深層地熱儲層水力剪切增透機制研究進展

張洪偉，萬志軍，趙毅鑫，張 源，盧帥峰

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083; 2.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 3.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 4.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

深部干熱巖(HDR)地熱資源是指不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下可以利用的巖體[1]。巖性主要是火成巖(或稱巖漿巖);干熱巖常見的巖石種類是黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等[2]，主要為花崗巖[3-4]。該地熱資源具有分布廣、發(fā)電效率高、可再生性強、可規(guī)?；玫葍?yōu)點[5]。

早在1972年，美國就在新墨西哥州的芬頓山對干熱巖進行了第1次試采[6];1974年，美國Los Alamos國家實驗室提出了針對干熱巖開發(fā)的增強型/工程型地熱系統(tǒng)(EGS)[7]，并一直延續(xù)使用至今。建造EGS需要通過巨型水力壓裂技術(shù)構(gòu)建人工地熱儲層(簡稱熱儲)，并在注水井、熱儲和生產(chǎn)井之間形成閉合回路，利用回路中的循環(huán)液提取熱量，該技術(shù)屬于原位物理改性流體化采礦范疇[8]。

在EGS中，熱儲的規(guī)模和滲透性是決定熱量提取效率的關(guān)鍵。水力壓裂是熱儲裂隙延展和擴大儲層規(guī)模的主要技術(shù)手段。但是，繼續(xù)擴展原有的裂隙網(wǎng)絡(luò)往往需要加大注水壓力和流速[9]，這增加了施工的技術(shù)難度和經(jīng)濟成本。美國芬頓山EGS示范工程顯示，低壓注水會誘發(fā)已有裂隙和裂隙帶剪切滑動，可有效地增加流體循環(huán)速度[10]。由此，熱儲水力剪切增透技術(shù)被逐漸提出并應用[11]，如在英國Rosemanowes深部地熱儲層的建造中，注水引發(fā)大量的剪切破壞，形成了巨型剪切破裂區(qū);法國Soultz及澳大利亞Cooper Basin深部地熱儲層建造顯示，較小的注水壓力即可活化處于臨界剪切應力狀態(tài)的天然裂隙。對于天然裂隙和斷層豐富的地層，水力剪切增透效果更為顯著。熱儲低壓注水也因此由誘發(fā)地震的研究同時引申到了觸發(fā)裂隙剪切增透的工程應用上，而其觸發(fā)機制是該技術(shù)研究的根本。

熱儲水力剪切技術(shù)面對的是裂隙巖體熱-流-固-化學(THMC)耦合過程，該工程現(xiàn)象也給科研工作者拋出若干科學難題，如多場耦合作用下水力剪切滑移的機制是什么？水力剪切后熱儲增透效果如何量化與表征？該技術(shù)的環(huán)境影響及可控性如何？諸如此類問題皆是深部巖石力學研究的熱點及難點。

目前，世界上越來越多國家的EGS示范工程已經(jīng)開始重視水力剪切的技術(shù)和經(jīng)濟效果[12]。我國在干熱巖開發(fā)上起步較晚，且大多數(shù)研究集中在水力壓裂方面[13-17]。實際上，裂隙巖體僅需毫米級的剪切位移即可促使?jié)B透率大幅度提升[18]。蔣宇靜等[19]、夏才初等[20]、許江等[21]分別研發(fā)了巖石剪切-滲流試驗機，并開展了巖石剪切-滲流耦合實驗，指出了裂隙巖體滲透性演變隨著剪切位移增加的3階段特征:滲透率基本不變、滲透性急劇升高、滲透性趨于穩(wěn)定。這些研究成果為地熱儲層水力剪切增透機制的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

筆者旨在通過介紹熱儲水力剪切的發(fā)展過程及其應用，評述多場耦合作用下水力剪切機制研究中的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題，以期為我國干熱巖儲層改造技術(shù)的發(fā)展提供一定啟示作用。

1 基本技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

熱儲層和油氣儲層的改造都是通過向巖體注高壓水來增透，以達到最大限度提熱或采油采氣的目的。水力剪切和水力壓裂都是儲層增透的手段，但兩者在施工方法和技術(shù)原理上具有本質(zhì)區(qū)別[22]。如圖1所示，水力壓裂是利用高壓流體使巖石產(chǎn)生張拉裂縫[23-25]，并通過注入支撐劑防止閉合[22]，實現(xiàn)致密巖石內(nèi)油、氣、水和熱的生產(chǎn)。水力剪切也是向儲層中注入流體，但壓力往往低于最小主應力，以此降低施加于裂隙面上的有效應力，激活原有或新生的裂隙網(wǎng)絡(luò)，使裂隙在地應力、孔隙壓力、熱應力等作用下發(fā)生剪切滑動，并利用裂隙的粗糙表面實現(xiàn)自支撐，從而永久性增大裂隙水力傳導系數(shù)。因此，水力剪切的發(fā)生是由于有效應力和摩擦強度的降低導致的裂隙剪切活化，其發(fā)生時注入流體壓力遠遠低于水力壓裂壓力。

圖1 增強型地熱系統(tǒng)中水力壓裂和水力剪切技術(shù)對比Fig.1 Comparison between hydro-fracturing and hydro-shearing in EGS

1.2 水力剪切發(fā)生的地質(zhì)條件

在熱儲中實施水力剪切技術(shù)是可行的。熱儲中的干熱巖體是非完整的，發(fā)育著閉合的天然裂縫[11,26]，一般也會被膠結(jié)物所充填[27-28]。如圖2(a)，(b)所示，分別為美國Geysers EGS示范工程和法國Soultz EGS示范工程現(xiàn)場熱儲中鉆取的帶有天然裂隙的巖體。2個熱儲中的巖體均存在脈絡(luò)狀或網(wǎng)絡(luò)狀的裂隙，這為水力剪切增透的實施提供了良好的地質(zhì)條件。圖2(c)為深層地熱工程的巖芯，發(fā)育有大量天然裂縫。圖2(d)為地表花崗巖露頭，該花崗巖體中的構(gòu)造裂縫被巖漿或熱液流體填充。因此，干熱巖熱儲中賦存較多的天然裂隙，具備水力剪切刺激的地質(zhì)條件。

圖2 地熱儲層中的巖體Fig.2 Rock samples that were taken from geothermal reservoirs

我國很多地區(qū)的地熱儲層裂隙發(fā)育良好，具備水力剪切刺激增透的地質(zhì)條件。西藏羊八井熱田地質(zhì)資料顯示[30]，深部熱儲(-3 630 m以深)流體的儲集和運移，嚴格受斷裂構(gòu)造的控制，為典型的基巖構(gòu)造裂隙型熱儲，十分有利于水力剪切增透的實現(xiàn)。位于河南省的岸上—襄郟斷層中段，斷層南側(cè)地熱活動異常，最高地溫梯度達5.0 ℃/hm以上，斷層附近裂隙發(fā)育，富水條件較好[31]，開發(fā)水熱地熱系統(tǒng)時，通過水力剪切刺激對熱儲增透也具有較大潛力。

1.3 水力裂縫和天然裂縫之間的作用

當水力裂縫與天然裂縫發(fā)生干擾時，天然裂縫易發(fā)生剪切破壞[32]。如圖3所示，水力裂縫的擴展會影響已有天然裂縫，影響行為主要有滑移和穿過兩大類，其主要影響因素是裂縫之間的逼近角、主應力差和裂隙物理力學性質(zhì)[25]。在裂隙互相穿過的過程中有些天然裂縫會保持閉合，有些裂縫則出現(xiàn)張開和擴展的現(xiàn)象。因此，天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育特征是水力壓裂施工設(shè)計的關(guān)鍵因素，只有水力裂縫擴展并溝通天然裂縫，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，才能達到儲層增透的目的。通過控制注入水流量、壓力等參數(shù)使深部熱儲的破壞模式達到理想的剪切破壞，才能實現(xiàn)水力剪切增透的目的。

2 水力剪切增透技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)場應用情況

目前，國外大量EGS工程已認識到水力剪切增透的作用[12,25]。1972年，美國芬頓山EGS示范工程表明，水力剪切刺激加強流體循環(huán)是提高熱提取效率的有效手段[10]，1984年，該結(jié)論又在英國Cornwall地區(qū)的地熱開發(fā)工程中得到證實[33]。美國能源局也將水力剪切技術(shù)在EGS熱儲改造方面廣泛推廣應用，如Nevada州的Desert Peak EGS工程和Brady’s Hot Springs EGS工程，California州的Geysers EGS工程，Oregon州的Newberry Volcano EGS工程以及Utah州的Raft River EGS工程[12,34]。

在Newberry Volcano EGS示范工程中，AltaRock能源公司應用了水力剪切增透技術(shù)[9]。指出:對儲層進行水力剪切增透時(井深3 048 m)，監(jiān)測得出發(fā)生水力剪切的水壓僅需10～16 MPa(在14.5 MPa時的剪切活動最劇烈);水力剪切作用使得原有裂隙的張開度增大約1 mm，說明水力剪切程度不需要特別大，巖體就可以憑借裂隙表面粗糙度實現(xiàn)永久性增透。

在Desert Peak EGS示范工程中，Ormat科技公司進行了8個月的多階段壓裂，現(xiàn)場測試證實了水力剪切增透的作用。Brady’s Hot Springs EGS示范工程臨近Desert Peak EGS示范工程，但Brady’s Hot Springs EGS示范工程涉及到Brady斷層，附近有大量的天然裂隙。在2011年，項目施工方對地熱儲層進行了長達1 a的儲層增透工作。

我國很多地區(qū)的地熱儲層裂隙發(fā)育良好，具備水力剪切增透的地質(zhì)條件。西藏羊八井熱田地質(zhì)資料顯示[30]，深部熱儲(-3 630 m以深)為典型的基巖構(gòu)造裂隙型熱儲，十分有利于水力剪切增透的實現(xiàn)。位于河南省的岸上-襄郟斷層中段，最高地溫梯度達5.0 ℃/hm以上，斷層附近裂隙發(fā)育，富水條件較好[31]，開發(fā)水熱地熱系統(tǒng)時，通過水力剪切刺激對熱儲增透同樣具有很大潛力。

2.2 水力剪切機制的理論研究

巖石發(fā)生剪切滑動需要所受的剪應力應超過其峰值剪切強度。巖土工程中，Mohr-Coulomb準則是最廣泛應用的判別準則[35-37]。在巖石裂隙的峰值剪切強度計算方面，Barton提出的JRC-JCS經(jīng)驗模型已被廣泛采用[38]。然而，熱力耦合作用下裂隙巖體的剪切行為非常復雜，法向應力、加載路徑、材料屬性、充填程度、裂隙表面形貌、溫度等因素均會影響剪切行為[39-43]，而刻畫剪切行為最基本的模型就是剪切本構(gòu)關(guān)系或稱為剪應力-應變(位移)關(guān)系。然而，現(xiàn)階段的剪切本構(gòu)關(guān)系大多是常溫下建立的。

表1 部分剪切本構(gòu)模型和剪脹模型Table 1 Shear constitutive and shear dilation models

2.3 水力剪切技術(shù)的實驗研究方法

現(xiàn)場工程中研究多場耦合作用下裂隙巖體的水力剪切機制困難大，研究者相繼開展了室內(nèi)探究。由于高溫會加大裂隙巖體水力剪切實驗的難度，導致現(xiàn)有實驗溫度均在200 ℃以內(nèi)。在實驗研究形式方面主要有2種:① 壓剪實驗(主動剪切)，研究為什么發(fā)生水力剪切;② 直剪實驗(被動剪切)，研究發(fā)生剪切后怎么樣。

2.3.1基于壓剪實驗的水力剪切機制研究

預制裂隙巖體三軸壓剪-滲流實驗是近年比較流行的做法，對研究注水誘發(fā)裂隙巖體剪切發(fā)生的機制具有較好的適用性。如圖4所示，其基本原理是:在圓柱試樣中部預制帶有一定傾角的裂隙，然后放置在常規(guī)三軸應力和溫度環(huán)境下，通過鉆孔向裂隙內(nèi)注水，研究注水過程中裂隙巖體的剪切動力學響應和滲透性演化規(guī)律。巖石注水方式主要有2種:一注一出型和一注型;裂隙形態(tài)也主要有2種:平直裂隙和粗糙裂隙。

圖4 預制裂隙巖體三軸滲流-壓剪實驗Fig.4 Triaxial compression-seepage test for fractured rock

采用一注一出型，BAUER等[56]開展了高溫下平直裂隙花崗巖水力剪切實驗，試樣尺寸φ76.2 mm×156 mm，溫度為175 ℃，圍壓設(shè)置為20.7 MPa，中部注入水壓為10 MPa。實驗表明，下部出口孔壓的降低造成流體流動，流動過程中裂隙會產(chǎn)生滑動剪切;水流的溫度對裂隙滑動剪切后的接觸面積有重要影響。YE等[57]實驗探究了常溫下圍壓與孔隙壓力對粗糙預制裂隙花崗巖剪切-滲流特征的影響。盛茂等采用一注型實驗方式研究了120 ℃下平直裂隙花崗巖的水力剪切行為[58]，指出了裂隙行為的4個階段:啟動階段、滑移弱化階段、穩(wěn)定滑移階段和減速滑移階段。裂隙的啟動模式表現(xiàn)為低圍壓下的張開啟動或高圍壓下的滑移啟動。

2.3.2基于直剪試驗的水力剪切效果研究

直剪-滲流實驗是研究水力剪切增透效果的有效手段。研究人員通過研制不同類型的剪切滲流試驗裝置，研究了流體注入方式、加載方式、法向應力、裂隙粗糙度等因素對裂隙剪切行為和滲流特性的影響。如圖5(a)所示，大多數(shù)實驗都采用單向流形式，即一側(cè)進水，一側(cè)出水;也有實驗采用從試件中心注水向四周輻射的流體注入方式，如圖5(b)所示。

圖5 裂隙巖體直接剪切滲流實驗Fig.5 Shear-seepage test for fractured rock

采用單向注入型直剪-滲流設(shè)備，LEE和CHO[59]實驗探究了帶人工裂隙的花崗巖和大理巖試樣(160 mm×120 mm×120 mm)在直剪過程中的滲流特性，指出裂隙表面粗糙度對試樣的滲流特性具有重要影響。剪切過程會使裂隙開度增加，從而增加裂隙的滲透率，但是，當剪切位移達到7～8 mm之后滲透率將會達到臨界值，并且不會隨著剪切位移的增加而變化。DEMPSEY等[60]通過LEE和CHO[59]實驗得出的剪切位移與滲透性增強曲線，建立了剪切位移與滲透率的數(shù)學模型。ESAKI等[61]開展了常溫下預制平直裂隙花崗巖的直接剪切-滲流實驗，指出在剪切初始階段，裂隙滲流速度隨著剪切位移的增加逐漸降低，然后，裂隙滲流速度隨著剪切位移的增加快速升高，最后趨于穩(wěn)定，這與LEE和CHO[59]、蔣宇靜等[19]、王剛等[62]的研究結(jié)果一致。ZHANG和NEMCIk[63]開展了液體流過粗糙砂巖裂隙面的實驗，指出水力作用下的裂隙開度與圍壓呈雙曲線關(guān)系。RAHMAN等[64]指出，隨著水壓到達并超過臨界水力剪切壓力，儲層滲透能力急劇增加，超過這個水壓臨界值，考慮裂隙擴展對滲透率的影響要比僅考慮剪切滑移大很多。蔣宇靜等[19]、夏才初等[20]、許江等[21]分別研發(fā)了常溫下巖石剪切-滲流試驗機，并開展了類巖石材料、巖石材料以及煤的剪切-滲流耦合實驗，實驗結(jié)果均顯示，較小的剪切位移即可引起裂隙巖體滲透性的急劇增加。

3 基于Mohr-Coulomb準則的多場耦合作用下水力剪切滑移機制

3.1 裂隙巖體剪切滑移判別準則

針對巖石的破壞準則，較為常用的主要有Mohr-Coulomb準則、最大剪應力理論(Tresca強度準則)、八面體強度理論(Von-Mises強度準則)、Drucker-Prager準則、Hoek-Brown準則等。由于Mohr-Coulomb準則較為簡便，能很好的描述巖土的強度特性和破壞行為，在巖土工程中應用最為廣泛。

根據(jù)Mohr-Coulomb強度準則，當裂隙面的剪應力大于其極限剪切強度時，將沿著該裂隙面發(fā)生剪切破壞。Terzaghi有效應力原理指出[65]，裂隙內(nèi)液體會改變裂隙面上的有效應力，從而對裂隙滑動造成一定影響。因此，剪切強度可表示為

τp=(σn-αp0)fμ+c

(1)

式中，τp為剪切強度;σn為法向應力;fμ為摩擦因數(shù)，fμ=tanφ，φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;p0為液體壓力;α為Biot系數(shù)。

裂隙面上的正應力和切應力采用主應力表示為

(2)

(3)

式中，τ為切向應力;σ1和σ3分別為最大最小主應力;φs為裂隙傾角。

如圖6(a)所示，在注入液體壓力升高時，有效閉合應力降低，莫爾圓左移。繼續(xù)增加裂隙水壓力，則存在一個臨界壓力點，當流體壓力高于該值時，有效閉合應力不能提供足夠的阻力來抵抗裂隙的剪切滑移，具有優(yōu)勢傾角的裂隙發(fā)生剪切破壞。

但是，天然裂隙的摩擦因數(shù)fμ不再是定值，裂隙發(fā)生剪切滑移既要克服基本摩擦力，又要克服裂隙面上凹凸體之間的咬合力?；七^程中，隨著凹凸體的磨損，2個粗糙結(jié)構(gòu)面不能很好地咬合，剪切膨脹現(xiàn)象發(fā)生，裂隙導流能力提高。對于裂隙網(wǎng)絡(luò)，需要分別考慮裂隙的剪切行為(圖6(b))，采用統(tǒng)一摩擦因數(shù)tanφ的判別準則不再適用。同時，裂隙的剪切行為受多種因素影響，主要包括裂隙面的形態(tài)、傾角、有效應力、巖體物理力學參數(shù)等，它們主要通過影響裂隙面摩擦因數(shù)起作用，圖6中，τ，τf和τw為剪切應力;φs1和φs2均為裂隙傾角;φw為裂隙巖體的內(nèi)摩擦角;cw為裂隙黏結(jié)力，對于無膠結(jié)裂隙面，取0。

圖6 裂隙巖體水力剪切滑移力學原理Fig.6 Shear-slip mechanism of rock fractures

3.2 Barton裂隙巖體剪切理論

對于裂隙巖體的峰值剪切強度，Barton提出的JRC-JCS經(jīng)驗模型已被廣泛采用[38]，給出了10條經(jīng)典的裂隙輪廓線[55]，提出了對應的節(jié)理粗糙度系數(shù)(CJR)表征方法以及表征裂隙面強度的SJC指標。裂隙巖體抗剪強度與CJR,SJC以及正應力之間的關(guān)系[38]表示為

(4)

式中，CJR為裂隙表面粗糙度;SJC為裂隙抗壓強度;φb為未風化的裂隙的基本摩擦角。

對于天然裂隙，表面摩擦因數(shù)為

(5)

根據(jù)Barton理論，峰值剪應力與裂隙壁面強度有關(guān)，且未風化的裂隙壁面強度值等于巖石單軸抗壓強度。因此，通過溫度與單軸抗壓強度的關(guān)系可以建立溫度與粗糙裂隙面摩擦因數(shù)之間的聯(lián)系，簡化為

(6)

式中，σcT為溫度影響下的巖石抗壓強度;ω為風化系數(shù)，裂隙風化，ω=1;未風化為0.25;φbT為溫度影響下的基本摩擦角。

因此，粗糙裂隙剪切滑動需要的最大剪應力需滿足:

(7)

3.3 裂隙巖體剪切行為的影響因素

(1)法向應力對裂隙摩擦因數(shù)的影響。通常裂隙巖體剪切強度與法向應力直接相關(guān)[66]。在低法向應力下，裂隙主要以爬坡磨損為主;隨著法向應力的增加，出現(xiàn)明顯的剪斷現(xiàn)象，且剪斷的程度隨著法向應力的增大逐漸增強[67]。在較低法向應力作用下，裂隙表面粗糙度變化將會大大影響表面摩擦因數(shù)。但是，當法向應力大到可以忽略表面粗糙度時，剪切應力將不再受到表面凹凸體的限制，這時裂隙摩擦因數(shù)與法向應力無關(guān)。

(2)水熱條件對裂隙基本摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)的影響。STESKY等[68]研究了水熱耦合條件對裂隙基本摩擦因數(shù)的影響，實驗材料為花崗巖平直裂隙。研究指出，在常溫至300 ℃范圍內(nèi)，巖石基本摩擦因數(shù)恒定。在300 ～500 ℃，基本摩擦因數(shù)有很小幅度降低。因此，可認為在500 ℃范圍內(nèi)，溫度和表面濕潤度不會對花崗巖基本摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響。

裂隙摩擦因數(shù)與裂隙壁面強度、裂隙面粗糙度等因素有關(guān)。水熱條件主要是通過影響巖體的強度參數(shù)起作用，如影響巖石拉壓剪強度、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力等。相對而言，裂隙粗糙度越小，裂隙摩擦因數(shù)對溫度越不敏感。

(3)裂隙傾角對水力剪切行為的影響。深部裂隙巖體一般處于應力平衡狀態(tài)。隨著注水壓力的增加，裂隙有效應力逐漸降低，裂隙剪切破壞開始發(fā)生。通常60°左右的裂隙最先發(fā)生剪切破壞，但是，由于裂隙表面粗糙度的存在，并不是所有的處于該角度附近的裂隙均發(fā)生剪切破壞，仍有部分裂隙在裂隙面的咬合作用下保持穩(wěn)定。同時，增加注水壓力并不能促使傾角較小的裂隙發(fā)生剪切破壞。因此，水力剪切增透對于傾角具有依賴性。采用水力剪切技術(shù)進行儲層增透前，需要預先判斷靶區(qū)裂隙傾角的大概范圍。

4 水力剪切機制的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題

4.1 深部巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角的溫度效應

在深地工程中，溫度對巖體力學性能的影響愈發(fā)劇烈;高溫下巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角與常溫下顯著不同。相關(guān)研究大都集中在溫度對巖體強度的影響方面:在強度性質(zhì)方面，巖石的彈性模量、抗拉強度以及抗壓強度均隨著溫度的升高而降低，如砂巖、花崗巖、大理巖、石灰?guī)r[83-84]等。也有部分巖石表現(xiàn)出相反的趨勢[85-86]，如泥巖和鹽巖。在物理性質(zhì)方面，在0～200 ℃，巖石的泊松比和內(nèi)摩擦角會隨著溫度的升高而增加。在宏觀破裂方面，高溫高壓下巖石由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐腫88-89]。

決定巖石力學強度的主要指標是黏聚力和內(nèi)摩擦角。然而，深部巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角的熱變特性往往得不到足夠關(guān)注。黏聚力和內(nèi)摩擦角作為巖體最基礎(chǔ)的力學指標，是大多數(shù)工程計算和數(shù)值模擬的必要參數(shù)，也是決定巖石強度的主要因素。一般黏聚力和內(nèi)摩擦角越高，巖石的強度越高。在熱儲水力剪切判別準則中，黏聚力和內(nèi)摩擦角是最基本的參數(shù)，兩者的溫度效應值得深入研究，這也是水力剪切滑移機制的研究基礎(chǔ)之一。

4.2 多場耦合作用下水力剪切滑動判別準則適用性

1773年，Coulomb提出巖土抗剪切強度是黏聚力和內(nèi)摩擦角的函數(shù)。Mohr提出巖土體的強度是應力的函數(shù)，并將莫爾圓的包絡(luò)線簡化為直線形式，建立了Coulomb-Mohr強度破壞準則[90]，所得出的破裂角也為定值。該強度理論針對淺部巖石的破壞具有良好適用性，而深部巖石處于復雜高地應力環(huán)境下，表現(xiàn)出顯著非線性力學特征。巖石在不同高應力狀態(tài)下的破壞應力圓與強度曲線相切時，其對應的破裂角也不再是常數(shù)，而是一個連續(xù)變化的值，導致采用線性包絡(luò)線計算產(chǎn)生較大誤差。

干熱巖處于高溫高應力環(huán)境下，主要由巖漿上升冷卻形成，其巖石硬度較常溫軟化很多，而現(xiàn)有的巖石強度準則的研究多集中于硬巖和黏土類材料上，因此，需要對比分析常用巖石強度準則之間的適用性，尤其是熱變致軟條件下的強度準則的適用性?？赏ㄟ^對試驗數(shù)據(jù)的擬合分析，以最小擬合差和平均誤差為評價指標，比較各準則之間對高溫高壓條件下巖石強度特性的描述精度，進一步提出修正方法或新型強度準則。

4.3 熱力耦合條件下有效應力理論適用性

有效應力理論是連接應力場和滲流場的橋梁[65]，該理論主要用以表征多孔彈性介質(zhì)中總應力、固體顆粒(骨架)間應力和孔隙流體壓力3者間的作用關(guān)系[95]，BIOT于1941年對其進行修正，引入有效應力系數(shù)的概念[96]，通常表示為

σ′n=σn-αp

(8)

式中，σ′n為裂隙所受的有效應力;p為孔隙壓力。

干熱巖基巖一般為致密巖體，相對裂隙，其孔隙度可以忽略不計，不用考慮孔隙內(nèi)壓的有效應力效應。因此，裂隙間連通空腔域面積及其在水力耦合作用下的動態(tài)變化規(guī)律是粗糙裂隙有效應力表征的研究重點。相關(guān)研究人員建立了粗糙裂隙凸起-空腔-水壓作用概念模型[97]，并通過應力平衡分析，提出了相應的有效應力系數(shù)。但是，關(guān)于高溫高壓環(huán)境下有效應力系數(shù)與溫度的依變關(guān)系以及剪切過程中有效應力的變化規(guī)律還需要進一步研究。

4.4 熱力耦合作用下裂隙巖體的剪切破壞響應

4.4.1高溫對裂隙面剪切力學行為的影響

裂隙巖體水力剪切的行為特征是裂隙的錯動，錯動過程中存在著凹凸體的咬合、斷裂、爬坡、裂紋萌生與擴展等多重物理現(xiàn)象。整體表現(xiàn)為剪切引起的表面粗糙度的退化，高溫環(huán)境引起裂隙壁面強度的弱化和巖體的軟化。

溫度會弱化裂隙壁面強度，從而弱化峰值剪切強度。隨著溫度的增加，峰值剪切強度降低，其主要原因為，高溫下節(jié)理強度降低，導致凹凸體相互咬斷需要的剪應力降低。但是相對于表面較粗糙的裂隙而言，溫度弱化峰值剪切強度的能力有限。

4.4.2高溫對裂隙面剪脹量的影響

剪脹現(xiàn)象對裂隙巖體滲流具有直接影響，剪脹量越大，裂隙開度越大，巖體導流能力越強。溫度對剪切過程中剪脹效應的影響主要體現(xiàn)在弱化巖石節(jié)理強度上，通常巖石節(jié)理強度越大，剪脹量也越大。由于高溫會軟化巖石，在剪切過程中會出現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象，如高溫下裂隙面磨損更劇烈，磨損顆粒更容易碾壓成微小顆粒，使得顆粒尺寸降低，增加了磨損顆粒充填凹陷的可能;同時，高溫會軟化巖石，使得磨損難易程度降低。

4.4.3熱破裂及熱沖擊對裂隙面剪切力學行為的影響

高溫通常會弱化巖石的物理力學性質(zhì)。一般情況下，巖石的彈性模量、抗拉強度及抗壓強度一般隨著溫度的升高而降低，其本質(zhì)原因是溫度對礦物組分及礦物顆粒結(jié)構(gòu)的影響。由于花崗巖的非均質(zhì)性以及組成巖石礦物顆粒膨脹系數(shù)的差異，使巖石內(nèi)部因加熱產(chǎn)生熱破裂，弱化巖體強度。同時，急劇冷卻會產(chǎn)生高速收縮變形和非均勻拉應力，產(chǎn)生熱沖擊破裂。由于熱沖擊具有較大的熱梯度，其弱化巖石強度的效果比一般的熱應力要強很多。因此，熱破裂及熱沖擊主要是通過改變巖石強度或裂隙壁面強度對裂隙的水力剪切行為起作用。

綜上所述，熱力耦合作用下裂隙巖體的剪切行為十分復雜，深刻揭示裂隙巖體的剪切破壞響應非常重要，需要開展高溫高壓下裂隙巖體三軸壓縮實驗或高溫高壓下裂隙巖體直剪試驗，逐步建立多場耦合作用下的裂隙巖體剪切破壞的力學模型和數(shù)學模型。

4.5 熱沖擊對干熱巖水力剪切機制的影響

在干熱巖開發(fā)進程中，因加熱或急劇冷卻導致的干熱巖熱物理力學性質(zhì)的變化比較普遍，如:深部熱傳導加熱巖體、鉆井循環(huán)泥漿冷卻井筒圍巖、水力壓裂導致巖體熱沖擊、循環(huán)換熱導致巖體溫度變化等。高溫干熱巖遇水后，由于熱脹冷縮以及高壓作用會產(chǎn)生無數(shù)細小的裂隙。

高溫通常會弱化巖石的物理力學性質(zhì)。但是相比熱應力而言，熱沖擊應力更具破壞性。如圖7所示，郤保平和趙陽升開展了高溫魯灰花崗巖遇水冷卻后力學特性試驗[99]，圖7給出了實時高溫下與遇水冷卻花崗巖歸一化后的力學強度關(guān)系曲線，可以看出，遇水冷卻比實時高溫下花崗巖抗壓強度和彈性模量小很多。說明花崗巖遇水冷卻處理進一步加劇了巖體的弱化程度。

圖7 實時高溫下與遇水冷卻后花崗巖力學參數(shù)隨溫 度的變化關(guān)系[99]Fig.7 Relationship between mechanical parameters and temperature of granite under real-time high temperature and after quenching condition[99]

花崗巖是由晶體顆粒、孔隙、膠結(jié)物等組成的非均質(zhì)天然材料，十分致密。由于熱膨脹系數(shù)不同，升溫會產(chǎn)生非均勻變形與非均勻應力，產(chǎn)生熱破裂;急劇冷卻會產(chǎn)生高速收縮變形和非均勻拉應力，產(chǎn)生熱沖擊破裂。由于熱沖擊具有較大的熱梯度，因此，其破壞力比一般的熱應力要大很多。

熱沖擊對干熱巖儲層改造的影響主要有3個因素[14]:① 巖石急劇收縮產(chǎn)生拉應力;② 巖石力學參數(shù)的弱化;③ 較高的熱梯度。干熱花崗巖巖體在壓裂泵注過程中不斷冷卻將產(chǎn)生熱誘導應力，該應力不僅僅增加天然裂縫的開度，影響導流能力，也會改變巖體基質(zhì)的應力狀態(tài)，在形變誘導應力的共同作用下，增加巖體基質(zhì)剪切破壞的可能性，影響裂縫網(wǎng)絡(luò)的溝通半徑。因此，熱誘導應力(熱應力、熱沖擊等)對水力剪切機制的影響也是重要的研究問題之一。

4.6 水力觸發(fā)剪切與誘發(fā)微震的聯(lián)系

人工誘發(fā)微震或地震的現(xiàn)象越來越引發(fā)關(guān)注。巖體新裂隙的生成與擴展往往伴隨不同程度的微震事件[100]。在水力壓裂和水力剪切儲層增透過程中，微震事件比較集中;相對而言，水力壓裂產(chǎn)生少數(shù)微震事件，而水力剪切過程中經(jīng)常伴隨大量微震事件[22]。微震事件的出現(xiàn)及數(shù)量的積累也可能預示著強震的出現(xiàn)。

一般情況下，儲層注水誘發(fā)地震的等級往往較小，CLADOUHOS等介紹了Newberry Volcano EGS示范工程中水力剪切增透與微震事件發(fā)生的關(guān)系[101]。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，高溫裂隙巖體在滑動剪切時不僅增加裂隙滲透性，同時會引起微震事件，但所產(chǎn)生的微震的震級均小于2.0，并且地面無震感。

當裂隙穿過大斷層或斷裂帶就可能誘發(fā)破壞性地震。水力壓裂本身產(chǎn)生的震動量級很小，當沿斷層面或在斷層面附近注入壓裂液時，地殼下幾千米深處所承受的應力已使該處的巖石接近破裂，很可能引發(fā)地震，如巴塞爾(瑞士)的多次地震(震級>3級)[102]，韓國Pohang EGS項目注水誘發(fā)的震級>5.4級地震[103]如圖8所示，由于微震活動未引起重視，施工過程中也未意識到斷層的危害性，從而誘發(fā)斷層地震。該EGS工程已被叫停。

圖8 韓國浦項EGS注水后的地震活動[104]Fig.8 Earthquake actives after injection in Pohang of South Korea EGS project[104]

目前，已有的地震成核模型都無法充分預測主震前斷層上的應力變化或壓力擾動引發(fā)超出壓裂范圍斷層滑動的可能性。因此，發(fā)展觸發(fā)和誘發(fā)地震活動的物理和統(tǒng)計模型對評估地震風險非常必要。在水力剪切施工過程中，應進行全面和持續(xù)的地震監(jiān)測分析，合理評估隨注水活動變化的地震災害風險。

水力剪切技術(shù)也不失為深層地震人工解危手段。在水力剪切改造儲層過程中，可以通過微震監(jiān)測估計和判斷儲層激發(fā)區(qū)域的信息，監(jiān)測出干熱巖熱儲裂隙三維分布方向、儲層規(guī)模等信息。通過觸發(fā)裂隙剪切，可以在一定程度上釋放積累的應力，緩解災害的發(fā)生;通過水力剪切增透加大熱量提取效率，也是降低能量積累的方式之一。

5 結(jié)論與展望

(1)圍繞干熱巖所處的高溫高壓環(huán)境，研究巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角等基礎(chǔ)物理力學參數(shù)的溫度效應，基于此可修正或提出適用于深部高溫地熱巖體開發(fā)的強度準則或損傷模型。

(2)圍繞注水觸發(fā)裂隙剪切滑動的工程現(xiàn)象，開展高溫高壓裂隙巖體水力剪切實驗、裂隙巖體剪切-滲流-傳熱耦合特性實驗等，可揭示熱儲水力剪切中的動力響應規(guī)律及滲透性演化機制。

(3)圍繞EGS儲層注水誘發(fā)災害的防控需求，基于多相介質(zhì)多場耦合作用原理，可建立下水力剪切增透的作用效果及環(huán)境評價模型，掌握注水觸發(fā)增透的效果和誘發(fā)地震等災害的機制。

(4)圍繞高溫地熱儲層的重大工程需求，研發(fā)水力剪切增透成套技術(shù)，可從機制、效果、環(huán)境等方面綜合考慮，建立適用于我國干熱巖儲層的水力剪切增透技術(shù)手段。