高温水冷后花岗岩微观孔径及渗透性分析

张宇皓，段志波，张 帆

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068；2.法国里尔大学里尔科技学院，阿斯克新城 59655)

随着科技的不断进步，地热资源作为一种可再生的清洁能源逐渐被世界各国重视，其中干热岩的储量远大于煤炭、石油、天然气等资源的储量。开采干热岩主要用于地热发电，在干热岩开发过程中的人工储留层建造和高温岩体钻井问题均需要大量试验研究进行论证[1]。因此将岩石高温水冷处理后，分析其渗透性及微观结构变化对工程的安全性及经济性具有重要的实际意义。

中外众多学者[2-10]针对岩石受高温后的物理力学特性开展了大量研究，研究表明，高温处理使岩体产生热破裂现象，内部产生大量微裂隙，使其物理力学性质劣化。Alm等[11]对不同温度热处理后花岗岩的力学特性开展了试验研究，并讨论了岩石在温度作用下的微破裂过程。Zhang等[12]以高温水冷处理后的花岗岩为研究对象，总结了孔隙率、纵波波速、气体渗透率、弹性模量及抗压强度等指标随温度的演化规律，研究表明高温产生的温度裂隙及内部孔隙结构的变化是岩石物理力学性质下降的主要原因。郤保平等[13]研究了岩石高温水冷后的力学特性，研究表明存在某个特定的阈值温度，超过该温度将使岩石的力学性能大幅度下降。Zhang等[14]还对不同温度处理的花岗岩进行了静水压力试验和气体渗透试验，研究表明随着温度的逐渐升高，花岗岩的微裂纹密度逐渐增大，残余体积应变也逐渐增大。

岩石内部孔隙结构的变化是影响岩石物理力学性质指标的重要因素之一。赵阳升等[15]采用显微机算机断层扫描(computed tomography,CT)技术对高温热处理后的花岗岩进行观察，总结了花岗岩热破裂的细观破裂特征，发现颗粒之间的胶结物和胶结界面先发生破裂。陈世万等[16]利用声发射、显微镜等技术研究了花岗岩的热破裂过程，结果表明，岩石的热破裂是由试件的上端部向内扩展。何爱林等[17]对高温热处理后的花岗岩进行了超声检测及扫描电镜观察，发现随着温度的升高，产生了大量微裂隙，岩石的纵波波速及波幅减小。张帆等[18]研究了不同应力损伤条件下的花岗岩的气体渗透率。Brotóns等[19]的研究表明高温加热后冷却方式不同造成的温度梯度不同，从而对岩石物理力学性质产生不同程度的影响。

目前对岩石的内部孔隙结构的研究多采用声发射、CT技术、核磁共振技术等[20-22]，由于技术的限制，关于岩石的纳米级孔隙的研究较少。在张宇皓等[23]之前的研究中，发现比表面积及孔径分析测试能够完整清晰地反映岩石内部微观结构状况。因此，在之前研究的基础上，以高温水冷处理的花岗岩为研究对象，进行了气体渗透试验，分析岩石的渗透性随温度的变化趋势，后用氮吸附法对岩石孔隙进行表征，得到岩石内部孔隙的演化机理，为宏观的物理性质变化提供理论基础。

1 试样制备及热处理

在之前研究的基础上，以两种不同的花岗岩(花岗岩Ⅰ，花岗岩Ⅱ)为研究对象进行试验，两种花岗岩分别产自湖南岳阳、湖北黄冈。如图1所示，试样为φ50 mm×100 mm圆柱形试样，均匀性良好且表面无明显裂隙，满足《水利水电工程岩石试验规程》(SL/T 264—2001)要求。

图1 两种标准圆柱形花岗岩试样[23]Fig.1 Two standard cylindrical granite specimens[23]

对花岗岩试样进行高温水冷处理(200、400、600 ℃)。处理过程为，首先将试样放入高温马弗炉中进行加热，设定升温速率为5 ℃/min，加热至目标温度后恒温5 h，随后迅速放入约20 ℃的水(约25 L)中冷却。待试样在水中冷却至室温后，将其放入105 ℃的烘箱中烘干24 h，直至试样完全干燥，随后取出放入密封袋中备用。

2 试验结果及其分析

2.1 气体渗透性及孔隙率分析

试验采用湖北工业大学岩土力学与混凝土材料中法联合研究中心自行设计和制作的气体渗透装置(如图2所示)，对不同温度处理后的花岗岩进行了气体渗透试验。在气体渗透试验中，通常采用稳态法来测定材料渗透率，对于岩土介质，渗透介质常常为氮气或惰性气体。使用氮气作为渗透介质，在设定好试样的上游进气端压力(1.5 MPa)后，将试样下游出气端直接与大气相连，直至试样上游进气端与试样下游出气端达到稳态渗流开始试验，记录上游进气端压力和相应的时间，得到压力随时间的变化曲线，并按Davy等[24]推导的气体渗透率计算公式计算即可得到试样的渗透率。

(1)

式(1)中：k为试样的气体渗透率，m2；μ为渗透介质的黏滞系数，Pa·s；L为试样的高度；S为试样的横截面积；ΔP1为上游进气压经过Δt时间后的变化值；Pmoy为进气压的平均值，其大小Pmoy=P1-ΔP/2；P1为进气压初始值；P0=0.1 MPa，为标准大气压；Δt为气体渗透试验测试时间。

图2 气体渗透装置Fig.2 Gas permeation apparatus

图3 气体渗透率随温度变化曲线Fig.3 The variation of gas permeability with temperature

图4 孔隙率随温度变化曲线Fig.4 The variation of porosity with temperature

计算得到气体渗透率随温度的变化趋势如图3所示。同时利用排水法计算了不同温度处理后花岗岩的孔隙率的变化，如图4所示。从图3、图4中可以发现，气体渗透率及孔隙率随温度的变化趋势一致，均随着温度的升高逐渐增大且增大幅度也逐渐增大。由于高温水冷的处理方式使试样产生较大温度梯度，内部矿物颗粒发生不均匀膨胀，随着温度的升高，微裂隙逐渐发育并伴随着大量温度裂隙的产生，从而使得孔隙率和渗透率上升。

2.2 扫描电镜

为了更直观、清晰地研究温度对岩石内部孔隙结构的影响并对上述试验结果进行验证，采用了扫描电镜(scan electron microscope,SEM)技术对天然状态和600 ℃高温水冷处理后的花岗岩内部孔隙结构进行了观察。

图5 两种花岗岩扫描电镜图像Fig.5 The SEM image of two kinds of granites

图5是两种花岗岩经不同温度处理后的扫描电镜图像，从图5中可以清晰地看到，在天然状态下，两种岩石内部微观状态良好，结构完整无明显裂隙；当经过600 ℃高温水冷处理后，可以发现试样产生了大量微裂隙。这是由于高温水冷处理产生的温度梯度，使得内部矿物颗粒发生了不均匀膨胀，从而引起温度裂隙的产生。

2.3 比表面积及孔径分析

在之前的研究中,已经对常温状态下的两种花岗岩进行了分析研究。为了更明显、清晰地表现出高温水冷处理后花岗岩的孔隙结构变化，对常温和600 ℃处理后的两种花岗岩进行了比表面积计算和孔径分析。

假定孔中已经充满了吸附质，随着压力的下降，吸附质逐渐清空。同时在不同的压力条件下，发生毛细凝聚现象的孔径范围是不同的。因此可以通过这一特点来表征材料的孔径大小，并通过Kelvin方程[25]计算孔体积及孔径的大小，计算公式为

(2)

(3)

式中：P为实际蒸汽压；P0为饱和蒸汽压；γ为表面张力；Vm为液体的摩尔体积；r为液滴的半径；T为温度；R为通用气体常数，取为8.314 46 J·K-1·mol-1；rK为开尔文半径，在某一特定压力条件下，半径大于rK的孔中的凝聚液将全部气化脱附出来。

图6 花岗岩的吸附脱附等温线Fig.6 Adsorption and desorption isotherms of granite

图6为花岗岩的吸附等湿线，图7为根据图6分析计算得到的微分积分孔体积-孔径(V-d)分布曲线。表1是比表面积和孔径分析的数据汇总，从表1中可以清晰地看到，在经过高温水冷处理后，两种花岗岩内部孔隙结构的变化趋势一致，比表面积增大，总孔体积增大。同时可以看到，在纳米级孔隙中，经过加热处理后，微孔和大孔的占比减少，介孔百分比含量增多。这说明，在温度的作用下，微孔发育为介孔的速率较介孔扩展为大孔的速率更快，同时由于温度的作用，微孔的数量也在增加。值得注意的是，尽管百分比含量出现了一定程度的下降，其各个孔隙体积均呈现增大的趋势。因此，可以得到，由于温度的作用，花岗岩中的介孔在受到600 ℃加热及快速水冷处理后，介孔受温度的影响最大。

图7 花岗岩的微分积分孔体积孔径分布曲线Fig.7 The volume and pore diameter distribution curves of granite

表1 花岗岩比表面及孔径分析结果Table 1 The results of specific surface and pore size of different granites

3 结论

在之前研究的基础上，对高温水冷处理后的两种花岗岩进行了气体渗透试验，研究了两种花岗岩的气体渗透率、孔隙率随温度的演化规律，总结了岩石渗透性随温度的演化规律，并采用SEM扫描电镜对岩石内部孔隙结构进行观察验证试验结论，还通过比表面积及孔径分析测试对岩石内部的纳米级孔隙进行了表征，研究了高温水冷对岩石内部孔隙结构的影响，主要结论如下。

(1)两种不同成分的花岗岩在受到高温水冷后表现出相同的规律，随着温度的升高，岩石内部逐渐产生温度裂隙，增大了岩石的气体渗透率、孔隙率。

(2)利用SEM观察到，两种花岗岩在经过 600 ℃ 高温水冷处理后，岩石内部均产生了大量微裂隙，这种微裂隙是由高温水冷处理产生的。

(3)由比表面积及孔径分析结果可以得到，在高温水冷处理后，两种花岗岩内部产生了一定数量的孔隙，加剧了孔隙的发育，因此孔隙增多，孔体积增大，使比表面积增大、总孔体积增大。

(4)在高温水冷的作用下，岩石内部的介孔受温度的影响最大。

高温热处理后岩石内部产生的温度裂隙是影响岩石性质的关键。可以发现，利用比表面积及孔径分析测试可以量化的测量高温处理后岩石内部的纳米级孔隙分布，为岩石的微观测试提供了技术支持。同时发现花岗岩的内部介孔受到温度的影响而产生的变化最大，这为后续的数值模拟提供了理论依据。

但是由于岩石矿物结构的复杂性，不能排除岩石试样个体差异对整体试验结果的干扰，因此还需要对更多种类的岩石进行试验论证。