高温高压作用下花岗岩人工储留层再破裂机理及其规律研究

One of the key technology of geothermal development is the construction of artificial reservoir. The fracture size, position and quantity determines the heat exchange area, and the area of heat exchange decides directly the effective heat output. Effective method on the construction of artificial reservoir is hydraulic fracturing, hydraulic fracturing method can produce a large crack, but the number of crack is relatively less. How to produce small fissures in the foundation of large cracks, which are communicated with each other, forming a fracture network, increase the heat exchange area, which is the project purpose. Namely using the high-temperature high-pressure really three axial test machine, study the re-rupture conditions of fractured granite under the action of high temperature and pressure in the process of heat exchange that is the interaction of heat stress that produced by the temperature gradient, water injection pressure and the original force; Through the observation of macroscopic and microscopic distribution of new crack, reveals its re-rupture mechanism; Through comprehensive analysis of theory and experimental data, find out re-rupture rule of artificial reservoir under high temperature and high pressure. To solve these problems, we can find effective methods or means to produce or control the crack development, increase the effective heat exchange area, improving the effective heat output. The research content has important theory and application value.

高温地热开发的关键技术之一就是人工储留层的建造，其裂隙的大小、方位和数量决定了其热交换面积，而热交换面积的大小直接关系到有效热能的产值。目前人工储流层建造的有效方法就是水压致裂法，水压致裂法可以产生大型的裂隙，但其数量相对少，怎样在大型裂隙的基础上再产生小型裂隙，使其相互贯通，形成裂隙网络，增加热交换面积，这就是本项目的宗旨，即通过大型高温高压真三轴试验机研究高温高压作用下裂隙花岗岩在与水进行热交换的过程中，由温度梯度产生的热应力、注水压力及原始应力场共同作用下产生再破裂的条件；通过观察新裂隙的宏观及微观分布，揭示其再破裂的机理；通过理论及实验数据的综合分析，找出高温高压作用下人工储留层再破裂的规律。解决这些问题后，就可以寻求有效的方法或手段去控制微裂隙的产生或发展，增加有效热交换面积，提高有效热能的产值，其成果具有重要的理论意义和应用价值。

针对高温地热开发中人工储留层的改造，开展了高温裂隙花岗岩在温度梯度、注水压力及原始应力场共同作用下的一系列物理力学特性的研究，得出：急剧冷却后试样的密度、 纵波速度、抗压强度、弹性模量及抗拉强度均单调下降；花岗岩的脆延性转化温度为 500 ℃～600 ℃，低于此温度，花岗岩主要表现为脆性破坏，高于此温度，花岗岩向延性转化，自由状态缓慢升温急剧冷却条件下，花岗岩渗透率变化的阈值温度为 400 ℃；实时温度下花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度升高总体呈下降趋势，极限应变随温度的变化规律呈 W 型；经应力循环后其弹性模量普遍提高，但温度不同提高的幅度不同，增大的量值主要发生在第 2 次应力循环，从第 2 次到第 50 次的应力循环中弹性模量的变化较小；各温度级别下，单裂隙花岗岩的裂隙水力开度及渗透率随渗透压力的上升均呈现小幅的增加；同一渗透压力条件下，单裂隙花岗岩的裂隙水力开度及渗透率与温度之间符合指数函数关系；各温度级别下，单裂隙花岗岩的水力传导系数均随渗透压力的增加而增加；高温渗流作用下，单裂隙花岗岩裂隙开度及渗透性随温度升高而降低是裂隙面的热膨胀变形和压溶作用的综合结果；数值模拟结果表明，渗流传热作用下试件中由于温度梯度而形成的热拉伸应力是裂隙围岩发生次生破裂的主要原因，并且沿着水流方向裂隙围岩中温度梯度诱发热应力逐渐减小，次生裂纹主要集中在裂隙入口附近围岩中，沿着水流方向裂隙围岩中的次生破裂程度逐渐减弱。研究成果揭示了处于高温状态的花岗岩遇水冷却后一系列的物理力学特性的变化规律；处于高温状态下的花岗岩在应力循环作用下的一系列力学特性变化规律；高温作用下裂隙花岗岩渗流传热中裂隙及裂隙围岩的破坏特征。其科学意义在于通过人为的方法使裂隙及其裂隙面产生瞬间的由高到低的温度梯度，进而引发冷破裂，提高人工储留层的渗透性及热交换面积，为人工储留层的进一步改造提供理论依据。