高溫作用下干熱巖巖石物理實(shí)驗(yàn)及巖石物理建模研究

高萬里,趙驚濤,王化偉

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083

地?zé)崮茏鳛橐环N儲存在深部地層的能源形式,具有穩(wěn)定性高、利用效率高、安全性好、可綜合利用、清潔環(huán)保等優(yōu)勢。隨著20 世紀(jì)70 年代美國[1]率先開展地?zé)嵫芯恳詠?國內(nèi)外科技人員[2-3]對地?zé)峥碧竭M(jìn)行了大量的研究,但由于受干熱巖儲層的埋深和高溫高壓的影響,導(dǎo)致地球物理方法在勘探和監(jiān)測時存在大量困難,尤其是深部高溫對巖石物理性質(zhì)的影響,制約了干熱巖能源的開采和利用。

為了研究巖石物性參數(shù)與溫度變化之間的關(guān)系,Ledésert 等[4]研究了菱鐵礦在高溫作用下的導(dǎo)電特性,發(fā)現(xiàn)溫度越高,巖石導(dǎo)電率越高。Bauer等[5]研究了高溫對花崗巖物理性質(zhì)的影響,分析了不同礦物組分的花崗巖在受熱后物理性質(zhì)的變化。Johnston 等[6]對三種巖石研究了不同加熱速率下溫度對品質(zhì)因子Q值的影響。趙志丹等[7]在高溫高壓的環(huán)境下測試了花崗巖縱波速度,發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高縱波速度減小。為了更好地測試巖石在高溫狀態(tài)下的力學(xué)特性,馬嘯等[8]研制了能夠進(jìn)行實(shí)時高溫真三軸試驗(yàn)的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),并對花崗巖進(jìn)行了實(shí)時高溫真三軸試驗(yàn)。此外,黃真萍等[9]、孟陸波等[10]、孫強(qiáng)等[11]、閆治國等[12]、何國梁等[13]分別對不同類型巖石進(jìn)行了常規(guī)單軸/三軸力學(xué)壓縮試驗(yàn),研究了抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、峰值應(yīng)變等巖石力學(xué)特性隨溫度變化的規(guī)律。蘇承東等[14]研究了400 ～1 000 ℃高溫對細(xì)砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)高溫作用下細(xì)砂樣品內(nèi)部礦物成分發(fā)生了變化,加熱到600 ℃后細(xì)砂樣品中的石英含量增加。Liu 等[15]對鶯歌海盆地內(nèi)巖石樣品進(jìn)行了高溫高壓實(shí)驗(yàn),研究了樣品縱橫波速度的變化。毛竹等[16]總結(jié)了巖石樣品物理彈性和波速測量的關(guān)鍵科學(xué)問題和挑戰(zhàn)。薛卉等[17]研究了二氧化碳基增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)核心及鄰近區(qū)域中超臨界二氧化碳(ScCO2)作用對巖石力學(xué)性能的影響。暢宇飛等[18]利用自行研發(fā)的高溫高壓靜水壓(氣壓)裝置結(jié)合超聲脈沖反射法,對4 塊典型灰?guī)r樣品進(jìn)行了高溫(25 ～400 ℃)高壓靜水壓(0 ～300 MPa)的縱橫波速度測量。Peng 等[19]通過巖石物理實(shí)驗(yàn)測試了干熱巖樣品縱橫波速度,利用巖石物理建模建立了孔隙度與橫波速度的關(guān)系。孫川翔等[20]以四川盆地威榮和永川地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組深層頁巖為研究對象,開展了120 ℃、70 MPa 的巖石物理實(shí)驗(yàn)。

在地?zé)峥碧街?研究儲層的流體狀態(tài)和溫度因素對地震波速度的影響是任務(wù)之一。Gassmann 方程通常用來研究地震波速與流體狀態(tài)的關(guān)系。Gassmann[21]建立了彈性波在多孔介質(zhì)中傳播的模型(Gassmann 方程)。Biot[22-25]在1956—1962 年間通過一系列實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)展了流體飽和孔隙介質(zhì)的彈性波動力學(xué)理論(Biot 理論)。而后,Dvorkin等[26]在Biot 理論的模型中引入了噴射流動機(jī)制,提出了Bisq 模型。Diallo 等[27]在Bisq 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化和改進(jìn),使其更符合實(shí)際情況。Yan等[28]研究了孔隙的幾何形狀對Gassmann 流體替換方程的影響。Si 等[29]研究了在常壓和高圍壓情況下,含水飽和度對氣水飽和砂巖縱橫波速度的影響。劉欣欣等[30]研究了孔隙充填和顆粒支撐兩種分布模式,重點(diǎn)關(guān)注了水合物地層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和水合物的剪切性質(zhì)。Zhao 等[31]通過評估Gassmann 理論與各種基于夾雜的有效介質(zhì)理論的一致性,研究了橢球孔隙之間的彈性作用對多孔彈性的影響。孟大江等[32]利用Gassmann 方程研究了天然氣水合物橫波預(yù)測的方法,結(jié)果與實(shí)測資料吻合度較高,具有較好的建模效果。

綜上所述,研究人員針對高溫巖石物理實(shí)驗(yàn)和巖石物理建模進(jìn)行了大量工作。但是針對深部高溫干熱巖的研究成果較少,對干熱巖樣品物性參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律認(rèn)識不足,地?zé)岬目碧奖O(jiān)測難度較大。

本文選取了青海共和盆地干熱巖樣品為研究對象,開展了高溫巖石物理實(shí)驗(yàn),獲取了樣品的密度、縱橫波速度、磁場強(qiáng)度和電阻率等參數(shù)隨溫度變化的趨勢,分析了高溫作用對干熱巖樣品物理性質(zhì)及巖石機(jī)理的影響。在此基礎(chǔ)上, 基于Gassmann 方程進(jìn)行流體替換,研究了孔隙度和溫度對縱橫波速度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的干熱巖樣品來源于青海共和盆地。巖石樣品嚴(yán)格按照《工程巖體試驗(yàn)方法:GBT 50266—2013》、《巖石試驗(yàn)方法:GB/T 40961—2021》等國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將樣品制成7 塊直徑為(38±1)mm、高為(50±1)mm 的圓柱,巖性為二長花崗巖和閃長巖;22 塊直徑為(38±1)mm、高為(60±1)mm 的圓柱。其中,砂巖屬于新近系的臨夏組和咸水河組,砂礫巖屬于新近系咸水河組。其余樣本為中晚三疊世花崗巖,采自溝后水庫、龍羊峽大壩和當(dāng)家寺附近。花崗巖為塊狀構(gòu)造,中細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)和細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu),含有大量的角閃石、黑云母等礦物。表1 為實(shí)驗(yàn)編號與試樣編號的對照表,圖1 為青海共和盆地的巖石樣品。

圖1 干熱巖樣品Fig.1 Hot dry rock samples

表1 實(shí)驗(yàn)編號與試樣編號對照表Table 1 Comparison table between test number and sample number

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)流程

加熱設(shè)備選用KSL-1100X-L 型智能高溫爐,其最高溫度為1 100 ℃,精確度為2 ℃。首先,對29塊樣品進(jìn)行分組,每組4 塊樣品進(jìn)行了標(biāo)號、拍照、物理參數(shù)測試,然后對樣品依次進(jìn)行常溫(20 ℃)、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃、220 ℃高溫處理,加熱過程按照5 ℃/min 進(jìn)行。待樣品加熱到目標(biāo)溫度后,進(jìn)行密度、縱橫波速度、磁場強(qiáng)度、電阻率測試。

(1) 密度測試:采用精度為0.1 g 的電子天平對樣品各個溫度梯度時的質(zhì)量進(jìn)行測量。

(2) 縱橫波速測試:采用縱橫波速度儀,將樣品加熱到指定溫度時,水平放置樣品,在樣品的兩端涂抹耦合劑,使縱橫波波速儀與樣品緊密接觸;測試前調(diào)整儀器參數(shù),測試時等波速值穩(wěn)定后保存波形、波幅和傳播時間等參數(shù),根據(jù)試件長度和波通過試樣的時間即可得到波速值。

(3) 磁場強(qiáng)度測試:將試樣加熱到目標(biāo)溫度后,用質(zhì)子螺旋磁力儀進(jìn)行測試。

(4) 電阻率測試:采用四極法測量電阻率。在樣品的兩端墊兩個銅片作為供電電極,同時在樣品與銅片之間涂抹導(dǎo)電膏使其緊密接觸,在供電電極和壓力機(jī)的加壓板之間放置絕緣板,測量兩電極之間的距離,根據(jù)樣品兩端的電壓、樣品的橫截面積、通過樣品的電流和測量電極之間的距離便可得到樣品的電阻率。試樣連接好電極,并放置在加溫爐中進(jìn)行實(shí)時高溫測試,用耐高溫導(dǎo)線引出來進(jìn)行實(shí)時高溫測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對巖石密度的影響

巖石密度是巖石物理屬性的重要指標(biāo)之一。研究溫度與巖石密度的關(guān)系對于理解巖石物理學(xué)至關(guān)重要。在干熱巖研究中,巖石密度的測定可用于確定地層的密度、反演礦物含量等。

圖2 為干熱巖樣品密度與溫度關(guān)系。由圖2(a)可知,20～220 ℃溫度對樣品密度的影響較小,樣品的密度衰減量較小。由圖2(b)可知,20～100 ℃樣品的密度下降幅度最大,下降數(shù)值約為15 kg/m3;100 ～220 ℃密度減小速率變緩,減小約10 kg/m3。

圖2 干熱巖樣品密度與溫度關(guān)系Fig.2 Density versus temperature for hot dry rock samples

2.2 溫度對巖石縱橫波波速的影響

在地?zé)醿尤Χㄟ^程中,地震勘探技術(shù)發(fā)揮著重要作用。巖石聲波速度主要受到巖石本身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造(密度、孔隙度、尺寸和內(nèi)部裂隙發(fā)育)以及含水量、溫度、壓力和測試頻率等外部因素的影響。

圖3 為干熱巖樣品橫波速度與溫度關(guān)系。由圖3(a)可知,樣品橫波速度隨溫度升高而降低。由圖3(b)可知,0 ～120 ℃樣品橫波速度減小的速率較慢;而120 ～160 ℃樣品橫波速度急劇減小,降低約1 000 m/s;180 ～220 ℃樣品橫波速度呈現(xiàn)波動變化的趨勢。

圖3 干熱巖樣品橫波速度與溫度關(guān)系Fig.3 Transverse wave velocity versus temperature for hot dry rock samples

圖4 為干熱巖樣品縱波速度隨溫度變化的關(guān)系?？梢杂^察到,樣品縱波速度與橫波速度的變化趨勢相同,在140 ℃時發(fā)生大幅度衰減,減小了1 500 m/s 左右。

圖4 干熱巖樣品縱波速度與溫度關(guān)系Fig.4 Longitudinal velocity versus temperature for hot dry rock samples

2.3 溫度對巖石磁性的影響

巖石磁場是構(gòu)成巖石圈磁場的基礎(chǔ)。在干熱巖研究中,巖石圈磁場對于揭示干熱巖的大地構(gòu)造特征、資源潛力以及構(gòu)造運(yùn)動等問題具有重要的意義。

圖5 為干熱巖樣品磁場強(qiáng)度與溫度關(guān)系。由圖5(a)可知,隨著溫度的升高,樣品的磁場強(qiáng)度先增大后減小。圖5(b)顯示,在40 ～120 ℃磁場強(qiáng)度隨溫度的升高逐漸增大,在120 ℃時磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值;而當(dāng)溫度在120 ～200 ℃磁場強(qiáng)度開始逐漸減小,在200 ℃后磁場強(qiáng)度呈現(xiàn)波動變化。

圖5 干熱巖樣品磁場強(qiáng)度與溫度關(guān)系Fig.5 Magnetic field strength versus temperature for hot dry rock samples

2.4 溫度對巖石電阻率的影響

巖石導(dǎo)電可以分為含水巖石和非含水巖石的導(dǎo)電。含水巖石中的導(dǎo)電主要是通過水分子中的離子進(jìn)行的。非含水巖石的導(dǎo)電主要是通過巖石中的導(dǎo)電礦物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。隨著溫度變化,潤濕性、巖石粒徑、黏土、地層水的礦化程度、微孔隙和孔隙尺寸分布等也會發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電阻率的改變。

圖6 為干熱巖樣品電阻率與溫度關(guān)系。由圖6(a)可知,樣品電阻率隨溫度升高先減小后增大。圖6(b)顯示,樣品電阻率的趨勢與磁場強(qiáng)度相反。樣品電阻率在80 ℃時達(dá)到最低值,高于80 ℃后電阻率逐漸增大。

圖6 干熱巖樣品電阻率與溫度關(guān)系Fig.6 Resistivity versus temperature for hot dry rock samples

3 干熱巖巖石機(jī)理研究

高溫干熱巖巖石機(jī)理涉及熱學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和熱液運(yùn)移等,這些因素相互作用共同影響高溫干熱巖巖石體的力學(xué)行為。

干熱巖樣品的密度隨著溫度升高而減小,這主要受物理因素和化學(xué)因素的影響。物理因素是指隨著溫度逐漸升高,巖石內(nèi)部水分開始蒸發(fā),導(dǎo)致巖石質(zhì)量減小?；瘜W(xué)因素是指巖石內(nèi)部礦物成分發(fā)生變化,從而影響巖石密度。在0 ～220 ℃,巖石樣品晶體不會轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w,巖石的化學(xué)變化需要通過微觀觀察。

干熱巖樣品的縱橫波速度隨著溫度升高而減小。在溫度升高初期(0～120 ℃),巖石樣品內(nèi)部礦物顆粒膨脹,使得巖石內(nèi)部孔隙增大,同時一部分水分也蒸發(fā),導(dǎo)致縱橫波速度緩慢減小。隨著溫度持續(xù)升高(120～180 ℃),巖石樣品內(nèi)部膨脹,應(yīng)力繼續(xù)增大,使得原有裂縫擴(kuò)大并產(chǎn)生新裂縫。同時,小孔隙逐漸擴(kuò)張,形成中等或大型孔隙,最終發(fā)展為裂縫。這些變化使得巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致縱橫波速度大幅度降低。當(dāng)溫度超過180 ℃時,巖石熱膨脹增加相對緩慢,因此縱橫波速度降低趨勢相對減緩。

干熱巖樣品的磁場強(qiáng)度隨溫度升高先增大,在120 ℃達(dá)到最大值。在120 ～220 ℃,高溫使得巖石內(nèi)部磁極分子排列變得混亂,從而磁性降低。同時,巖石內(nèi)部的裂縫擴(kuò)大和新裂縫的產(chǎn)生,使巖石磁阻增加,磁導(dǎo)率降低,從而導(dǎo)致樣品周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。

干熱巖樣品的電阻率隨著溫度變化的原因主要分為兩個方面:一是,在溫度升高初期,巖石內(nèi)部晶體由于熱脹現(xiàn)象對樣品內(nèi)部的孔隙進(jìn)行填充,導(dǎo)致導(dǎo)電性增大,電阻率減小。二是,隨著溫度持續(xù)升高,巖石內(nèi)部熱脹現(xiàn)象更加明顯,裂縫開始迅速生長并與已有裂縫相連,導(dǎo)致導(dǎo)電性減弱和電阻率升高。同時,巖石內(nèi)部的水分也會被蒸發(fā)殆盡,進(jìn)一步導(dǎo)致巖石的電阻率增大。

4 Gassmann 流體替換

干熱巖儲層三維地震勘探的主要難點(diǎn)在于確定干熱巖儲層巖石物性隨溫度變化的規(guī)律。本文利用Gassmann 方程計算青海共和盆地26 個巖石樣品流體狀態(tài)下的縱波速度。通過設(shè)置不同的孔隙度和改變溫度梯度的方法,探究孔隙度和溫度對巖石樣品縱波速度的影響。

4.1 方法原理

流體替換可以研究儲層在不同條件下縱橫波速度和密度的變化,而Gassmann 方程是實(shí)現(xiàn)流體替換的基礎(chǔ)。在各向同性介質(zhì)中,地震速度取決于巖石的彈性模量和密度,因此流體替換的計算主要涉及巖石的彈性模量(包括體積模量和剪切模量)和密度的變化。而Gassmann 方程的實(shí)現(xiàn)需要對模型進(jìn)行簡化,并建立以下基本假設(shè)條件:①巖石(基質(zhì)和骨架)宏觀上是均質(zhì)的;②所有孔隙互相連通;③所有孔隙都充滿流體(氣體、液體或氣液混合物);④所研究的巖石-流體系統(tǒng)是封閉的(不排液);⑤孔隙流體對固體骨架沒有軟化或硬化的作用;⑥實(shí)驗(yàn)中流體均為水,不考慮溫度變化對水的影響。

利用測量的巖石骨架速度,計算骨架的體積模量和剪切模量:

式中,Kdry為干巖石體積模量;ρdry為干巖石骨架密度;μdry為干巖石剪切模量;vP為縱波速度;vS為橫波速度。

將Kdry代入Gassmann 方程,求解飽和巖石的有效體積模量Ksat為

式中,Ko為基質(zhì)礦物顆粒的體積模量;Kfl為孔隙流體體積模量;? 為孔隙度。

等效密度ρa(bǔ)st為

式中,ρo為基質(zhì)密度;ρfl為孔隙流體密度。

飽和巖石有效剪切模量與干巖石體積模量保持一致,即

式中,μsat為飽和巖石有效剪切模量。

利用式(2)至式(4)中的Ksat、ρsat、μsat,求取等效速度:

4.2 溫度對彈性模量的影響

圖7 為干熱巖樣品體積模量隨溫度變化曲線。由圖7 可知,20 ～120 ℃干熱巖樣品的體積模量在10 ～80 GPa 之間;140～160 ℃干熱巖樣品的體積模量總體減小約20 GPa;160～220 ℃干熱巖樣品的體積模量變化較為平穩(wěn),保持在10～40 GPa 之間。

圖7 干熱巖樣品體積模量隨溫度變化曲線Fig.7 Variation curve of bulk modulus of hot dry rock samples with temperature

圖8 為干熱巖樣品剪切模量隨溫度變化曲線。由圖8 可知,干熱巖樣品的剪切模量與體積模量的變化趨勢相似。20 ～140 ℃干熱巖樣品的剪切模量在5～40 GPa 內(nèi);140 ～160 ℃干熱巖樣品的剪切模量下降速度減慢,減小約25 GPa;160 ～180 ℃干熱巖樣品的剪切模量呈現(xiàn)小幅度減小,減小約5 GPa。

圖8 干熱巖樣品剪切模量隨溫度變化曲線Fig.8 Variation curve of shear modulus with temperature for hot dry rock samples

4.3 溫度和流體替換對縱橫波速度的影響

根據(jù)Gassmann 方程,利用式(3)至式(5)對干熱巖樣品流體替換后的縱橫波速度進(jìn)行了預(yù)測。為了更加符合實(shí)際地質(zhì)情況,設(shè)置巖石樣品孔隙度?分別為0.025、0.05、0.075、0.1。圖9 和圖10 為不同孔隙度情況下流體替換后的縱橫波速度隨溫度變化的曲線。

圖9 不同孔隙度巖石橫波速度隨溫度變化曲線Fig.9 Fluid replacement rock transverse wave velocity volume variation curve with temperature

圖10 不同孔隙度巖石縱波速度隨溫度變化曲線Fig.10 Variation of rock longitudinal velocity with temperature after fluid replacement

流體狀態(tài)下,干熱巖樣品的橫波速度變化較小,一般在10 ～50 m/s 之間。而不同孔隙度的干熱巖樣品,縱波速度的變化趨勢不同:當(dāng)孔隙度為0.025 時,縱波速度下降約600 m/s;當(dāng)孔隙度為0.1 時,縱波速度下降約1 000 m/s。

5 結(jié) 論

通過對青海共和盆地干熱巖巖石樣品的高溫巖石物理實(shí)驗(yàn)和Gassman 流體替換得到如下結(jié)論:

(1) 縱橫波速度在升溫初期減小幅度較小,但隨溫度逐漸升高減小速率增大,140 ℃時樣品縱橫波速度下降幅度最大。樣品磁場強(qiáng)度隨溫度的升高先增大后減小,120 ℃時磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值。樣品電阻率隨溫度的升高出現(xiàn)2 次拐點(diǎn),分別在80 ℃和160 ℃。

(2) 樣品體積模量隨著溫度升高先增大后減小,最后呈現(xiàn)波動的變化;剪切模量與體積模量的變化趨勢相似。

(3) 流體狀態(tài)下,樣品的橫波速度變化較小,縱波速度下降800 m/s,變化趨勢與干巖石相似?？紫抖葹?.025 時,縱波速度下降600 m/s;孔隙度為0.1 時,縱波速度下降1 000 m/s。