循環(huán)高溫冷卻作用后花崗巖滲透率演變?cè)囼?yàn)

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(diǎn)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(wàn)億噸[1]，它通常是位于地下3 km以下的高溫巖層，利用熱儲(chǔ)層進(jìn)行熱量交換開(kāi)采地?zé)崮?。干熱巖開(kāi)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(guò)不同溫度梯度的巖層進(jìn)行熱能交換，在運(yùn)作中面臨溫度循環(huán)的過(guò)程，長(zhǎng)期的冷熱交替會(huì)導(dǎo)致巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，干熱巖的裂縫間距和裂縫滲透率對(duì)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(duì)干熱巖運(yùn)作周期內(nèi)的滲透率量級(jí)改變做出評(píng)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(duì)循環(huán)高溫?fù)p傷影響帶來(lái)的問(wèn)題，需要對(duì)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(lái)，許多中外學(xué)者圍繞高溫對(duì)巖石裂縫和滲透率之間的影響開(kāi)展了大量研究。陰偉濤等[4]對(duì)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(yáng)春等[6]對(duì)青海地區(qū)花崗巖在不同高溫下的損傷開(kāi)展了大量的試驗(yàn)，從不同力學(xué)試驗(yàn)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(yàn)，針對(duì)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(guò)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(jí)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(cè)量分析溫度對(duì)巖石特性的影響，指出300、573 ℃是熱裂花崗巖的兩個(gè)溫度閾值。

隨著干熱巖開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，循環(huán)高溫成為當(dāng)下熱點(diǎn)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(duì)花崗巖的影響，多集中在單軸力學(xué)方面，對(duì)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(píng)價(jià)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(kāi)展了巖石循環(huán)高溫的試驗(yàn)，李春等[13]研究了低、中、高三個(gè)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(guò)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(yàn)，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(gè)循環(huán)，小粒徑巖石對(duì)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(dòng)特征擬合曲線，對(duì)采熱過(guò)程中巖體物理力學(xué)及波動(dòng)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(yàn)[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(duì)花崗巖進(jìn)行循環(huán)高溫冷卻后氣體滲透率試驗(yàn)，探討溫度、循環(huán)次數(shù)、冷卻方式、圍壓對(duì)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(yàn)具有實(shí)際工程意義，為后續(xù)干熱巖的高效開(kāi)發(fā)提供相關(guān)理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

選取湖北麻城地區(qū)的花崗巖，該巖石堅(jiān)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(guó)際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)(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(yàn)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(hào)。循環(huán)加熱冷卻過(guò)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(guò)程視為一次高溫冷卻過(guò)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(yàn)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(duì)花崗巖試樣進(jìn)行氣體滲透率試驗(yàn)。滲透率測(cè)試方法采用穩(wěn)態(tài)法，以氬氣作為測(cè)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(jí)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(yàn)裝置Fig.2 Gas permeability test device

采用Davy等[26]推導(dǎo)的公式計(jì)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(cè)試時(shí)間；S為橫截面積；P1為初始?xì)鈮褐?；P0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(jì)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(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表觀變化

通過(guò)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(gè)別棕黃色斑點(diǎn)，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(shí)，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(duì)于巖石的熱沖擊，李春等[13]指出高溫淬火對(duì)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(wú)規(guī)則擴(kuò)展開(kāi)，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(duì)于B組，在第5次循環(huán)時(shí)，個(gè)別試樣在斑點(diǎn)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(shí)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(shì)。每一次循環(huán)過(guò)程中，A組的質(zhì)量損失率接近B組的兩倍。累計(jì)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(kāi)始加大，自然冷卻緩慢增長(zhǎng)。B組兩不同工況試樣質(zhì)量損失率增長(zhǎng)幅度均很小，質(zhì)量損失率相近，說(shuō)明不同冷卻方式對(duì)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(shí)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(lái)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(shí)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(zhǎng)較小，第6次循環(huán)時(shí)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(duì)巖石損傷影響最大。溫度越高，受溫度梯度作用引起開(kāi)裂，此時(shí)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(duì)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(shí)曲線幾乎重合，說(shuō)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(shí)測(cè)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(jí)(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(kāi)口”。加卸載前后在同一圍壓的滲透率有差異，溫度越高，“開(kāi)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(shuō)明高溫淬火冷卻方式時(shí)，由于溫度突變對(duì)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(shí)不同冷卻方式的試樣其結(jié)果相隔1個(gè)數(shù)量級(jí)。 A組均比B組的滲透率大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于溫度超過(guò)573 ℃，達(dá)到溫度閾值點(diǎn)，巖樣內(nèi)部發(fā)生相變。溫度越高，滲透率變化越快，說(shuō)明溫度對(duì)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(shí)滲透率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。第2次循環(huán)時(shí)，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(shí)超出A組自然冷卻的更多。這說(shuō)明在400 ℃下，循環(huán)次數(shù)越多，滲透率依舊持續(xù)增長(zhǎng)，但是600 ℃下隨循環(huán)增長(zhǎng)，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(duì)滲透率

將同循環(huán)次數(shù)下不同圍壓與初始圍壓5 MPa時(shí)的滲透率進(jìn)行比值計(jì)算得出相對(duì)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(duì)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(shí)，圍壓加載后裂隙會(huì)閉合，導(dǎo)致滲透率下降，下降為5 MPa時(shí)的1/10。卸載以后，回到2/10，說(shuō)明大部分裂隙未再?gòu)堥_(kāi)。A組不同冷卻方式試樣在實(shí)際滲透率圖像中相隔1個(gè)量級(jí)，但是在相對(duì)滲透率的圖像中幾乎重疊，說(shuō)明受?chē)鷫杭有遁d裂隙的閉合和張開(kāi)的影響程度基本一致。對(duì)比B組第2次循環(huán)，隨循環(huán)增加，相同圍壓時(shí)數(shù)值都不相近，不同冷卻方式的相對(duì)滲透率差異越來(lái)越大，說(shuō)明相對(duì)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(duì)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(jì)算同階段的表觀相對(duì)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(duì)滲透率大，證明了400 ℃受冷卻方式影響更大。溫度越高，相對(duì)滲透率變化越大，圍壓加卸載過(guò)程中相對(duì)滲透率變化越小，說(shuō)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷也越嚴(yán)重，裂隙開(kāi)展和連通更顯著，圍壓增大使得裂隙閉合。相對(duì)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(duì)滲透率Fig.8 Relative permeability under different cycles

將每偶次循環(huán)與各自對(duì)應(yīng)初始狀態(tài)的滲透率進(jìn)行計(jì)算得到相對(duì)滲透率，從圖9可發(fā)現(xiàn)：溫度越高，相對(duì)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(shí)，不同冷卻方式相隔3～5倍，600 ℃不同工況試樣上升2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，400 ℃高溫淬火試樣上升1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，自然冷卻上升近2倍。自然冷卻作用下的相對(duì)滲透率自第2次循環(huán)后也無(wú)明顯變化，說(shuō)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(shí)，兩組試樣的相對(duì)滲透率都隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但增長(zhǎng)速率均變緩。溫度越高，相對(duì)滲透率變化相差越大。高溫淬火方式時(shí)，B組在后期增長(zhǎng)幅度更大。在第6次循環(huán)時(shí)，A組在不同冷卻方式上的相對(duì)滲透率變化相差10倍左右，而B(niǎo)組的滲透率變化相差近50倍，再次驗(yàn)證了B組受冷卻方式的影響更大，高溫淬火對(duì)相對(duì)滲透率變化影響更大。

圖9 不同循環(huán)次數(shù)下相對(duì)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(zhǎng)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(duì)滲透率變化，這反映了溫度、循環(huán)次數(shù)、冷卻方式對(duì)花崗巖的損傷程度。

(2)循環(huán)高溫作用后，第一次損傷對(duì)花崗巖損傷最為嚴(yán)重，此時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)(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(zhǎng)，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(duì)滲透率比值相近，隨循環(huán)次數(shù)增加，相對(duì)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(duì)滲透率比值有差異，其受冷卻方式的影響更大。