高温条件下花岗岩水压致裂的实验研究

周长冰，万志军，张 源，顾 斌

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

高温条件下花岗岩水压致裂的实验研究

周长冰1，2，万志军1，2，张 源1，2，顾 斌1，2

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

人工储留层建造是高温岩体地热开采关键技术之一，其核心是巨型水压致裂，关键科学问题是岩石热力耦合作用下的水压致裂理论。采用自主研制的“600℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”，开展了Φ200 mm×400 mm的鲁灰花岗岩大试样高温三轴应力下的水压致裂实验，分析了实验的水压加载曲线特征和裂缝最终形态。研究结果表明：随温度的升高，花岗岩裂缝开裂模式从脆性开裂转变为连续开裂；温度升高至300℃后，裂缝起裂的主控条件向温度转化；从室温到200℃之间，温度对花岗岩水压致裂影响的控制机理是岩石抗拉强度的下降，而200℃到400℃起裂压力的控制机理是温度下降引起的热应力。随着温度的升高，裂缝的扩展方向从轴向改变为优先向径向深处发展。

热力耦合；水压致裂；花岗岩；裂隙扩展

地热作为一种可再生的绿色能源，具有巨大的开发价值，其关键技术之一就是对EGS(Enhanced Geothermal Systems)系统目标储层进行巨型水压致裂改造。现阶段的水力压裂、增加化学剂等激励技术并不成熟[1]，未能完全掌握钻井激发、流体循环测试等完整工艺技术，不能精确模拟和预测储层压裂效果。目前水压致裂在页岩气、石油开采及地应力测量等方面具有广泛的应用。

对于水压致裂的物理研究，学者们使用真三轴实验机对裂缝的起裂、扩展、转向等进行了研究。裂缝的发育、扩展不仅与地应力相关，还受到岩层产状的影响。当井口附近产状丰富时，多裂缝出现概率大，水力裂缝多呈非对称分布[2]。程万等[3]研究了裂缝能否穿进构造面的问题，认为水力裂缝沟通三维储层中非连续面后，其扩展行为与非连续面的产状密切相关。与非连续面倾角相比，走向角是影响水力裂缝穿透行为的关键因素。当水力裂缝穿透构造面后，易形成与天然层理面相交的复杂裂缝，并与层理面开裂后交叉形成网络裂缝[4]。

已有的物理研究大多针对煤岩、页岩等低温岩体，而EGS地热系统岩层温度一般都超过200℃。由于温度的升高，使得岩石的物理力学性质发生变化[5-7]，抗压强度、抗拉强度、弹性模量等都有一定程度的降低。除此外，注入的压裂液与岩体温差很大，压裂过程中岩体与液体发生复杂的热-流-固耦合效应，对岩体产生剧烈的热冲击，伴随而来的是岩石大规模的热破裂[8-9]。这些问题都对压裂过程产生重要的影响，因此压裂过程中的温度效应不可忽略。受实验设备影响，开展高温下岩石水压致裂实验比较困难，也很少见到这方面研究的报道。数值仿真的应用比较灵活，国内外学者对高温水压致裂的研究大都采用这种手段，但是它受到理论模型发展的限制，难以真实模拟压裂过程[10]。因此，对高温下水压致裂相关理论研究的缺失，使得在工程开发时有很多盲目性，其中不乏失败的案例，M.K.Rahman等[11]介绍了澳大利亚两例水压致裂的失败案例，在水压致裂过程中，发现竖井的垂直裂缝在扩展时被扭曲成水平，导致岩层增透不明显。

本文采用中国矿业大学自主研制的“600℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”[12]，开展20～400℃花岗岩水压致裂研究，以期得到裂缝开裂压力及扩展规律。

1 实验仪器设备及方法简介

1.1 温压加载系统

热力耦合加载装置“600℃ 20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”主要性能及技术参数：①试验机采用固体介质传递围压，轴向压力和侧向压力独立控制，最大轴向应力318 MPa，围压250 MPa；②试样最高加热稳定温度为 600℃；③轴向压力和侧向压力保压时间大于360 h；④高温三轴压力室具有高精度的温度控制功能，灵敏度不超过±0.3%。

1.2 水压加载系统

高压水加载系统使用柱塞式高压水泵，最大加载压力400 MPa，测试精度0.1级。水压加载有自动、手动两种控制方式。自动控制方式为系统加载时按一定速率自动升高电机转速，使得水压自动升高；手动方式为通用变频器旋钮手动调节电机转速从而实现水压的调节。本次试验使用自动控制方式。水泵压力通过进水管处的压力传感器测量，分辨率0.1 MPa。流量采用间接测量方法，使用高精度电子称测量注水过程中水箱内水的减少量，进而计算出注入水的流量，分辨率0.5 mL/s。水压加载系统通过软件集中控制，自动采集水压和流量，采样频率为50 Hz。

1.3 实验试样

试样为产自山东平邑的灰色花岗岩，商品名“鲁灰”，尺寸为Φ200 mm×400 mm。试样上端面预钻直径18 mm，深250 mm的注水孔，并埋入金属高压注水管，钻孔底部留出50 mm的压裂段。因花岗岩强度大、实验温度高，封孔水泥不能密封注水孔，试验采用紫铜密封圈进行分段封孔(图1)。

图1 高压注水管与花岗岩钻孔密封方式

1.4 实验方法

按操作规程把试样装入高温高压岩体三轴试验机，轴压加载至25 MPa，侧压25 MPa后，按10 ℃/h升温至目标温度。试样达到目标温度后保温2 h，使试样内部温度达到稳定。启动高压水泵向试样内注入高压水，水泵电机转速以2 Hz/s的速度提高，使试样内的水压稳步提高，当试样内的水压出现突降现象且压降幅度超过1 MPa时，说明试样内出现新的较大裂缝，此时高压水泵自动停机。试验全程水压、水流量、试样轴向、侧向压力自动记录。其中，作为压裂液的水以朱砂染色，以便试验结束后观察裂缝形态。试验日期为2015年5月份，水温在20℃左右。

2 实验结果

每个温度点做了3次试验，在相同的试验条件下，因为花岗岩的非均质性，起裂压力相差2 MPa左右，缝裂扩展次数也有一定的差别，但总体变化规律相差不大。本文选用起裂压力为每个温度点为中间数值的数据作为依据，分析各温度下花岗岩水压致裂规律。20～400℃下花岗岩试样水压加载曲线如图2所示。

图2 各温度点压裂曲线

温度(℃)开裂压力(MPa)第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次2050.637.744.943.942.446.812.410047.741.422.1----20043.221.329.628.211.9--30024.614.210.1----40015.310.27.23.5---

考察所有温度点压裂曲线，20℃时(图2(a))试样破裂次数最多(7次)，最高起裂压力出现在第一次开裂，为50.6 MPa，第二次开裂压力最低(37.7 MPa)，后续开裂水压有小幅升高的趋势。初次开裂后，裂缝向试样深度发展，而压裂液在裂缝内渗流有一定的阻力，裂缝越深阻力越大，从而造成水压有升高的趋势，这个结果和其它常温下岩石水压致裂结果一致[13]。对比其它温度点，常温下压力曲线比较光滑，各次压裂过程中，升压段较为陡峭，几乎直线到达最高点，看不到裂缝延伸段，且瞬时水流量与注水压力同步升高到最高点。这种现象说明在常温下，花岗岩裂缝开裂是突发性的，在水压达到裂缝开裂压力时，裂缝瞬时开裂。因为是突发裂缝，所以在裂缝发育的瞬间，裂缝开裂的速率远大于水注入的速率，导致新裂缝内没有压裂液。随后压裂液短时间内涌入新裂缝内，导致水压突降而停泵。因为20℃时，试样压裂7次，才使得裂缝完全贯穿试样，而其他温度点只需要3～5次，说明20℃时每次开裂时新裂缝发育深度不大，但是开裂的速度较快。常温压裂曲线在停泵后有明显的关闭曲线且持续时间长，说明岩石渗透性小从而压裂液滤失量小，使得裂缝闭合用时较长。试样的最后一段曲线长时间呈水平状，且水流量持续走高接近峰值，这时试样已经完全断裂，压裂液通过裂缝排出试样外。此时的压力值为压裂液在裂缝内流动的阻力。

100℃时(图2(b))，第一次压裂特征与常温下区别不明显，起裂压力比20℃时减小2.9 MPa(47.7 MPa)，曲线陡峭且有明显的关闭曲线。第二次注水压裂时，曲线出现显著的变化。水压力达到峰值前的增长不是直线且有一定波动，这与20℃时有明显的区别，说明在峰值前已经有少量的裂隙开始发育，随着注水量的增加裂缝持续发育。峰值后水压力波动较大且持续时间较长。压力的突降值没有达到关泵要求，系统仍然向试样内注水，导致水压曲线在波动中走低。结合注水流量变化可以看出，20℃时注水流量达到7 mL/s时裂缝开裂导致机器关泵，说明此时裂缝瞬间开裂的空间较大，有足够的空间使水降压。而在100℃时，水压达到峰值后，注水流量持续增加到20 mL/s，直到压力从41.4 MPa降低到27 MPa时才关泵，说明水压到达峰值后，裂缝瞬间扩展的空间不大，导致水压降低的幅度达不到关泵判别值，使得水流量持续升高，裂缝持续扩展。分析认为，出现这种情况的原因是裂缝开裂的扩展模式发生变化，从突发裂缝改变为连续发育，也就是新裂缝发育的速度与压裂液注入的速度相当，导致水压压降小于1 MPa而达不到停泵条件。峰值后水压力曲线的波动也证明了这个现象。随着裂缝连续发育及水流量提高，使试样内裂缝发育速率提高，直到27 MPa时压降达到1 MPa而停泵。在相同的停泵判别值下，单次注水连续发育模式的裂缝深度比突发模式大。所以在100℃时，三次注水就使得整个试样破裂。

200℃、300℃、400℃裂缝发育模式和100℃时差别不大，均为连续发育。高温下，差别最大的是裂缝的起裂压力。20～200℃时，起裂压力随温度的升高而降低，但降低幅度不大(4 MPa左右)。温度超过200℃后，随温度的升高起裂压力发生突变，300℃和400℃的起裂压力分别为24.6 MPa和15.3 MPa，分别比前一个温度点降低了18.6 MPa和9.3 MPa，相对下降幅度达到43.1%和37.8%。200℃和300℃的起裂压力降幅最大，所以，在这个温度区间内，裂缝起裂的主控条件向温度转移。

3 温度效应对花岗岩水压致裂影响机理

温度主要通过3种方式对花岗岩水压致裂产生影响：①花岗岩力学参数；②花岗岩热破裂；③注水加压时使花岗岩钻孔降温而产生的热应力。

3.1 高温下花岗岩力学参数变化对起裂压力的影响

温度对花岗岩的力学参数影响较大，主要体现在弹性模量、抗压强度、抗拉强度上。

万志军等[14]在设定温度和固定围压(25 MPa)条件下，对鲁灰花岗岩试件轴向加载，获得花岗岩体在不同温度下的弹性模量如图3(a)所示。

从图中可知，在200℃之前，试样的弹性模量随温度的升高小幅下降。200℃到300℃弹性模量从57 GPa减小到50 GPa，到400℃时下降到46 GPa，而在200℃前仅下降了2 GPa。由此可见，花岗岩弹性模量突变的阈值在200℃到300℃之间，说明在此温度段，花岗岩试样力学性能弱化，有利于裂缝的张开变形。

除弹性模量外，温度对抗压强度影响也较大。图3(b)给出了不同温度下花岗岩的抗压、抗拉强度[15]。图中数据可以看出，抗压强度随温度的变化可分为3段：第一段为100℃之前，从25℃的191.9 MPa急剧下降到100℃的110.1 MPa；第二段为100～300℃，抗压强度缓慢下降；第三段为300℃之后，抗压强度再次剧烈下降。但是抗压强度突变与水压致裂的起裂压力的突变关联不大。抗拉强度的变化规律与抗压强度相似，都是在100℃之前有明显的下降，而抗拉强度到450℃之后才再次剧烈下降。水压致裂理论认为注入的高压水使钻孔附近出现拉应力，当拉应力大于岩石的抗拉强度时岩石起裂，因此，起裂压力与岩石的抗拉强度关系较为密切。花岗岩不同温度点的抗拉强度和起裂压力与图4对比，100℃时，抗拉强度下降3.6 MPa，而起裂压力下降2.9 MPa。但是，从100℃到450℃(400℃)，抗拉强度仅下降1.1 MPa，而起裂压力下降了32.4 MPa，下降幅度达到67.9%；其中，200℃时起裂压力下降3.5 MPa，300℃时则下降了18.6 MPa，200～300℃是起裂压力急剧下降的门槛温度。同时，这种现象说明：随着温度的升高，抗拉强度下降在起裂压力下降中所占的比重不同。

图3 花岗岩物理力学参数随温度变化规律

图4 抗拉强度与起裂压力变化规律对比

3.2 花岗岩热破裂对水压致裂的影响

花岗岩是由晶体颗粒、孔隙、胶结物等组成的非均质天然材料。在室温下，花岗岩十分致密，由胶结物包裹黏结着矿物结晶颗粒，没有明显的裂纹。随着温度的升高或降低，在热应力的作用下晶体颗粒周围开始产生微裂纹，这些微裂纹进一步发展相互导通形成较大裂隙，最终包围花岗岩晶体颗粒的多边形的裂纹几乎全部导通，在整个花岗岩试样内部形成网络状的裂隙。这就是所谓的热破裂，是指在温度作用下，由于热膨胀系数不同，而产生非均匀变形与非均匀应力，由于局部应力集中导致的试样内部的破裂。

缓慢升温过程中，试样内不产生大的热力梯度，可以认为其内部颗粒之间处于同一温度，从宏观上看，试样内没有温差，因此没有热应力，而从微观上看，因颗粒之间的非均质性可产生颗粒间的热应力。在这个假设下，其力学模型可表述如下：①花岗岩内两种不同类型的颗粒紧紧相邻；②两类物质的热胀系数和弹性模量分别为β1、β2和E1、E2；③温度从室温升高ΔT。颗粒间的热应力可表示为式(1)。

(1)

当σΔ超过极限强度时，晶体颗粒周围就会出现破裂。从式(1)可以看出，σΔ的变化由颗粒的线膨胀系数、弹性模量及ΔT决定。

在升温过程中，常温到60℃是热破裂的一个活跃期，120℃到160℃是另一个活跃期[16]，两个活跃期之间是能量积聚的过程，由此可看出随温度的升高热破裂高峰成周期性出现。在200℃时，花岗岩晶体颗粒周围已可见到极少数很小的微裂纹出现。300℃时，微裂纹进一步扩展和产生，部分搭接贯通形成更大的裂纹，裂纹长度增加10倍左右[17]。岩石力学理论认为，岩石在应力的作用下沿弱面开裂。水压致裂时，高压水使得钻孔壁附近产生拉应力，岩石内大量的微裂纹使其更容易张开。起裂后的裂缝为主裂缝，在高压水的渗流及主裂缝的张拉作用下，主裂缝的尖端进一步损伤并沟通附近的微裂纹，使主裂缝逐渐扩展。对比水压致裂的水压加载曲线，可知热破裂发生的时间和强度与裂隙开裂模式变化有较高的相关性，在热破裂发生后，试样2次注水开裂转变为连续开裂，而且开裂压力随热破裂的强度升高而减小。这说明连续开裂的本质是主裂缝尖端与微裂纹导通的过程。

3.3 花岗岩钻孔附近热应力的影响

为了确定钻孔附近热应力对起裂压力的影响，对注水过程产生的热应力进生了数值计算。

实验室试验使用圆柱形试样，中心孔直径为18mm，外径为200mm。数值计算时，模型尺寸为200mm×200mm，中心开孔直径为18mm(图5)。模型主体材料为花岗岩，中心孔内为水，花岗岩的线膨胀系数、弹性模量和泊松比都为T的函数，表达为式(2)～(4)。

(2)

(3)

(4)

模型初始温度分为100℃、200℃、300℃、400℃四种情况，中心水初始温度为20℃，左边界限制方向位移Ux=0，下边界限制方向位移Uy=0，热学上四周为绝热边界。钻孔内为水，不考虑水的相变，水与岩石在钻孔表面处以热对流方式换热，计算结果见图6。

图5 数值计算模型

图6 试样内热应力分布

图6为岩石内部拉应力随钻孔边界距离的关系。由图6可知，岩石内环向应力分布也分为两部分，在钻孔表面至8 mm深处左右为拉应力，8 mm深处以外为压应力，边界处拉应力最大，从100℃到400℃分别为5.93 MPa、20.42 MPa、40.75 MPa和49.41 MPa。随着温度的升高，钻孔附近的热应力上升幅度非常大，在水压致裂过程中，钻孔附近的热应力对起裂压力的贡献是很可观的。

为了确定随温度升高，热应力与岩石抗热强度变化对起裂压力下降起到的作用，定义热应力效率e(式(5))，表示温度对起裂的增强作用。

(5)

式中：Pat为某温度下的起裂压力；Pa0为室温下的起裂压力；Rt为某温度下的抗拉强度；R0为室温下的抗拉强度。

在不同温度下，热应力效率的值见图7。从图7中可以看出，从室温到200℃之间，热应力的效率是下降的，说明此时起裂压力的下降的主要原因是岩石抗拉强的下降，而200℃到400℃，热应力的效率是的增长的，到300℃效率值达到1.37，说明起裂压力的主控因素是温度下降引起的热应力。

图7 不同温度下热应力效率

4 裂缝发育的最终形态

图8是各温度点试样断裂后的最终形态，其中红色为压裂液内的染色剂所致。图8a中室温下的试样有一对对称的主裂缝，其中一边在钻孔附近出现分叉，分叉延展至试样表面。100℃时，试样出现两对对称主裂缝并将试样分为4份。200℃时有一对对称主裂缝，将试样分为两块，但没有分叉。20～200℃时，裂缝面都为轴向，但裂缝数量不等，表现出高度的随机性。300℃、400℃时，试样断裂模式与200℃时相似，试样沿轴向断裂，使得试样分为相同大小的两块，对比所有温度点的裂缝形态，可以看出裂缝的长宽比随温度发生了变化。

图8中被染色范围可以看出注水时压裂液的渗透范围，也就是注水实验时裂缝的扩展范围。100℃之前时试样裂缝的扩展范围为整个断面。200℃时，试样上、下两端没有染色，裂缝在轴向的扩展范围减小，随着温度的升高进一步减小。从图中可以看出，整个裂缝面为椭圆形，以径向为x轴，轴向为y轴，每个温度点的压裂都是x轴到达试样表面，则x轴长度为200 mm。而y轴的长度随温度的升高减小，分别为400 mm、390 mm、310 mm、250 mm和200 mm，y轴与x轴的比值变化见图9。可见，随温度升高裂缝的扩展方向从钻孔轴向改变为优先向径向深处发展。

图9 裂缝的长宽比随温度变化规律

5 结 论

实验室实验模拟了20～400℃之间花岗岩试样水压致裂实验，向不同温度的花岗岩注水使其破裂，得到了各温度点的压力曲线和最终裂隙形态。

1)温度升高后，试样内发生热破裂，因微裂纹的存在，试样注水时裂隙开裂模式从脆性开裂转变为连续开裂。

2)随温度的升高，水压致裂的起裂压力逐渐降低，200℃和300℃的起裂压力降幅最大，所以，在这个温度区间内，裂缝起裂的主控条件向温度转移。

3)从室温到200℃之间，起裂压力的下降的主要因素是岩石抗拉强度的下降，而200℃到400℃起裂压力的主要因素是温度下降引起的热应力。

4)随温度升高裂隙的扩展方向从轴向改变为优先向径向深处发展。

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Experimental study on hydraulic fracturing of granite specimens under high temperature

ZHOU Changbing1，2，WAN Zhijun1，2，ZHANG Yuan1，2，Gu Bin1，2

(1.School of Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education，Xuzhou 221116，China)

Man-made geothermal reservoir is one of the key technologies in heat extraction in HDR.The fundamental issue is the massive hydraulic fracturing and the key scientific problem is hydraulic fracturing theory when considering the thermo-mechanical coupling effects on the rock.The self-developed “600℃ 20 MN servo-controlled rock tri-axial testing machine with high temperature and high pressure” was adopted to carry out the hydraulic fracturing experiments for large sized specimen under high temperature and tri-axial stress.The size of Luhui granite specimen is Φ200 mm×400 mm.Characteristics of the hydraulic loading curve and fracture morphology were analyzed after the experiment.The results show that fracture cracking model of granite specimens transformed from brittle cracking into continuous cracking with the increase of temperature.When the temperature is larger than 300 ℃，the main control criteria of fracture cracking becomes the temperature.When the temperature varies from the room temperature to 200℃，the control mechanism of the impact of temperature on the initiation pressure is the decrease of tensile strength of rock masses，while from 200℃ to 400℃，the control mechanism is the thermal stress caused by the decrease of temperature.The fracture propagation orientation changed from axial direction into radial direction with the increase of temperature.

thermal mechanical coupling；hydraulic fracturing；granite；fracture propagation

2017-02-10 责任编辑：刘艳敏

国家自然科学基金项目资助(编号：51674242)；江苏省2013年度普通高校研究生科研创新计划资助(编号：CXZZ13_0949)

周长冰(1985-)，男，江苏沛县人，博士研究生，主要从事地热开采方面的研究工作，E-mail：souhunzhe0@163.com。

万志军(1970-)，男，教授，博士生导师，四川青神人，从事资源开发领域的研究，E-mail：zhjwan@cumt.edu.cn。

TU458+.3

A

1004-4051(2017)07-0135-07