干热岩储层高温条件下岩石力学特性研究

为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质,进一步指导干热岩钻井施工,通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样,通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间,以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载,减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩,通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据,计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数,分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明,在200 ℃以内,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低;随着温度的进一步升高,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低,而抗拉强度持续降低;储层岩体温度和应力的升高,将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数,为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。     

高温环境下大理岩热损伤特性的试验研究

采用MTS 810电液伺服材料试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量等量的变化特征.结果表明:随受热温度升高大理岩的峰值强度和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,800℃时大理岩的延性明显增强.基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与温度之间的非线性关系,建立了单轴压缩下的大理岩损伤统计本构模型,给出了考虑温度效应大理岩损伤统计本构模型参数.通过与高温状态下单轴压缩实验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了温度对大理岩损伤特性的演化规律.     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。     

高温对砂岩强度特性的影响试验研究

为了研究高温对砂岩强度的影响,利用中国科学院武汉岩土力学研究所XTR01岩石力学试验机对200～1 000℃高温处理后的砂岩开展三轴压缩试验,研究砂岩物理力学特性与温度和围压的关系。试验结果表明:砂岩的三轴抗压强度和弹性模量都随温度的升高呈现先增大后减少的变化规律,在600℃时达到最大值;三轴抗压强度和弹性模量随围压的增大而线性增加。由此得出600℃是砂岩的1个阀值温度。     

高温后花岗岩声发射特征与损伤演化规律

为研究高温对岩石力学特性和内部结构的影响,对高温处理后的花岗岩进行单轴压缩和声发射测试。研究结果表明:高温对花岗岩力学特性影响显著,由于高温导致脱水和热膨胀,加热到200℃使花岗岩的强度升高了15%;此后,峰值强度随着处理温度升高而大幅降低,这归因于矿物晶粒的过度膨胀和相变引起的裂纹发育;此外,花岗岩逐渐由脆性破坏转为延性破坏,对应的临界温度在400℃和600℃之间;不同于低温下的情况,加热到600℃及以上的花岗岩在加载的初始阶段就有明显的声发射现象,这与高温诱发的热裂纹在外载荷作用下迅速扩展有关。考虑到初始热损伤,提出了一个修正的损伤变量,其变化特征较好地揭示了热处理后花岗岩在单轴压缩下的损伤演化过程。     

水冷却花岗岩力学特性及脆性指标研究

为研究经历不同高温水冷却后花岗岩所呈现出的相关物理力学性质及脆性指标，对经过200～800℃高温水冷却的花岗岩试样进行单轴压缩试验、声波损伤检测，探究了质量损失率、孔隙率、声波波速、单轴抗压强度等随温度的变化规律，并建立了基于起裂应力和损伤应力的脆性指标。研究结果表明：花岗岩质量损失率随温度升高逐渐增大；孔隙率的变化与温度的变化呈正比关系，400℃为孔隙率剧增的分界点；声波波速值随温度的升高不断下降；花岗岩单轴抗压强度随温度升高呈下降趋势，600℃是花岗岩热冲击后抗压强度劣化效果转变的阈值；针对高温水冷却后的花岗岩进行了脆性程度分析，所得测试结果与花岗岩应力应变曲线和破裂形式所得结论一致，花岗岩随温度升高脆性逐渐减弱，延性增强。这一研究对干热岩开发过程中的失稳问题和地下热储层建立等问题具有重要意义。     

考虑温度效应的泥岩损伤特性试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉MTS652.02进行单轴压缩实验,研究泥岩在常温～ 800℃高温作用下,变形特性与强度特性随温度的变化规律.尽管实验结果有一定的离散性,但仍具有明显的总体规律.泥岩的弹性模量及峰值强度在常温～ 400℃内,随温度升高呈上升趋势;当T＞ 400℃后,弹性模量及峰值强度均急剧下降.依据岩石损伤力学与统计强度理论,结合高温作用下泥岩的力学性能,构建了考虑温度效应的泥岩损伤演化方程和本构模型,并针对所测泥岩岩样的力学特性,给出了相应的损伤本构方程具体参数,本构模型与试验结果具有很好的印证性.     

高温冷却后花岗岩损伤演化规律研究

为了研究高温冷却后花岗岩损伤规律,通过对不同温度作用冷却后的花岗岩进行了单轴压缩试验,研究了花岗岩的力学特性,得到以下主要结论:(1)高温冷却后岩石的应力-应变曲线表现为脆性断裂特点,分为压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段4个阶段。(2)温度对岩石的力学性质影响存在2个温度阈值:在室温到第1温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而劣化;第1温度阈值范围到第2温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而逐步强化;超出第2温度阈值范围后再升温,岩石的力学性质呈劣化特征。(3)基于Weibull分布提出了损伤演化规律并推导了相应的本构方程,理论模型能部分反映岩石的力学特性。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

高温环境岩石力学性质损伤效应试验研究

高温环境中,岩石结构的渐变或突变导致岩石力学性质的变化。对经历高温环境的岩石进行轴向压缩试验,结果表明:岩石单轴抗压强度、弹性模量随温度升高呈现负指数规律减小,岩石的软化系数及弹性模量劣化度随温度升高逐渐增大;岩石的抗剪强度参数随温度升高逐渐减小,分析粘聚力、内摩擦角与温度变化规律,可表征为三次多项式变化关系。为定量分析岩石力学性质的热损伤特征,分别求得岩石抗剪强度参数损伤变量,损伤变量值随温度升高而逐渐增大。高温对岩石的力学性质产生明显的损伤,研究成果可以为高温环境岩体失稳预测分析提供依据。