温度冲击效应诱导干热岩孔裂隙结构演化及损伤破坏机制

煤炭学报
网络首发时间：2024-08-20 17:34:02

作者

孙勇翟成丛钰洲郑仰峰唐
单位

中国矿业大学低碳能源与动力工程学院中国矿业大学安全工程学院
摘要

干热岩型地热能是一种清洁可再生能源，具有稳定高效、永久持续的优点，其开发的主要瓶颈是在深部低孔、低渗热储构造渗流换热裂隙通道。常规水力压裂方法在深部高应力束缚下起裂压力高，裂缝形态单一、难扩展。基于此，有学者提出了液氮循环冷冲击方法，通过周期向热储注入液氮，利用液氮对热储的温度冲击效应诱导强热应力，形成复杂裂隙网络。为研究温度冲击效应对干热岩的损伤破坏机制，对干热岩进行了液氮循环冷冲击处理，测试了温度分布、孔隙结构及力学特征变化，分析了“温度冲击-孔隙发育-力学损伤”级联破坏机制，主要结论如下：液氮冷冲击造成干热岩温度场时空剧变，降温速率高，温度梯度大，诱导热应力最高可达6.75MPa；循环冷冲击过程干热岩孔隙数量增加，尺寸扩展，微、中孔增加最明显，孔隙度最高可达10.45%，而高温差和多冷冲击次数作用下干热岩大孔及裂隙数量增加，形成裂隙网络；这进一步导致干热岩塑性增强，抗拉强度降低，最低仅1.70MPa，损伤阈值更小。温度冲击诱导矿物晶粒收缩，在晶粒边界产生拉伸应力，当其值超过抗拉强度，就会导致张拉裂隙产生。孔裂隙主要出现在石英晶粒边界及内部。温度是干热岩损伤的主控因素，冷冲击次数能够保证干热岩的持续损伤。矿物晶粒的热膨胀系数差异、液氮的快速降温、循环冲击的疲劳损伤作用是造成干热岩温度冲击损伤的主要原因。
关键词

干热岩增强型地热系统液氮冷冲击孔隙结构力学特征损伤机制
文章目录

1试验介绍
1.1试样制备
1.2试验设备
1.3试验流程
2试验结果
2.1液氮冷冲击过程的岩心温度变化
2.2液氮循环冷冲击过程的岩心孔裂隙结构演化
2.3液氮循环冷冲击过程的岩心拉伸力学特性演化
3分析与讨论
3.1温度和冷冲击次数对干热岩损伤的影响程度
3.2微观孔裂隙结构与宏观力学损伤之间的关联
3.3循环高温-液氮冷冲击干热岩损伤机理
3.4干热岩热储液氮冷冲击现场改造的启示、挑战和对策
4结论
引用格式

孙勇,翟成,丛钰洲,等.温度冲击效应诱导干热岩孔裂隙结构演化及损伤破坏机制[J/OL].煤炭学报,1-19[2024-08-21].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0072.