变幅冷却循环花岗岩单轴压缩强度及变形破坏演化规律

辛光明，郑 勇，党金铭，王绪奎，沈建波，于海峰，李 猛，闵 祺

(1.济宁能源发展集团有限公司，山东 济宁 272000；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

干热岩作为深部增强地热系统(EGS)主要供热源，其力学性能及破坏特征的改变直接影响着增强地热系统的稳定性及开采技术参数选择，进一步决定了热能开采效果。因此，干热岩成为学者进一步认识深部增强地热系统的主要研究对象[1-3]。众所周知，干热岩体主要为结晶类岩体，以花岗岩居多，故而基于室内试验开展高温环境下花岗岩的力学性能及变形破坏特征研究成为学者认识及推进深部增强地热发展的主要手段。

目前，国内外学者已开展大量室内高温花岗岩力学性能及破坏特征相关研究工作，并取得了颇丰成果。JUSTO等基于室内四点弯曲及巴西劈裂试验发现，花岗岩抗拉强度及断裂韧度随温度升高而降低[4]；MENZHULIN等认为温度对花岗岩强度的影响存在一个阈值，低于该阈值，花岗岩强度随温度增加而升高，超过该阈值，花岗岩强度随温度增加而降低[5]；卢运虎等认为高温导致干热岩力学性能劣化的主要原因为黑云母脱水、方解石分解及晶内、晶间产生大量裂缝[6]；张志镇等认为500～800 ℃是花岗岩孔隙结构改变的阈值温度区间[7]；KUMARI等通过多种试验监测手段发现，高温引起大量原始裂纹闭合及不稳定裂纹扩展是花岗岩破坏机制由脆性向准脆性转变的主要原因[8]；罗生银等分别测试高温自然冷却处理花岗岩与实时高温花岗岩力学性能，得到高温自然冷却处理花岗岩力学性能弱化程度大于实时高温花岗岩力学性能的结论[9]；石恒等借助改进的霍普金森试验装置，研究不同实时高温下花岗岩动力响应及吸能特性[10]；SHA等对比分析了经不同冷却方式(自然冷却、水冷却及液氮冷却)处理高温花岗岩损伤程度，发现液氮对花岗岩损伤最为严重[11]；李春等研究了不同温度循环次数及冷却方式对花岗岩抗拉强度及破坏特征的影响[12]；郤保平等对比研究了不同冷却模式对高温花岗岩劣化程度的差别[13]；此外，郤保平等还认为热冲击速度及热冲击因子是影响花岗岩力学强度主要因素，与热冲击温差关联性不大[14]；胡跃飞等通过室内试验探索温度及应力循环过程中花岗岩力学特性变化规律[15]。基于以上分析总结发现，国内外学者已从高温后处理、实时高温处理、冷却方式及冷却循环等方面大量研究分析了花岗岩力学性能及破坏特征变化规律，为增强地热系统储层激发及热能回采过程中技术参数的选择提供了一定理论参考。然而，深部增强地热储层激发及热能回采过程中，地热储层干热岩所处环境更倾向于变温冷却循环，针对这一问题，国内外学者鲜有报道。

为再现变温冷却循环过程中花岗岩力学性能及破坏特征演化规律，文中开展不同变温幅度冷却循环处理花岗岩单轴压缩力学性能测试试验，该研究结果对深部增强地热开采具有重要的借鉴意义及理论指导价值。

1 EGS工程问题分析

深部增强地热系统开发的2个主要关键过程为储层激发与热能回采。储层激发主要是通过持续高压冷水压裂致密干热岩储层，完成注入井与生产井的连通，进而达到换热循环的目的，如图1(a)所示。热能回采主要是在储层激发建设完成的基础上，通过注入井将冷水介质持续的注入地热储层中，地热储层中的冷水介质通过热传导作用将热能带到地表，实现工业发电，如图1(b)所示。然而，在这2个生产过程中，外界冷水的持续注入使得储层岩体受到循环的变温水冷却作用，这一现象加剧了储层干热岩体局部损伤，严重可导致地热储层出现水介质漏失及储热效果降低等问题。

基于以上问题分析，有必要开展变温幅度冷却循环花岗岩力学强度及破坏特征演化规律研究，这是促进增强型地热开发发展的基础工作，对进一步认识及推进深部增强地热发展具有一定的指导意义与参考价值。

据统计，目前国内外大多数增强地热矿井井深范围为3 000～6 000 m，目标储层温度多数处于200～400 ℃。因此，文中选取了中间温度300℃作为本次目标地热储层的研究对象。

2 试验方案设计

2.1 试件制备

花岗岩试件取自山东莱州，该岩样致密，无裂纹。为有效控制单一变量，尽量减少其他因素影响，本次试验所用试件全部取自同一块岩样的同一个方向，并将花岗岩加工成大量高径比为2∶1的φ35×70圆柱试样。

2.2 加热方案

加热试验选取10，15及20 ℃这3个变量作为温度幅度变量，每个温度降低幅度分别进行4次、8次及12次冷却循环，共计9组试验，每组试验需3个试样，共计27个试样。本次加热试验在马弗炉中进行，具体加热试验操作步骤如下。

1)首先通过声波探测从以上制备的大量圆柱试样中选取波速相近的27个试样，并将它们平均分成9组，然后将试件进行编号，具体方案见表1。

表1 试件加热方案

2)以10 ℃温度降低幅度为例，将该温度降低幅度下的9个试件放入马弗炉中，以5 ℃/min速率[16-17]将试件加热至目标温度300 ℃，保持该温度8 h，然后将加热的花岗岩快速放入静置的常温水中，直至冷却至常温。

3)将冷却后的花岗岩试件再次放入马弗炉中，以同样的加热速率加热至290 ℃，保持该温度8 h，然后将加热后的花岗岩快速放入常温水中，直至冷却至常温。

4)以此重复步骤3)，但加热温度每次降低10 ℃，4次循环后取出3个试样，8次循环后取出3个试样，12次循环后取出3个试样。

5)按照2)、3)、4)步骤操作，完成15 ℃温度降低幅度及20 ℃温度降低幅度的加热试验。

2.3 试验设备及方法

单轴压缩试验所用设备为AG-X250岛津电子万能试验机，如图2所示。加载过程采用位移控制方式，加载速率为0.01 mm/s，直至试样发生破坏。试验加载过程采用PCI-2声发射监测系统同步进行能量监测，系统门槛值设置为40 dB，浮动门槛6 dB。同时，采用摄像机记录裂纹扩展至破坏失稳全过程。

3 花岗岩力学性能分析

3.1 花岗岩峰值强度

图3展示部分不同变温幅度冷却循环处理花岗岩应力-应变曲线随循环次数变化规律(其中D-30-3代表常温花岗岩)，它们均可划分为压密、弹性、屈服及破坏4个阶段。经不同变温幅度处理后的花岗岩平均单轴抗压强度如图4所示。在温度降低幅度10 ℃条件下，经4次、8次及12次变温冷却循环处理后的3组试件平均单轴抗压强度变化如图4(a)所示，随循环增加至12次，平均单轴抗压强度由90.24 MPa降低至64.44 MPa，降幅为28.59%；当温度降低幅度为15 ℃时，经4次、8次及12次变温冷却循环处理后的3组试件平均单轴抗压强度变化如图4(b)所示，随循环增加至12次，平均单轴抗压强度由92.51 MPa降低至80.51 MPa，降幅为12.97%；在温度降低幅度20 ℃条件下，经4次、8次及12次变温冷却循环处理后的3组试件平均单轴抗压强度变化如图3(c)所示，随循环增加至12次，平均单轴抗压强度由100.77 MPa降低至93.95 MPa，降幅为6.77%。

在循环分别为4，8及12次条件下，随着温度降低幅度由10 ℃增加至20 ℃，单轴抗压强度分别增加了11.66%，28.06%及45.79%。

3.2 破坏过程声发射能量演化

声发射信号可以很好的反应加载过程岩石动态破坏演化过程[18-20]。经不同变温冷却循环处理花岗岩峰值前累积声发射能量信号整体呈一定规律性，如图5所示。相同循环次数下，花岗岩峰值前累积声发射能量信号随温度降低幅度增加而增加，在4次循环时，随温度降低幅度由10 ℃增加至20 ℃，花岗岩峰值前累积声发射能量信号由9.25×105增加至1.03×106，增幅为12.00%；当循环次数为8次时，随温度降低幅度由10 ℃增加至20 ℃，花岗岩峰值前累积声发射能量信号由8.30×105增加至1.02×106，增幅为22.40%；在12次循环条件下，随温度降低幅度由10 ℃增加至20 ℃，花岗岩峰值前累积声发射能量信号由7.52×105增加至9.82×105，增幅为30.54%。

相同温度降低幅度条件下，花岗岩峰值前累积声发射能量信号随循环次数增加而降低。当温度降低幅度分别为10，15及20 ℃时，随着循环增加至12次，累积声发射能量信号分别降低了18.63%，7.04%及5.16%。

以温度降低幅度10 ℃，冷却循环12次时花岗岩破坏过程为例，对比分析了变温冷却循环前后花岗岩破坏过程声发射能量演化特征。常温花岗岩及变温冷却循环处理花岗岩整个破坏过程均可划分为压密—线弹性—屈服—破坏4个阶段，如图6所示。

与常温花岗岩相比，变温冷却循环处理后花岗岩裂纹压密闭合阶段时间明显延长。这表明变温冷却循环过程中，反复的张压应力作用破坏了花岗岩完整结构，导致其内部微裂纹数量大幅增加，进而使裂纹闭合阶段时间明显延长，该阶段声发射能量信号保持低值稳定发展。同时，相比常温花岗岩，变温冷却循环处理后花岗岩的屈服阶段也明显延长，声发射能量峰值信号值分布范围扩增。这主要是因为变温冷却循环破坏了花岗岩结构的完整性，内部微裂隙充分发育，在轴向荷载作用下，微裂纹起裂、扩展及连通，花岗岩整体破坏更加破碎。

4 花岗岩宏观破坏模式

表2为部分变温冷却循环花岗岩宏观破坏。常温花岗岩为剪切破坏模式，破坏时花岗岩产生了2条剪切裂纹。当温度降低幅度为10 ℃且保持不变时，经4次循环处理后的花岗岩以拉剪混合破坏为主，破坏时产生了3条拉伸裂纹及4条剪切裂纹，试件开始出现剥落现象，剥落深度约4.2 mm。自8次循环处理开始，花岗岩破坏以张拉破坏为主，花岗岩破坏产生的裂纹数量出现降低趋势，但剥落面积进一步增加，当循环达到12次时，剥落深度约为23 mm，剥落高度近50 mm。这主要是因为，叠加的热应力加剧了花岗岩的损伤，内部微裂纹充分发育，在外界荷载作用下，微裂纹起裂、扩展及连通，形成剥落区。

以12次循环为代表，该循环条件下的不同温度降低幅度处理后的花岗岩破坏均以张拉破坏为主。并且随温度降低幅度增加，花岗岩破坏产生的张拉裂纹数量增加，但是剥落现象逐渐减弱至最终消失。这主要是因为，随温度降低幅度增加，热应力强度减弱，花岗岩内部损伤程度减缓，花岗岩整体产生的微裂纹数量及范围减小，在外界荷载作用下，岩石破坏相对更加均匀，因此会出现剥落现象减弱至最终消失的现象。

5 结 论

1)在温度降低幅度分别为10，15及20 ℃条件下，随循环增加至12次，花岗岩单轴抗压强度分别降低了28.59%，12.97%及6.77%。当循环分别为4，8及12次时，随温度降低幅度由10增至20 ℃，花岗岩单轴抗压强度分别增加11.66%，28.06%及45.79%。

2)花岗岩破坏时的累积声发射能量随温度降低幅度增加而增加，但是随循环次数增加而降低。当温度降低幅度分别为10，15及20 ℃时，随循环次数增加至12次，累积声发射能量分别降低了18.63%，7.04%及5.16%。当循环分别为4，8及12次时，随温度降低幅度由10 ℃增加至20 ℃，累积声发射能量分别增加12.00%，22.40%及30.54%。

3)经变温冷却循环处理的花岗岩破坏以拉剪混合及张拉破坏2种模式为主。相同温度降低幅度下，随循环次数增加，花岗岩破坏由拉剪混合破坏向张拉破坏转变，破坏产生的裂纹数量减少，但剥落面积增加。相同循环次数下，破坏产生的裂纹数量增加，但剥落面积减少并逐渐消失。