超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究_赫文豪.pdf

华南师范大学学报(自然科学版)Journal of South China Normal University(Natural Science Edition)2022，54(6):1622doi:106054/jjscnun2022080收稿日期:20220307华南师范大学学报(自然科学版)网址:http:journalnscnueducn基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFA0708302);国家自然科学基金项目(U19B600305，52004296，52274016);地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心开放课题(21018);中国石油大学(北京)科研基金项目(2462022YXZZ007，2462022BJC012)*通信作者:史怀忠，Email:shz cupeducn超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究赫文豪1，2，臧雨3，刘利1，2，史怀忠3*，黄中伟3，宋先知3，王天宇3，4，刘子龙1，2(1 中国石油大学(北京)油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249;2 中国石油大学(北京)理学院能源交叉学科基础研究中心，北京 102249;3 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;4 地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心，长春 130026)摘要:为提高深层干热岩破碎效率，以干热岩地层常见岩性花岗岩为研究对象，提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究。鉴于室内实验方法的局限性，主要采用数值模拟和理论计算等研究方法，建立了高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型，探究了硬质花岗岩在温度压力联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制。研究发现:在单轴径向压缩载荷下，高温花岗岩各向应力分布受到显著扰动，岩石沿横轴拉伸应力、两端载荷施加位置附近压缩应力和剪切应力均显著减小，导致裂纹越容易扩展。温度越高，岩石损伤越明显，其岩石抗拉强度越低。研究结果揭示了温度作用下花岗岩力学性质演化规律，可为深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。关键词:干热岩;花岗岩;温度;巴西劈裂;拉伸;应力场中图分类号:P314文献标志码:A文章编号:10005463(2022)06001607Numerical Study on Evolution Law of the Mechanical Properties ofGranite under UltraHigh Temperature ConditionsHE Wenhao1，2，ZANG Yu3，LIU Li1，2，SHI Huaizhong3*，HUANG Zhongwei3，SONG Xianzhi3，WANG Tianyu3，4，LIU Zilong1，2(1 Beijing Key Laboratory of Oil and Gas Optical Detection Technology，China University of PetroleumBeijing，Beijing 102249，China;2 Basic esearch center for Energy Interdisciplinary，China University of PetroleumBeijing，Beijing 102249，China;3 State Key Laboratory of Petroleum esources and Prospecting，China University of PetroleumBeijing，Beijing 102249，China;4 Engineeringesearch Center of Geothermal esources Development Technology and Equipment(Ministry of Education)，Jilin University，Changchun 130026，China)Abstract:To improve the rockbreaking efficiency of deep dry hot rock，taking granite，a common lithology of dryhot rock formation，as the research object，the changes in the mechanical properties of granite under ultrahightemperature was proposed In view of the limitations of laboratory experimental methods，the Brazilian disc splittingnumerical model of hightemperature granite was established by using numerical simulation and theoretical calcula-tion methods，and the distribution characteristics and disturbance mechanism of stress field of hard granite undertemperaturepressure conditions were investigated It is found that under uniaxial and radial compression load，thestress distributions of hightemperature granite get significantly disturbed，leading to lower tensile stress along thehorizontal direction，smaller compression and shear effect near the loading points，and easier fracture conductionThe higher the temperature，the more obvious the rock damage and the lower the tensile strength of the rock Theresults reveal the evolution law of mechanical properties of granite under the effect of temperature，which can pro-vide theoretical basis for efficient development of deep dry hot rock resourcesKeywords:hot dry rock;granite;temperature;Brazilian splitting;tension;stress field当前，我国对能源需求越来越大，在大力发展传统化石能源的基础上，也需要积极拓展其他能源形式。在“十三五”能源规划中，我国计划今后要大力开发清洁可再生能源，以满足能源需求，并实现节能减排的战略目标，“十四五”期间，习近平总书记提出并不断深化低碳经济发展战略，使得新能源相关技术及产业获得了进一步发展。为保障我国能源安全，地热资源因其清洁、高效、储量巨大且可持续发展等特点愈发凸显其优势，有望成为我国能源续接的重要路径。根据国土资源部 2015 年统计数据，我国中深层(2004 000 m)中低温资源量合 13 700 亿吨标准煤当量、高温资源发电潜力为 8 466 MW，深层(310 km)干热岩资源总计为 2091025J，合860 万亿吨标准煤，约为 2014 年全国能源消耗总量的26 万倍，但截至 2015 年底我国仅实现年替代标煤290 万吨13。因此，加快干热岩等深部地热资源的高效开发和利用，对改善我国能源战略布局、优化能源结构及促进转型发展具有重大政治、经济意义。但是干热岩地层，尤其是最典型的火成岩花岗岩地层，所处地层环境复杂，具有温度高、硬度大、抗压强度高、研磨性强、钻头难以吃入地层等特征，普通钻井技术不能实现其高效钻进。为有效推进干热岩地热资源的开发利用，明确超高温作用下的岩石力学性质演化规律尤为重要。围绕花岗岩这一干热岩常见岩性，前人研究结果表明，当花岗岩所处温度升高时，除了外观(如颜色等)的显著差异，岩石体积膨胀，骨架密度逐渐下降，内部水分不断蒸发，在岩石加热过程中岩石微裂纹开始产生并逐渐沟通形成宏观裂纹，岩石矿物骨架遭到破坏，且随着岩石损伤的不断增强，其宏观刚度和强度等力学指标显著降低，蠕变特征和塑性变形趋于明显，岩石的脆性降低，且存在阈值温度使得岩石力学、物理及化学指标(如单轴抗压强度、弹性模量等)发生明显改变49。同时，岩石颗粒尺寸差异越大，其阈值温度也就越低，岩石强度变化愈明显10。另外，加热源类型、升温速率、外界温差、循环次数等作业参数对花岗岩损伤效果、阈值温度和峰值强度具有显著影响9，1114。但目前开展的高温作用下干热岩力学性质研究多集中于花岗岩室内特性测试，对高温作用下岩石受载荷的应力场分布特征和裂纹延展机制尚缺乏理论研究，且干热岩室内力学实验对加热极限温度和实验设备要求较高，导致实验研究难度较大，干热岩破碎机理亟需进一步研究。为揭示干热岩破碎机理，以干热岩地层常见的花岗岩为研究对象，本研究提出超高温条件下花岗岩力学性质演化规律研究，建立高温花岗岩巴西圆盘劈裂数值模型，通过预置硬质花岗岩的岩石力学参数和温度参数，探究硬质花岗岩在温度载荷联合作用下岩石应力场分布特征与扰动机制，从而揭示温度对岩石单轴抗拉强度影响规律和岩石在超高温作用下裂缝延展机制，为温度作用下花岗岩力学性质演化规律和深层干热岩资源的高效开发提供理论依据。1有限元破岩模型构建为揭示巴西劈裂过程中干热岩破碎机制，基于岩石力学、断裂力学等学科基础理论，参照干热岩与温度相关力学参数，利用 Abaqus 有限元模拟平台，建立温度载荷联合作用下的硬质花岗岩巴西劈裂圆盘数值模型(图 1)。图 1硬质花岗岩巴西劈裂圆盘数值模型Figure 1The numerical modelling of Brazilian test of granites鉴于花岗岩脆性破坏模式，定义岩石破碎本构关系为 DruckerPrager 准则且设定其硬化特征，并以黏聚力单元定义岩石破坏模式，巴西劈裂过程中，将上下承压板视为刚体部件，为模拟实际岩石破碎过程，设定载荷过程中上下承压板均以 1 mm/s 压缩岩石，持续压缩时间为 1 s(包含 40 个等时间隔，间隔 0025 s)。由于加热过程中岩石密度与体积变化相对较小，模拟过程中统一岩石密度和泊松比分别为27 g/mm3和0200，且以室温(25)条件下岩石强度作为参照对象，模拟岩石所处温度范围为150650。为进行超高温条件下花岗岩力学损伤性质的模71第 6 期赫文豪等:超高温条件下花岗岩力学性质演化规律模拟研究拟，表 1 中数据包括文章调研数据和必要插值，具体数据详见文献 15 18。岩石与承压板三棱形切削齿的接触形式采用通用显式接触，切向摩擦系数设置为 03，并定义岩石与承压板接触面的接触关系为“硬接触”。通过观测岩石破碎过程中承压板受到的反作用力可以获得岩石在巴西劈裂过程中的受压载荷，而应力场动态分布特征则可帮助揭示干热岩裂纹延展机制。表 1巴西劈裂圆盘材料主要物性参数Table 1The main material parameters of Brazilian test modelling材料温度/密度/(g mm3)弹性模量/GPa泊松比单轴抗压强度/MPa承压板78210000077花岗岩252739300200904215027322602008773200272922020086353002727430200793640027