李博宇，彭文祥，王李昌，隆威

(中南大學(xué)，長沙 410083)

0 引言

隨著碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的提出，社會對清潔能源的需求越來越大。干熱巖資源作為一種儲量大、污染小的清潔能源，在我國越來越受重視。干熱巖資源的開采是通過深部鉆探形成多個鉆井，依靠水力壓裂等手段在深部地?zé)醿又行纬闪严毒W(wǎng)絡(luò)，使鉆井之間相互貫通，再通過水循環(huán)將熱量帶到地面上來[1，2]。所以深部鉆探井壁穩(wěn)定技術(shù)與干熱巖熱儲層改造技術(shù)是干熱巖勘探和開發(fā)利用的關(guān)鍵。干熱巖鉆井深部階段及地?zé)醿又饕墙Y(jié)晶巖層，長期處在高溫環(huán)境中，并且在深部鉆探及熱儲層改造過程中會受到化學(xué)作用的影響[3，4]，深部井壁圍巖及熱儲層中巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，規(guī)律性變差，可能會產(chǎn)生井壁失穩(wěn)、熱儲層改造困難等情況，從而制約干熱巖的開發(fā)利用。綜上所述，研究溫度與化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)可以為井壁穩(wěn)定技術(shù)及熱儲層改造技術(shù)提供理論支持，對于干熱巖的開發(fā)利用具有重要意義。

1 溫度作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀

近年來，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用各種實驗手段對溫度作用下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)做了大量研究，主要包括對高溫巖石在不同冷卻條件下的物理力學(xué)性質(zhì)變化及實時高溫狀態(tài)下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)變化的研究。

1.1 高溫巖石在不同冷卻條件下的物理力學(xué)性質(zhì)研究

研究深部高溫巖體在熱應(yīng)力作用后的物理力學(xué)性質(zhì)變化及熱損傷問題可以更好地服務(wù)于干熱巖開發(fā)利用等深部地下工程。目前已經(jīng)有許多學(xué)者對于高溫巖石物理力學(xué)性質(zhì)有了一定的研究成果，主要集中于溫度及冷卻方式對高溫巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

高溫自然冷卻后巖石物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗研究一般使用馬弗爐等加熱設(shè)備將巖石加熱至目標(biāo)溫度，待巖石自然冷卻后再通過各種實驗室技術(shù)、儀器測出高溫后巖石的各種物理力學(xué)參數(shù)及微觀結(jié)構(gòu)變化，并結(jié)合理論分析進(jìn)行研究[7]。由于干熱巖地層及其他深部地下工程中的主要巖石是花崗巖，現(xiàn)階段相關(guān)學(xué)者對這方面的研究以花崗巖為主。趙亞永等[5]采用加熱設(shè)備把花崗巖等三種巖石加熱到指定溫度進(jìn)行保溫，將巖樣冷卻至室溫后進(jìn)行力學(xué)試驗及微觀試驗，研究發(fā)現(xiàn)巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化與礦物組分改變及微觀裂隙發(fā)育關(guān)系密切。Li等[6]通過對不同高溫冷卻循環(huán)次數(shù)下的花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，得出了熱循環(huán)對巖石脆韌性、強(qiáng)度及破壞模式的影響規(guī)律，隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，巖石逐漸由脆性向韌性轉(zhuǎn)變，力學(xué)強(qiáng)度減小。綜上所述，高溫作用下巖石的內(nèi)部微觀晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，出現(xiàn)微觀裂隙，當(dāng)巖石達(dá)到一定溫度時，隨著溫度的升高巖石微觀裂隙不斷增多，從而劣化了巖石的力學(xué)性能。

在深部地下工程中，經(jīng)常會出現(xiàn)高溫巖石遇較低溫溶液急速冷卻致裂的現(xiàn)象，這種情況也不容忽視。例如，深部鉆探過程中較低溫的鉆井液與高溫井壁相接觸、水力壓裂過程中高溫儲層與較低溫水相接觸，都會使高溫巖石快速冷卻，從而影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。因此，開展對不同冷卻條件下高溫巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的研究十分必要。相關(guān)學(xué)者對試驗研究方法進(jìn)行改進(jìn)，對巖石高溫處理后立即用水或其他溫度較低的液體對巖石進(jìn)行冷卻，再用各種實驗技術(shù)手段得到巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)合數(shù)值模擬等手段研究急速冷卻對巖石各種性質(zhì)的影響。郤保平等[8]對比了高溫花崗巖自然冷卻和水中急速冷卻后的單軸抗壓強(qiáng)度及表面溫度變化規(guī)律，并通過數(shù)值模擬研究了不同冷卻介質(zhì)對花崗巖強(qiáng)度的劣化機(jī)制，研究表明，急速冷卻對花崗巖的損傷比自然冷卻更大；崔翰博等[9]將花崗巖高溫處理，采用一部分浸水或全部浸水的方式使花崗巖冷卻，然后進(jìn)行巴西劈裂試驗，分析不同處理方式下花崗巖力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，得出了當(dāng)花崗巖浸水部分比例為四分之三時，抗拉強(qiáng)度減小幅度最大；侯新[10]采用不同溫度的CaCl2溶液對高溫處理后的花崗巖進(jìn)行冷沖擊，研究了花崗巖冷沖擊前后的開裂狀況、裂紋形態(tài)等，分析得出了花崗巖溫度越高，冷卻介質(zhì)溫度越低，二者溫差越大，花崗巖裂隙數(shù)量越多，對花崗巖力學(xué)性能劣化越明顯。綜上所述，當(dāng)花崗巖溫度較高時，高溫花崗巖在急速冷卻下的力學(xué)性能損傷相較于自然冷卻更加明顯，這是因為高溫花崗巖在水冷或其他溶液冷沖擊下巖石表面急劇降溫，此時內(nèi)部溫度還較高，巖石產(chǎn)生熱應(yīng)力，加劇了巖石微觀裂隙的擴(kuò)展，使得巖石力學(xué)性能劣化更加明顯。

1.2 實時高溫狀態(tài)下巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究

為了研究實時高溫狀態(tài)下巖石的物理力學(xué)特性，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用實時高溫試驗系統(tǒng)對實時狀態(tài)下高溫巖石的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，并研究巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化特征[13]。徐小麗等[11]先將花崗巖在加熱設(shè)備中加熱，再用力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行實時高溫狀態(tài)下花崗巖的單軸壓縮試驗，研究得出了實時高溫下花崗巖抗壓強(qiáng)度隨著溫度的變化規(guī)律；閔明等[12]采用同樣的步驟先將花崗巖巖樣加熱到指定溫度，然后進(jìn)行巴西劈裂試驗，并進(jìn)行微觀分析，研究得出400℃內(nèi)破壞主要誘發(fā)的是晶間裂紋，400℃以后穿晶裂紋較多。

為了能夠更好地測試出實時高溫狀態(tài)下巖石的力學(xué)特性，馬嘯等[14]研制了可以在實時高溫狀態(tài)下進(jìn)行真三軸試驗的力學(xué)試驗系統(tǒng)，并在試驗系統(tǒng)研制完成后進(jìn)行花崗巖實時高溫真三軸試驗，最終得出400 ℃內(nèi)高溫會使花崗巖力學(xué)強(qiáng)度增大。李利峰等[15]采用高溫高壓三軸力學(xué)實驗系統(tǒng)，測試出不同溫度、不同圍壓及不同加載速率下花崗巖力學(xué)特性的變化規(guī)律。

綜上所述，許多學(xué)者都已陸續(xù)開展了實時高溫下花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)的研究，并取得了一定研究成果。當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)，花崗巖在實時高溫狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化趨勢與高溫自然冷卻后巖石物理力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化趨勢相差不大。當(dāng)溫度較高時，由于自然冷卻溫度下降對巖石產(chǎn)生了二次損傷，巖石內(nèi)部裂隙增多，高溫冷卻后巖石的力學(xué)性能劣化得更嚴(yán)重。相較于高溫冷卻后巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究，實時高溫狀態(tài)下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究在研究方法上取得了實質(zhì)性的進(jìn)步，得出了許多更接近于工程實際的實驗數(shù)據(jù)，為干熱巖的開發(fā)利用等深部地下工程提供理論支持。但不管是高溫后巖石還是實時狀態(tài)下高溫巖石的物理力學(xué)性質(zhì)研究，都僅僅考慮了溫度因素，忽略了化學(xué)等其他因素。

2 化學(xué)作用下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)研究

深部地下工程中巖石不僅會受到高溫、冷沖擊等溫度因素的影響，還有化學(xué)因素的影響。干熱巖深部鉆探中鉆井液與井壁巖石之間的化學(xué)反應(yīng)，不同化學(xué)環(huán)境的地下水與巖石之間的反應(yīng)，人工地?zé)醿娱_發(fā)過程中化學(xué)刺激劑與高溫巖石之間的反應(yīng)都可能會使巖石的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。因此，許多學(xué)者對化學(xué)作用下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)做了一系列的試驗及理論研究。

鉆探工程中，鉆井液對井壁圍巖的化學(xué)作用可能會影響井壁穩(wěn)定性，相關(guān)學(xué)者對此也進(jìn)行了研究。盧運(yùn)虎等[16]配制了pH=10的鉆井液，然后將加工好的巖心在鉆井液中浸泡不同天數(shù)，再通過室內(nèi)力學(xué)試驗得出鉆井液化學(xué)作用下泥巖的力學(xué)參數(shù)，研究了深部泥巖在鉆井液化學(xué)作用下強(qiáng)度弱化的規(guī)律。研究表明，堿性溶液會與泥巖裂縫中的礦物發(fā)生反應(yīng)，使得巖石縫隙不斷擴(kuò)張，從而使泥巖的力學(xué)性能下降。隨著巖心浸泡時間的增長，其力學(xué)強(qiáng)度不斷降低。

地下水化學(xué)溶液與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，這也是學(xué)者們研究方向之一。苗勝軍等[17]配制了不同pH的酸性溶液及中性溶液來浸泡花崗巖，采用微觀實驗儀器進(jìn)行觀察分析，得出了酸性溶液化學(xué)作用下花崗巖微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，結(jié)合理論分析探討了酸性溶液化學(xué)作用下巖石的化學(xué)損傷機(jī)制；王宏偉等[18]同樣將花崗巖浸泡在不同pH的溶液中，然后將浸泡后的花崗巖進(jìn)行三軸壓縮試驗，得出相關(guān)力學(xué)參數(shù)，分析出酸性溶液化學(xué)作用下巖石的力學(xué)特性變差的原因。研究表明，化學(xué)溶液初始pH是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，酸性溶液與花崗巖中的礦物反應(yīng)，使巖石受到損傷，劣化了花崗巖的力學(xué)性能。

化學(xué)刺激法已成為國際上改造人工地?zé)醿拥姆椒ㄖ?，研究化學(xué)刺激劑對深部巖石滲透性等物理力學(xué)性質(zhì)的影響也成為當(dāng)前的研究熱點。王帥等[19]將乙酸與土酸溶液混合，配制三種不同的有機(jī)土酸溶液，將花崗巖在不同溶液中浸泡數(shù)天，再通過力學(xué)試驗得出反應(yīng)后花崗巖的力學(xué)參數(shù)變化，得出了有機(jī)土酸化學(xué)作用對花崗巖力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，隨著乙酸濃度的升高，巖石的力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低；郭清海等[20]利用巖心流動儀進(jìn)行化學(xué)刺激實驗，將巖石放入巖心流動儀的夾持器中保持一定溫度，研究了不同注入流速下鹽酸、土酸及氫氧化鈉三種不同的化學(xué)刺激劑對巖石的滲透率的影響，試驗表明，土酸能有效增加花崗巖的滲透率，而有機(jī)土酸的溶蝕作用效果比傳統(tǒng)土酸更佳。

綜上所述，許多學(xué)者已陸續(xù)開展了各種溶液化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究，得出了不同化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。當(dāng)巖石與化學(xué)溶液相接觸時，巖石中的礦物質(zhì)會與溶液中的溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，改變巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。但是可以看出大部分室內(nèi)試驗都是將巖石在化學(xué)溶液中浸泡反應(yīng)后再在常溫下進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的試驗，很難在高溫與化學(xué)同時作用下直接進(jìn)行物理力學(xué)試驗，這是因為目前室內(nèi)試驗在實驗設(shè)備等方面還有一定的限制。

3 溫度與化學(xué)作用對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理總結(jié)

目前溫度與化學(xué)作用對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理研究已取得許多理論成果，主要內(nèi)容如下圖1所示。

圖1 溫度與化學(xué)作用對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理Fig.1 Influence mechanism of temperature and chemical action on physical and mechanical properties of rock

溫度作用對巖石的影響機(jī)理包括高溫作用下巖石的失穩(wěn)機(jī)理和冷沖擊作用下高溫巖石致裂機(jī)理。溫度對不同巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響大小不同，但影響機(jī)理相似。在常溫狀態(tài)下，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，當(dāng)溫度升高后，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，如礦物受熱膨脹及礦物組分發(fā)生改變等[21]。這些變化會使巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)改變，出現(xiàn)晶間裂隙或穿晶裂隙，微觀裂隙不斷增多，從而影響了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。冷沖擊作用下高溫巖石致裂機(jī)理也是類似的科學(xué)原理。以研究最多的花崗巖為例，在深部地下工程中高溫花崗巖與其周圍巖體在相同的溫度下共存，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，當(dāng)高溫巖石受到低溫液體的冷沖擊時，短時間內(nèi)熱量自發(fā)地從高溫巖石轉(zhuǎn)移到低溫液體中，使得巖石外表面溫度急劇下降，巖石內(nèi)部溫度還較高，此時巖石外表面就會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，內(nèi)部為壓應(yīng)力，最終使花崗巖生成新的裂隙，巖石產(chǎn)生二次損傷，加劇了巖石力學(xué)性能的劣化。

水巖之間的化學(xué)作用會使巖石的礦物組分發(fā)生變化，從而改變了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。其中，溶液的pH是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，氫離子和氫氧根離子會與巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，改變巖石的礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)，從而改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。比如干熱巖人工熱儲層建造過程中所采用的酸性或堿性化學(xué)刺激劑會與高溫巖體發(fā)生反應(yīng)，以改造巖體滲透性等物理力學(xué)性質(zhì)；深部鉆探中堿性鉆井液與井壁圍巖發(fā)生反應(yīng)，改變了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，影響井壁穩(wěn)定性。同理，除氫離子及氫氧根離子外的離子也會與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但其對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響要小于pH的影響。

4 結(jié)論與展望

介紹了溫度與化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究現(xiàn)狀，梳理了不同冷卻條件下高溫巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究、實時高溫狀態(tài)下巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究及化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究的研究方法與理論成果。對溫度與化學(xué)作用對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，主要概括了高溫、冷沖擊及化學(xué)腐蝕對巖石的影響。高溫、冷沖擊等溫度作用會使巖石產(chǎn)生損傷破壞，隨著溫度的改變，巖石的礦物組分發(fā)生變化，并出現(xiàn)晶間裂隙及穿晶裂隙，影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)作用下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)變化的實質(zhì)是化學(xué)溶液中的各種離子與巖石中的礦物發(fā)生反應(yīng)，使得巖石的礦物組分與微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。

針對溫度與化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究，有以下三個方面需要研究突破：①高溫巖石在不同化學(xué)溶液冷沖擊作用下的物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律；②模擬干熱巖深部鉆探及熱儲層改造工程中高溫與化學(xué)環(huán)境，探究實時高溫與化學(xué)作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律；③高溫、化學(xué)同時作用下巖石微觀結(jié)構(gòu)變化對巖石宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理。