高溫三軸應(yīng)力下粗、細(xì)?；◢弾r力學(xué)特性研究

陰偉濤，趙陽(yáng)升，馮子軍

（太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024）

地?zé)豳Y源作為可持續(xù)開(kāi)發(fā)的綠色能源，其逐步開(kāi)發(fā)利用對(duì)全球增加能源儲(chǔ)備，改變現(xiàn)有能源格局以及解決環(huán)境污染等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。據(jù)世界能源評(píng)估（WEA）統(tǒng)計(jì)，全球每年可利用地?zé)崮芗s為6×105EJ，考慮到目前全球年能源消耗量約為570EJ，地?zé)崮茉磳?shí)際上可以被看作是一種無(wú)限的能源資源。干熱巖（溫度高于200℃，主要賦存于地表5km以下的花崗巖體）作為其中優(yōu)質(zhì)的、暫未開(kāi)發(fā)的地?zé)豳Y源，在世界范圍內(nèi)儲(chǔ)量巨大。例如，初步計(jì)算僅中國(guó)云南騰沖和西藏羊八井兩地可開(kāi)發(fā)的資源量就超過(guò)了1.56×1011kW／a［1］，美國(guó)地?zé)豳Y源總量的90%以上都儲(chǔ)存在干熱巖體中。因此干熱巖的開(kāi)發(fā)利用便顯得尤為重要。在干熱巖地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中，巖體的熱膨脹變形以及壓縮變形隨時(shí)都會(huì)發(fā)生，這樣就影響了地?zé)衢_(kāi)采。例如，巖體熱膨脹變形會(huì)直接影響鉆孔施工以及鉆孔圍巖穩(wěn)定性，巖體高溫高壓條件下的壓縮特性也會(huì)在水力壓裂建造儲(chǔ)留層以及儲(chǔ)層檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生很大影響。因此研究高溫高壓下巖體熱力學(xué)特性對(duì)干熱巖開(kāi)采十分必要。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)世界范圍內(nèi)的花崗巖體進(jìn)行了大量的物理力學(xué)特性研究并得出許多有價(jià)值的結(jié)論。例如花崗巖的熱擴(kuò)散率［2］、粘結(jié)強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角［3］、彈性模量［4-5］、抗壓強(qiáng)度［4，6］、抗拉強(qiáng)度［7-8］和泊松比［9］等會(huì)隨著溫度的升高而減小，并且在三軸應(yīng)力條件下，彈性模量的速率隨著圍壓的升高而減?。?0］，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著圍壓的升高而增 加［11］。而花崗 巖的比熱［12］、熱 膨 脹 系數(shù)［13］等會(huì)隨著溫度的升高而增加。為了進(jìn)一步探討高溫作用對(duì)花崗巖熱力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理，YANG et al［14］使用 CT 觀測(cè)，聲發(fā)射（AE）檢測(cè)系統(tǒng)細(xì)觀研究了花崗巖熱損傷及力學(xué)性質(zhì)失效的關(guān)系。LIU et al［15］發(fā)現(xiàn)600℃為花崗巖的脆-韌性轉(zhuǎn)變臨界溫度。GAUTAM et al［16］得出300℃是Jalore花崗巖熱物理性質(zhì)損傷的閾值溫度。ZHAO et al［17-19］利用自主研制的“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)”實(shí)時(shí)測(cè)量了花崗巖在高溫三軸應(yīng)力條件下的熱力學(xué)性質(zhì)、滲透率并討論了鉆孔穩(wěn)定性失穩(wěn)的臨界條件。

由上述研究可知，高溫作用對(duì)花崗巖體的熱力學(xué)性質(zhì)有重要影響，因?yàn)楦邷刈饔脮?huì)導(dǎo)致巖體產(chǎn)生熱破裂，而花崗巖體的礦物組成及細(xì)觀結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響熱破裂劇烈程度并進(jìn)一步影響高溫下花崗巖的熱力學(xué)表現(xiàn)。上述研究的花崗巖試樣大多是直接從地表或淺層地下采集的低溫環(huán)境成巖的細(xì)?；◢弾r（例如 Westerly 花 崗 巖［2-3，7-8］，Climax 花 崗 巖［7，13］，Charcoal花 崗 巖［3］，Luhui花 崗 巖［14，17-19］，Qinling花崗巖［15］和Jalore花崗巖［16］）且多為高溫處理后的試樣。然而干熱巖地?zé)岫噘x存于地表5km以下，在深入研究天然花崗巖體的特征后發(fā)現(xiàn)，該深度的深層花崗巖在礦物成分、晶體顆粒尺寸及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)等方面與淺層花崗巖有很大不同［20］。這便會(huì)導(dǎo)致高溫作用下深層花崗巖與淺層花崗巖的熱力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不同，同時(shí)也導(dǎo)致上述淺層花崗巖特性的研究結(jié)果很難代表真實(shí)的干熱巖特性。因此，研究真正深層的花崗巖的熱膨脹特性和固體力學(xué)特性對(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)尤為重要。為了研究顆粒尺寸對(duì)花崗巖性質(zhì)的影響并揭示深層花崗巖體高溫高壓下的特性來(lái)更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)干熱巖地?zé)衢_(kāi)采，本文對(duì)高溫三軸應(yīng)力下淺層細(xì)粒花崗巖與深層粗?；◢弾r的熱、力學(xué)特性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)試樣

1）細(xì)粒花崗巖：細(xì)?；◢弾r取自中國(guó)山東平邑淺層地表，商品名“魯灰花崗巖”［14，17-19］。細(xì)?；◢弾r整體呈灰白色、致密無(wú)裂紋，其主要礦物組分為長(zhǎng)石、石英，晶體顆粒尺寸最大在1.5mm左右，常溫?zé)o裂隙［14］。

2）粗?；◢弾r：粗?；◢弾r取自中國(guó)山西蘆芽山，該區(qū)花崗巖為19億年前在地表10km以下緩慢冷凝結(jié)晶成巖，后被地質(zhì)運(yùn)動(dòng)推置到地面的。該區(qū)花崗巖的性態(tài)真正代表了深層花崗巖體的特征，是深層花崗巖性態(tài)研究難得的樣品采集區(qū)［20］。粗粒花崗巖整體呈暗灰色，晶體顆粒粗大。經(jīng)顯微觀測(cè)可知，其主要礦物組分為角閃石、斜長(zhǎng)石等，晶體顆粒尺寸最大可達(dá)8mm，且在常溫下有明顯原生裂隙。

兩類粗、細(xì)顆?；◢弾r具體礦物組成及其性質(zhì)見(jiàn)表1［21-23］.

表1 粗、細(xì)粒花崗巖礦物組成及性質(zhì)Table 1 Mineral composition and properties of coarsegrained and fine-grained granite

兩類花崗巖通過(guò)取芯、車(chē)削加工成Φ50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，見(jiàn)圖1.

圖1 粗、細(xì)粒花崗巖試樣Fig.1 Samples of coarse-grained and fine-grained granite

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

粗、細(xì)顆粒花崗巖的熱膨脹特性和固體力學(xué)特性試驗(yàn)皆是在太原理工大學(xué)自主研制的600℃高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，見(jiàn)圖2.試驗(yàn)機(jī)主要包括壓力框架、加熱系統(tǒng)、高溫三軸應(yīng)力室、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等，可進(jìn)行高溫（最高溫度600℃）高壓（最大圍壓60MPa）條件下巖體三軸壓縮試驗(yàn)。

試驗(yàn)具體過(guò)程為：測(cè)量粗、細(xì)顆?；◢弾r試樣尺寸后裝入三軸壓力試驗(yàn)機(jī)，先后施加軸壓（σa）及圍壓（σc）至4MPa，隨后升溫至預(yù)定目標(biāo)溫度值（100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃及400℃）并保溫2h，升溫速率20℃／h.保溫完成后，保持圍壓不變，增加軸壓至30MPa，測(cè)定不同溫度下花崗巖彈性模量，軸壓增量2MPa.此外，在升溫過(guò)程中，通過(guò)兩個(gè)光柵外尺連續(xù)自動(dòng)測(cè)定軸壓頭位移，進(jìn)而得到不同溫度下花崗巖熱變形及熱膨脹系數(shù)。

圖2 高溫高壓巖體力學(xué)試驗(yàn)機(jī)Fig.2 HTHP rock mechanics triaxial testing machine

2 粗、細(xì)?；◢弾r熱應(yīng)變特征與熱膨脹系數(shù)變化規(guī)律研究

巖體熱膨脹變形會(huì)直接影響地?zé)衢_(kāi)采活動(dòng)，因此本文研究了高溫高壓下粗、細(xì)?；◢弾r應(yīng)變特征以指導(dǎo)地?zé)衢_(kāi)采。

試樣施加初始軸壓及圍壓各4MPa并保持不變，隨后對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行升溫。升溫過(guò)程中通過(guò)固定于軸壓壓頭的兩個(gè)光柵外尺實(shí)時(shí)精確記錄軸壓頭位移，以此得到試樣軸向熱應(yīng)變，結(jié)果如圖3所示（軸向熱應(yīng)變?yōu)樨?fù)值表示軸向膨脹變形）。隨后按公式（1）計(jì)算得到不同溫度下的試樣熱膨脹系數(shù)：

式中：α為試樣熱膨脹系數(shù)，St1、St2分別是溫度為t1、t2時(shí)試樣的軸向熱應(yīng)變。粗、細(xì)?；◢弾r熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖4.

圖3 粗、細(xì)顆?；◢弾r軸向熱應(yīng)變隨溫度變化曲線Fig.3 Axial thermal strain of coarse-grained and fine-grained granite versus temperature

圖4 粗、細(xì)顆?；◢弾r熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.4 Thermal expansion coefficient of coarse-grained and fine-grained granite versus temperature

由圖3、圖4可知：

1）溫度為100～400℃時(shí)，粗粒花崗巖熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高呈線性增加趨勢(shì)。該試驗(yàn)條件下，其熱膨脹系數(shù)由100℃的1.09×10-5℃-1升至400℃的9.44×10-5℃-1，增加了近8倍。表現(xiàn)在熱應(yīng)變曲線上即粗?；◢弾r軸向熱應(yīng)變隨溫度的升高而增加，且增加速率越來(lái)越大。

2）兩類粗、細(xì)顆?；◢弾r軸向熱應(yīng)變及熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)相同，但相同溫度下粗?；◢弾r軸向熱應(yīng)變與熱膨脹系數(shù)皆大于細(xì)粒花崗巖軸向熱應(yīng)變與熱膨脹系數(shù)。溫度在100～400℃范圍內(nèi)，粗?；◢弾r軸向熱應(yīng)變與熱膨脹系數(shù)分別為細(xì)?；◢弾r軸向熱應(yīng)變與熱膨脹系數(shù)的1.07～1.50倍以及1.03～1.95倍。

與BAUER［3］得出的高溫三軸應(yīng)力下細(xì)?；◢弾r熱應(yīng)變結(jié)果對(duì)比分析可知（Charcoal花崗巖是以長(zhǎng)石、石英為主要礦物組分的中細(xì)顆?；◢弾r［24］，其特性可代表淺層細(xì)粒花崗巖）：

1）本文研究得出溫度為100～400℃時(shí)，粗、細(xì)顆?；◢弾r熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高呈線性增加趨勢(shì)。BAUER得出Charcoal花崗巖熱膨脹系數(shù)在100～400℃溫度段也大致呈線性增加，變化規(guī)律大體一致。由此可知，在100～400℃溫度區(qū)間內(nèi)，高溫三軸應(yīng)力下粗、細(xì)顆?；◢弾r熱膨脹系數(shù)變化規(guī)律相近，即隨溫度的升高而整體增加，該規(guī)律與花崗巖體顆粒大小無(wú)關(guān)，但花崗巖晶體顆粒越大，其熱膨脹系數(shù)增加速率越大。

2）該試驗(yàn)條件下，粗?；◢弾r在相同溫度下的熱膨脹系數(shù)皆大于細(xì)?；◢弾r。溫度從100℃升至400℃，粗?；◢弾r熱膨脹系數(shù)為細(xì)?；◢弾r熱膨脹系數(shù)的1.03～1.95倍，為Charcoal花崗巖熱膨脹系數(shù)的1.19～5.23倍。造成該差異的原因可能是粗?；◢弾r礦物組分、顆粒大小及細(xì)觀結(jié)構(gòu)與細(xì)?；◢弾r不同，從而使高溫作用對(duì)于粗?；◢弾r的影響明顯強(qiáng)于細(xì)粒花崗巖。即隨著溫度的升高，粗?；◢弾r內(nèi)部礦物晶體顆粒熱膨脹現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致其熱膨脹系數(shù)也更大。

3）BAUER得出在σc＝27.6MPa條件下，Charcoal花崗巖熱膨脹系數(shù)為（0.91～1.80）×10-5℃-1，同本文細(xì)?；◢弾r相比最大相差4倍，由此可見(jiàn)熱膨脹系數(shù)對(duì)于圍壓具有依賴性。圍壓水平越低，花崗巖內(nèi)部晶體顆粒受到高溫作用產(chǎn)生的熱膨脹現(xiàn)象越明顯，熱膨脹系數(shù)越大；而圍壓水平越高，花崗巖內(nèi)部晶體顆粒受到高溫作用產(chǎn)生的熱膨脹現(xiàn)象越受限，熱膨脹系數(shù)越小。

3 粗、細(xì)?；◢弾r彈性模量變化規(guī)律研究

彈性模量是巖體變形過(guò)程中重要的力學(xué)參數(shù)，彈性模量的大小直接反映了巖體抵抗變形的能力，微觀上也體現(xiàn)了巖體的晶體結(jié)構(gòu)。因此研究高溫高壓下粗?；◢弾r彈性模量對(duì)深層干熱巖開(kāi)采過(guò)程中的儲(chǔ)留層建造有重要的指導(dǎo)意義。

通常，彈性模量可以通過(guò)擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力之前近似的直線段來(lái)計(jì)算，所得到的彈性模量即為平均彈性模量［25］。本文中的彈性模量是指應(yīng)力值為10%～30%巖體單軸抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的斜率。不同溫度下粗、細(xì)顆粒花崗巖平均彈性模量變化規(guī)律見(jiàn)圖5.

圖5 粗、細(xì)顆?；◢弾r彈性模量隨溫度變化圖Fig.5 Elastic modulus of coarse-grained and fine-grained granite versus temperature

由圖5可知：

1）溫度為100～400℃時(shí)，粗粒花崗巖彈性模量隨溫度升高可分為兩個(gè)階段：第一階段是在100～300℃的低溫段，粗?；◢弾r彈性模量隨著溫度的升高而緩慢增加。該階段粗?；◢弾r彈性模量由100℃的11.9GPa增加到300℃的12.5GPa.第二階段是在300～400℃的高溫段，粗?；◢弾r彈性模量隨著溫度的升高而快速下降。該階段粗?；◢弾r彈性模量由300℃的12.5GPa迅速降至400℃的7.2GPa，平均降幅為0.053GPa／℃.

2）溫度為100～400℃時(shí)，粗、細(xì)顆粒花崗巖彈性模量的變化規(guī)律相似，但具體的溫度區(qū)間不同。細(xì)?；◢弾r彈性模量在100～350℃中低溫段隨著溫度的升高而緩慢增加，在350～400℃中高溫段隨著溫度的升高而開(kāi)始下降。此外在相同溫度下粗?；◢弾r的彈性模量始終小于細(xì)?；◢弾r的彈性模量。在100～400℃區(qū)間內(nèi)，細(xì)?；◢弾r彈性模量為粗粒花崗巖彈性模量的1.4～2.6倍，而且溫度越高，兩者相差越大。

3）溫度為100～400℃時(shí)，粗、細(xì)顆?；◢弾r彈性模量隨溫度升高的過(guò)程可分為兩階段。第一階段由于溫度較低，隨著溫度的升高花崗巖內(nèi)部晶體顆粒逐漸膨脹，致使部分原生裂隙閉合，裂縫數(shù)量減少，密實(shí)程度提高，導(dǎo)致其抗變形能力提高，因此該階段花崗巖彈性模量隨著溫度的升高而增加。在第二階段，隨著溫度的進(jìn)一步升高，具有不同熱膨脹率的晶體顆粒進(jìn)一步膨脹，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力高于晶體間的承載強(qiáng)度，花崗巖產(chǎn)生微裂隙，致使其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，彈性模量開(kāi)始降低。

4）花崗巖彈性模量隨溫度的變化是存在臨界溫度的，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，花崗巖彈性模量隨著溫度的升高而升高；溫度高于臨界溫度時(shí)，花崗巖彈性模量隨著溫度的升高開(kāi)始減小。本文得出，粗?；◢弾r彈性模量隨溫度變化的臨界溫度是300℃左右，細(xì)粒花崗巖彈性模量隨溫度變化的臨界溫度是350℃左右。此外，相同溫度下粗?；◢弾r的彈性模量皆小于細(xì)?；◢弾r的彈性模量。其原因可能是粗、細(xì)顆?；◢弾r礦物組分與晶體顆粒尺寸的不同，導(dǎo)致高溫作用對(duì)粗粒花崗巖影響更大，因此溫度越高，粗?；◢弾r熱破裂程度越劇烈，力學(xué)性質(zhì)劣化越嚴(yán)重。

4 分析與討論

4.1 粗?；◢弾r細(xì)觀結(jié)構(gòu)顯微觀測(cè)

為研究粗?；◢弾r礦物成分及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行了粗?；◢弾r顯微切片觀測(cè)。首先將粗?；◢弾r鉆取、切割、磨制、加工成標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)薄片，隨后采用太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室DMRX型徠卡偏光顯微鏡進(jìn)行巖石微結(jié)構(gòu)顯微觀測(cè)，同時(shí)拍照，見(jiàn)圖6.通過(guò)顯微觀測(cè)分析，粗?；◢弾r礦物組成及其性質(zhì)見(jiàn)表1.

圖6 花崗巖細(xì)觀顯微觀測(cè)圖Fig.6 Micro-observation image of granite

深入分析粗?；◢弾r細(xì)觀結(jié)構(gòu)顯微觀測(cè)結(jié)果以及對(duì)比YANG et al［14］細(xì)?；◢弾r顯微觀測(cè)結(jié)果可知：

1）室溫條件下，相較于細(xì)?；◢弾r致密無(wú)裂隙的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，粗粒花崗巖晶體顆粒本身已經(jīng)含有大量原生裂隙（如圖6（b）中角閃石、斜長(zhǎng)石內(nèi)的裂隙），該結(jié)構(gòu)特性很大程度上會(huì)導(dǎo)致粗?；◢弾r力學(xué)性質(zhì)的劣化。

2）由圖6及表1可知，相較于細(xì)?；◢弾r，粗?；◢弾r也是由多種礦物組成，而且其礦物組分更加復(fù)雜。這表明粗粒花崗巖是由多種礦物結(jié)晶形成的非均質(zhì)巖體，并且其非均質(zhì)性是要明顯強(qiáng)于細(xì)?；◢弾r。

3）由表1可知，粗?；◢弾r中的主要礦物組分角閃石、斜長(zhǎng)石等晶體顆粒平均尺寸明顯大于細(xì)粒花崗巖中的主要礦物長(zhǎng)石、石英等晶體顆粒平均尺寸，其中最大相差12倍。這使得粗?；◢弾r體整體晶體顆粒尺寸明顯大于細(xì)?；◢弾r。

對(duì)于非均質(zhì)巖體來(lái)說(shuō)，由于各種礦物組分及其膠結(jié)物具有完全不同的熱膨脹率和熱彈性性質(zhì)，因此只要溫度發(fā)生變化巖體內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)晶體間的承載強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生熱破裂。熱力作用下，不同礦物晶體與膠結(jié)物都要產(chǎn)生熱應(yīng)力，而且晶粒交界處熱應(yīng)力最高，礦物晶粒交界處的膠結(jié)物強(qiáng)度和熔點(diǎn)也最低，因此巖石的熱破裂首先從晶粒交界處的膠結(jié)物開(kāi)始［19］。由上述對(duì)比結(jié)果分析可知，相較于細(xì)?；◢弾r，粗?；◢弾r體所含礦物組分種類更多、晶體顆粒更大，這使得不同種類礦物顆粒間的交界面面積更大，也使粗粒花崗巖具有了極端的非均質(zhì)性。因此當(dāng)溫度升高時(shí)，粗粒花崗巖一方面會(huì)產(chǎn)生更高的熱應(yīng)力（由表1及式（2）可知，粗粒花崗巖中斜長(zhǎng)石與石英交界面產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于細(xì)?；◢弾r中石英與長(zhǎng)石交界面產(chǎn)生的熱應(yīng)力）；另一方面使高熱應(yīng)力存在的范圍更大，再加上其晶體本身便含有大量原生微裂隙，故粗?；◢弾r在高溫作用下原生裂隙的擴(kuò)展及貫通，次生裂隙的起裂、擴(kuò)展及貫通變得更加容易，最終造成了高溫三軸應(yīng)力下粗?；◢弾r與細(xì)?；◢弾r在熱、力學(xué)特性上的差異。

4.2 粗?；◢弾r熱、力學(xué)特性意義分析

首先，開(kāi)發(fā)400℃以上的深層干熱巖地?zé)岵艜?huì)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，而此深度的花崗巖結(jié)構(gòu)特征與淺層花崗巖結(jié)構(gòu)特征有很大區(qū)別，因此必須研究粗粒花崗巖的熱膨脹特性和固體力學(xué)特性。本文研究的粗?；◢弾r正是取自地殼深部高溫結(jié)晶形成的花崗巖體，其熱、力學(xué)特性能反映真正的干熱巖體特性。

此外，在干熱巖地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中，如何低成本、大范圍、高效率地建造人工儲(chǔ)留層往往成為地?zé)衢_(kāi)采項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，這也是眾多學(xué)者努力研究的方向。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單力學(xué)模型來(lái)分析地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中水力壓裂建造儲(chǔ)留層的熱破裂情況，如圖7所示。

圖7 水力壓裂過(guò)程熱破裂力學(xué)模型Fig.7 Thermal cracking mechanical model of hydraulic fracturing process

假設(shè)E1，α1，E2，α2分別為兩相鄰礦物顆粒Ⅰ、Ⅱ的彈性模量及熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度差，則晶體交界面處的熱應(yīng)力σΔT為［26］：

水力壓裂建造儲(chǔ)留層過(guò)程中，冷水注入干熱巖體便會(huì)產(chǎn)生溫度差，并產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力σΔT大于晶體交界面結(jié)合力σb時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生熱破裂現(xiàn)象。由上式分析可知，相鄰兩礦物顆粒交界面處的熱應(yīng)力主要受礦物熱膨脹系數(shù)與彈性模量的影響。

因此，粗?；◢弾r熱膨脹系數(shù)在400℃時(shí)為細(xì)?；◢弾r熱膨脹系數(shù)的1.4倍以上，粗、細(xì)顆?；◢弾r彈性模量相差可達(dá)260%，并且差距會(huì)隨著溫度及圍壓的升高而進(jìn)一步增大［3，27］。這正是由于粗?；◢弾r極端的非均質(zhì)性（即（α1-α2）值更大）而產(chǎn)生更加劇烈的熱破裂。與此同時(shí)，粗粒花崗巖含有大量原生裂隙并且不同礦物晶體顆粒交界面面積更大（見(jiàn)圖6），因此水力壓裂過(guò)程中粗?；◢弾r理論上更易形成大范圍的裂隙網(wǎng)。在水力壓裂過(guò)程中，熱破裂現(xiàn)象會(huì)隨著水熱交換一直持續(xù)，因此儲(chǔ)留層規(guī)模及其內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)也會(huì)進(jìn)一步發(fā)育，其滲透能力也得到進(jìn)一步提高［19，28］。因此，粗?；◢弾r的存在會(huì)大大降低干熱巖地?zé)衢_(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)留層建造的施工難度，增加儲(chǔ)留層面積并節(jié)約施工成本，為干熱巖地?zé)衢_(kāi)采大范圍應(yīng)用提供了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

干熱巖地?zé)嵴嬲_(kāi)發(fā)的是深層的干熱巖地?zé)幔捎诔蓭r環(huán)境的不同，深層花崗巖的礦物組成及細(xì)觀結(jié)構(gòu)與淺層花崗巖有較大差異。本文通過(guò)進(jìn)行高溫（100～400℃）三軸應(yīng)力條件下中國(guó)山西蘆芽山深層粗?；◢弾r與中國(guó)山東平邑淺層細(xì)?；◢弾r熱、力學(xué)特性的對(duì)比研究初步揭示了深層干熱巖體特征，并得出以下結(jié)論：

1）由于深層成巖，粗?；◢弾r含有大量原生裂隙，而且其礦物組分更加復(fù)雜，晶體顆粒尺寸更大，不同礦物交界面面積更大。

2）粗?；◢弾r熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高呈線性增加趨勢(shì)，由于粗粒花崗巖具有更大的顆粒尺寸及極端的非均質(zhì)性，粗?；◢弾r熱膨脹系數(shù)及其增加速率更大。因此得出粗?；◢弾r熱膨脹系數(shù)平均為細(xì)粒花崗巖的1.52倍，且在400℃時(shí)二者差值最大。

3）粗?；◢弾r彈性模量隨溫度變化的臨界溫度為300℃.溫度低于臨界溫度時(shí)，彈性模量隨著溫度的升高而緩慢增加；溫度高于臨界溫度時(shí)，彈性模量隨著溫度的升高而快速下降。因此，細(xì)粒花崗巖彈性模量為粗?；◢弾r的1.4～2.6倍，并且差異會(huì)隨著溫度及圍壓的升高而增加。

4）深層粗?；◢弾r特有的礦物組成及細(xì)觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在高溫高壓條件下具有更大的熱變形以及更加劣化的力學(xué)性質(zhì)，這使得粗?；◢弾r在水力壓裂過(guò)程中擁有更高的滲透性。這為干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)過(guò)程中高效率、低成本以及大范圍的建造人工儲(chǔ)留層提供了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)，使得大范圍開(kāi)采干熱巖地?zé)岢蔀榭赡堋?/p>