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高温花岗岩水冷破裂模式与水压裂缝扩展规律研究

李玮枢  
【摘要】:随着经济社会的快速发展,能源与环境问题日渐突出。干热岩作为一种新兴清洁能源,其开发利用可有效缓解能源危机、改善生态环境并助力经济社会的可持续发展。目前国内外主要通过水力压裂技术进行干热岩储层改造,在水力压裂过程中,由于骤变温差的作用,高温岩体发生不同程度的损伤,从而影响其水力压裂模式,增加储层改造的控制难度。此外,由于花岗岩是常见储层介质,故开展高温花岗岩水冷破裂模式与水压裂缝扩展规律研究对于干热岩的开发利用具有十分重要的意义。以往关于高温岩石及其遇水冷却后的研究大都关注力学指标和最终破坏形态,取得了许多重要进展,但未能充分考虑升温与冷却过程中的物理场变化规律以及冷却次数对其变形破裂行为的影响。此外,以往针对高温岩石水力压裂的研究多集中在最终破坏模式,对水压裂缝扩展演化规律以及物理场变化特征的研究较少。因此,本文开展了高温花岗岩水冷破裂模式及水压裂缝扩展规律研究,基于室内试验和数值模拟,研究了高温及水冷条件下花岗岩的破裂力学特征,分析了花岗岩在不同温度、围压和应力差条件下的水压裂缝扩展演化模式。主要研究内容包括如下:(1)研究了高温花岗岩的力学特性与破裂模式。首先,基于室内单轴压缩试验,分析了不同温度花岗岩的强度、变形特性和最终破坏形态。之后,基于数值模拟,建立颗粒离散元数值模型,通过与试验结果进行对比分析,验证了数值模型的适用性和精确性,调查了花岗岩在升温过程中的破裂演化特征,探讨了高温花岗岩力学性能劣化机制。(2)研究了高温花岗岩在遇水冷却后的破裂力学特征。采用单轴压缩试验获取了高温花岗岩遇水冷却后的峰值应力、弹性模量、峰值应变及最终破坏形态,同时,考虑冷却次数的影响,进一步分析了高温花岗岩反复水冷却后的强度与变形特性。基于数值模拟,调查了高温花岗岩冷却过程中的裂纹演化、接触力变化及温度场变化特征,讨论了高温花岗岩遇水冷却后的力学性能劣化作用机制。(3)开展高温花岗岩水压裂缝扩展演化模式研究。首先,基于室内试验,获取了高温花岗岩在不同围压条件下的水压变化曲线、破裂压力和最终破坏形态,分析了高温花岗岩水压裂缝的起裂扩展模式。之后,建立颗粒离散元水力压裂数值模型,并基于试验结果验证了模型的有效性,分析了高温花岗岩水力压裂过程中水压裂缝的萌生演化规律、接触力变化特征和温度场变化规律。(4)开展多因素影响下高温花岗岩水力压裂破坏模式研究。基于数值模拟,获取了高温花岗岩在不同应力差条件下破裂压力、接触力分布和最终破坏形态,调查了温度和应力差对花岗岩水压裂缝起裂、扩展规律的影响,分析了不同应力差条件下高温花岗岩水压裂缝扩展形态。


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