热冲击花岗岩力学响应及损伤特征显微CT试验研究.pdf
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1、热冲击花岗岩力学响应及损伤特征显微 CT 试验研究王嘉敏1,王守光1,李向上1,卜墨华2,栾兆龙2,张鹏2(1.煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院,北京100013;2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京100083)摘要:在深部地热资源开发过程中,通常利用低温流体的冲击作用诱导高温岩石热破裂来提高储层的渗透特性。为了揭示热冲击作用下岩石的损伤破裂机理,对高温加热后的花岗岩(20、150、300、450、600 和 750)进行了自然冷却和水冷却处理,并对处理后的花岗岩开展了波速测试、单轴压缩试验和 CT 扫描试验,探讨了热冲击作用对花岗岩纵波波速
2、、抗压强度、弹性模量等力学参数以及细观结构损伤的影响。研究结果表明:随着热处理温度升高,花岗岩的纵波波速、抗压强度与弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增加,且相比于自然冷却,水冷却作用后岩石的波速与力学性质劣化更显著。通过 CT 扫描试验,获得了不同加热温度与热处理方式作用下花岗岩的孔裂隙结构空间分布特征,可以直观反映岩石细观结构的热损伤程度。当热处理温度小于等于 450时,花岗岩扫描切片中的热致裂纹数量较少,裂隙连通性较差;超过 450 后,花岗岩内部微裂纹快速发育和扩展,并逐渐有形成裂隙网络的趋势,且水冷却对花岗岩的细观损伤致裂效果更明显。基于三角网格离散技术,结合椭球模型重构算法和裂隙张量计
3、算理论,对热冲击后花岗岩的三维裂隙场进行定量表征,并建立了裂隙组构张量与峰值强度的关系,进一步揭示了热冲击花岗岩细观结构对其力学性质的影响机理。关键词:花岗岩;热冲击;力学性质;CT 扫描;细观结构;裂隙张量中图分类号:TD315文献标志码:A文章编号:02532336(2023)08005815Study on mechanical properties and damage characteristics of granite underthermal shock based on CT scanningWANGJiamin1,WANGShouguang1,LIXiangshang1,BU
4、Mohua2,LUANZhaolong2,ZHANGPeng2(1.Deep Mining and Rock Burst Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory for Geo-Mechanics andDeep Underground Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Duringtheexploit
5、ationofdeepgeothermalresources,thethermalfracturesofhigh-temperaturerocksareusuallyinducedbytheimpactoflow-temperaturefluidstoimprovethepermeabilityofreservoirrocks.Inordertorevealthedamageandfracturemechanismofrockafterthermalshock,thegranitesheatedathightemperature(20,150,300,450,600and750)weretre
6、atedbynatur-alcoolingandwatercoolingrespectively,andthewavevelocitytest,uniaxialcompressiontestandCTscanningwerecarriedoutonthetreatedgranites.ThemechanicaleffectofthermalshockonP-wavevelocity,compressivestrengthandelasticmodulusofgranitewerealsodiscussed.Theexperimentalresultsshowthatwiththeincreas
7、eofheattreatmenttemperature,theP-wavevelocity,compressivestrength,andelasticmodulusofrockgraduallydecrease,andthepeakstraingraduallyincreases.Comparedwithnaturalcooling,thewavevelocityandmechanicalpropertiesofrockdeterioratemoresignificantlyafterwatercooling.BasedonCTscanning,thespatialdistributionc
8、harac-收稿日期:20230216责任编辑:朱恩光DOI:10.13199/ki.cst.2023-0180基金项目:国家自然科学基金资助项目(52204094);中国博士后科学基金资助项目(2021M701541);中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项面上资助项目(2022-MS001)作者简介:王嘉敏(1994),女,山西运城人,助理研究员,博士。E-mail:通讯作者:李向上(1991),男,河北石家庄人,助理研究员,博士。E-mail:xiangshang_第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2
9、023王嘉敏,王守光,李向上,等.热冲击花岗岩力学响应及损伤特征显微 CT 试验研究J.煤炭科学技术,2023,51(8):5872.WANGJiamin,WANGShouguang,LIXiangshang,et al.Studyonmechanicalpropertiesanddamagecharacterist-icsofgraniteunderthermalshockbasedonCTscanningJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(8):5872.58teristicsofporeandfracturestructureofgraniteunder
10、differentheatingtemperaturesandheattreatmentmethodswereobtained,whichcandirectlyreflectthethermaldamagedegreeofrockmicrostructure.Whentheheattreatmenttemperatureisnothigherthan450,thenum-berandsizeofthermallyinducedcracksingranitescanningslicesarelessandtheconnectivityofcracksisrelativelypoor.Whenth
11、etem-peratureexceeds450,themicro-cracksingranitedevelopandexpandrapidly,andtendtoformfracturenetworkgradually,andthedamageandcrackingeffectofwatercoolingonthemicroscomic-structureofgraniteismoreobviousthanthatofnaturalcooling.Inaddi-tion,basedontriangularmeshdiscretizationtechnique,ellipsoidmodelrec
12、onstructionalgorithmandfracturetensorcalculationtheory,thethree-dimensionalfracturefieldofgraniteafterthermalshockisquantitativelycharacterized,andtherelationshipbetweenfracturefabrictensorandpeakstrengthwasestablished,whichfurtherrevealstheinfluencemechanismofgranitemicroscomic-structureonitsmechan
13、ic-alpropertiesunderthermalshock.Key words:granite;thermalshock;mechanicalproperty;CTscanning;microscomic-structure;fracturetensor0引言干热岩型地热资源是未来地热能发展的重要领域,具有分布广泛、低碳清洁、热储温度高等优点1-2。干热岩热储层以花岗岩为主,温度介于 150650,天然裂隙发育但联通性差,使用常规手段难以获取具有经济利用价值的热能,必须进行储层致裂增渗改造。在储层压裂过程中,钻井附近高温花岗岩与低温水接触瞬间,产生温度梯度剧变,热冲击导致岩石内部矿物颗粒
14、体积收缩、胶结程度弱化、裂隙萌生发育,从而提高了储层的渗透性3-6。因此,研究快速冷却作用下高温岩石物理力学性质及细观结构演化规律,对提高干热岩开采效率具有重要的理论指导意义。温度是影响深部岩石力学性质的关键因素之一7-9。近年来,国内外学者针对花岗岩在热冲击作用下的损伤破裂机理开展了大量的试验研究,在物理力学性质方面,主要集中于花岗岩热处理前后的质量、密度、弹性波速、热导率等物性参数以及强度、弹性模量、破坏模式、断裂特征等力学行为的变化规律10-14。例如,QIN 等15对 201000 高温作用后的花岗岩开展了单轴与三轴试验,发现随热处理温度升高,花岗岩逐渐表现出软化特性,应力应变曲线压密
15、阶段与屈服阶段变长;徐小丽等16研究了1200 以内的高温花岗岩在自然冷却作用后的力学性质,认为热处理温度超过 400 后,岩石强度会急剧衰减,黏聚力逐渐下降;黄中伟等17对 25600的高温花岗岩进行自然冷却和液氮冷却,发现液氮冷却对花岗岩的致裂效果更显著,且岩石损伤程度与温度梯度变化成正比;郤保平等18得到了热损伤花岗岩的抗压与抗拉强度、弹性模量等力学参数演变规律,揭示了温度对花岗岩脆性延性转变的影响;靳佩桦等19研究了冷却速率对花岗岩物理力学性质的影响,发现岩石密度、波速、抗压强度、弹性模量随温度梯度增大而单调下降,岩石热破裂程度增加。在岩石细观结构损伤方面,学者们利用先进的科学试验技术
16、,例如光学显微镜、扫描电镜、压汞试验、X 射线衍射试验、核磁共振、CT 扫描等,研究了高温热处理后岩石细观结构特征,直观反映岩石孔隙率、裂隙密度、晶体形貌等的变化情况20-24。例如,贾蓬等25借助偏光显微镜观察了高温花岗岩水冷却后的微细观破裂特征,发现温度梯度越大,穿晶裂纹越多,破坏后的样品碎块化程度加剧;ISAKA 等26利用 X 射线 CT 扫描系统分析了冷却速率对高温花岗岩孔隙率和孔隙连通性的变化情况,并建立了孔隙网络模型。GOMAH 等27通过电镜扫描试验研究了花岗闪长岩热处理后的细观结构,发现当温度升高至 400 后花岗岩开始出现穿晶裂缝,600 时出现了贯通裂纹;WU 等28基于
17、核磁共振试验(NMR)得到了高温花岗岩水冷却后的孔隙率和孔径分布特征,认为热处理温度达到 450 时,花岗岩孔隙度由缓慢增加变为快速增加,且大孔数量逐渐增加,微小孔隙数量减少;邓申缘等29对经过 50800 加热处理后的花岗岩进行气体渗透性测试和 CT 扫描,结果表明花岗岩孔隙率、渗透率均随着热处理温度的升高逐渐增大,热损伤会导致花岗岩内部产生大量微裂隙。综上所述,热冲击诱导岩石热破裂本质上是其细观结构特征与宏观力学行为跨尺度损伤演化的互馈过程。鉴于此,以我国干热岩靶区福建漳州盆地的花岗岩为研究对象,开展了不同温度(20750)的花岗岩分别在自然冷却和水冷却作用下的物理力学试验,探讨热冲击对花
18、岗岩弹性波速、单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量等参数的影响。同时,开展热冲击后花岗岩的 CT 扫描试验,利用 Avizo 三维可视化软件,建立三维裂隙重构模型,获取不同温度与冷却方式作用下花岗岩孔裂隙结构的空间分布特征及演化规律。此外,基于三角网格离散技术、椭球模型重构算法和裂隙张量计算理论,对花岗岩三王嘉敏等:热冲击花岗岩力学响应及损伤特征显微 CT 试验研究2023年第8期59维裂隙场进行定量表征,建立了裂隙组构张量与峰值强度的相关关系,揭示了热损伤花岗岩细观结构对其力学性质的影响机理。研究结果可以为干热岩的开发利用和热储层连通性评价提供重要的理论依据和指导建议。1试验样品及方法1.1试验
19、样品福建漳州盆地位于欧亚板块与菲律宾板块的俯冲带,构造运动十分活跃,具有良好的干热岩赋存背景30-31。以漳州盆地埋深 600m 左右的高强度致密花岗岩为试验对象,开展不同高温与冷却方式作用下花岗岩的物理力学性质研究。为了尽可能提高CT 扫描精度,将花岗岩加工成直径 10mm,高 20mm的圆柱形,分别用于力学性质测试与 CT 扫描试验,如图 1 所示。利用非金属超声回弹综合检测仪(图 2b)测定花岗岩样品的声速及回弹值,筛选出测试结果接近的花岗岩作为试验样品,尽可能减少物性误差,经测试,试验花岗岩的纵波波速大约为(4100150)m/s。试验样品分为自然冷却组与水冷却组,进行不同温度热处理。
20、对花岗岩试验样品进行 X 射线衍射测试,其矿物成分主要为斜长石、正长石、石英和云母,还有极少量的阳起石、角闪石等。(a)花岗岩样品(b)样品尺寸2010图1花岗岩试验样品Fig.1Experimentalgranitesamples射线源样品台平板探测器xyz(a)马弗炉(b)非金属超声回弹综合检测仪(c)恒温干燥箱(d)微机控制电子万能试验机(e)CT 扫描综合分析系统(f)CT 扫描系统内部结构图2试验设备与试验方法Fig.2Experimentalequipmentandmethod1.2花岗岩的热冲击试验干热岩温度范围很广,一般在 150650。花岗岩主要矿物成分石英在 573 附近会
21、发生相变,矿物体积膨胀使得岩石内部微裂隙增多,力学性质会受到一定影响15。综合考虑,本研究将花岗岩的试验温度分别设置为 150、300、450、600、750,并将室温(20 左右)的花岗岩力学试验及细观结构测试结果作为对比。采用一体式马弗炉(图 2a)对花岗岩样品进行高温热处理,加热速率设置为 5/min,可以避免因升温过程温度梯度剧烈变化产生的热致裂纹。达到设定的目标温度后,持续恒温保持 2h,确保花岗岩样品整体温度场均匀。自然冷却组的花岗岩样品从马弗炉中取出后冷却至室温;水冷却组的花岗岩从马弗炉中取出后,在 15左右的循环水中冷却至室温后取出,擦干样品表面水分,并放置于 60 的恒温干燥
22、箱(图 2c)中烘干至质量恒定32。1.3单轴压缩试验花岗岩单轴压缩试验的加载设备为济南时代试金试验机有限公司生产的 WDW-100E 微机控制电2023年第8期煤炭科学技术第51卷60子万能试验机(图 2d)。系统采用微机闭环控制,具有准确的加载速度和测力范围,对载荷、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。通过全数字化测量控制系统,同步显示试验过程的荷载、峰值、位移、速度及试验曲线等。该力学试验采用位移加载方式,加载速率设置为 0.05mm/min。通过岩石的抗压强度测试,可以观察不同加热与冷却方式作用下花岗岩的力学行为,获得峰值强度、杨氏模量、峰值应变等力学参数。1.4CT 扫描试验花岗岩
23、的 CT 扫描试验采用中煤科工集团的nanoVoxel-4000 超高分辨率原位加载成像 CT 扫描综合分析系统(天津三英精密仪器有限公司生产),由 X 射线源、样品台、平板探测器三部分组成,如图 2e、图 2f 所示,其基本原理是运用 X 射线对物体穿透力的差异产生投影数据,并结合现代计算机技术和数字图像相关技术对投影数据进行处理和分析33-34。CT 扫描系统的分辨率与样品的尺寸直接相关,因此在合理范围内,尽可能减少样品尺寸,可以最大程度提高扫描的精细程度。选择对直径 10mm,高度 20mm 的花岗岩圆柱样品进行 CT 扫描成像,其扫描分辨率可以达到 5.65m,即在花岗岩热损伤过程中,
24、尺寸大于 5.65m 的孔裂隙均可以被有效识别与提取,确保了细观结构测试的精准度。当 CT 扫描系统工作时,X 射线源产生的 X 射线穿透被测岩石后强度会发生衰减,岩石中不同矿物成分对 X 射线的吸收能力不同,矿物的密度越大,对 X 射线的吸收能力越强,表现在 CT 图像上的亮度越高。因此,在花岗岩样品的主要矿物成分中,云母的密度最大,对 X 射线的吸收能力最强,反映在CT 灰度图像中的亮度最亮,其次是石英,最暗的矿物为长石。此外,热冲击作用后花岗岩内部结构会产生微裂纹,在 CT 扫描图像中的呈现会接近黑色,可以通过阈值分割方法将裂隙与矿物基质分开。图 3给出了对高温冷却处理后花岗岩的 CT
25、扫描及定量分析流程:1)将花岗岩样品放置在样品台的中心,射线源发射出 X 射线束穿透被测样品,样品台在旋转 360的过程中,平板探测器会持续接收穿透被测样品衰减后的射线强度,并将各个角度采集的数据转换成二维的 CT 横断面切片图像序列。2)在 获 得 花 岗 岩 的 CT 扫 描 图 像 后,利 用ThermoScientific 公司的 Avizo 软件,对扫描图像进行硬化矫正、图像增强、滤波降噪等处理,提高扫描图像的呈现质量。3)基于 CT 扫描灰度值的阈值分割方法,将花岗岩扫描图像中的热损伤裂隙与矿物基质分开,获得孔裂隙结构的二维切片图像序列。4)通过计算机重建技术将二维切片在空间内叠加
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