热冲击作用下花岗岩渗透性演变规律试验研究

成泽鹏，郤保平，b，杨欣欣，何水鑫，李晓雪

(太原理工大学 a.矿业工程学院，b.原位改性采矿教育部重点实验室，太原 030024)

热冲击是指由于急剧加热或冷却，使物体在较短的时间内产生大量的热交换，并在物体内部产生冲击热应力的现象[1]。岩石热冲击现象是岩石力学领域的一个重要组成部分，其在自然界与工程应用中的普遍存在吸引越来越多的学者进行深入研究。

在干热岩地热能领域，热冲击现象表现为人工热储建造过程中大量低温流体与高温岩石相互接触，最终导致岩体内部裂隙的出现及扩展[2]。利用热冲击现象改善储层性质，能更好地为工程服务，因此研究热冲击作用下高温花岗岩的裂隙演化、力学特性以及渗透特性演变规律具有重要的现实意义。目前国内外学者的相关研究主要集中在热对岩石破坏能力以及热冲击作用对岩石力学特性影响、裂隙演化等方面的研究，成果丰富，而对于热冲击作用下岩石的渗透特性变化的研究较少。熊贵明等[3]，郤保平等[4]对高温状态花岗岩遇水急剧冷却后的力学特性、渗透性进行了研究，用热冲击因子表征热冲击对岩石破坏能力并对其进行定量划分；王登科等[5]对温度冲击下岩石骨架以及裂隙结构演化规律进行了细观试验研究；靳佩桦等[6-7]研究了急剧冷却下岩石渗透率随岩石温度变化规律及渗透率与孔隙率关系；黄中伟等[8]对比研究了液氮冷却和自然冷却两种模式对高温花岗岩的损伤特性影响以及渗透率变化规律；澳大利亚学者KUMARI et al[9]研究了不同冷却模式下花岗岩的热冲击破裂特征以及急剧冷却产生的热冲击效应对花岗岩的力学、微观结构影响，提出热冲击破裂能产生较多裂隙，可有效改善流体在致密多孔介质中的流动性能的设想。

通过上述研究成果的列举可以发现，针对热冲击作用下岩石渗透特性的研究集中在不同的冷却模式对岩石破坏以及细观结构变化[10-16]。而大量的试验研究和理论分析表明：岩石在热冲击作用下，其力学性质的变化除和岩石本身温度、冷却介质有关外，还和冷却介质温度有关。针对冷却介质温度这一影响因素，以热冲击作用下高温花岗岩渗透性演变规律为研究目标，设置不同冷却介质以及冷却介质温度下的试验研究并对试验结果进行分析，总结热冲击作用下高温花岗岩渗透性演变规律，为干热岩地热能开发提供依据。

1 试验概况

1.1 岩样与试件制备

本次试验所采用的花岗岩样品取自青海共和盆地龙才沟地区，经X射线衍射测定，主要矿物成分及质量分数：斜长石40%～50%，石英5%～20%，黑云母5%～10%，密度为2.65～2.67 g/cm3[17]。按照国际岩石力学标准利用取芯钻机，岩石切割机，端面切磨机将试件加工为Φ25 mm×50 mm的标准试件，将其按照6种岩石温度(100 ℃～600 ℃)以及4种冷却方式(20 ℃，60 ℃，100 ℃水中热冲击冷却和空气中自然冷却)分为24组，每组试件数量为3块。图1为试验中所使用的部分试件。

1.2 试验设备

1) SX2-12-12A型可编程控温的马弗炉，最高加热温度为1 200 ℃；2) 岩石热冲击破裂试验台[3]；3) Smart permⅢ气体渗透率测量仪，渗透率测量范围：1×10-21～1×10-14m2.

1.3 渗透率测试原理

由于选用的试件为致密低渗的花岗岩，一般的稳态法不能准确测量试件渗透率，本次渗透率测试中采用的是瞬时压力脉冲衰减法。这种方法优点是可以测量渗透率低于1×10-16m2的低渗岩石，并且测量时间短，测量结果准确。测量原理是在夹持器内通过手摇泵给试件施加围压，利用控制系统对上下游两端气室均匀加压，使气室内部两端孔隙压相等;保持上游孔隙压力不变，在下游气室突然释放一定量氮气使上下游气室内压力差瞬间达到0.25 MPa，通过检测上下游气室压力变化数据，依据脉冲衰减渗透率计算公式计算渗透率к[7]，图2为渗透率测量仪装置示意图。

(1)

(2)

式中：α为衰减系数；μ为工作介质动力粘度系数；L为试件长度，m；A为试件截面积，m2；pm为平均孔隙压力，MPa；Vs为上游气室体积，m3；Vx为下游气室体积，m3；ps(t)为某时刻上游气室压力，MPa；pd(t)为某时刻下游气室压力，MPa.

1-氮气瓶；2-阀门；3-上游气室压力表；4-下游气室压力表；5-微渗阀；6-轴压加载系统；7-围压加载系统；8-花岗岩试件；9-差压传感器；10-压力表；11-数据采集控制系统

1.4 试验流程

1) 将试件在马弗炉中以5 ℃/h速度加热至目标温度，恒温保持3 h，确保试件内部温度达到目标温度。

2) 在加热试件同时启动岩石热冲击破裂试验台，将冷却介质加热至目标温度，打开循环泵保证试验台内冷却介质温度均匀，试验台内冷却介质体积与试件体积比约为1 000∶1.

3) 将加热结束后的试件放入试验台中进行冷却，直至试件温度与冷却介质温度相同时试验台停止运行。

4) 将冷却结束的试件作烘干处理并装入渗透率测量仪，在7 MPa的围压及3 MPa的孔隙压下进行渗透率测试。

2 热冲击作用下花岗岩渗透性演变规律

在热冲击过程中，大量热量在冷却介质与试件之间交换，试件表面容易形成温度梯度，产生的动态热应力使试件内部发生破坏。而试件渗透率的变化可以较好地表征热冲击作用后花岗岩试件内部孔裂隙的变化规律。表1为热冲击作用下花岗岩渗透率测量结果，实测常温标准试件渗透率为6.8×10-12m2.

表1 渗透率测量结果

2.1 热冲击作用下渗透率与岩石温度的关系

图3为热冲击作用下渗透率与岩石温度的关系曲线。从图中可以看出：高温花岗岩在水中热冲击冷却后其渗透率明显增加。相较于常温标准试件，600 ℃时花岗岩渗透率最高增加了0.72×10-15m2(20 ℃水中热冲击冷却)，0.64×10-15m2(60 ℃水中热冲击冷却)，0.70×10-15m2(100 ℃水中热冲击冷却)，相比较常温花岗岩的渗透率分别提高了105倍(20 ℃水中热冲击冷却)，94倍(60 ℃水中热冲击冷却)，103倍(100 ℃水中热冲击冷却)。

在相同的冷却条件下，渗透率增加幅度与岩石温度呈指数变化关系，以60 ℃水中热冲击冷却为例，岩石温度从100 ℃到600 ℃，渗透率分别增加了0.29倍(100 ℃)，1.01倍(200 ℃)，2.53倍(300 ℃)，8.24倍(400 ℃)，23.56倍(500 ℃)，105.34倍(600 ℃).渗透率增加幅度越来越大原因在于热冲击作用时岩石温度越高，交换的热量越多，自然在岩石内部破坏产生的裂隙也就越多。

图3 热冲击作用下渗透率与岩石温度的关系

2.2 热冲击作用下渗透率与冷却介质的关系

图4为100 ℃～ 600 ℃范围内空气中自然冷却和水中热冲击冷却下渗透率的对比。自然冷却组选择的冷却环境温度为20 ℃，水中热冲击冷却选用的是20 ℃水作为冷却介质，两组试件除冷却介质种类不同外，其它条件均相同。

从图4中可以看出，500 ℃范围内随着岩石温度的升高,两种处理方式下试件渗透率差距也越来越大，水中热冲击冷却组试件的渗透率分别是自然冷却组的1.2倍(100 ℃)，1.6倍(200 ℃)，1.9倍(300 ℃)，2.6倍(400 ℃)，4.0倍(500 ℃).由于两种处理方式下试件的加热温度、加热速率、加热时间相同,加热损伤基本一致，由此排除加热过程中的影响。对比两种处理方式下试件渗透率的不同，水中热冲击冷却组对其渗透率的提升效果要强于自然冷却组。水与岩石之间的对流换热系数(200～1 000 W/(m2·K))远大于空气与岩石之间的对流换热系数(1～10 W/(m2·K))，因此在热冲击过程中，单位时间内水岩换热速度越快，交换的热量就越多，水中热冲击冷却组的试件在降温速率和受热冲击破坏程度超过自然冷却组，这就导致了水中热冲击冷却组的渗透率比自然冷却组大，并且岩石温度越高代表着热冲击过程中交换的热量越多，造成的破坏越严重。因此随着岩石温度的升高，试件渗透率也不断增大。

600 ℃时水中热冲击冷却的渗透率仅为自然冷却时的1.5倍，这是因为加热到573 ℃时，花岗岩内部石英颗粒发生相变造成试件内部发生破坏，两组试件渗透率都有明显增加，最终导致600 ℃时水中热冲击冷却相较于自然冷却渗透率提升效果不明显。

图4 空气中自然冷却和水中热冲击冷却下渗透率的对比

2.3 热冲击作用下渗透率与冷却介质温度的关系

图5为热冲击作用下试件渗透率与冷却介质温度的关系，随着冷却介质温度的增加，渗透率出现先减小后增加的变化趋势，说明冷却介质的温度与高温岩石之间的温差并不是决定热冲击作用下花岗岩渗透率变化的唯一因素。对比20 ℃水中热冲击冷却和100 ℃水中热冲击冷却情况，对于冷却介质水来说，不同的温度有不同的对流换热系数，100 ℃水的对流换热系数大于20 ℃时，而冷却介质与岩石之间的瞬时温差20 ℃大于100 ℃(100 ℃水与岩石的温度又小于20 ℃)，这两个因素相互影响导致热冲击破坏能力的衡量指标不能只看温差或对流换热系数。这是一个综合影响的结果，因此需要一个新的参数来表征热冲击作用对岩石的破坏能力。

3 讨论

根据上述研究可以发现，岩石温度、冷却介质种类以及冷却介质温度均会导致不同程度的热冲击破坏，因此衡量热冲击破坏能力的指标需要从热冲击的本质出发。

图5 热冲击作用下试件渗透率与冷却介质温度的关系(上)和局部放大图(下)

科学界普遍认为当岩石内部热应力大于抗拉强度就会产生破裂。根据发生热冲击过程中某一时刻岩石内的动态热应力值大小可对岩石热破坏情况进行判断，岩石热破坏判别准则[18-19]：

στ≥σcri.

(3)

式中：στ为岩石热冲击过程中的热应力，MPa；σcri为岩石的临界抗拉强度，MPa.

引用动态热应力不同于传统热应力，这是一个时刻处于变化的物理量，即热应力在单位时间的变化量：

(4)

通过以上分析可以发现除热膨胀系数和弹性模量岩石的固有性质外，热冲击破坏发生时温度梯度对时间的导数也会直接影响动态热应力的大小，因此提出热冲击因子，即单位时间内温度梯度的变化量作为衡量热冲击对岩石破坏能力的物理量[20]。其数学表达式为：

(5)

式中：ω为热冲击因子，℃/(m·s)-1.

基于热冲击因子的概念，可以对热冲击作用时岩石内部受到的破坏进行定量表征，方便对工程中所遇到复杂的工况做判断。由于目前现有手段无法直接测定热冲击因子，因此借助COMSOL模拟软件，通过模拟热冲击过程，利用岩石热冲击时的降温曲线计算温度梯度对时间的导数，得到热冲击作用下花岗岩热冲击因子。限于篇幅，这里仅给出300 ℃～600 ℃范围内高温花岗岩分别在20 ℃,60 ℃,100 ℃恒温水中热冲击冷却过程数值模拟结果，如表2所示，模拟过程不再赘述，将模拟得到的热冲击因子与热冲击试验中渗透率变化结果进行对比，绘制出热冲击因子与渗透率变化关系图(见图6).

表2 热冲击作用下花岗岩热冲击因子[20]

从图6中可知，花岗岩试件的渗透率随着热冲击因子的增大而增大，且渗透率的变化存在明显拐点，当热冲击因子小于这一阈值时渗透率随着热冲击因子的增大缓慢增大，当热冲击因子大于这一阈值时，渗透率随着热冲击因子的增大快速增大。

图6 热冲击因子与渗透率关系

在热冲击作用下试件内部不断产生微裂纹，当热冲击因子超过某一阈值时，微裂纹相互贯通，渗透通道贯通，渗透率陡然增大。这说明热冲击因子可以表征试件内部热冲击损伤的严重程度，热冲击因子越大表明试件内部热冲击破坏越严重。

4 结论

1) 高温花岗岩在热冲击作用下渗透率有明显提升，渗透率增加幅度随岩石温度的升高呈指数变化关系，600 ℃花岗岩在热冲击冷却后其渗透率相对普通试件最多提高105倍。

2) 热冲击作用下高温花岗岩的渗透性与冷却介质种类密切相关，500 ℃花岗岩在20 ℃水中热冲击冷却后的渗透率为在20 ℃空气中自然冷却的4倍。

3) 冷却介质与高温岩石之间的温差和对流换热系数共同影响热冲击过程中热量交换的速率进而影响到热冲击破坏的结果。

4) 花岗岩试件渗透率随着热冲击因子的增大而增大，且渗透率的变化存在明显拐点，说明热冲击因子可以作为衡量热冲击破坏能力的物理量。