熱沖擊作用下花崗巖滲透性演變規律試驗研究

成澤鵬，郤保平，b，楊欣欣，何水鑫，李曉雪

(太原理工大學 a.礦業工程學院，b.原位改性采礦教育部重點實驗室，太原 030024)

熱沖擊是指由于急劇加熱或冷卻，使物體在較短的時間內產生大量的熱交換，并在物體內部產生沖擊熱應力的現象[1]。巖石熱沖擊現象是巖石力學領域的一個重要組成部分，其在自然界與工程應用中的普遍存在吸引越來越多的學者進行深入研究。

在干熱巖地熱能領域，熱沖擊現象表現為人工熱儲建造過程中大量低溫流體與高溫巖石相互接觸，最終導致巖體內部裂隙的出現及擴展[2]。利用熱沖擊現象改善儲層性質，能更好地為工程服務，因此研究熱沖擊作用下高溫花崗巖的裂隙演化、力學特性以及滲透特性演變規律具有重要的現實意義。目前國內外學者的相關研究主要集中在熱對巖石破壞能力以及熱沖擊作用對巖石力學特性影響、裂隙演化等方面的研究，成果豐富，而對于熱沖擊作用下巖石的滲透特性變化的研究較少。熊貴明等[3]，郤保平等[4]對高溫狀態花崗巖遇水急劇冷卻后的力學特性、滲透性進行了研究，用熱沖擊因子表征熱沖擊對巖石破壞能力并對其進行定量劃分；王登科等[5]對溫度沖擊下巖石骨架以及裂隙結構演化規律進行了細觀試驗研究；靳佩樺等[6-7]研究了急劇冷卻下巖石滲透率隨巖石溫度變化規律及滲透率與孔隙率關系；黃中偉等[8]對比研究了液氮冷卻和自然冷卻兩種模式對高溫花崗巖的損傷特性影響以及滲透率變化規律；澳大利亞學者KUMARI et al[9]研究了不同冷卻模式下花崗巖的熱沖擊破裂特征以及急劇冷卻產生的熱沖擊效應對花崗巖的力學、微觀結構影響，提出熱沖擊破裂能產生較多裂隙，可有效改善流體在致密多孔介質中的流動性能的設想。

通過上述研究成果的列舉可以發現，針對熱沖擊作用下巖石滲透特性的研究集中在不同的冷卻模式對巖石破壞以及細觀結構變化[10-16]。而大量的試驗研究和理論分析表明：巖石在熱沖擊作用下，其力學性質的變化除和巖石本身溫度、冷卻介質有關外，還和冷卻介質溫度有關。針對冷卻介質溫度這一影響因素，以熱沖擊作用下高溫花崗巖滲透性演變規律為研究目標，設置不同冷卻介質以及冷卻介質溫度下的試驗研究并對試驗結果進行分析，總結熱沖擊作用下高溫花崗巖滲透性演變規律，為干熱巖地熱能開發提供依據。

1 試驗概況

1.1 巖樣與試件制備

本次試驗所采用的花崗巖樣品取自青海共和盆地龍才溝地區，經X射線衍射測定，主要礦物成分及質量分數：斜長石40%～50%，石英5%～20%，黑云母5%～10%，密度為2.65～2.67 g/cm3[17]。按照國際巖石力學標準利用取芯鉆機，巖石切割機，端面切磨機將試件加工為Φ25 mm×50 mm的標準試件，將其按照6種巖石溫度(100 ℃～600 ℃)以及4種冷卻方式(20 ℃，60 ℃，100 ℃水中熱沖擊冷卻和空氣中自然冷卻)分為24組，每組試件數量為3塊。圖1為試驗中所使用的部分試件。

1.2 試驗設備

1) SX2-12-12A型可編程控溫的馬弗爐，最高加熱溫度為1 200 ℃；2) 巖石熱沖擊破裂試驗臺[3]；3) Smart permⅢ氣體滲透率測量儀，滲透率測量范圍：1×10-21～1×10-14m2.

1.3 滲透率測試原理

由于選用的試件為致密低滲的花崗巖，一般的穩態法不能準確測量試件滲透率，本次滲透率測試中采用的是瞬時壓力脈沖衰減法。這種方法優點是可以測量滲透率低于1×10-16m2的低滲巖石，并且測量時間短，測量結果準確。測量原理是在夾持器內通過手搖泵給試件施加圍壓，利用控制系統對上下游兩端氣室均勻加壓，使氣室內部兩端孔隙壓相等;保持上游孔隙壓力不變，在下游氣室突然釋放一定量氮氣使上下游氣室內壓力差瞬間達到0.25 MPa，通過檢測上下游氣室壓力變化數據，依據脈沖衰減滲透率計算公式計算滲透率к[7]，圖2為滲透率測量儀裝置示意圖。

(1)

(2)

式中：α為衰減系數；μ為工作介質動力粘度系數；L為試件長度，m；A為試件截面積，m2；pm為平均孔隙壓力，MPa；Vs為上游氣室體積，m3；Vx為下游氣室體積，m3；ps(t)為某時刻上游氣室壓力，MPa；pd(t)為某時刻下游氣室壓力，MPa.

1-氮氣瓶；2-閥門；3-上游氣室壓力表；4-下游氣室壓力表；5-微滲閥；6-軸壓加載系統；7-圍壓加載系統；8-花崗巖試件；9-差壓傳感器；10-壓力表；11-數據采集控制系統

1.4 試驗流程

1) 將試件在馬弗爐中以5 ℃/h速度加熱至目標溫度，恒溫保持3 h，確保試件內部溫度達到目標溫度。

2) 在加熱試件同時啟動巖石熱沖擊破裂試驗臺，將冷卻介質加熱至目標溫度，打開循環泵保證試驗臺內冷卻介質溫度均勻，試驗臺內冷卻介質體積與試件體積比約為1 000∶1.

3) 將加熱結束后的試件放入試驗臺中進行冷卻，直至試件溫度與冷卻介質溫度相同時試驗臺停止運行。

4) 將冷卻結束的試件作烘干處理并裝入滲透率測量儀，在7 MPa的圍壓及3 MPa的孔隙壓下進行滲透率測試。

2 熱沖擊作用下花崗巖滲透性演變規律

在熱沖擊過程中，大量熱量在冷卻介質與試件之間交換，試件表面容易形成溫度梯度，產生的動態熱應力使試件內部發生破壞。而試件滲透率的變化可以較好地表征熱沖擊作用后花崗巖試件內部孔裂隙的變化規律。表1為熱沖擊作用下花崗巖滲透率測量結果，實測常溫標準試件滲透率為6.8×10-12m2.

表1 滲透率測量結果

2.1 熱沖擊作用下滲透率與巖石溫度的關系

圖3為熱沖擊作用下滲透率與巖石溫度的關系曲線。從圖中可以看出：高溫花崗巖在水中熱沖擊冷卻后其滲透率明顯增加。相較于常溫標準試件，600 ℃時花崗巖滲透率最高增加了0.72×10-15m2(20 ℃水中熱沖擊冷卻)，0.64×10-15m2(60 ℃水中熱沖擊冷卻)，0.70×10-15m2(100 ℃水中熱沖擊冷卻)，相比較常溫花崗巖的滲透率分別提高了105倍(20 ℃水中熱沖擊冷卻)，94倍(60 ℃水中熱沖擊冷卻)，103倍(100 ℃水中熱沖擊冷卻)。

在相同的冷卻條件下，滲透率增加幅度與巖石溫度呈指數變化關系，以60 ℃水中熱沖擊冷卻為例，巖石溫度從100 ℃到600 ℃，滲透率分別增加了0.29倍(100 ℃)，1.01倍(200 ℃)，2.53倍(300 ℃)，8.24倍(400 ℃)，23.56倍(500 ℃)，105.34倍(600 ℃).滲透率增加幅度越來越大原因在于熱沖擊作用時巖石溫度越高，交換的熱量越多，自然在巖石內部破壞產生的裂隙也就越多。

圖3 熱沖擊作用下滲透率與巖石溫度的關系

2.2 熱沖擊作用下滲透率與冷卻介質的關系

圖4為100 ℃～ 600 ℃范圍內空氣中自然冷卻和水中熱沖擊冷卻下滲透率的對比。自然冷卻組選擇的冷卻環境溫度為20 ℃，水中熱沖擊冷卻選用的是20 ℃水作為冷卻介質，兩組試件除冷卻介質種類不同外，其它條件均相同。

從圖4中可以看出，500 ℃范圍內隨著巖石溫度的升高,兩種處理方式下試件滲透率差距也越來越大，水中熱沖擊冷卻組試件的滲透率分別是自然冷卻組的1.2倍(100 ℃)，1.6倍(200 ℃)，1.9倍(300 ℃)，2.6倍(400 ℃)，4.0倍(500 ℃).由于兩種處理方式下試件的加熱溫度、加熱速率、加熱時間相同,加熱損傷基本一致，由此排除加熱過程中的影響。對比兩種處理方式下試件滲透率的不同，水中熱沖擊冷卻組對其滲透率的提升效果要強于自然冷卻組。水與巖石之間的對流換熱系數(200～1 000 W/(m2·K))遠大于空氣與巖石之間的對流換熱系數(1～10 W/(m2·K))，因此在熱沖擊過程中，單位時間內水巖換熱速度越快，交換的熱量就越多，水中熱沖擊冷卻組的試件在降溫速率和受熱沖擊破壞程度超過自然冷卻組，這就導致了水中熱沖擊冷卻組的滲透率比自然冷卻組大，并且巖石溫度越高代表著熱沖擊過程中交換的熱量越多，造成的破壞越嚴重。因此隨著巖石溫度的升高，試件滲透率也不斷增大。

600 ℃時水中熱沖擊冷卻的滲透率僅為自然冷卻時的1.5倍，這是因為加熱到573 ℃時，花崗巖內部石英顆粒發生相變造成試件內部發生破壞，兩組試件滲透率都有明顯增加，最終導致600 ℃時水中熱沖擊冷卻相較于自然冷卻滲透率提升效果不明顯。

圖4 空氣中自然冷卻和水中熱沖擊冷卻下滲透率的對比

2.3 熱沖擊作用下滲透率與冷卻介質溫度的關系

圖5為熱沖擊作用下試件滲透率與冷卻介質溫度的關系，隨著冷卻介質溫度的增加，滲透率出現先減小后增加的變化趨勢，說明冷卻介質的溫度與高溫巖石之間的溫差并不是決定熱沖擊作用下花崗巖滲透率變化的唯一因素。對比20 ℃水中熱沖擊冷卻和100 ℃水中熱沖擊冷卻情況，對于冷卻介質水來說，不同的溫度有不同的對流換熱系數，100 ℃水的對流換熱系數大于20 ℃時，而冷卻介質與巖石之間的瞬時溫差20 ℃大于100 ℃(100 ℃水與巖石的溫度又小于20 ℃)，這兩個因素相互影響導致熱沖擊破壞能力的衡量指標不能只看溫差或對流換熱系數。這是一個綜合影響的結果，因此需要一個新的參數來表征熱沖擊作用對巖石的破壞能力。

3 討論

根據上述研究可以發現，巖石溫度、冷卻介質種類以及冷卻介質溫度均會導致不同程度的熱沖擊破壞，因此衡量熱沖擊破壞能力的指標需要從熱沖擊的本質出發。

圖5 熱沖擊作用下試件滲透率與冷卻介質溫度的關系(上)和局部放大圖(下)

科學界普遍認為當巖石內部熱應力大于抗拉強度就會產生破裂。根據發生熱沖擊過程中某一時刻巖石內的動態熱應力值大小可對巖石熱破壞情況進行判斷，巖石熱破壞判別準則[18-19]：

στ≥σcri.

(3)

式中：στ為巖石熱沖擊過程中的熱應力，MPa；σcri為巖石的臨界抗拉強度，MPa.

引用動態熱應力不同于傳統熱應力，這是一個時刻處于變化的物理量，即熱應力在單位時間的變化量：

(4)

通過以上分析可以發現除熱膨脹系數和彈性模量巖石的固有性質外，熱沖擊破壞發生時溫度梯度對時間的導數也會直接影響動態熱應力的大小，因此提出熱沖擊因子，即單位時間內溫度梯度的變化量作為衡量熱沖擊對巖石破壞能力的物理量[20]。其數學表達式為：

(5)

式中：ω為熱沖擊因子，℃/(m·s)-1.

基于熱沖擊因子的概念，可以對熱沖擊作用時巖石內部受到的破壞進行定量表征，方便對工程中所遇到復雜的工況做判斷。由于目前現有手段無法直接測定熱沖擊因子，因此借助COMSOL模擬軟件，通過模擬熱沖擊過程，利用巖石熱沖擊時的降溫曲線計算溫度梯度對時間的導數，得到熱沖擊作用下花崗巖熱沖擊因子。限于篇幅，這里僅給出300 ℃～600 ℃范圍內高溫花崗巖分別在20 ℃,60 ℃,100 ℃恒溫水中熱沖擊冷卻過程數值模擬結果，如表2所示，模擬過程不再贅述，將模擬得到的熱沖擊因子與熱沖擊試驗中滲透率變化結果進行對比，繪制出熱沖擊因子與滲透率變化關系圖(見圖6).

表2 熱沖擊作用下花崗巖熱沖擊因子[20]

從圖6中可知，花崗巖試件的滲透率隨著熱沖擊因子的增大而增大，且滲透率的變化存在明顯拐點，當熱沖擊因子小于這一閾值時滲透率隨著熱沖擊因子的增大緩慢增大，當熱沖擊因子大于這一閾值時，滲透率隨著熱沖擊因子的增大快速增大。

圖6 熱沖擊因子與滲透率關系

在熱沖擊作用下試件內部不斷產生微裂紋，當熱沖擊因子超過某一閾值時，微裂紋相互貫通，滲透通道貫通，滲透率陡然增大。這說明熱沖擊因子可以表征試件內部熱沖擊損傷的嚴重程度，熱沖擊因子越大表明試件內部熱沖擊破壞越嚴重。

4 結論

1) 高溫花崗巖在熱沖擊作用下滲透率有明顯提升，滲透率增加幅度隨巖石溫度的升高呈指數變化關系，600 ℃花崗巖在熱沖擊冷卻后其滲透率相對普通試件最多提高105倍。

2) 熱沖擊作用下高溫花崗巖的滲透性與冷卻介質種類密切相關，500 ℃花崗巖在20 ℃水中熱沖擊冷卻后的滲透率為在20 ℃空氣中自然冷卻的4倍。

3) 冷卻介質與高溫巖石之間的溫差和對流換熱系數共同影響熱沖擊過程中熱量交換的速率進而影響到熱沖擊破壞的結果。

4) 花崗巖試件滲透率隨著熱沖擊因子的增大而增大，且滲透率的變化存在明顯拐點，說明熱沖擊因子可以作為衡量熱沖擊破壞能力的物理量。