液氮冷卻作用下高溫花崗巖損傷實(shí)驗(yàn)

黃中偉, 溫海濤, 武曉光, 李根生, 楊睿月, 李 冉, 張誠成

(中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

干熱巖是一種不含水或含少量水或蒸汽的高溫巖體,溫度介于150～650 ℃,滲透性極差[1]。干熱巖通常是結(jié)晶花崗巖、火成巖或變質(zhì)巖。低溫致裂是提高干熱巖儲(chǔ)層滲透性的重要手段[2]。低溫致裂是指通過低溫流體急速冷卻高溫干熱巖儲(chǔ)層,從而引起儲(chǔ)層巖石損傷的過程,其作用表現(xiàn)在兩方面:一方面是產(chǎn)生冷沖擊,即巖石礦物顆粒和膠結(jié)物由于溫度驟降發(fā)生急劇收縮,使巖石韌性降低,脆性增強(qiáng);另一方面,由于巖石在熱流作用下變形的各向異性,使當(dāng)巖石在溫度驟降時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,從而產(chǎn)生裂縫[3]。在干熱巖的低溫致裂研究方面,Siratovich等[2]通過調(diào)研實(shí)例,開展誘導(dǎo)裂縫實(shí)驗(yàn)得出地?zé)醿?chǔ)層裂縫的形成很大程度上取決于低溫流體的熱力刺激。Bradford等[4]通過對現(xiàn)場注水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)持續(xù)的冷水注入能提高地?zé)峋男阅?即地?zé)醿?chǔ)層的有效滲透率隨著冷水的不斷注入而增加。郤保平等[5]研究了600 ℃內(nèi)的花崗巖遇水冷卻后的力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)冷水可以使高溫花崗巖的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯劣化。這些研究都說明了冷水與熱巖接觸可以損傷巖石。相比于冷水,液氮具有更低的溫度(-195.8 ℃),在巖石溫度一定的條件下,可在巖石內(nèi)部形成更高的熱應(yīng)力[6-7]。該熱應(yīng)力能夠?qū)r石產(chǎn)生顯著的致裂作用,有效提高儲(chǔ)層巖石的損傷程度,改善儲(chǔ)層壓裂效果[8],因此在干熱巖的壓裂中具有很好的應(yīng)用前景。在液氮超低溫?fù)p傷巖石的研究方面,Cha等[9]通過將液氮注入混凝土和砂巖中模擬液氮凍結(jié)井底巖石的過程,發(fā)現(xiàn)液氮的低溫刺激不僅可以誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)也能擴(kuò)大現(xiàn)有的裂縫,而且加快冷卻速度可以提高刺激效果。Alqatahni等[10]利用真三軸圍壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M了地層壓力條件下液氮對頁巖、混凝土、砂巖立方塊的壓裂效果,發(fā)現(xiàn)液氮的低溫刺激可以大幅提高滲透率,而且這種刺激可能會(huì)改變巖石內(nèi)部的應(yīng)力場,同時(shí)高壓液氮的附加壓力有利于裂縫的延伸。任韶然等[11]通過液氮對煤巖的冷沖擊實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)液氮的超低溫作用能使煤巖基質(zhì)收縮,產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫,同時(shí)能使煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生較大改變。黃中偉、蔡承政等[12-14]通過研究液氮凍結(jié)對巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)液氮凍結(jié)能大幅降低巖石的抗拉、抗壓強(qiáng)度,而且?guī)r石在液氮凍結(jié)下?lián)p傷形式主要是微孔隙的發(fā)育和擴(kuò)展。目前這些研究的主要對象都集中于常溫巖樣,高溫巖石的液氮冷卻損傷特性尚不明確。為探究高溫巖石經(jīng)液氮冷卻后的損傷特性,筆者分別利用液氮和空氣對不同溫度(25～600 ℃)的高溫花崗巖巖樣進(jìn)行冷卻處理,通過聲波速度、滲透率、抗拉及單軸抗壓強(qiáng)度等一系列測試,分析不同冷卻方式對高溫花崗巖的物性及力學(xué)性質(zhì)的影響,得到液氮冷卻下高溫花崗巖的損傷特性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 巖樣制備

實(shí)驗(yàn)選用花崗巖作為研究對象,將巖樣加工成直徑25 mm、高度50 mm的圓柱體及直徑25 mm、高8 mm的圓盤試件,如圖1所示。其中圓柱試樣用于波速、滲透率、抗壓強(qiáng)度的測試,圓盤試樣用于抗拉強(qiáng)度的測試。剔除表面上有缺陷的巖樣,進(jìn)行干燥處理:將巖樣放入烘箱中,在104 ℃下烘干,12 h內(nèi)其質(zhì)量變化不超過0.1%則可取出,冷卻至室溫。測試干燥后巖樣的聲波速度,剔除波速差異大的巖樣,根據(jù)波速數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,以降低巖樣物性上的離散性。實(shí)驗(yàn)所用花崗巖的波速平均值為4 515.32 m/s,滲透率平均值為0.007 5×10-3μm2。

圖1 部分圓柱和圓盤巖樣Fig.1 Part of cylindrical and disk samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用巖樣依據(jù)溫度分為6大組,代表溫度依次為25、150、260、370、480和600 ℃。依據(jù)冷卻方式,每大組分為自然冷卻和液氮冷卻兩小組。每小組包含3個(gè)圓柱試樣和2個(gè)圓盤試樣,測試結(jié)果取平均值以降低巖樣非均質(zhì)性帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)干燥巖樣,測量原始巖樣的直徑、長度、聲波速度,依據(jù)聲波速度進(jìn)行分組。

(2)測試各組原始巖樣的滲透率數(shù)據(jù)。

(3)加熱,將每大組巖樣放入馬弗爐中以5 ℃/min速度緩慢加熱至預(yù)定溫度,恒溫12 h。

(4)冷卻,自然冷卻:取出巖樣在空氣中自然冷卻至室溫;液氮冷卻:取出巖樣立即放入液氮罐中冷卻12 h,然后取出恢復(fù)至室溫。

(5)無損測試,測量冷卻處理后巖樣的直徑、長度,聲波速度及滲透率,之后進(jìn)行單軸壓縮測試和巴西劈裂測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 液氮快速冷卻對高溫花崗巖物理性質(zhì)的影響

為了分析液氮冷卻對高溫花崗巖物理性質(zhì)的影響,對巖樣處理前后的波速和滲透率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

2.1.1 縱波波速變化

巖石的波速反映了巖石內(nèi)部基質(zhì)的完整性和裂縫的發(fā)育狀況。圖2為自然冷卻和液氮冷卻下巖樣的波速變化。由圖2可以看出,25～600 ℃內(nèi),隨著巖樣溫度的升高,兩種處理方式下巖樣冷卻后的波速降幅也隨之升高。這是由于實(shí)驗(yàn)中的巖樣經(jīng)歷了加熱和冷卻兩個(gè)過程,一方面,加熱引起的損傷程度會(huì)隨著加熱溫度的升高而增大[15],另一方面,巖樣溫度的升高必然導(dǎo)致巖樣與冷卻介質(zhì)之間的溫差增大,冷沖擊作用增強(qiáng),由冷卻造成的損傷程度也會(huì)隨之升高[8],這兩者是導(dǎo)致巖樣波速降幅增大的主要原因。對比兩種冷卻方式下的波速變化,25～600 ℃,液氮冷卻組巖樣的波速降幅要比自然冷卻組的降幅高出4.13%～10.04%。由于兩種處理方式下巖樣的加熱溫度相同,由加熱造成的損傷程度基本一致,由此排除加熱的影響,可以看出同溫度的巖石由液氮冷卻造成的損傷程度要明顯比自然冷卻造成的損傷程度大。

圖2 兩種處理方式下巖樣的波速變化Fig.2 Changes of wave velocity of rock samples treated in two different cooling ways

2.1.2 巖石滲透率變化

圖3 兩種處理方式下巖樣的滲透率變化Fig.3 Changes of permeability of rock samples treated in two different cooling ways

巖石的滲透性是表征流體在多孔介質(zhì)內(nèi)部流動(dòng)能力的參數(shù),滲透率的變化從一定程度也反映了巖石內(nèi)部的損傷程度。圖3為150～600 ℃內(nèi)自然冷卻和液氮冷卻下巖石滲透率增長量的對比。從圖3中可以看出,隨著溫度升高,兩種處理方式下巖樣滲透率的增長幅度也越來越大。150～480 ℃,自然冷卻處理組巖樣的滲透率增長值最大為0.027 4×10-3μm2,最大提升了6.374倍,液氮處理組巖樣的滲透率增長值最大為0.080×10-3μm2,最大提升了7.377倍。480～600 ℃,巖樣的滲透率出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的變化,600 ℃時(shí)自然冷卻組巖樣的滲透率增大了1.013 0×10-3μm2,提高了41.18倍,液氮處理組巖樣的滲透率增大了2.001 1×10-3μm2,提高了223.97倍,說明花崗巖在480～600 ℃之間內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。其原因是由于實(shí)驗(yàn)中巖樣經(jīng)歷了先加熱后冷卻的過程,在加熱過程中,573 ℃時(shí)花崗巖內(nèi)的石英發(fā)生了相態(tài)轉(zhuǎn)化[16]。在石英相態(tài)轉(zhuǎn)化過程中,晶格遭受破壞,出現(xiàn)了大量的穿晶斷裂,穿晶和晶界熱裂紋共同發(fā)育使花崗巖內(nèi)部出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的破壞,導(dǎo)致巖樣的滲透率大幅升高。對比兩種處理方式下巖樣的滲透率變化,在150～600 ℃內(nèi),液氮冷卻組巖樣的滲透率提高了0.79～223.98倍,自然冷卻組巖樣的滲透率提高了0.15～41.18倍。由于兩種處理方式下巖樣的加熱溫度相同,加熱損傷基本一致,由此排除加熱的影響,可以看出對同一溫度的巖石,液氮冷卻對其滲透率的提升效果要明顯強(qiáng)于自然冷卻的效果,其原因是相對于自然冷卻,液氮與高溫巖石之間的溫差更大,其產(chǎn)生的冷沖擊作用更強(qiáng),可使巖石內(nèi)部的原有裂縫發(fā)生擴(kuò)張[8],這就導(dǎo)致了液氮冷卻組的滲透率增幅比自然冷卻組大。

2.2 液氮快速冷卻對高溫花崗巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

采用深水孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)TAW-1000對冷卻處理后的花崗巖試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試和巴西劈裂測試(圖4),得到了不同冷卻方式下高溫花崗巖巖樣的抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

圖4 深水孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)TAW-1000Fig.4 Deepwater pore pressure servo system TAW-1000

2.2.1 抗拉強(qiáng)度變化

圖5 巖樣在兩種處理方式下的抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of rock samples treated in two different cooling ways

巖石的抗拉強(qiáng)度能直接反映巖石抵抗拉伸破壞的性能。圖5為兩種處理方式下巖樣抗拉強(qiáng)度的對比?？梢钥闯鲭S著巖樣溫度的升高,巖樣冷卻后的抗拉強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)遞減趨勢,說明巖石經(jīng)過加熱和冷卻產(chǎn)生的損傷可以降低抗拉強(qiáng)度,且降幅會(huì)隨加熱溫度的升高而增大。對比兩種處理方式下巖樣的抗拉強(qiáng)度,25～480 ℃,液氮處理組的抗拉強(qiáng)度分別比自然冷卻組的抗拉強(qiáng)度低8.51%、5.50%、9.51%、-2.23%、4.95%,說明在此溫度區(qū)間內(nèi),不同的冷卻方式對巖樣抗拉強(qiáng)度的影響差異并不明顯。600 ℃時(shí),自然冷卻組的抗拉強(qiáng)度為4.07 MPa,液氮處理組的抗拉強(qiáng)度為2.66 MPa,比自然冷卻組低34.54%,說明此溫度下,液氮冷卻對高溫花崗巖抗拉強(qiáng)度的影響要比自然冷卻組大。其原因是液氮冷卻可使巖石內(nèi)部的原有裂縫發(fā)生擴(kuò)張,所以加熱損傷程度越大(即高溫巖石冷卻前的初始裂縫數(shù)目越多),由液氮冷卻造成的裂縫擴(kuò)展連通機(jī)會(huì)就越大,冷卻造成的損傷越高。573 ℃后巖石內(nèi)部裂縫大量增加,由液氮冷卻造成的裂縫擴(kuò)展體積也隨之增大,導(dǎo)致冷卻損傷程度變大,使巖石的抗拉強(qiáng)度明顯低于自然冷卻組的抗拉強(qiáng)度。

2.2.2 單軸抗壓破壞特征

圖6為不同溫度及冷卻方式下的12塊花崗巖的單軸抗壓破壞形態(tài)。從破壞的程度看,25 ℃時(shí)巖樣破壞后基本保持完整結(jié)構(gòu)。隨著溫度的增加,兩組巖樣的破壞程度加劇,出現(xiàn)了明顯的掉塊,這說明巖石內(nèi)部的損傷程度隨溫度的增大而增大。從破壞的形式看,25～600 ℃,自然冷卻組的斷裂面角度平均值分別為79.5°、75.3°、68.5°、65.4°、64°和61.3°,液氮冷卻組的斷裂面角度平均值分別為81.2°、72.5°、69.4°、68.2°和60.3°?？梢钥闯鲭S著溫度的增加,斷裂面的角度逐漸減小,巖石逐漸由縱向破裂向剪切破壞過渡,這是由于損傷程度加劇,內(nèi)部裂縫大量發(fā)育,造成巖石黏聚力下降,內(nèi)摩擦角減小,斷裂面的角度逐漸降低[17]。對于同一溫度花崗巖,在不同冷卻條件下斷裂面角度相差不大,故冷卻方式對冷卻后高溫巖樣的斷裂角度影響不大。對比自然冷卻組和液氮冷卻組的破壞形態(tài),可以發(fā)現(xiàn)液氮冷卻組的巖樣更加松散,掉塊現(xiàn)象更加明顯,破壞更加徹底,說明液氮冷卻對巖樣的內(nèi)部顆粒膠結(jié)具有顯著影響。

圖6 單軸抗壓巖樣破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of rock samples in uniaxial compressive test

2.2.3 單軸抗壓強(qiáng)度變化

巖石的抗壓強(qiáng)度能直接反映巖石抵抗壓縮破壞的性能。圖7為兩種處理方式下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度對比。在25～480 ℃內(nèi),自然冷卻組的抗壓強(qiáng)度基本不變,液氮冷卻組的抗壓強(qiáng)度先降低后保持穩(wěn)定,說明在此溫度區(qū)間內(nèi)由加熱和冷卻造成的損傷對巖石抗壓強(qiáng)度的影響并沒有隨著處理溫度的升高而增大。600 ℃時(shí),兩種處理方式下巖樣的抗壓強(qiáng)度都發(fā)生了突變,液氮冷卻組巖樣的抗壓強(qiáng)度為74.50 MPa,相比常溫巖樣降低了51.49%,自然冷卻組巖樣的抗壓強(qiáng)度為105.38 MPa,相比常溫巖樣降低了31.67%,這與滲透率的變化基本一致,說明480～600 ℃內(nèi)的巖石出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性破壞,內(nèi)部黏聚力大幅下降。對比同溫度下液氮冷卻組和自然冷卻組的單軸抗壓強(qiáng)度,150～600 ℃內(nèi),液氮冷卻組的抗壓強(qiáng)度比自然冷卻組低13.95%～29.30%,說明液氮冷卻產(chǎn)生的損傷對高溫花崗巖抗壓強(qiáng)度的影響比自然冷卻大。

圖7 巖樣在兩種處理方式下的單軸抗壓強(qiáng)度Fig.7 Uniaxial compressive strengths of rock samples treated in two different ways

2.2.4 彈性模量變化

巖石彈性模量反映了巖石彈性變形階段變形的難易程度,對同一種巖石,彈性模量越大,越不易變形。圖8為兩種處理方式下巖樣的彈性模量對比。可以看出,25～480 ℃內(nèi),自然冷卻方式下巖樣的彈性模量未發(fā)生顯著變化,相對于常溫下巖石彈性模量,其最大降幅僅為2.66%。而液氮處理組的彈性模量總體上呈下降趨勢,其最大降幅達(dá)21.76%。當(dāng)巖樣加熱到600 ℃時(shí),兩種處理方式下巖樣的彈性模量都發(fā)生了大幅度的突降,液氮冷卻組巖樣的彈性模量下降了74.79%,自然冷卻組巖樣的彈性模量下降了51.20%,說明在480～600 ℃內(nèi)巖石的巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了明顯劣化。對比兩種冷卻方式下的彈性模量,150～600 ℃內(nèi),液氮冷卻組的彈性模量分別比自然冷卻組低13.91%、7.33%、9.92%、16.67%、45.75%,說明液氮冷卻對巖石彈性模量的影響明顯比自然冷卻強(qiáng)。

圖8 巖樣在兩種處理方式下的彈性模量Fig.8 Elastic modulus of rock samples treated in two different ways

3 分析與討論

3.1 液氮冷卻下高溫花崗巖的損傷特性

由于實(shí)驗(yàn)中巖石需要加熱到預(yù)定溫度后再進(jìn)行冷卻,所以處理后巖石的損傷是由加熱和冷卻共同造成的。液氮冷卻組和自然冷卻組中的巖樣都采用了5 ℃/min的加熱速率,以確保加溫過程對巖石的影響程度相同,而且同組巖樣所施加的溫度相同,因此液氮冷卻組和自然冷卻組巖石物理性質(zhì)的差異是由于液氮的低溫特性造成的。即150～600 ℃的花崗巖,由液氮的低溫特性引起的損傷能使其波速降低4.13%～10.04%,滲透率提高0.21～182.80倍,抗拉強(qiáng)度降低4.95%～34.54%,抗壓強(qiáng)度降低13.95%～29.30%,彈性模量降低7.33%～45.74%。同時(shí)液氮對高溫花崗巖的損傷程度會(huì)隨著巖石冷卻前溫度的升高而增大。

3.2 液氮冷卻損傷機(jī)制

3.2.1 熱應(yīng)力的產(chǎn)生

花崗巖在冷卻過程中,由于巖石自身束縛作用及組成礦物的熱物性差異,內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。取花崗巖內(nèi)部一微元體作分析,見圖9。

當(dāng)溫度變化ΔT時(shí),微元體在不受約束的情況下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=αΔT.

(1)

式中,ε為微元體的應(yīng)變;α為微元體的線性熱膨脹系數(shù),℃-1。

由于微元體受到外在約束和內(nèi)部約束的影響,上述應(yīng)變不能自由發(fā)生[11]。假設(shè)微元體被完全約束,即微元體不發(fā)生應(yīng)變,則其受到的拉應(yīng)力為

σ=Eε=EαΔT.

(2)

式中,σ為微元體受到的拉應(yīng)力,MPa;E為微元體的彈性模量,MPa。

圖9 花崗巖冷卻過程中熱應(yīng)力的產(chǎn)生Fig.9 Thermal stress caused by granite cooling

在實(shí)際巖石體中,微元體既不會(huì)被完全束縛也不會(huì)隨溫度變化而自由收縮,而是會(huì)隨著巖石的整體收縮產(chǎn)生一個(gè)實(shí)際應(yīng)變?chǔ)拧洹?。此時(shí),微元體所受到的拉應(yīng)力為

σ′=σ-Eε′=EαΔT-Eε′.

(3)

式中,σ′為微元體受到的拉應(yīng)力,MPa;ε′為微元體的實(shí)際應(yīng)變。

σ′就是微元體受到束縛而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)σ′大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫。以液氮冷卻480 ℃的花崗巖為例,微元體經(jīng)受676 ℃的溫差(常壓下液氮沸騰溫度為-196 ℃),花崗巖線性熱膨脹系數(shù)為3×10-6℃-1,彈性模量為3.4×104MPa,假設(shè)冷卻過程中微元體產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?.5×10-3,則微元體表面會(huì)產(chǎn)生17.952 MPa的張力,大于該花崗巖的抗拉強(qiáng)度(小于10 MPa),因此會(huì)產(chǎn)生如圖10所示的大量微裂縫。

圖10 480 ℃的花崗巖冷卻后的表面Fig.10 Surface of granite cooling down for 480 ℃

3.2.2 熱應(yīng)力的損傷形式

在液氮冷卻花崗巖的過程中,熱應(yīng)力產(chǎn)生損傷的形式主要有非均質(zhì)性引起的損傷和巖石內(nèi)部溫度梯度引起的損傷。

(1)非均質(zhì)性引起的損傷?；◢弾r是由石英、長石、云母等多種礦物顆粒組成的,而且內(nèi)部礦物顆粒的排列無序,即巖石具有非均質(zhì)性和各向異性。當(dāng)花崗巖周圍溫度降低時(shí),其內(nèi)部礦物顆粒必然會(huì)產(chǎn)生收縮變形[18]。由于巖石中不同礦物顆粒的熱膨脹系數(shù)α不同,所以在冷卻過程中,不同礦物顆粒的變形ε也不同。同時(shí)由于巖石是一個(gè)連續(xù)體,其變形具有連續(xù)性,各礦物顆粒不可能按各自的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化而自由變形。在實(shí)際巖石的內(nèi)部,熱膨脹系數(shù)大的顆粒會(huì)受拉伸,熱膨脹系數(shù)小的顆粒會(huì)受壓縮,而要維系這種狀態(tài),礦物顆粒之間就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力σ′。當(dāng)熱應(yīng)力超過巖石的抗張應(yīng)力屈服強(qiáng)度時(shí),巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞,從而產(chǎn)生微小裂縫。同時(shí)這種熱應(yīng)力如果產(chǎn)生在巖石內(nèi)部原有裂縫附近,還會(huì)使原有裂縫發(fā)生擴(kuò)張。由此可見,由于巖石非均質(zhì)性而引發(fā)的熱應(yīng)力損傷是巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的主要原因[19]。

圖11 巖石傳熱過渡帶Fig.11 Heat transfer zone of rock

(2)巖石內(nèi)部溫度梯度引起的損傷。花崗巖的導(dǎo)熱性能很差,導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.6～3.6 W/(m·K)。當(dāng)液氮冷卻花崗巖時(shí),其外部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常狹窄的傳熱過渡帶[7],如圖11所示。在同一時(shí)刻,過渡帶外層巖石溫度迅速下降,而過渡帶內(nèi)層的巖石溫度下降緩慢。由于ΔT不同,過渡帶內(nèi)外巖石基質(zhì)的應(yīng)變會(huì)有很大差異。在冷卻過程中,過渡帶內(nèi)層巖石的形變較小,過渡帶外層巖石受其影響,其實(shí)際形變?chǔ)拧?ε。外層巖石要保持其實(shí)際形變,就存在一個(gè)約束其繼續(xù)變形的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖石過渡帶外層產(chǎn)生裂縫。由此可見,由于巖石的溫度梯度而引發(fā)的熱應(yīng)力損傷是巖石產(chǎn)生裂縫的另一個(gè)原因。

3.2.3 熱應(yīng)力裂紋的生成和擴(kuò)展

利用電鏡掃描技術(shù)對原始巖樣以及液氮冷卻后巖樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。以液氮冷卻480 ℃花崗巖為例進(jìn)行分析,圖12為處理之前的花崗巖微觀結(jié)構(gòu),圖13為液氮冷卻后不同放大倍數(shù)下觀測到的微觀結(jié)構(gòu)。對比原始巖樣可以看出,480 ℃的花崗巖經(jīng)液氮冷卻后內(nèi)部有比較明顯的裂紋。根據(jù)圖13(a)所示,熱應(yīng)力作用下的裂紋在延伸的同時(shí)會(huì)在兩側(cè)形成與之垂直的微小分支裂紋,這些微小分支裂紋與主裂紋的結(jié)合有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng);根據(jù)圖13(b)所示,熱應(yīng)力裂紋產(chǎn)生于不同礦物顆粒膠結(jié)處,并沿著礦物顆粒邊界延伸,從而形成了寬約幾個(gè)微米的晶間裂紋。這種裂紋是由不同礦物顆粒熱物性(熱膨脹系數(shù)、彈性模量等)差異引起顆粒收縮變形不匹配造成的。該種裂紋的萌生和擴(kuò)展與巖石內(nèi)部非均質(zhì)性所致的巖石損傷相對應(yīng),為液氮低溫沖擊作用下巖石物理和力學(xué)性質(zhì)變化的根本原因。

圖12 原始巖樣電鏡掃描照片(500倍)Fig.12 SEM photo of granite in original state(500 times)

圖13 480 ℃花崗巖經(jīng)液氮冷卻后的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.13 SEM photos of granite under 480 ℃ cooled by liquid nitrogen

3.3 液氮在干熱巖開發(fā)上的應(yīng)用前景

圖14 液氮壓裂產(chǎn)生的裂縫Fig.14 Fractures caused by liquid nitrogen fracturing

干熱巖的巖體致密,硬度大,抗壓強(qiáng)度高,可鉆性極差,而且?guī)缀醪缓黧w。在干熱巖的壓裂過程中,其井內(nèi)壓力高于液氮的臨界壓力(3.4 MPa),液氮在地層內(nèi)主要以液態(tài)和超臨界態(tài)存在。當(dāng)液氮注入地層后,首先對表層巖石進(jìn)行急速冷卻,一方面使表層巖石發(fā)生破裂,另一方面使地層內(nèi)部巖石產(chǎn)生微裂縫,如圖14所示。裂縫提高了巖石的滲透率,降低了巖石的抗拉和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)表層巖石產(chǎn)生裂縫后,液氮在注入壓力作用下進(jìn)入裂縫深處。此時(shí)液氮的溫度不斷上升,當(dāng)溫度高于其臨界溫度(-147 ℃)時(shí),液氮轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界氮,其體積可以膨脹到原始體積的8倍[6]。由于干熱巖屬于致密巖石,超臨界氮在干熱巖中基本不發(fā)生濾失,其膨脹無法自由進(jìn)行,因此裂縫內(nèi)壓力不斷升高,裂縫不斷延長。同時(shí)隨著低溫液氮不斷注入裂縫,裂縫兩側(cè)的巖石在冷沖擊作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力,形成大量垂直于主裂縫的次生裂縫[7]。主裂縫與次生裂縫以及微裂縫的形成,可有效增強(qiáng)壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜程度,這對于增加取熱介質(zhì)與熱儲(chǔ)層的接觸面積,提高干熱巖儲(chǔ)層的取熱效率具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1)液氮冷卻高溫巖石可降低巖石波速,提高巖石滲透率。在150～600 ℃內(nèi),液氮冷卻引起的損傷會(huì)使花崗巖的波速降低4.13%～10.04%,滲透率提高0.21～182.80倍。

(2)液氮冷卻高溫巖石能使巖石的巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯劣化。液氮的冷卻損傷能使150～600 ℃的花崗巖抗拉強(qiáng)度降低4.95%～34.54%,抗壓強(qiáng)度降低13.95%～29.30%,彈性模量降低7.33%～45.74%。

(3)液氮冷卻可有效損傷高溫花崗巖。冷卻前巖石溫度越高,與液氮之間的溫差越大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力越高,冷卻損傷程度越大。