溫度循環及滲透壓對單裂隙花崗巖裂隙開度影響的實驗研究

徐軼塵，胡耀青，朱小舟，宋家琪，靳佩樺

(1.太原理工大學原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.上海寶冶集團有限公司建筑設計研究院，上海 200941)

0 引 言

干熱巖地熱能因其儲量大、安全穩定和清潔等優點被世界各國認為是未來重點開發能源之一[1]，干熱巖地熱能開采過程中，由于長期注入冷水，人工熱儲層及其周圍巖體的溫度會發生變化，引起儲層裂隙開度的變化，尤其在注入井附近，該效應更為明顯[2-3]。儲層的溫度變化導致花崗巖的導熱系數發生變化，進而影響熱交換效率[4]。此外，由于注入冷水而引起儲層的二次破裂也可提高熱能提取效率。熱儲層的破裂及裂隙的演化直接影響熱能的提取效率，因此本文重點研究單一裂隙花崗巖受溫度及水力循環作用過程中，花崗巖裂隙的演化規律，目的在于通過人為的控制方法，控制裂隙的演化，增加裂隙的滲透性及熱交換面積，進而提高熱能的提取效率。

賈春蘭等[5]通過25～90 ℃下巖體裂隙的滲透性實驗指出，初始時刻裂隙開度有一個增大過程，但最終趨于穩定；郤保平等[6]發現500 ℃內花崗巖滲透率隨著經歷溫度呈增大趨勢，但其增大幅度較小；盛金昌等[7]開展了25～90 ℃和0.40 MPa滲透壓條件下的裂隙巖體滲流實驗，發現巖體裂隙開度隨時間的變化而減小；王志良等[8]用數值模擬得出了巖體單裂隙面在壓力下的滲流特征；LUO等[9]測試不同圍壓和溫度下的單裂隙花崗巖的滲透性，結果表明花崗巖的溫度升高裂隙開度呈減小趨勢。SHU等[10]發現25～200 ℃下，升溫及降溫過程中花崗巖的裂隙開度逐漸降低。POLAK等[11]測試20～150 ℃下石英巖裂隙的滲透性，結果表明，圍壓恒定時隨溫度升高石英巖裂隙開度呈下降趨勢，且在升溫階段裂隙開度變化較大。

綜上所述，前人關于溫度循環變化對裂隙滲流過程裂隙開度變化的研究較少，因此本文對100～300 ℃的花崗巖進行溫度循環滲流實驗，并對花崗巖裂隙的演變規律進行分析，為相關領域研究提供參考。

1 實驗概況

1.1 巖樣制備

本試驗所用的花崗巖試樣來自山東日照，該地區屬于山東沂沭斷裂帶干熱巖資源勘查的預測靶區[12]。該花崗巖主要成分為：斜長石(30%)、鉀長石(40%～45%)、石英(20%～25%)，黑云母(3%～5%)及少量角閃石。常溫下該花崗巖的部分物理力學參數見表1。

表1 花崗巖物理參數Table 1 Physical and parameters of granite

按照國際巖石力學學會試驗標準，將取自山東日照的大塊花崗巖巖樣加工為直徑50 mm，高度100 mm，兩端面不平行度小于0.02 mm的圓柱形試樣，見圖1(a)。利用2 000 kN伺服壓力機及劈裂裝置將圓柱形試樣沿中心矩形界面劈為兩部分，見圖1(b)。花崗巖試樣的裂隙面粗糙不平，其凹凸程度也不同，為使實驗結果準確，本實驗取三塊試件數據的平均值分析[13]。

圖1 試驗所用花崗巖試樣Fig.1 Granite samples used in the experiment

1.2 實驗設備

本實驗所用儀器為太原理工大學自主研發的多功能高溫三軸伺服控制試驗機，如圖2所示。該試驗機最高軸向力為1 000 kN，最大側向壓力為2 000 kN。該試驗機可實現最高溫度為650 ℃的高溫巖石滲流試驗，由液壓加載系統、高溫三軸壓力室、溫控加熱系統、水冷卻系統、滲流測試系統及水溫測試系統組成。

圖2 多功能高溫三軸伺服控制試驗機Fig.2 Multifunctional high temperature triaxialservo control testing machine

本試驗溫控精度為±1 ℃，滲流液體由出口的燒杯收集，并采用精度為0.01 g的電子天平進行實時稱重。本實驗采用的恒壓泵流量范圍為0.1～30.0 mL/min，工作壓力范圍0～20 MPa。記錄出口、入口處的壓力及流量，通過計算可得裂隙開度，計算公式見式(1)。

(1)

式中：L為試件長度，m；q為流量，m3/s；D為試件直徑，m；ΔP為滲透壓差，滲透壓力與背壓的差值，Pa；μ為水的動力黏度系數，Pa·s，其值與溫度有關。查閱文獻[14]后，本試驗所用流體的動力黏度系數見表2。

表2 水的動力黏度與溫度的關系Table 2 Relationship between the dynamic viscosity ofwater and temperature

1.3 實驗步驟

1) 用錫箔紙纏繞劈裂的單裂隙試件，并將其固定在高溫三軸壓力容器底座上，按照試驗機的操作規程，將純耐高溫石墨盤根裝入高溫三軸壓力室內，石墨盤根起密封及傳遞側向壓力的作用，并連接滲流測試系統。

2) 對試件加載軸壓及圍壓至15 MPa，待壓力穩定后保壓2 h，檢查試驗系統的密封性。

3) 將試件升溫至設定值后保溫2 h。然后在底座的入水口以恒定的壓力注水，同時在壓力室出口收集流出水，采用電子天平實時稱重校核，待流量穩定后再記錄流量數據。

4) 在預定溫度下逐級增加注水壓(1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa)，并記錄流量數據，再將試件降至常溫，保溫4 h后再加熱試件至預定值，此為一次循環實驗。本試驗共設置100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃五個溫度梯度，各溫度下分別進行10次循環實驗。

1.4 測量結果

經上述實驗后，將測量數據用式(1)計算，其結果見表3。

表3 各級溫度下的平均裂隙開度Table 3 Average fracture aperture at different temperatures

續表3

2 實驗結果分析

2.1 滲透壓對裂隙開度的影響

圖3是100～300 ℃時10次溫度循環作用過程中，花崗巖裂隙開度與滲透壓力的關系曲線圖。由圖3可知，不同溫度下裂隙開度隨滲透壓增大而增大的幅度不同。

圖3 花崗巖裂隙開度與滲透壓關系曲線Fig.3 Relationship curve between granite fracture opening and osmotic pressure

在100 ℃時，滲透壓從1 MPa增加到3 MPa時，閉合的裂隙張開，裂隙開度增大；當滲透壓高于3 MPa時，裂隙開度增大的趨勢放緩，這可能是當滲透壓高于3 MPa時，一方面裂隙在張開，另一方面由于高滲透壓使得裂隙面上一些細小的黏結力差的顆粒剝離，這些顆粒的一部分會充填滲透通道，另一部分隨水流出，顆粒充填導致流量變小，所以計算所得裂隙開度相對減小。

因計算裂隙開度采用式(1)，在式(1)中，變化的參數只有流量與滲透壓，在滲透壓一定時，流量決定了裂隙開度的大小，而流量不僅與裂隙開度有關，同時還與裂隙的充填物有關，而式(1)中并未反映充填物的影響，這也可能是造成本實驗結果的主要原因之一。

150～250 ℃時，裂隙開度隨滲透壓的變化趨勢與100 ℃時基本相同，但裂隙開度變化幅度的轉折點是滲透壓為4 MPa，即低于4 MPa時裂隙開度增大幅度比較大，高于4 MPa時，裂隙開度增大幅度比較小，其原因一方面與100 ℃時相同，另一方面由于溫度增高，相應的花崗巖熱膨脹應力增加，導致裂隙開度有所下降。

300 ℃時，裂隙開度的變化規律整體趨勢與100～250 ℃時相同，但最本質的區別是裂隙開度增加的幅度變小，突變點變為5 MPa，且5 MPa之前裂隙開度增加的幅度低于5 MPa之后裂隙開度增加的幅度，由圖5(c)可以明顯看出這一點，正好與100～250 ℃的相反，此原因可以歸結為溫度的影響，300 ℃時，由于花崗巖的溫度較高，在注水過程中，裂隙面急劇冷卻產生熱破裂，即裂隙表面產生微裂紋或表面顆粒剝離，充填了裂隙，同時熱膨脹力使得裂隙有一定程度的閉合，導致裂隙開度增加的幅度在同樣條件下(同樣循環次數與滲透壓)小于前兩個溫度點。 另一方面，當滲透壓增加到一定程度時(5 MPa)，剝離的顆粒在高滲透壓力作用下沿裂隙流出，造成滲透能力增加，流量增加，最終表現為有效裂隙開度(總裂隙開度減去充填物的厚度)的增加，而在300 ℃之前，由于其剝離的顆粒相對少，顆粒與裂隙面的摩擦力大，滲透水壓力不足以沖走顆粒或很少顆粒被沖走，使裂隙開度增加變緩。

2.2 溫度對裂隙開度的影響

由于實驗中溫度循環次數較多，因此圖4給出了循環次數為1次、4次、7次和10次花崗巖裂隙開度與溫度關系曲線圖。從圖4可以看出，無論溫度循環次數為多少，裂隙開度都隨溫度的升高而降低，但其降低的趨勢略有不同，由于裂隙開度不僅受溫度的影響，同時還受到滲透壓力、溫度循環次數以及應力狀態等的影響，是眾多因素綜合作用的結果。溫度對裂隙開度的影響主要表現為兩個方面，一方面是熱膨脹力，使得裂隙開度減小，另一方面是高溫熱破裂產生的剝離顆粒充填了裂隙，導致有效裂隙開度降低。

圖4 花崗巖裂隙開度與溫度的關系曲線Fig.4 Relationship curve between granite fracture opening and temperature

2.3 循環次數對裂隙開度的影響

圖5繪制了10次溫度循環實驗后，裂隙開度與循環次數的關系曲線。由圖5可知，在100 ℃、滲透壓1 MPa時，10次循環實驗后，裂隙開度基本保持不變，而在滲透壓2～6 MPa時，前9次循環實驗后裂隙開度明顯變小，但當循環次數為10次時，裂隙開度有微小的反彈趨勢。其原因為100 ℃時，溫度相對低，熱破裂作用相對較小，裂隙的張開度主要受滲透壓和熱膨脹力的作用，而滲透壓為1 MPa時，引起的裂隙開度變化相對比較小，經溫度循環后，不足以導致裂隙的變化，所以其裂隙開度基本保持不變。但當滲透壓大于等于2 MPa時，滲透壓使得裂隙張開程度變大，溫度循環使得熱膨脹力循環變化，導致裂隙張開、閉合循環作用，這種循環作用可使非嚙合的裂隙變為嚙合裂隙，粗糙裂隙轉化為光滑裂隙或充填裂隙，最終導致有效裂隙開度降低，當循環次數再增加時，充填會繼續增加，同時充填物在滲透水壓力的作用下會被沖刷帶走，嚙合裂隙又轉化為非嚙合裂隙，導致有效裂隙開度又增大。

150～250 ℃時裂隙開度的變化比較相似，由圖5可知，三個溫度下首次循環與二次循環裂隙開度下降的幅度比較大。后面的循環中，在150 ℃下，1～6 MPa循環次數增加，裂隙開度一直呈降低趨勢。在200 ℃下，滲透壓低于5 MPa時，循環次數增加，裂隙開度也增大，滲透壓力高于5 MPa時，裂隙開度一直呈降低趨勢；而在250℃下，該現象的分界滲透壓為3 MPa。但在循環次數為10次時，150～250 ℃下裂隙開度都有反彈增大的趨勢。在300 ℃下，滲透壓為1 MPa時，10次循環實驗后裂隙開度基本不變。滲透壓為2～6 MPa時，裂隙開度在前幾次循環實驗過程中呈下降趨勢，之后又緩慢增大，裂隙開度整體上有增大的趨勢，其原因與100 ℃時的說明相同。

圖5 花崗巖裂隙開度與循環次數的關系曲線Fig.5 Relationship curve between granite fracture opening and cycle times

本實驗的溫度-水力循環只有10次，但從整體推演，隨著循環次數的不斷增加，裂隙開度最終有增加的趨勢，溫度越高，增加的趨勢越明顯。如本實驗300 ℃時，5次循環實驗后的裂隙開度逐漸增大。裂隙開度隨著溫度循環次數的變化是一個起伏波動的趨勢，溫度越高，起伏波動越復雜，其主要原因除了以上的解釋外，還有隨溫度的升高，裂隙內既有水的滲透，又有水蒸氣的滲透，可以說是氣液二相流體，而氣液二相流的滲透本身就比較復雜，滲透不穩定，實驗現象也可以說明這一點，盡管在出水管端設置了冷卻降溫系統，保證出水口為液態水，但其出水量并不穩定均勻，時大時小，滲透壓增大時，該現象更加明顯。

3 討 論

3.1 溫度引起的裂隙損傷對裂隙開度的影響

花崗巖在300 ℃時發生熱破裂[15]，而當花崗巖低于300 ℃時，受熱使其裂隙面間產生熱應力，與花崗巖外部高壓同時作用下，導致裂隙面之間相互擠壓，當壓力超過裂隙面結構強度時，裂隙面就會破壞，導致裂隙開度減小。

當溫度達到300 ℃時，一方面高溫使花崗巖受熱膨脹，其物理力學特性發生變化[16-17]，特別是膨脹變形使裂隙產生閉合。另一方面花崗巖產生熱破裂，裂隙面內部也產生裂紋，當裂紋連通網絡時，裂隙整體滲透率會產生明顯的變化[18]，即滲透通道張開，裂隙開度增大。與此同時，裂隙表面也會產生損傷，造成顆粒的剝離，當顆粒積累到一定程度時，充填了裂隙滲透通道，有效的裂隙開度將降低。從裂隙的滲透能力來講，這是兩個互為相反的作用，本實驗可以說明，如沒有其他作用影響(如水力沖刷)，溫度的升高會導致有效裂隙開度的降低，即熱膨脹變形與熱破裂顆粒充填降低滲透能力的程度大于熱破裂形成裂隙網絡增加滲透能力的程度。

3.2 滲透壓力對裂隙開度的作用

前人的研究表明滲透壓力的增大導致裂隙開度變大，本文也得出相同的結論，但本文涉及到了溫度及溫度的循環作用，即在不同的溫度下，滲透壓力導致裂隙開度變化的程度是不同的，如在同一滲透壓作用下，溫度越高，裂隙開度增大的數值越小，圖3和圖4可以充分說明這一點。而溫度的循環作用，無論循環溫度為多少，在同一滲透壓下，起初的數次溫度循環中，裂隙開度是降低的，但循環次數增加時，裂隙開度有增大的趨勢，且溫度越高增大的趨勢越明顯，其原因在實驗結果分析部分中已說明，但循環次數為多少時裂隙開度開始增大，本次實驗還不能定量分析。由于本次實驗只進行了10次溫度循環，在100 ℃時，第10次循環裂隙開度開始增大，150～250 ℃時，第9次循環裂隙開度開始增大，300 ℃時，第6次循環裂隙開度開始增大，由此可見溫度越高，裂隙開度則越快開始增大。

3.3 溫度循環引起的裂隙損傷對裂隙開度的影響

溫度的高低循環無疑會引起圍巖及裂隙的膨脹與收縮，導致裂隙面產生疲勞損傷[18]，溫度越高這種作用越明顯，疲勞損傷與熱破裂增加了裂隙的厚度，但裂隙的滲透性并不一定會增加，如當細小的熱破裂顆粒充填了滲透通道時，滲透能力會降低，最終表現為有效裂隙開度的降低，但當這些細小的顆粒被壓力水沖走時，表現為滲透性的增加及有效裂隙開度的增加。溫度循環次數的多少決定力損傷及破裂的程度，循環次數越多，這種損傷破裂程度越高，細小顆粒被水沖走的可能性越大，最終表現為有效裂隙開度的增加。

4 結 論

本文是在一定圍巖應力作用下進行的實驗，即垂向與側向都為15 MPa時的實驗，近似模擬600 m深的靜水壓力狀態，模擬的地層溫度為100～300 ℃，在這種狀態下研究溫度循環及注水壓力對裂隙開度的影響，目的是揭示溫度狀態、溫度循環及滲透壓力對裂隙開度的影響，可以通過人為控制的方法，增加裂隙的滲透能力，進而提升熱開采效率。實質上，地層應力的大小及方向對裂隙開度的影響是很大的，本文未進行研究，今后將深入開展這方面的研究，通過本文固定應力狀態下相關的實驗，重點歸納結論如下所述。

1) 無論溫度為多高，裂隙開度隨滲透壓的增加也逐漸增大，溫度不同，裂隙開度隨滲透壓增加而增大的幅度不同，并存在轉折點。100 ℃滲透壓高于3 MPa時，裂隙開度增加的幅度變小。150～250 ℃滲透壓高于4 MPa時，裂隙開度增加的幅度變小。而300 ℃滲透壓高于5 MPa時，裂隙開度增加的幅度變大。

2) 滲透壓為1～6 MPa時，裂隙開度都隨溫度的升高而降低，但降低的幅度略有不同。

3) 在100～300 ℃時，同一滲透壓下，起初的數次溫度循環中，裂隙開度呈減小趨勢。當循環次數時，裂隙開度也增大，且溫度越高增大趨勢越明顯。100 ℃第10次循環時，裂隙開度開始增大，150～250 ℃第9次循環時，裂隙開度開始增大，300 ℃裂隙開度則在第6次循環開始增大。