周長冰，萬志軍，張 源，顧 斌

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

高溫條件下花崗巖水壓致裂的實驗研究

周長冰1，2，萬志軍1，2，張 源1，2，顧 斌1，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

人工儲留層建造是高溫巖體地?zé)衢_采關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心是巨型水壓致裂，關(guān)鍵科學(xué)問題是巖石熱力耦合作用下的水壓致裂理論。采用自主研制的“600℃ 20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機(jī)”，開展了Φ200 mm×400 mm的魯灰花崗巖大試樣高溫三軸應(yīng)力下的水壓致裂實驗，分析了實驗的水壓加載曲線特征和裂縫最終形態(tài)。研究結(jié)果表明：隨溫度的升高，花崗巖裂縫開裂模式從脆性開裂轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)開裂；溫度升高至300℃后，裂縫起裂的主控條件向溫度轉(zhuǎn)化；從室溫到200℃之間，溫度對花崗巖水壓致裂影響的控制機(jī)理是巖石抗拉強(qiáng)度的下降，而200℃到400℃起裂壓力的控制機(jī)理是溫度下降引起的熱應(yīng)力。隨著溫度的升高，裂縫的擴(kuò)展方向從軸向改變?yōu)閮?yōu)先向徑向深處發(fā)展。

熱力耦合；水壓致裂；花崗巖；裂隙擴(kuò)展

地?zé)嶙鳛橐环N可再生的綠色能源，具有巨大的開發(fā)價值，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是對EGS(Enhanced Geothermal Systems)系統(tǒng)目標(biāo)儲層進(jìn)行巨型水壓致裂改造。現(xiàn)階段的水力壓裂、增加化學(xué)劑等激勵技術(shù)并不成熟[1]，未能完全掌握鉆井激發(fā)、流體循環(huán)測試等完整工藝技術(shù)，不能精確模擬和預(yù)測儲層壓裂效果。目前水壓致裂在頁巖氣、石油開采及地應(yīng)力測量等方面具有廣泛的應(yīng)用。

對于水壓致裂的物理研究，學(xué)者們使用真三軸實驗機(jī)對裂縫的起裂、擴(kuò)展、轉(zhuǎn)向等進(jìn)行了研究。裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展不僅與地應(yīng)力相關(guān)，還受到巖層產(chǎn)狀的影響。當(dāng)井口附近產(chǎn)狀豐富時，多裂縫出現(xiàn)概率大，水力裂縫多呈非對稱分布[2]。程萬等[3]研究了裂縫能否穿進(jìn)構(gòu)造面的問題，認(rèn)為水力裂縫溝通三維儲層中非連續(xù)面后，其擴(kuò)展行為與非連續(xù)面的產(chǎn)狀密切相關(guān)。與非連續(xù)面傾角相比，走向角是影響水力裂縫穿透行為的關(guān)鍵因素。當(dāng)水力裂縫穿透構(gòu)造面后，易形成與天然層理面相交的復(fù)雜裂縫，并與層理面開裂后交叉形成網(wǎng)絡(luò)裂縫[4]。

已有的物理研究大多針對煤巖、頁巖等低溫巖體，而EGS地?zé)嵯到y(tǒng)巖層溫度一般都超過200℃。由于溫度的升高，使得巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[5-7]，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等都有一定程度的降低。除此外，注入的壓裂液與巖體溫差很大，壓裂過程中巖體與液體發(fā)生復(fù)雜的熱-流-固耦合效應(yīng)，對巖體產(chǎn)生劇烈的熱沖擊，伴隨而來的是巖石大規(guī)模的熱破裂[8-9]。這些問題都對壓裂過程產(chǎn)生重要的影響，因此壓裂過程中的溫度效應(yīng)不可忽略。受實驗設(shè)備影響，開展高溫下巖石水壓致裂實驗比較困難，也很少見到這方面研究的報道。數(shù)值仿真的應(yīng)用比較靈活，國內(nèi)外學(xué)者對高溫水壓致裂的研究大都采用這種手段，但是它受到理論模型發(fā)展的限制，難以真實模擬壓裂過程[10]。因此，對高溫下水壓致裂相關(guān)理論研究的缺失，使得在工程開發(fā)時有很多盲目性，其中不乏失敗的案例，M.K.Rahman等[11]介紹了澳大利亞兩例水壓致裂的失敗案例，在水壓致裂過程中，發(fā)現(xiàn)豎井的垂直裂縫在擴(kuò)展時被扭曲成水平，導(dǎo)致巖層增透不明顯。

本文采用中國礦業(yè)大學(xué)自主研制的“600℃ 20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機(jī)”[12]，開展20～400℃花崗巖水壓致裂研究，以期得到裂縫開裂壓力及擴(kuò)展規(guī)律。

1 實驗儀器設(shè)備及方法簡介

1.1 溫壓加載系統(tǒng)

熱力耦合加載裝置“600℃ 20 MN 伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機(jī)”主要性能及技術(shù)參數(shù)：①試驗機(jī)采用固體介質(zhì)傳遞圍壓，軸向壓力和側(cè)向壓力獨立控制，最大軸向應(yīng)力318 MPa，圍壓250 MPa；②試樣最高加熱穩(wěn)定溫度為 600℃；③軸向壓力和側(cè)向壓力保壓時間大于360 h；④高溫三軸壓力室具有高精度的溫度控制功能，靈敏度不超過±0.3%。

1.2 水壓加載系統(tǒng)

高壓水加載系統(tǒng)使用柱塞式高壓水泵，最大加載壓力400 MPa，測試精度0.1級。水壓加載有自動、手動兩種控制方式。自動控制方式為系統(tǒng)加載時按一定速率自動升高電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得水壓自動升高；手動方式為通用變頻器旋鈕手動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)水壓的調(diào)節(jié)。本次試驗使用自動控制方式。水泵壓力通過進(jìn)水管處的壓力傳感器測量，分辨率0.1 MPa。流量采用間接測量方法，使用高精度電子稱測量注水過程中水箱內(nèi)水的減少量，進(jìn)而計算出注入水的流量，分辨率0.5 mL/s。水壓加載系統(tǒng)通過軟件集中控制，自動采集水壓和流量，采樣頻率為50 Hz。

1.3 實驗試樣

試樣為產(chǎn)自山東平邑的灰色花崗巖，商品名“魯灰”，尺寸為Φ200 mm×400 mm。試樣上端面預(yù)鉆直徑18 mm，深250 mm的注水孔，并埋入金屬高壓注水管，鉆孔底部留出50 mm的壓裂段。因花崗巖強(qiáng)度大、實驗溫度高，封孔水泥不能密封注水孔，試驗采用紫銅密封圈進(jìn)行分段封孔(圖1)。

圖1 高壓注水管與花崗巖鉆孔密封方式

1.4 實驗方法

按操作規(guī)程把試樣裝入高溫高壓巖體三軸試驗機(jī)，軸壓加載至25 MPa，側(cè)壓25 MPa后，按10 ℃/h升溫至目標(biāo)溫度。試樣達(dá)到目標(biāo)溫度后保溫2 h，使試樣內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定。啟動高壓水泵向試樣內(nèi)注入高壓水，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以2 Hz/s的速度提高，使試樣內(nèi)的水壓穩(wěn)步提高，當(dāng)試樣內(nèi)的水壓出現(xiàn)突降現(xiàn)象且壓降幅度超過1 MPa時，說明試樣內(nèi)出現(xiàn)新的較大裂縫，此時高壓水泵自動停機(jī)。試驗全程水壓、水流量、試樣軸向、側(cè)向壓力自動記錄。其中，作為壓裂液的水以朱砂染色，以便試驗結(jié)束后觀察裂縫形態(tài)。試驗日期為2015年5月份，水溫在20℃左右。

2 實驗結(jié)果

每個溫度點做了3次試驗，在相同的試驗條件下，因為花崗巖的非均質(zhì)性，起裂壓力相差2 MPa左右，縫裂擴(kuò)展次數(shù)也有一定的差別，但總體變化規(guī)律相差不大。本文選用起裂壓力為每個溫度點為中間數(shù)值的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，分析各溫度下花崗巖水壓致裂規(guī)律。20～400℃下花崗巖試樣水壓加載曲線如圖2所示。

圖2 各溫度點壓裂曲線

溫度(℃)開裂壓力(MPa)第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次2050.637.744.943.942.446.812.410047.741.422.1----20043.221.329.628.211.9--30024.614.210.1----40015.310.27.23.5---

考察所有溫度點壓裂曲線，20℃時(圖2(a))試樣破裂次數(shù)最多(7次)，最高起裂壓力出現(xiàn)在第一次開裂，為50.6 MPa，第二次開裂壓力最低(37.7 MPa)，后續(xù)開裂水壓有小幅升高的趨勢。初次開裂后，裂縫向試樣深度發(fā)展，而壓裂液在裂縫內(nèi)滲流有一定的阻力，裂縫越深阻力越大，從而造成水壓有升高的趨勢，這個結(jié)果和其它常溫下巖石水壓致裂結(jié)果一致[13]。對比其它溫度點，常溫下壓力曲線比較光滑，各次壓裂過程中，升壓段較為陡峭，幾乎直線到達(dá)最高點，看不到裂縫延伸段，且瞬時水流量與注水壓力同步升高到最高點。這種現(xiàn)象說明在常溫下，花崗巖裂縫開裂是突發(fā)性的，在水壓達(dá)到裂縫開裂壓力時，裂縫瞬時開裂。因為是突發(fā)裂縫，所以在裂縫發(fā)育的瞬間，裂縫開裂的速率遠(yuǎn)大于水注入的速率，導(dǎo)致新裂縫內(nèi)沒有壓裂液。隨后壓裂液短時間內(nèi)涌入新裂縫內(nèi)，導(dǎo)致水壓突降而停泵。因為20℃時，試樣壓裂7次，才使得裂縫完全貫穿試樣，而其他溫度點只需要3～5次，說明20℃時每次開裂時新裂縫發(fā)育深度不大，但是開裂的速度較快。常溫壓裂曲線在停泵后有明顯的關(guān)閉曲線且持續(xù)時間長，說明巖石滲透性小從而壓裂液濾失量小，使得裂縫閉合用時較長。試樣的最后一段曲線長時間呈水平狀，且水流量持續(xù)走高接近峰值，這時試樣已經(jīng)完全斷裂，壓裂液通過裂縫排出試樣外。此時的壓力值為壓裂液在裂縫內(nèi)流動的阻力。

100℃時(圖2(b))，第一次壓裂特征與常溫下區(qū)別不明顯，起裂壓力比20℃時減小2.9 MPa(47.7 MPa)，曲線陡峭且有明顯的關(guān)閉曲線。第二次注水壓裂時，曲線出現(xiàn)顯著的變化。水壓力達(dá)到峰值前的增長不是直線且有一定波動，這與20℃時有明顯的區(qū)別，說明在峰值前已經(jīng)有少量的裂隙開始發(fā)育，隨著注水量的增加裂縫持續(xù)發(fā)育。峰值后水壓力波動較大且持續(xù)時間較長。壓力的突降值沒有達(dá)到關(guān)泵要求，系統(tǒng)仍然向試樣內(nèi)注水，導(dǎo)致水壓曲線在波動中走低。結(jié)合注水流量變化可以看出，20℃時注水流量達(dá)到7 mL/s時裂縫開裂導(dǎo)致機(jī)器關(guān)泵，說明此時裂縫瞬間開裂的空間較大，有足夠的空間使水降壓。而在100℃時，水壓達(dá)到峰值后，注水流量持續(xù)增加到20 mL/s，直到壓力從41.4 MPa降低到27 MPa時才關(guān)泵，說明水壓到達(dá)峰值后，裂縫瞬間擴(kuò)展的空間不大，導(dǎo)致水壓降低的幅度達(dá)不到關(guān)泵判別值，使得水流量持續(xù)升高，裂縫持續(xù)擴(kuò)展。分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因是裂縫開裂的擴(kuò)展模式發(fā)生變化，從突發(fā)裂縫改變?yōu)檫B續(xù)發(fā)育，也就是新裂縫發(fā)育的速度與壓裂液注入的速度相當(dāng)，導(dǎo)致水壓壓降小于1 MPa而達(dá)不到停泵條件。峰值后水壓力曲線的波動也證明了這個現(xiàn)象。隨著裂縫連續(xù)發(fā)育及水流量提高，使試樣內(nèi)裂縫發(fā)育速率提高，直到27 MPa時壓降達(dá)到1 MPa而停泵。在相同的停泵判別值下，單次注水連續(xù)發(fā)育模式的裂縫深度比突發(fā)模式大。所以在100℃時，三次注水就使得整個試樣破裂。

200℃、300℃、400℃裂縫發(fā)育模式和100℃時差別不大，均為連續(xù)發(fā)育。高溫下，差別最大的是裂縫的起裂壓力。20～200℃時，起裂壓力隨溫度的升高而降低，但降低幅度不大(4 MPa左右)。溫度超過200℃后，隨溫度的升高起裂壓力發(fā)生突變，300℃和400℃的起裂壓力分別為24.6 MPa和15.3 MPa，分別比前一個溫度點降低了18.6 MPa和9.3 MPa，相對下降幅度達(dá)到43.1%和37.8%。200℃和300℃的起裂壓力降幅最大，所以，在這個溫度區(qū)間內(nèi)，裂縫起裂的主控條件向溫度轉(zhuǎn)移。

3 溫度效應(yīng)對花崗巖水壓致裂影響機(jī)理

溫度主要通過3種方式對花崗巖水壓致裂產(chǎn)生影響：①花崗巖力學(xué)參數(shù)；②花崗巖熱破裂；③注水加壓時使花崗巖鉆孔降溫而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

3.1 高溫下花崗巖力學(xué)參數(shù)變化對起裂壓力的影響

溫度對花崗巖的力學(xué)參數(shù)影響較大，主要體現(xiàn)在彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度上。

萬志軍等[14]在設(shè)定溫度和固定圍壓(25 MPa)條件下，對魯灰花崗巖試件軸向加載，獲得花崗巖體在不同溫度下的彈性模量如圖3(a)所示。

從圖中可知，在200℃之前，試樣的彈性模量隨溫度的升高小幅下降。200℃到300℃彈性模量從57 GPa減小到50 GPa，到400℃時下降到46 GPa，而在200℃前僅下降了2 GPa。由此可見，花崗巖彈性模量突變的閾值在200℃到300℃之間，說明在此溫度段，花崗巖試樣力學(xué)性能弱化，有利于裂縫的張開變形。

除彈性模量外，溫度對抗壓強(qiáng)度影響也較大。圖3(b)給出了不同溫度下花崗巖的抗壓、抗拉強(qiáng)度[15]。圖中數(shù)據(jù)可以看出，抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化可分為3段：第一段為100℃之前，從25℃的191.9 MPa急劇下降到100℃的110.1 MPa；第二段為100～300℃，抗壓強(qiáng)度緩慢下降；第三段為300℃之后，抗壓強(qiáng)度再次劇烈下降。但是抗壓強(qiáng)度突變與水壓致裂的起裂壓力的突變關(guān)聯(lián)不大?？估瓘?qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相似，都是在100℃之前有明顯的下降，而抗拉強(qiáng)度到450℃之后才再次劇烈下降。水壓致裂理論認(rèn)為注入的高壓水使鉆孔附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時巖石起裂，因此，起裂壓力與巖石的抗拉強(qiáng)度關(guān)系較為密切?；◢弾r不同溫度點的抗拉強(qiáng)度和起裂壓力與圖4對比，100℃時，抗拉強(qiáng)度下降3.6 MPa，而起裂壓力下降2.9 MPa。但是，從100℃到450℃(400℃)，抗拉強(qiáng)度僅下降1.1 MPa，而起裂壓力下降了32.4 MPa，下降幅度達(dá)到67.9%；其中，200℃時起裂壓力下降3.5 MPa，300℃時則下降了18.6 MPa，200～300℃是起裂壓力急劇下降的門檻溫度。同時，這種現(xiàn)象說明：隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度下降在起裂壓力下降中所占的比重不同。

圖3 花崗巖物理力學(xué)參數(shù)隨溫度變化規(guī)律

圖4 抗拉強(qiáng)度與起裂壓力變化規(guī)律對比

3.2 花崗巖熱破裂對水壓致裂的影響

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。在室溫下，花崗巖十分致密，由膠結(jié)物包裹黏結(jié)著礦物結(jié)晶顆粒，沒有明顯的裂紋。隨著溫度的升高或降低，在熱應(yīng)力的作用下晶體顆粒周圍開始產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋進(jìn)一步發(fā)展相互導(dǎo)通形成較大裂隙，最終包圍花崗巖晶體顆粒的多邊形的裂紋幾乎全部導(dǎo)通，在整個花崗巖試樣內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)狀的裂隙。這就是所謂的熱破裂，是指在溫度作用下，由于熱膨脹系數(shù)不同，而產(chǎn)生非均勻變形與非均勻應(yīng)力，由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的試樣內(nèi)部的破裂。

緩慢升溫過程中，試樣內(nèi)不產(chǎn)生大的熱力梯度，可以認(rèn)為其內(nèi)部顆粒之間處于同一溫度，從宏觀上看，試樣內(nèi)沒有溫差，因此沒有熱應(yīng)力，而從微觀上看，因顆粒之間的非均質(zhì)性可產(chǎn)生顆粒間的熱應(yīng)力。在這個假設(shè)下，其力學(xué)模型可表述如下：①花崗巖內(nèi)兩種不同類型的顆粒緊緊相鄰；②兩類物質(zhì)的熱脹系數(shù)和彈性模量分別為β1、β2和E1、E2；③溫度從室溫升高ΔT。顆粒間的熱應(yīng)力可表示為式(1)。

(1)

當(dāng)σΔ超過極限強(qiáng)度時，晶體顆粒周圍就會出現(xiàn)破裂。從式(1)可以看出，σΔ的變化由顆粒的線膨脹系數(shù)、彈性模量及ΔT決定。

在升溫過程中，常溫到60℃是熱破裂的一個活躍期，120℃到160℃是另一個活躍期[16]，兩個活躍期之間是能量積聚的過程，由此可看出隨溫度的升高熱破裂高峰成周期性出現(xiàn)。在200℃時，花崗巖晶體顆粒周圍已可見到極少數(shù)很小的微裂紋出現(xiàn)。300℃時，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展和產(chǎn)生，部分搭接貫通形成更大的裂紋，裂紋長度增加10倍左右[17]。巖石力學(xué)理論認(rèn)為，巖石在應(yīng)力的作用下沿弱面開裂。水壓致裂時，高壓水使得鉆孔壁附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，巖石內(nèi)大量的微裂紋使其更容易張開。起裂后的裂縫為主裂縫，在高壓水的滲流及主裂縫的張拉作用下，主裂縫的尖端進(jìn)一步損傷并溝通附近的微裂紋，使主裂縫逐漸擴(kuò)展。對比水壓致裂的水壓加載曲線，可知熱破裂發(fā)生的時間和強(qiáng)度與裂隙開裂模式變化有較高的相關(guān)性，在熱破裂發(fā)生后，試樣2次注水開裂轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)開裂，而且開裂壓力隨熱破裂的強(qiáng)度升高而減小。這說明連續(xù)開裂的本質(zhì)是主裂縫尖端與微裂紋導(dǎo)通的過程。

3.3 花崗巖鉆孔附近熱應(yīng)力的影響

為了確定鉆孔附近熱應(yīng)力對起裂壓力的影響，對注水過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)生了數(shù)值計算。

實驗室試驗使用圓柱形試樣，中心孔直徑為18mm，外徑為200mm。數(shù)值計算時，模型尺寸為200mm×200mm，中心開孔直徑為18mm(圖5)。模型主體材料為花崗巖，中心孔內(nèi)為水，花崗巖的線膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比都為T的函數(shù)，表達(dá)為式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

模型初始溫度分為100℃、200℃、300℃、400℃四種情況，中心水初始溫度為20℃，左邊界限制方向位移Ux=0，下邊界限制方向位移Uy=0，熱學(xué)上四周為絕熱邊界。鉆孔內(nèi)為水，不考慮水的相變，水與巖石在鉆孔表面處以熱對流方式換熱，計算結(jié)果見圖6。

圖5 數(shù)值計算模型

圖6 試樣內(nèi)熱應(yīng)力分布

圖6為巖石內(nèi)部拉應(yīng)力隨鉆孔邊界距離的關(guān)系。由圖6可知，巖石內(nèi)環(huán)向應(yīng)力分布也分為兩部分，在鉆孔表面至8 mm深處左右為拉應(yīng)力，8 mm深處以外為壓應(yīng)力，邊界處拉應(yīng)力最大，從100℃到400℃分別為5.93 MPa、20.42 MPa、40.75 MPa和49.41 MPa。隨著溫度的升高，鉆孔附近的熱應(yīng)力上升幅度非常大，在水壓致裂過程中，鉆孔附近的熱應(yīng)力對起裂壓力的貢獻(xiàn)是很可觀的。

為了確定隨溫度升高，熱應(yīng)力與巖石抗熱強(qiáng)度變化對起裂壓力下降起到的作用，定義熱應(yīng)力效率e(式(5))，表示溫度對起裂的增強(qiáng)作用。

(5)

式中：Pat為某溫度下的起裂壓力；Pa0為室溫下的起裂壓力；Rt為某溫度下的抗拉強(qiáng)度；R0為室溫下的抗拉強(qiáng)度。

在不同溫度下，熱應(yīng)力效率的值見圖7。從圖7中可以看出，從室溫到200℃之間，熱應(yīng)力的效率是下降的，說明此時起裂壓力的下降的主要原因是巖石抗拉強(qiáng)的下降，而200℃到400℃，熱應(yīng)力的效率是的增長的，到300℃效率值達(dá)到1.37，說明起裂壓力的主控因素是溫度下降引起的熱應(yīng)力。

圖7 不同溫度下熱應(yīng)力效率

4 裂縫發(fā)育的最終形態(tài)

圖8是各溫度點試樣斷裂后的最終形態(tài)，其中紅色為壓裂液內(nèi)的染色劑所致。圖8a中室溫下的試樣有一對對稱的主裂縫，其中一邊在鉆孔附近出現(xiàn)分叉，分叉延展至試樣表面。100℃時，試樣出現(xiàn)兩對對稱主裂縫并將試樣分為4份。200℃時有一對對稱主裂縫，將試樣分為兩塊，但沒有分叉。20～200℃時，裂縫面都為軸向，但裂縫數(shù)量不等，表現(xiàn)出高度的隨機(jī)性。300℃、400℃時，試樣斷裂模式與200℃時相似，試樣沿軸向斷裂，使得試樣分為相同大小的兩塊，對比所有溫度點的裂縫形態(tài)，可以看出裂縫的長寬比隨溫度發(fā)生了變化。

圖8中被染色范圍可以看出注水時壓裂液的滲透范圍，也就是注水實驗時裂縫的擴(kuò)展范圍。100℃之前時試樣裂縫的擴(kuò)展范圍為整個斷面。200℃時，試樣上、下兩端沒有染色，裂縫在軸向的擴(kuò)展范圍減小，隨著溫度的升高進(jìn)一步減小。從圖中可以看出，整個裂縫面為橢圓形，以徑向為x軸，軸向為y軸，每個溫度點的壓裂都是x軸到達(dá)試樣表面，則x軸長度為200 mm。而y軸的長度隨溫度的升高減小，分別為400 mm、390 mm、310 mm、250 mm和200 mm，y軸與x軸的比值變化見圖9?？梢?，隨溫度升高裂縫的擴(kuò)展方向從鉆孔軸向改變?yōu)閮?yōu)先向徑向深處發(fā)展。

圖9 裂縫的長寬比隨溫度變化規(guī)律

5 結(jié) 論

實驗室實驗?zāi)M了20～400℃之間花崗巖試樣水壓致裂實驗，向不同溫度的花崗巖注水使其破裂，得到了各溫度點的壓力曲線和最終裂隙形態(tài)。

1)溫度升高后，試樣內(nèi)發(fā)生熱破裂，因微裂紋的存在，試樣注水時裂隙開裂模式從脆性開裂轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)開裂。

2)隨溫度的升高，水壓致裂的起裂壓力逐漸降低，200℃和300℃的起裂壓力降幅最大，所以，在這個溫度區(qū)間內(nèi)，裂縫起裂的主控條件向溫度轉(zhuǎn)移。

3)從室溫到200℃之間，起裂壓力的下降的主要因素是巖石抗拉強(qiáng)度的下降，而200℃到400℃起裂壓力的主要因素是溫度下降引起的熱應(yīng)力。

4)隨溫度升高裂隙的擴(kuò)展方向從軸向改變?yōu)閮?yōu)先向徑向深處發(fā)展。

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Experimental study on hydraulic fracturing of granite specimens under high temperature

ZHOU Changbing1，2，WAN Zhijun1，2，ZHANG Yuan1，2，Gu Bin1，2

(1.School of Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education，Xuzhou 221116，China)

Man-made geothermal reservoir is one of the key technologies in heat extraction in HDR.The fundamental issue is the massive hydraulic fracturing and the key scientific problem is hydraulic fracturing theory when considering the thermo-mechanical coupling effects on the rock.The self-developed “600℃ 20 MN servo-controlled rock tri-axial testing machine with high temperature and high pressure” was adopted to carry out the hydraulic fracturing experiments for large sized specimen under high temperature and tri-axial stress.The size of Luhui granite specimen is Φ200 mm×400 mm.Characteristics of the hydraulic loading curve and fracture morphology were analyzed after the experiment.The results show that fracture cracking model of granite specimens transformed from brittle cracking into continuous cracking with the increase of temperature.When the temperature is larger than 300 ℃，the main control criteria of fracture cracking becomes the temperature.When the temperature varies from the room temperature to 200℃，the control mechanism of the impact of temperature on the initiation pressure is the decrease of tensile strength of rock masses，while from 200℃ to 400℃，the control mechanism is the thermal stress caused by the decrease of temperature.The fracture propagation orientation changed from axial direction into radial direction with the increase of temperature.

thermal mechanical coupling；hydraulic fracturing；granite；fracture propagation

2017-02-10 責(zé)任編輯：劉艷敏

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51674242)；江蘇省2013年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助(編號：CXZZ13_0949)

周長冰(1985-)，男，江蘇沛縣人，博士研究生，主要從事地?zé)衢_采方面的研究工作，E-mail：souhunzhe0@163.com。

萬志軍(1970-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，四川青神人，從事資源開發(fā)領(lǐng)域的研究，E-mail：zhjwan@cumt.edu.cn。

TU458+.3

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1004-4051(2017)07-0135-07