張凱， 段志波， 張帆， 柯寅松

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430068)

干熱巖因其清潔、高效、可持續(xù)性等特點具有遠(yuǎn)大發(fā)展前景。干熱巖遠(yuǎn)景資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬億噸[1]，它通常是位于地下3 km以下的高溫巖層，利用熱儲層進(jìn)行熱量交換開采地?zé)崮?。干熱巖開發(fā)通常以水為熱交換介質(zhì)，冷水注入井筒，隨著井筒方向向下，流體介質(zhì)穿過不同溫度梯度的巖層進(jìn)行熱能交換，在運作中面臨溫度循環(huán)的過程，長期的冷熱交替會導(dǎo)致巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開裂，干熱巖的裂縫間距和裂縫滲透率對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能和發(fā)電性能有顯著影響，較低的裂縫間距和較高的裂縫滲透率有利于系統(tǒng)性能[2]，因而關(guān)乎其生命周期，已有損傷模型對干熱巖運作周期內(nèi)的滲透率量級改變做出評估[3]。為了最大程度提高干熱巖的利用率，保障干熱巖穩(wěn)定提取，針對循環(huán)高溫?fù)p傷影響帶來的問題，需要對巖石內(nèi)部裂紋網(wǎng)格里裂縫的萌生與擴(kuò)展進(jìn)行研究。探究循環(huán)高溫作用下巖石的滲透特性演變，可用于表征巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。

近年來，許多中外學(xué)者圍繞高溫對巖石裂縫和滲透率之間的影響開展了大量研究。陰偉濤等[4]對4種不同花崗巖在高溫下的滲透與裂縫之間的演變關(guān)系進(jìn)行了研究。郤保平等[5]、吳陽春等[6]對青海地區(qū)花崗巖在不同高溫下的損傷開展了大量的試驗，從不同力學(xué)試驗破壞角度進(jìn)行了研究。張帆等[7]進(jìn)行了高溫水冷下花崗巖的試驗，針對不同溫度范圍，研究了軸向壓應(yīng)力循環(huán)加卸載下巖石的氣體滲透率演化過程。張宇皓等[8]研究了高溫水冷后花崗巖的滲透性，從微觀層面分析納米級孔隙分布。文獻(xiàn)[9-12]采用超臨界二氧化碳誘導(dǎo)了花崗巖裂縫隨溫度和圍壓的演化，探究了巖樣裂縫與滲透性之間的關(guān)系，研究了不同溫度處理下花崗巖的裂紋演化，并基于聲學(xué)和滲透性測量分析溫度對巖石特性的影響，指出300、573 ℃是熱裂花崗巖的兩個溫度閾值。

隨著干熱巖開發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，循環(huán)高溫成為當(dāng)下熱點研究方向，研究循環(huán)高溫作用可為干熱巖生命周期、采熱安全、地下圍巖穩(wěn)定提供參考。目前循環(huán)溫度對花崗巖的影響，多集中在單軸力學(xué)方面，對于其循環(huán)溫度作用下的滲透性研究較少。滲透性是巖石宏觀特征的體現(xiàn)，可用于評價損傷破壞情況，有助于分析巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。學(xué)者們開展了巖石循環(huán)高溫的試驗，李春等[13]研究了低、中、高三個循環(huán)溫度梯度的影響，發(fā)現(xiàn)花崗巖在低溫梯度變化不明顯，400～700 ℃下波速、強(qiáng)度特征的變形受溫度影響較大。Shu等[14]、朱小舟[15]分別研究了單次和多次高溫后花崗巖的單一裂隙演化過程與滲透率變化。一些學(xué)者們研究了循環(huán)高溫后巖石的力學(xué)性能，比較不同因素影響下的試驗，如粒徑[16-18]、冷卻方式[19-21]、循環(huán)次數(shù)[22-23]。上述研究表明：溫度和循環(huán)次數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)；循環(huán)次數(shù)增加加劇巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；脆性減弱，塑性和韌性增強(qiáng)。破壞主要集中于前幾個循環(huán)，小粒徑巖石對循環(huán)次數(shù)受循環(huán)作用更敏感。經(jīng)歷4次循環(huán)后內(nèi)部裂隙發(fā)育明顯，主要為晶界裂紋。400 ℃為質(zhì)量損失率、彈性模量、波速的溫度閾值。崔翰博等[20]建立了不同注采參數(shù)下力學(xué)特征與波動特征擬合曲線，對采熱過程中巖體物理力學(xué)及波動特征影響強(qiáng)弱依次為：靶區(qū)溫度>遇水循環(huán)次數(shù)>水溫。以上均可歸為巖石受循環(huán)高溫的疲勞損傷試驗[24]，除上述冷卻方式，另有液氮做循環(huán)高溫下冷卻介質(zhì)[25]。

基于此，現(xiàn)對花崗巖進(jìn)行循環(huán)高溫冷卻后氣體滲透率試驗，探討溫度、循環(huán)次數(shù)、冷卻方式、圍壓對滲透率的影響，并分析其演變規(guī)律，上述條件可模擬干熱巖工程受到溫度循環(huán)作用下的反應(yīng)情況，本試驗具有實際工程意義，為后續(xù)干熱巖的高效開發(fā)提供相關(guān)理論支撐。

1 試驗方法

選取湖北麻城地區(qū)的花崗巖，該巖石堅硬致密，外觀一致，巖樣呈藍(lán)灰色，自然密度為2.60 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度250 MPa左右。依據(jù)國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(ISRM)提出的規(guī)程，使用切石機(jī)、打磨機(jī)等設(shè)備制成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體巖石試樣，其兩端面平整光滑，平行度、垂直度和直徑誤差均達(dá)到《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL/T 264—2020)的規(guī)定要求。

以上試樣，按照表1所示的分組編號。循環(huán)加熱冷卻過程如圖1所示，使用馬弗爐以5 ℃/min的速率升溫至目標(biāo)溫度后繼續(xù)恒溫2 h，加熱完畢后以兩種不同方式冷卻，冷卻后將其放入烘干箱干燥，上述過程視為一次高溫冷卻過程，重復(fù)操作6次。下文循環(huán)高溫冷卻均稱為循環(huán)。

氣體滲透試驗率系統(tǒng)如圖2所示，從初始狀態(tài)下的0次到循環(huán)的第2次、4次、6次后，分別對花崗巖試樣進(jìn)行氣體滲透率試驗。滲透率測試方法采用穩(wěn)態(tài)法，以氬氣作為測試介質(zhì)，上游進(jìn)氣端初始?xì)鈮涸O(shè)為1.5 MPa，下游出氣端與大氣相通，采用圍壓逐級加載的方式，圍壓值Pc=5、10、15、20 MPa，

表1 試樣組別Table 1 Sample group

圖1 循環(huán)加熱冷卻示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating-cooling cycles

圖2 氣體滲透率試驗裝置Fig.2 Gas permeability test device

采用Davy等[26]推導(dǎo)的公式計算滲透率，具體公式為

(1)

Pmoy=P1-ΔP/2

(2)

式中：k為氣體滲透率；μ為黏度系數(shù)；V1為上游進(jìn)氣端體積；L為試樣高度；ΔP1為氣壓差；Δt為測試時間；S為橫截面積；P1為初始?xì)鈮褐担籔0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；Pmoy為進(jìn)氣壓平均值。

每次高溫冷卻后用天平稱其質(zhì)量，計算質(zhì)量損失率。在第0、2、4、6次循環(huán)后用真空排水法進(jìn)行孔隙率測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 表觀變化

通過觀察圖3發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，A組和B組試樣皆由藍(lán)灰色變?yōu)榛野咨?。A組到后期顏色更偏黃，高溫淬火的試樣先出現(xiàn)個別棕黃色斑點，隨著循環(huán)次數(shù)增加，黃棕色斑塊區(qū)域變大，顏色逐漸變深呈灰黃色[24]。參考文獻(xiàn)[11，27]，在573 ℃時，鐵鎂礦物產(chǎn)生脫水和氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致花崗巖在高溫作用下出現(xiàn)黑斑，巖石內(nèi)部礦物成分發(fā)生分解，導(dǎo)致α相轉(zhuǎn)為β相，影響表觀裂紋的擴(kuò)展。關(guān)于高溫淬火對于巖石的熱沖擊，李春等[13]指出高溫淬火對試樣外觀影響尤其明顯。第4次循環(huán)后從黑斑處顯現(xiàn)擴(kuò)展的裂紋，隨著后續(xù)循環(huán)，裂紋變得愈發(fā)明顯且無規(guī)則擴(kuò)展開，數(shù)量逐漸變多。裂紋多出現(xiàn)在高溫淬火的試樣表面，因此裂紋的產(chǎn)生受冷卻方式影響大。對于B組，在第5次循環(huán)時，個別試樣在斑點處才有裂紋出現(xiàn)，但裂紋均較淺且數(shù)量不多。

圖3 高溫冷卻循環(huán)后試樣外觀Fig.3 Appearance of samples after heating-cooling cycles

圖4 質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate

2.2 質(zhì)量損失率和孔隙率

如圖4所示，所有試樣在第一次高溫冷卻時的損傷最大，隨著循環(huán)次數(shù)增加，質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)增加趨勢。每一次循環(huán)過程中，A組的質(zhì)量損失率接近B組的兩倍。累計6次循環(huán)后，A組中質(zhì)量損失率集中在0.2%～0.25%，B組質(zhì)量損失率集中在0.1%。A組質(zhì)量損失率在第2次后高溫淬火試樣增速開始加大，自然冷卻緩慢增長。B組兩不同工況試樣質(zhì)量損失率增長幅度均很小，質(zhì)量損失率相近，說明不同冷卻方式對質(zhì)量損失率造成的差異影響較小。由于質(zhì)量損失率與劣化程度相關(guān)，以上結(jié)果印證了曾嚴(yán)謹(jǐn)?shù)萚16]研究的花崗巖裂紋的演化規(guī)律：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋增速減慢。循環(huán)后的質(zhì)量損失率與余莉等[17]的結(jié)果有差異，可能與加熱速率、自然密度、產(chǎn)地等因素有關(guān)。

圖5 孔隙率Fig.5 Porosity

如圖5所示，初始狀態(tài)時孔隙率均為0.83%左右。A組中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同冷卻方式下的試樣孔隙率相差越來越大，高溫淬火的試樣增加較快，自然冷卻的試樣增速趨于平緩，第6次循環(huán)時不同冷卻方式的孔隙率分別達(dá)到2.6%、4.7%。B組中，孔隙率變化隨循環(huán)次數(shù)增加，孔隙率增長較小，第6次循環(huán)時分別達(dá)到1.1%、1.6%。

綜上可知，在前兩次循環(huán)中，試樣的質(zhì)量損失率、孔隙率增幅皆約占6次循環(huán)總增幅的一半。自第二次后，400 ℃兩不同工況和600 ℃自然冷卻的數(shù)值雖有小幅度增加但曲線接近水平。隨循環(huán)依然有小幅增加。600 ℃高溫淬火的曲線繼第二次后依然隨循環(huán)次數(shù)增加而增加。文獻(xiàn)[20，25]也指出破壞發(fā)生在最初幾次循環(huán)，前幾次循環(huán)對巖石損傷影響最大。溫度越高，受溫度梯度作用引起開裂，此時破壞也較低溫大[13]。

2.3 循環(huán)高溫冷卻下的滲透率

2.3.1 表觀滲透率

圖6 循環(huán)高溫冷卻后滲透率Fig.6 Permeability after heating-cooling cycles

圖6各圖分別表示初始狀態(tài)和不同循環(huán)次數(shù)下滲透率演變情況。在圍壓加卸載作用下，荷載對巖石滲透率起抑制作用[28]，使得裂隙閉合，滲透率隨之減小。初始狀態(tài)時曲線幾乎重合，說明天然狀態(tài)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，微裂隙很少。初始狀態(tài)時測得的試樣表觀滲透率與張帆等[7]和Jin等[21]得到的數(shù)值基本在同一量級(10-18m2)。循環(huán)高溫作用下巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，有微裂隙產(chǎn)生，曲線上表現(xiàn)為“開口”。加卸載前后在同一圍壓的滲透率有差異，溫度越高，“開口”越大。循環(huán)次數(shù)增加，加劇內(nèi)部的微裂隙增多，高溫淬火比自然冷卻造成的影響更為顯著。說明高溫淬火冷卻方式時，由于溫度突變對巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱沖擊[5]，內(nèi)部劣化效應(yīng)更強(qiáng)烈。同溫度時不同冷卻方式的試樣其結(jié)果相隔1個數(shù)量級。 A組均比B組的滲透率大1～2個數(shù)量級，這是由于溫度超過573 ℃，達(dá)到溫度閾值點，巖樣內(nèi)部發(fā)生相變。溫度越高，滲透率變化越快，說明溫度對滲透率影響很大。第4次和第6次循環(huán)，兩組高溫淬火的試樣均有一定幅度上移，自然冷卻的試樣變化均較小。圖7為圍壓5 MPa時滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。第2次循環(huán)時，B組高溫淬火試樣的滲透率比A組自然冷卻的小，到第4次循環(huán)后反而比A組自然冷卻要大，到第6次時超出A組自然冷卻的更多。這說明在400 ℃下，循環(huán)次數(shù)越多，滲透率依舊持續(xù)增長，但是600 ℃下隨循環(huán)增長，在第4次循環(huán)后基本變化不大。試樣在自然冷卻下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滲透率水平基本保持不變。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)下滲透率Fig.7 Permeability under different cycles

2.3.2 不同圍壓下的相對滲透率

將同循環(huán)次數(shù)下不同圍壓與初始圍壓5 MPa時的滲透率進(jìn)行比值計算得出相對滲透率。由圖8可發(fā)現(xiàn)：初始階段的試樣在圍壓加卸載作用下相對滲透率變化不大，回到初始狀態(tài)的近80%。在第2次循環(huán)，A組從5～20 MPa圍壓時，圍壓加載后裂隙會閉合，導(dǎo)致滲透率下降，下降為5 MPa時的1/10。卸載以后，回到2/10，說明大部分裂隙未再張開。A組不同冷卻方式試樣在實際滲透率圖像中相隔1個量級，但是在相對滲透率的圖像中幾乎重疊，說明受圍壓加卸載裂隙的閉合和張開的影響程度基本一致。對比B組第2次循環(huán)，隨循環(huán)增加，相同圍壓時數(shù)值都不相近，不同冷卻方式的相對滲透率差異越來越大，說明相對滲透率受不同冷卻方式影響比較大。第4、6次循環(huán)中，相對滲透率在整體上數(shù)值變大，圖像有上移收縮。比較A組與B組數(shù)據(jù)，計算同階段的表觀相對滲透率(高溫淬火的滲透率/自然冷卻的滲透率)比值，B組均比A組同階段的表觀相對滲透率大，證明了400 ℃受冷卻方式影響更大。溫度越高，相對滲透率變化越大，圍壓加卸載過程中相對滲透率變化越小，說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷也越嚴(yán)重，裂隙開展和連通更顯著，圍壓增大使得裂隙閉合。相對滲透率與溫度有關(guān)，溫度越高受冷卻方式影響反而越小。

圖8 不同循環(huán)次數(shù)下相對滲透率Fig.8 Relative permeability under different cycles

將每偶次循環(huán)與各自對應(yīng)初始狀態(tài)的滲透率進(jìn)行計算得到相對滲透率，從圖9可發(fā)現(xiàn)：溫度越高，相對滲透率變化越大，高溫淬火試樣普遍比自然冷卻大。第2次循環(huán)時，不同冷卻方式相隔3～5倍，600 ℃不同工況試樣上升2個數(shù)量級以上，400 ℃高溫淬火試樣上升1個數(shù)量級以上，自然冷卻上升近2倍。自然冷卻作用下的相對滲透率自第2次循環(huán)后也無明顯變化，說明自然冷卻受循環(huán)次數(shù)的影響非常小。高溫淬火方式時，兩組試樣的相對滲透率都隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但增長速率均變緩。溫度越高，相對滲透率變化相差越大。高溫淬火方式時，B組在后期增長幅度更大。在第6次循環(huán)時，A組在不同冷卻方式上的相對滲透率變化相差10倍左右，而B組的滲透率變化相差近50倍，再次驗證了B組受冷卻方式的影響更大，高溫淬火對相對滲透率變化影響更大。

圖9 不同循環(huán)次數(shù)下相對滲透率Fig.9 Relative permeability under cycles

3 結(jié)論

(1)溫度越高、循環(huán)次數(shù)越多，花崗巖劣化程度越嚴(yán)重，質(zhì)量損失率和孔隙率變化越大，但二者在增速上變緩，高溫淬火增長普遍比自然冷卻更快，從而直接影響了花崗巖的表觀滲透率、相對滲透率變化，這反映了溫度、循環(huán)次數(shù)、冷卻方式對花崗巖的損傷程度。

(2)循環(huán)高溫作用后，第一次損傷對花崗巖損傷最為嚴(yán)重，此時質(zhì)量損失率占6次循環(huán)后總質(zhì)量損失率的近一半。

(3)花崗巖的表觀滲透率隨溫度、循環(huán)次數(shù)的增加而增大，在2次循環(huán)后增大了兩個數(shù)量級(從10-18～10-16m2)，之后受循環(huán)次數(shù)的影響減小。第4和第6次循環(huán)，表觀滲透率在高溫淬火冷卻下有緩慢增長，在自然冷卻下基本保持不變。

(4)同循環(huán)次數(shù)、不同圍壓條件下，600 ℃不同冷卻方式的相對滲透率比值相近，隨循環(huán)次數(shù)增加，相對滲透率也增加，其受循環(huán)次數(shù)的影響更大；400 ℃不同冷卻方式的相對滲透率比值有差異，其受冷卻方式的影響更大。