高温作用下干热岩物理性质实验

秦 浩,汪道兵,郑 臣,董永存,张 伟,孙东亮,宇 波

(1.北京石油化工学院 机械工程学院,北京 102617； 2.中国石油化工股份有限公司 济南分公司,山东 济南 250101)

0 引言

能源资源(煤炭、油气等)作为促进社会经济高速发展的支柱,在工业生产等方面起重要作用,随中国推进绿色低碳循环发展,化石能源受到碳减排的制约,发展清洁能源成为为经济健康可持续发展提供能源保障的必然之选[1-3]。干热岩作为一种新兴的清洁可再生地热能源,在工业和住宅领域的应用潜力受到重视和关注[4-5]。干热岩地热资源储存于埋深为3～10 km的花岗岩或致密变质岩,温度一般高于150 ℃,干热岩热能有效开发利用需要借助水力压裂、人工造缝在地下形成人工换热系统[6-7]。为保证人工造缝在高温条件下的有效进行,必须分析岩石的物理力学性质的热效应,明确高温作用下干热岩的物理力学性质是进行储层改造工程设计的基础。

人们研究高温作用下的岩石物理性质及热力学特性，孔隙度与渗透率作为重要的岩石物性参数,受高温作用后引起的岩石内部热损伤导致岩石微观孔隙结构发生变化,进而影响岩石的渗透性。徐小丽等[8]研究花岗岩在温度作用下微孔隙结构特征,认为岩石孔隙率随温度升高而增大,孔隙率的阈值温度在800 ℃左右,岩样孔隙分布分形维数随温度升高而降低。李林林等[9]通过高温处理后花岗岩渗透特性试验得出,随温度升高,花岗岩内部微裂纹逐渐发育,等效渗透系数表现为逐渐增加趋势,且温度越高,增大幅度越显著。CHEN S等[10]采用经典瞬态方法测试,结果表明温度超过500 ℃后,热致裂纹大量增加,岩石孔隙度及渗透率显著增加。TIAN H等[11]测试岩石总孔隙度得出,在热处理温度分别为600、800、1 000 ℃的情况下,总孔隙度比室温下分别提高2倍、3倍、8倍。随热处理温度升高,岩石孔隙度及渗透率呈指数式增加,且存在明显的变化温度阈值。岩石孔渗特性的变化主要是由高温使岩石内部结构破坏和微裂纹的产生及发育引起的,这种现象导致岩石热力学性质的改变。ZHAO X G等[12]观察花岗岩热致微裂纹在不同温度下的分布情况,分析微裂纹造成的岩石孔隙度的变化,解释温度升高、导热系数降低的原因。陈振鸣等[13]建立考虑岩石孔隙率为影响因素的花岗岩温度—导热系数关系模型,预测不同温度下的花岗岩导热系数。岩石受高温影响后,岩石的抗压强度、断裂韧性、弹性模量及泊松比等随温度升高总体呈下降趋势[14-18]。ZHANG L Y等[19]发现大理岩的峰值强度、弹性模量在常温升至400 ℃时出现波动,当温度超过400 ℃后，峰值强度、弹性模量随温度升高而逐渐下降。DING Q L等[20]通过扫描电镜观察发现,温度超过400 ℃后,岩石内部出现新裂纹,且原裂纹扩展幅度变大,使岩石弹性模量与峰值强度下降,从脆性向延性破坏转变。张志镇等[21]研究花岗岩力学特性的温度效应发现,随温度升高,弹性段的斜率降低,弹性模量随温度升高而降低,温度超过某阈值后,岩石峰值强度明显降低。

干热岩储层岩石岩性大部分为火山岩,少量储层为火山岩和变质岩的混合体,储层温度高,岩石更为坚硬,在物理力学性质方面与常规油气储层岩石存在明显差异[22-24]。对常规石油开采中的储层岩石研究较多,对干热岩在高温条件下的物理力学特性研究较少。笔者对不同温度条件下干热岩孔渗、导热系数等进行岩心测试分析；基于高温条件下孔渗性质等,借助联合研制的伺服控制高温高压岩石三轴测试系统,通过岩石力学单轴、三轴加载实验,揭示干热岩在高温作用下的变形破坏特征、抗压强度，以及断裂韧性等力学特征的变化规律,为干热岩人工换热系统储层改造工程设计提供参考。

1 方案设计

(1)首先测试试样质量、尺寸,分组编号,放入马弗炉热处理,以5 ℃/min加热速率,分别加热至25、50、100、150、200、250、300、350、400 ℃温度,加热至指定温度后,恒温2 h；然后自然冷却至常温状态。将待测试样放入孔渗联测仪孔隙度测量杯中,在进气压力为0.7 MPa下测试孔隙度；将试样放入渗透率测试杯,在围压为5.0 MPa、进气压力为0.7 MPa下测试渗透率。

(2)采用与实验(1)相同热处理方式,分别加热至25、50、100、150、200、250、300、350、400 ℃温度,恒温2 h后,自然冷却至常温状态；将试样放入导热系数仪,实验温度控制在30 ℃,同时,监测热平衡,当温度波动小于0.1 ℃时,停止监测,测试导热系数。

(3)采用伺服控制高温高压岩石三轴测试系统(见图1)，在单轴和三轴加载条件下,分别开展干热岩岩石力学性质在高温条件下的变化规律实验测试,包括断裂韧性、应力—应变特征、抗压强度、弹性模量及泊松比等。断裂韧性实验选用直切槽半圆盘试样(见图2(a)),热处理后采用单轴加载,位移控制加载模式,加载速率为0.15 mm/min,同时,监测声发射数据。岩石力学三轴实验前,采用马弗炉对直径为25 mm、长度为50 mm的花岗岩试样热处理(见图2(b～c)),以5 ℃/min恒定升温速率加热至预定温度,达到相应目标温度后,保持恒温2 h。三轴加载时，围压及孔隙压力分别为40.0、5.0 MPa,轴压加载采用应变控制模式,以0.04 mm/min加载直至试样破裂。

(4)每个温度点下选择3块试样加热处理,对热处理后的试样测试孔隙度、渗透率和导热系数,将3块试样测试结果取平均值作为该温度点下的测试参数。

2 结果与分析

2.1 孔隙度和渗透率

在高温条件下,干热岩内部微观孔隙结构因高温热损伤作用而产生相应变化,直接影响干热岩渗透性。不同热处理温度下,干热岩孔隙度及渗透率在相应进气压力及围压条件下测试结果见表1。由表1可知,随温度升高,干热岩孔隙度及渗透率总体上呈不断增大趋势。不同温度作用下干热岩孔隙度、渗透率曲线变化见图3。由图3可知,随温度从常温逐渐升至400 ℃的过程中,干热岩孔隙度增大0.86%,接近常温状态下的2.4倍。温度在25～50 ℃区间内,孔隙度变化不明显,当温度升至一定程度后,孔隙度增幅将逐渐减小至孔隙度相对稳定。与孔隙度随温度变化趋势相同,在50 ℃温度下的干热岩渗透率与常温状态下渗透率相对接近,渗透率随温度升高而逐渐增大,温度由100 ℃逐渐升至400 ℃的过程中,由常温状态下渗透率的1.21倍提升至2.41倍,增幅超过140%。干热岩在低于50 ℃温度条件下,温度对孔隙度、渗透率影响较小；随温度升高,孔隙度及渗透率将不同程度增大。

表1 不同温度作用下干热岩孔隙度、渗透率变化Table 1 Variation of porosity and permeability of hot dry rocks at different temperatures

干热岩的孔隙度和渗透率随温度的升高而不断提高,说明不同温度的热损伤作用破坏干热岩原有的微观孔隙结构,使原有微裂纹继续扩展或开启新的微裂纹；温度越高,破坏程度越大,干热岩的孔隙度和渗透率逐渐增大。

2.2 导热系数

不同温度条件下干热岩导热系数变化规律见图4。由图4可知,随温度升高,导热系数逐渐降低。热处理温度由常温状态逐渐升至400 ℃的过程中,导热系数下降超过49%。不同温度区间下,干热岩导热系数下降幅度见图5。由图5可知,温度在300 ℃范围内时,导热系数下降幅度约为12%,下降幅度较慢,当温度超过300 ℃后,干热岩导热系数下降幅度不断增大,下降幅度超过30%,说明存在一定的温度范围,使干热岩导热系数出现较大变化。温度逐渐升高,干热岩内部的微观孔隙增大,岩心内部各种矿物间原有孔隙增大和新生微裂纹数量增多,热量在岩心内部矿物颗粒间传递距离增大、传递时间增多,因此干热岩导热系数随温度升高呈降低趋势。

2.3 干热岩变形与破坏特征及抗压强度

不同温度作用下干热岩应力—应变关系见图6。由图6可知,在较低应力作用下,随应力水平逐渐增加,干热岩应力—应变曲线变为典型的非线性特征,主要是由干热岩内部已存在的微小裂隙在应力加载下闭合过程造成的。随温度增加,轴向应力—轴向应变曲线在初始阶段的斜率逐渐减小,干热岩的裂缝闭合阶段越明显,说明温度升高促进干热岩内微裂隙的产生,导致不可逆变形增大。常温状态(25 ℃)下(见图6(a)),当应力达到峰值时,岩样迅速破裂,呈脆性破坏特征。当温度升高至100 ℃时,干热岩塑性逐渐增强而强度降低(见图6(b))。应力加载过程中,屈服破坏阶段逐渐明显(见图6(c)),干热岩达到屈服极限后,应力—应变曲线斜率(弹性模量)迅速减小,同时,随微裂缝进一步扩展,微裂缝在干热岩内部不断连接贯通,从而形成宏观裂缝；宏观裂缝逐渐扩展,最终达到抗压强度而发生宏观破坏。不同热处理温度下岩石力学实验裂缝特征见图7。由图7可知,在三轴加载作用下,干热岩呈剪切破坏模式,随温度升高,干热岩裂缝破裂角度(破裂面与试样垂向中轴线间夹角)逐渐减小。

不同温度作用下干热岩抗压强度变化见图8。由图8可知,干热岩抗压强度变化主要分3个阶段。第一阶段,当温度在300 ℃范围内时,干热岩抗压强度呈缓慢上升趋势,但增大程度有限,较常温状态增大1%；第二阶段,当温度超过300 ℃后,抗压强度呈“断崖式”下降,400 ℃温度时，干热岩抗压强度为443.1 MPa,降低10%,存在明显的温度阈值,使抗压强度大幅减小；第三阶段,当温度继续上升,抗压强度继续缓速减小。

随温度升高,在300～400 ℃温度时,干热岩抗压强度和导热系数降低幅度最大,说明高温作用能够对干热岩内部结构形成劣化作用,从而降低抗压强度和导热性能。

2.4 弹性模量、泊松比

处于弹性阶段时,岩石应力应变的正比例关系为岩石弹性模量,计算式为

(1)

式中:E为弹性模量,即应力—应变曲线的斜率；Δσz、Δεz分别为轴向应力、应变的增量。

岩石处于弹性阶段时,横向应变与纵向应变之比定义为泊松比,即

(2)

式中:μ为泊松比；εc为径向应变；εa为轴向应变。

通过岩石力学实验测试,得到干热岩在每个温度段的应力—应变关系。由于应力—应变曲线通常是非线性的,在实际应用中通常在0.5破坏强度时的最大轴向应力处取定弹性模量E。根据实验数据,计算得到干热岩在不同温度作用下的弹性模量、泊松比见表2。

表2 不同温度下干热岩弹性模量、泊松比Table 2 Young's modulus and Poisson's ratio of hot dry rock at different temperatures

不同温度作用下干热岩弹性模量、泊松比变化见图9。由图9可知,温度在100 ℃范围内,干热岩弹性模量较常温状态下基本未发生变化,当温度升高至300 ℃时,弹性模量发生明显下降,降幅约为常温状态下的3%。温度继续升至400 ℃时,干热岩弹性模量由常温状态下的45.101 GPa降低为40.582 GPa,降低幅度超过10%,与抗压强度的变化趋势相一致,说明存在某一临界温度,使干热岩内部形成大量裂隙。干热岩泊松比随温度变化与弹性模量基本相似,温度由常温升至300 ℃时,泊松比逐渐减小,由常温状态下的0.136 4减至0.110 2,基本呈线性下降；当温度升至300 ℃以上时,泊松比继续缓慢减小。

随温度升高,干热岩的弹性模量及泊松比呈不同程度的下降,主要原因:一方面随温度升高,干热岩石中的水分逐渐脱离,使内部孔隙度及渗透率增大；另一方面,随温度升高,岩石内部颗粒受热形成不均匀膨胀,产生大量微裂隙。

2.5 断裂韧性

不同温度作用下干热岩轴向应力、声发射率及累计声发射数变化见图10。由图10可知,温度变化对干热岩声发射特性有较大影响。通常,未经热处理的干热岩试样在初始变形阶段声发射率及累计声发射数处于极低水平,随轴向应力水平增加,声发射事件在临近峰值强度时迅速增加。随温度逐渐升高,在加载前期产生较多的声发射事件,由于岩石中的声发射活动与微裂纹萌生、扩展,微裂纹穿过矿物颗粒和在矿物颗粒之间的萌生、扩展和合并有关,说明高温作用产生的热应力使干热岩内部产生微裂纹。

实验中,将断裂韧性KIC作为干热岩抵抗裂纹扩展能力的表征,是干热岩固有的性能指标,不受形状、尺寸和受力状态的影响。采用半圆盘试样进行三点弯曲实验,断裂韧性计算采用平面应变状态下量纲一的应力强度因子计算公式：

(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为裂缝长度；Pmax为破坏载荷；s为试样底部两加载点间距离；R为试样半径；B为试样厚度；Y*为量纲一的应力强度因子；β=a/R。

干热岩断裂韧性随温度的变化规律见图11。由图11可知,随温度升高,断裂韧性逐渐降低。当温度超过400 ℃时,断裂韧性为常温状态下的44.0%。当温度达到600 ℃时,断裂韧性减小为常温状态下的22.4%。随温度继续升高,断裂韧性低于常温状态下20%。断裂韧性实验试样见图12。由图12可知,温度升高后,干热岩在受同样力的作用下沿新的方向起裂扩展,因为高温作用导致岩样周围形成应力弱面,使裂纹扩展方向发生变化。

当热处理温度逐渐升高,干热岩的孔隙度和渗透率不断提高,导热系数不断降低,干热岩的力学参数随温度升高,说明干热岩的物性参数与力学参数随温度变化呈相反趋势,但整体的变化具有一致性。

2.6 干热岩微观结构检测

对300～400 ℃温度干热岩孔渗特性、抗压强度和弹性模量呈 “断崖式”下降的现象,分别在300和400 ℃温度时检测干热岩微观结构(见图13)。由图13可知,在300 ℃温度时,干热岩内部矿物间的界限较明显,其中石英(Qtz)和长石(Kfs)呈区块分布,干热岩内部微裂纹和微孔隙较少,从而使孔隙度、渗透率、抗压强度和弹性模量变小。当加热温度为400 ℃时,干热岩内部矿物间的界限增多,各种岩石矿物分布散乱,部分区域出现矿物交代穿孔现象,造成岩心内部微裂纹数量增多,在宏观上,表现为孔隙度、渗透率小及抗压强度和弹性模量的“断崖式”下降。

对每个温度点干热岩矿物组分质量分数进行测试,测试结果见表3。干热岩中石英质量分数最高,并且随温度升高,干热岩中石英质量分数呈降低趋势；在300～400 ℃温度时,石英质量分数从46.3%降到39.8%,降幅最大为16.3%。因此,在300～400 ℃温度时,抗压强度和弹性模量出现“断崖式”下降。随温度升高,石英质量分数下降,导致干热岩在进行抗压强度等破坏性实验时,在较低应力状态下达到应力极限,从宏观上表现为弹性模量和抗压强度降低。

表3 不同温度作用时干热岩矿物组分质量分数Table 3 Mass fraction of mineral composition of hot dry rock at different temperatures

3 结论

(1)在低于50 ℃温度条件下,温度对干热岩孔隙度、渗透率的影响较小；随温度升高,干热岩内部微裂纹逐渐发育,孔隙度、渗透率逐渐增大,400 ℃温度时干热岩孔隙度增大0.86%,接近常温状态下的2.4倍,渗透率增大超过140%；随温度升高,干热岩导热系数降低,温度超过300 ℃时,干热岩导热系数下降幅度超过49%,说明存在一定的温度范围使干热岩导热系数出现较大变化。

(2)随温度升高，干热岩塑性逐渐增强而强度降低。在300 ℃温度内,干热岩抗压强度呈缓慢提升趋势,超过300 ℃温度后,抗压强度呈“断崖式”下降；干热岩弹性模量、泊松比随温度升高而逐渐降低；温度超过300 ℃温度时,弹性模量较常温状态下降10%,泊松比基本呈线性下降。

(3)高温作用产生的热应力使干热岩内部产生微裂纹,随温度逐渐升高,在加载前期产生较多的声发射事件；同时,高温作用下，干热岩断裂韧性逐渐降低,温度超过600 ℃温度时,断裂韧性为常温状态下的22.4%。