• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

2024-08-07


创新点
1研究了中国山西芦芽山不同结构形式裂缝充填花岗岩高温(500)高压(20MPa围压)条件下的热力学特性。
2揭示了花岗岩微观矿物结构特征对热力学特性的影响机理。
3基于裂缝充填花岗岩的微观结构特征和宏观力学特性,提出了裂缝充填干热岩地热开采新技术,为干热岩地热规模高效开发提供了新思路。

长按识别二维码阅读全文

高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

作者阴伟涛 , 冯子军
单位:太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

随着中国经济的快速发展,可再生能源将满足日益增长的低污染、低排放能源需求,其开发利用引起了世界范围的广泛关注。地热能作为绿色的、储量丰富的可再生能源,对满足能源需求、实现脱碳转型具有重要作用。干热岩(Hot Dry Rock,简称HDR,指温度在180 ℃以上,主要赋存于无水或含少量水岩体中的地热资源)是一种典型的深层地热资源,具有巨大的热能潜力。从干热岩中提取的热量可以直接用于发电和空间供暖。逐步开发利用干热岩地热资源对我国改变现有能源格局、解决环境问题以及实现“双碳”目标具有重要意义。在干热岩地热开采过程中,岩体的热膨胀变形和压缩变形时刻影响着地热开采活动。例如,岩体的热膨胀变形会直接影响钻井施工和钻井围岩稳定性。高温高压(HTHP)下岩体的压缩特性也将对固井、井筒稳定性、储层建造和储层监测产生重大影响。因此,研究高温高压下岩体的热力学特性对干热岩地热开采至关重要。

20世纪70年代以来,世界范围内的专家学者对花岗岩体的热力学特性进行了广泛的实验室研究。GAUTAM、DURHAM、HEARD等发现花岗岩的热膨胀系数随温度的升高而增大,热应变随温度升高呈指数增加。许锡昌和刘泉声研究了高温后花岗岩主要力学参数随温度的变化规律,得出75、200 ℃分别是花岗岩弹性模量和单轴抗压强度的门槛温度;杜守继等对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行了试验研究,发现温度超过400 ℃后,花岗岩的弹性模量和抗压强度随受热温度的升高急剧降低。北野晃一等总结了国际上对花岗岩等岩石的弹性模量、热膨胀系数等热学力学参数温度效应的研究成果。上述研究主要基于单轴实验,与三轴应力情况有较大差别。此外,上述研究多为升温后再冷却的试验条件,其结果难以反映花岗岩高温状态时的真正特性。

摘要
 ABSTRACT 
深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600 ℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等4类花岗岩高温(500 ℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。
研究得出4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低,溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外,得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为200 ℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为250 ℃左右。最后,得出了4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道,为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。
部分图片






 1    山西中北部吕梁期花岗岩分布


 2    山西芦芽山裂缝充填花岗岩


 3    显微观测薄片


 4    裂缝充填花岗岩显微观测


 5    高温高压岩体力学试验机


 6    轴向压力加载示意


 7    4 类花岗岩 (III、Ⅲ、IV) 轴向热应变随温度变化曲线


 8    4 类花岗岩 (III、Ⅲ、IV) 热膨胀系数随温度变化曲线


第一作者简介


阴伟涛,男,199153生,河北保定人,博士,助理研究员。主要从事多孔介质多场耦合理论、干热岩地热开发、高温高压岩石力学等方面的研究。主持山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目、山西省基础研究计划青年项目各一项,参与多项国家自然科学基金项目,发表SCI/EI论文8篇,授权国家发明专利6项。

通讯作者简介


冯子军,男,安徽阜阳人,教授/博导,国家优青获得者,山西省委联系服务专家,现为太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室副主任。兼任中国岩石力学与工程学会青委会副主任委员、煤炭学报青年编委等职务。主要研究方向为高温高压煤岩力学与工程,具体包括地热开发与利用、低变质煤原位注热开采、采场围岩控制、CO2地质封存等。获山西省技术发明一等奖和山西省自然科学二等奖各1项,主持国家及省部级科研项目7项,省级教改项目1项,发表学术论文80余篇,出版专著2部,教材1部,授权发明专利15项。





来源:

阴伟涛冯子军高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性[J]. 煤炭学报202449(6):2660−2674.


责编:韩晋平‍‍‍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


  责任编辑:宫在芹

主办单位:煤炭科学研究总院有限公司 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

©版权所有2015 煤炭科学研究总院有限公司 地址:北京市朝阳区和平里青年沟东路煤炭大厦 邮编:100013
京ICP备05086979号-16  技术支持:云智互联