阴工学院建筑工程学院,江苏淮安 223003;3．中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

利用600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机测量了“鲁灰”花岗岩(ϕ200 mm× 400 mm)在三轴应力作用下升温过程中渗透率的变化。发现热破裂花岗岩的渗透率随温度变化存在一个临界温度Tc,即300℃。低于该临界温度时,渗透率较小,其量级为10-19m2,并且增幅较小;高于该温度后,渗透率出现了突变,且增幅较大,300～400℃,其数值增加一个量级,为10-18m2;在400℃时,渗透率的数量级增大至10-17m2。同时采用MPV-SP显微光度计定量地研究了“鲁灰”花岗岩试样20～400℃热破裂过程中裂纹数量的变化。长度大于5 μm(即l＞5 μm)和长度大于10 μm(即l＞10 μm)的微裂纹数量出现两个峰值,并且l＞5 μm的微裂纹数量变化的峰值温度均小于l＞10 μm的微裂纹数量变化的峰值温度;300℃后l＞10 μm的微裂纹数量增加较快,其增加速率约1个/10℃。300℃后微裂纹的快速增加是导致热破裂花岗岩渗透率突然增加的主要原因。

热破裂;花岗岩;渗透率;临界温度;细观特征

在核废料的深埋处置和高温岩体地热开发过程中,始终伴随有热破裂的发生。在核废料处置过程中,由于核废料放射性物质的衰变而产生的热量不断加热围岩,致使围岩产生热破裂。热破裂产生的微裂纹生长、扩展、连通,从而改善了围岩的输运特性,当地下水沿着微裂纹流动时可能被放射性核素污染。在高温岩体地热开发过程中,无论是钻井过程中还是后期的人工储留层的建造以及热水的提取过程,均有热破裂的发生,一方面影响钻井井壁的稳定性,不利于钻井施工,另一方面利于人工储留层的建造。

早在20世纪80年代初,国际上针对核废料处置过程中花岗岩围岩的热破裂进行了大量研究。一方面利用岩石试验机测量岩石试样的线性热膨胀系数、弹性模量、渗透率、声发射等随温度的变化规律,得出随着温度的升高,花岗岩的线性热膨胀系数既不是常量也不是温度或压力的单一函数[1];弹性模量和体积模量随着温度升高而非线性降低[2];渗透率在20～125℃的低温段时随温度增加而降低,在高于125℃的高温阶段,随温度升高而增大[3]。Chen等利用声发射技术研究发现Westerly花岗岩存在60～70℃的热破裂阈值,当温度高于这个阈值时,声发射开始大量出现,而且发现热破裂产生的声发射存在“Kaiser效应”[4]。另一方面集中于利用扫描电子显微镜(SEM)和共焦扫描激光显微镜(CSLM)对热破裂花岗岩进行微观研究。Homand-etienne等利用SEM定量地对花岗岩热破裂产生的裂纹进行研究,发现裂纹密度依赖于温度、热膨胀的不匹配和非均质性、初始孔隙率及颗粒尺寸[5-6]。Menendez等利用CSLM研究了花岗岩热破裂形成的裂纹三维空间几何形状特征[7-8]。

为了研究高温岩体地热开发过程中热破裂的影响,赵阳升等利用600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机对大尺寸花岗岩试样进行了热破裂的研究[9-10],发现花岗岩的热破裂随着温度的变化具有多期性,其渗透率具有多峰性。利用显微CT定性地研究了经历高温处理后的大试样花岗岩的微裂纹演化规律。发现200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹;300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,且裂纹长度增加10倍左右;500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体[11]。

关于热破裂花岗岩渗透率演化的临界温度,目前鲜见报道。而陈顒等[12]在研究碳酸岩和花岗岩的渗透率时发现碳酸岩在110～120℃时,渗透率出现了10倍的突变,而花岗岩在200℃范围内渗透率未出现明显增长的门槛温度值,所以,花岗岩的门槛温度可能更高。由于试验设备的限制,陈顒等并未发现热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度值。笔者利用600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机对一系列大尺寸花岗岩试样(ϕ200 mm×400 mm)进行了热破裂过程中的渗透率测量,同时采用MPV-SP显微光度计定量地研究了同一种花岗岩热破裂过程中裂纹数量的演化规律。

1 试验概述

1.1 渗透率测量

(1)试样。

进行渗透率测量和细观试验的试样均为采自山东平邑的花岗岩,商品名“鲁灰花岗岩”。其矿物成分为伊利石25%、石英28%、长石43%、余量4%。石英颗粒平均尺寸为0．6～0．7 mm,长石颗粒为1～2 mm,初始孔隙率为0．30%～0．55%。用于渗透率测量的花岗岩试样先经过石材加工机加工成圆柱形毛坯,再用车床精车加工,达到试验精度要求,试样成品规格为：ϕ200 mm×400 mm。

(2)试验设备及试验过程。

渗透率测量在“600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”上进行。该试验机的功能、结构及渗流试验过程已在文献[9-10,13]中详细介绍,在此不作说明。

试样先在辅机上进行安装,然后在主机上进行加压、加温、测渗透率。由于高温高压下渗透试验涉及高温高压密封等极其复杂的技术问题,文中只针对达到400℃高温的4个试样进行渗透率演化规律的分析。4个试样中,1号试样轴压、围压均为75 MPa(即3 000 m),其余3个均为25 MPa(即1 000 m)。试样的渗透率测量与加温试验同步进行,气源为高压氮气,采用高压阀门和高精度气压表控制进气口气压。出气口气体流量采用皂沫流量计和转子流量计进行测量(图1)。如图2所示,高压氮气从进气口14进入,经过盖板1、上H13轴压压头2到达试样的上表面,经过试样渗流出的气体经下H13轴压压头2和轴压压头4流出至出气口15。由于试件尺寸大,采用缓慢加热方式(加热速率为10℃/h),以保证试件均匀加热。当达到预定试验温度后,保温2 h,然后测量各温度下的渗透率。

1.2 细观试验

图1 渗流测量流程Fig．1 Schematic illustration of permeability measurement

图2 高温高压压力室中试样安装与气体渗流示意Fig．2 Schematic presentation of sample assembly and gas flow in high temperature and high pressure vessel

利用MPV-SP显微光度计对花岗岩切片在温度影响下的破坏过程进行细观观测。该仪器为德国Leica公司生产,可控温度范围为室温到1 350℃,可同步进行照相。放大倍数为：目镜12．5倍,物镜20倍,物镜为耐高温镜头。加热速率为10℃/min,均匀加热至预设温度后保温1 min,对样品进行观察和拍照。加热过程中显微镜通水、通氩气,以保持显微镜其他部件不受高温影响。试验步骤和花岗岩薄片制作同文献[14]。

观测所用的薄片由载玻璃片、样品晶片、盖薄片3者经树胶黏结而成,如图3所示。由于加温条件限制,故不加盖薄片,载玻璃片大小为25 mm×50 mm,厚度为1 mm,样品晶片的标准厚度为0．03 mm。

图3 花岗岩薄片结构Fig．3 Structure of rock flake

2 试验结果及分析

2.1 渗透率变化特征

受热破裂的影响,花岗岩的渗透率随温度(T＜ 600℃)的升高,在三轴应力下既不单调增加也不单调减少,而是具有多峰性,在20～200℃为第1个峰值段,其中150℃左右出现渗透率的峰值点[9]。200℃以前渗透率尽管出现了增加和降低的峰值变化,但由于热破裂尚未进入剧烈期,渗透率的值较小,其量级一般在10-19m2[9-10]。高于200℃,温度的升高使得热破裂进一步加剧,渗透率也开始由缓慢增加变化为剧烈增加。而200℃以后的温度范围恰是高温岩体地热开发的最佳温度范围。因此,本文重点研究200℃以后花岗岩的渗流特征,为人工储留层的建造和热水循环的设计提供理论基础。

从图4和表1可以看出,300℃以前,渗透率量级为10-19m2;300～400℃,渗透率随温度而迅速增加,其量级为10-18m2;在400℃时,渗透率的量级已经增加到10-17m2。

图4 花岗岩试样渗透率随温度的变化规律Fig．4 Permeability change versus temperature

表1 200～300℃热破裂花岗岩试样渗透率及其增幅Table 1 Permeability and its increment of thermally cracked granite at 200-300℃

图4中1号试样和其余3个试样存在明显差别。300℃后,其渗透率增加较快,数值较大。这是因为1号试样所受静水压力为3 000 m,即75 MPa,而其余3个试样均为1 000 m,即25 MPa。在300℃以后,热破裂活动的加剧,花岗岩体的性质恶化,如弹性模量降低[15]。在较高压力作用下产生破坏,试验中可以听到该试样在300℃左右时出现明显的声响。该破坏产生的裂纹有效地增大了渗透率。4号试样表现为渗透率数值较低,尤其在400℃以后,最大值仅为5．29×10-18m2,而其他试样均在10-17m2的量级上。其可能的原因为在温度达到预定温度值后,没有及时测量渗透率,而是进行了较长时间的保温。在温度一定的条件下,随着时间的增加,渗透率表现为在开始的一段时间内迅速下降,而后缓慢降低趋于恒定的较低值[16-17]。

图5为渗透率随温度升高其增加倍数变化的情况。其中k为各测点的渗透率测量值,k0为200℃的测量值。可以看出在200℃以后,渗透率随温度的升高不断增大。从增幅来看,低于300℃,渗透率增幅较低;当温度一旦超过300℃,渗透率成倍增加,如350℃时为300℃时的5～40倍。因此,认为300℃是花岗岩渗透率突变的临界温度点。

图5 不同温度下花岗岩渗透率的增幅Fig．5 Change of ratio in k/k0versus temperature in granite

2.2 热破裂花岗岩裂纹演化特征

图6为利用MPV-SP显微光度计对花岗岩切片在不同温度下的细观裂纹数量变化的观测结果。

图6 热破裂花岗岩细观裂纹数量变化规律Fig．6 Variation in quantity of microcrack in thermally induced granite

长度大于5 μm(即l＞5 μm)的裂纹数量从50℃开始增加,直至100～150℃,裂纹数量达到最大值,而后降低至200～250℃的最低值。当温度继续升高时,裂纹的数量继续增加,在低于300℃的附近到达最大值,且比第1个峰值高,随后裂纹数量减少。裂纹数量变化的两个峰值温度段分别为100～150℃和250～300℃。

长度大于10 μm(即l＞10 μm)的裂纹数量演化规律基本同l＞5 μm,但其第1个峰值点出现在150～200℃,第2个峰值点落在300～350℃。l＞10 μm的裂纹数量变化的峰值温度明显高于l＞5 μm,说明较大裂纹数量增加的滞后性。并且还可以看出大裂纹数量的滞后增加是在小裂纹数量减少的温度段产生的,说明小裂纹产生后,随着温度的继续增加,其扩展、贯通形成较大的裂纹。同时在大裂纹不断形成的过程中,新的更小的裂纹也不断出现。

在350℃以后,尤其是大裂纹第2个峰值后,大裂纹和小裂纹均减少,这可能因为300℃后,花岗岩产生了剧烈的热破裂,新形成的长度小于5 μm的裂纹数量大量增加,它们的形成使得已存在的较大裂纹部分闭合,也就反映出长度大于5 μm和10 μm裂纹数量同步减少。

3 讨 论

3.1 花岗岩热破裂的临界温度

从图6花岗岩切片热破裂微观裂纹数量变化规律可知,l＞5 μm的裂纹开始出现的温度为50℃,略低于公认的花岗岩热破裂临界温度60～70℃[4]。已有的研究是从声发射角度说明的,但是该临界温度是否存在是值得商榷的。笔者认为并不存在理论意义上的热破裂临界温度值。从试验结果来看,l＞5 μm的裂纹开始出现的温度为50℃,那么l＜5 μm的裂纹开始出现的温度必定低于50℃,也可能在刚开始加温时就出现,则热破裂的临界温度值更低了。对于非均质的岩石来说,热破裂是随机的。当温度升高后,局部热应力足以达到裂纹形成所需的条件时,便发生热破裂。即使同一种岩石由于其胶结情况、不同颗粒之间、相同颗粒之间、颗粒与胶结物之间、胶结物之间等的热膨胀的非协调性均会出现热破裂,这些热破裂也有可能在升温的开始阶段就会出现,只是数量和能量较小而已。另外,声发射监测岩石热破裂,热破裂信号的采集和处理受制于声发射仪,不同的声发射仪所采集的声发射信号的横向比较是没有意义的[4],因此,不同灵敏度的声发射仪在升温的初始阶段所采集到的热破裂信号是不同的,因此存在初始微弱的热破裂信号不被采集到的可能性,而目前所有已提出的花岗岩热破裂的临界温度均是从声发射角度考虑的,故理论意义上的热破裂临界温度应该不存在。

3.2 热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度

陈顒等在研究碳酸岩和花岗岩的渗透率时发现碳酸岩在110～120℃时,渗透率出现了10倍的突变,而花岗岩在200℃范围内渗透率未出现明显增长的门槛温度值,所以,花岗岩的门槛温度可能更高[12]。由于试验设备的限制,陈顒等并未发现热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度值。逾渗模型可以很好地解释热破裂岩石渗透率突变现象。逾渗模型认为岩石内部裂纹随着加热温度是连续增加的,只有裂纹连通网络时,岩石整体渗透率才会有突然地明显的变化[12]。因此,热破裂花岗岩的渗透率临界温度值是存在的。

花岗岩是由石英、长石、云母等矿物组成的结晶岩石,各组分热膨胀的差异性导致热破裂的发生。热破裂过程实际上是微裂纹萌生、扩展、贯通的过程。微裂纹的贯通形成了物质输运的通道,微裂纹网络的发展就表现为渗透率的增加。因此,渗透率的变化是反映岩石热破裂程度的一个指标,同时,热破裂程度也影响了渗透率的变化。从图5渗透率的增幅可以看出当温度超过300℃后,渗透率成倍增加,350℃时的渗透率为300℃的5～40倍。因此,300℃为花岗岩渗透率突变的临界温度。从花岗岩热破裂过程中裂纹数量的演化规律来看(图6),在400℃范围内,l＞5 μm和l＞10 μm的微裂纹数量出现了2个峰值,这恰好说明了渗透率具有多峰性[9]。在温度低于200℃,裂纹以l＞5 μm为主,因此,在渗透率上表现为渗透率尽管并非单调性[9],但数值较小。在温度高于200℃,随着温度的增加,l＞5 μm和l＞10 μm的微裂纹数量均不断增加,并且l＞5 μm的微裂纹增加速率较快,说明200℃后热破裂较200℃前剧烈,渗透率表现为不断增大。在300℃左右,微裂纹数量再次达到最大值,尤其是l＞10 μm的裂纹数量较200℃时增加了约3倍多。通过对花岗岩热破裂后的显微CT观察也发现在200℃时,已可见到极少数的很小的微裂纹出现;300℃时,部分裂纹搭接连接形成了较大的裂纹,裂纹的长度增加10倍左右[11]。因此,从该温度点(300℃)开始渗透率迅速增加, 300℃即为热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度值。

从图6中还可以看出,温度高于300℃后,大裂纹不断增加至最大值,这就为流体在裂纹中的输运提供了良好的通道。从渗透率测量结果可以看出, 300℃后渗透率会成倍的增加,这就是300℃后裂纹的大量形成、连通的结果。

花岗岩由于其组成成分、组成颗粒大小、胶结程度不同等导致物理特性变化较为复杂,因此,热破裂花岗岩渗透率演化的临界温度应该是一个范围。因渗透率测量是在一个较大温度间隔下(试验设定为50℃,实际测量温度点略有差异)进行的,故文中没有给出该临界温度的具体范围,但可以肯定是在300℃左右一个较小的温度区间。

从图4和图5可以看出,围压为75 MPa的1号试样和围压为25 MPa的其余3个试样的渗透发生突变的温度值均为300℃,主要区别是临界温度前后的渗透率数值不同。渗透率是表征岩石输运特性的物理量,热破裂作用增加了岩石输运网络中的孔裂隙数量和宽度,围压仅改变输运网络中孔裂隙的宽度。因此,热破裂作用下孔裂隙的数量和宽度(尤其是数量)达到一定程度时,产生了渗透率的跃变,这时所对应的温度即为“渗透率变化的临界温度”,该值与围压没有关系。

4 结 论

(1)热破裂花岗岩的渗透率随温度变化存在一个临界温度值,即300℃,低于该临界温度时,渗透率较小,高于该温度时,渗透率出现了突变。

(2)热破裂花岗岩的渗透率在低于300℃时,其量级为10-19m2;高于300℃,随着渗透率的增加,其数值增加一个量级为10-18m2;在400℃时,渗透率已经增加到10-17m2。

(3)热破裂花岗岩的微裂纹数量随着温度的升高不断增加,在400℃范围内l＞5 μm和l＞10 μm的微裂纹数量出现两个峰值。100～150℃和250～300℃为l＞5 μm微裂纹数量峰值的温度段;150～200℃和300～350℃为l＞10 μm微裂纹数量峰值的温度段。l＞5 μm的峰值温度低于l＞10 μm。300℃后,大的微裂纹数量成倍的增加。

(4)对于利用声发射、显微CT、SEM等工具研究花岗岩热破裂临界温度值而言,受制试验设备的灵敏度和分辨率的影响,花岗岩发生热破裂的临界温度值是否存在是值得商榷的。它的确定还需进一步通过更高分辨率的设备如显微CT或SEM来观察。

从细观的微裂纹和宏观的渗透率演化结果来看, 300℃后热破裂已使花岗岩岩体受到明显损伤,其物理力学特性均发生明显突变,而200℃前花岗岩尽管也受热损伤,但破坏程度较低。因此,200～300℃可能是花岗岩受热损伤其他物理力学特性(如弹性模量、泊松比等)发生突变的临界温度范围,这需要进一步的试验验证。

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Critical temperature of permeability change in thermally cracked granite

FENG Zi-Jun1,ZHAO Yang-sheng1,ZHANG Yuan2,WAN Zhi-jun3

(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Faculty of Architecture and Civil Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;3.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

The permeability of Luhui granite with 200 mm in diameter by 400 mm long was measured at triaxial stresses and elevated temperature by“600℃20 MN servo-controlled triaxial rock mechanics testing machine”．It is found that 300℃is the critical temperature(Tc)of permeability change with temperature in thermally cracked granite．The magnitude of permeability is 10-19m2with a low increase below Tcand the permeability whose magnitude is 10-18m2increases drastically with high amplitude at 300-400℃while the magnitude is 10-17m2at 400℃．Simultaneously,the change of micro-crack quantity in thermally cracked Luhui granite at temperature up to 400℃was quantificationally investigated by MPV-SP micro-photometer．Two peaks of micro-crack quantity that the length is more than 5 μm and 10 μm respectively exist at temperature up to 400℃．The temperature scope of micro-crack quantity peak in l＞5 μm are less than that in l＞10 μm．The quantity of micro crack whose length is more than 10 μm increases sharply at the rate of one per ten degree at temperature above 300℃．The drastic increase of micro crack above 300℃is the main reason that permeability increases sharply at temperature above 300℃in thermally cracked granite．

thermal cracking;granite;permeability;critical temperature;meso-characteristic

TD313

A

0253-9993(2014)10-1987-06

2013-09-16 责任编辑：王婉洁

国家杰出青年基金资助项目(51225404);国家自然科学基金资助项目(71373170);山西省自然科学基金资助项目(2013011009-1)

冯子军(1983—),男,安徽阜阳人,讲师。Tel：0351-6014865,E-mail：fzj3893811@126．com

冯子军,赵阳升,张 渊,等．热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度[J]．煤炭学报,2014,39(10)：1987-1992．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1359

Feng Zijun,Zhao Yangsheng,Zhang Yuan,et al．Critical temperature of permeability change in thermally cracked granite[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1987-1992．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1359