温度循环及渗透压对单裂隙花岗岩裂隙开度影响的实验研究

徐轶尘，胡耀青，朱小舟，宋家琪，靳佩桦

(1.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024；2.上海宝冶集团有限公司建筑设计研究院，上海 200941)

0 引 言

干热岩地热能因其储量大、安全稳定和清洁等优点被世界各国认为是未来重点开发能源之一[1]，干热岩地热能开采过程中，由于长期注入冷水，人工热储层及其周围岩体的温度会发生变化，引起储层裂隙开度的变化，尤其在注入井附近，该效应更为明显[2-3]。储层的温度变化导致花岗岩的导热系数发生变化，进而影响热交换效率[4]。此外，由于注入冷水而引起储层的二次破裂也可提高热能提取效率。热储层的破裂及裂隙的演化直接影响热能的提取效率，因此本文重点研究单一裂隙花岗岩受温度及水力循环作用过程中，花岗岩裂隙的演化规律，目的在于通过人为的控制方法，控制裂隙的演化，增加裂隙的渗透性及热交换面积，进而提高热能的提取效率。

贾春兰等[5]通过25～90 ℃下岩体裂隙的渗透性实验指出，初始时刻裂隙开度有一个增大过程，但最终趋于稳定；郤保平等[6]发现500 ℃内花岗岩渗透率随着经历温度呈增大趋势，但其增大幅度较小；盛金昌等[7]开展了25～90 ℃和0.40 MPa渗透压条件下的裂隙岩体渗流实验，发现岩体裂隙开度随时间的变化而减小；王志良等[8]用数值模拟得出了岩体单裂隙面在压力下的渗流特征；LUO等[9]测试不同围压和温度下的单裂隙花岗岩的渗透性，结果表明花岗岩的温度升高裂隙开度呈减小趋势。SHU等[10]发现25～200 ℃下，升温及降温过程中花岗岩的裂隙开度逐渐降低。POLAK等[11]测试20～150 ℃下石英岩裂隙的渗透性，结果表明，围压恒定时随温度升高石英岩裂隙开度呈下降趋势，且在升温阶段裂隙开度变化较大。

综上所述，前人关于温度循环变化对裂隙渗流过程裂隙开度变化的研究较少，因此本文对100～300 ℃的花岗岩进行温度循环渗流实验，并对花岗岩裂隙的演变规律进行分析，为相关领域研究提供参考。

1 实验概况

1.1 岩样制备

本试验所用的花岗岩试样来自山东日照，该地区属于山东沂沭断裂带干热岩资源勘查的预测靶区[12]。该花岗岩主要成分为：斜长石(30%)、钾长石(40%～45%)、石英(20%～25%)，黑云母(3%～5%)及少量角闪石。常温下该花岗岩的部分物理力学参数见表1。

表1 花岗岩物理参数Table 1 Physical and parameters of granite

按照国际岩石力学学会试验标准，将取自山东日照的大块花岗岩岩样加工为直径50 mm，高度100 mm，两端面不平行度小于0.02 mm的圆柱形试样，见图1(a)。利用2 000 kN伺服压力机及劈裂装置将圆柱形试样沿中心矩形界面劈为两部分，见图1(b)。花岗岩试样的裂隙面粗糙不平，其凹凸程度也不同，为使实验结果准确，本实验取三块试件数据的平均值分析[13]。

图1 试验所用花岗岩试样Fig.1 Granite samples used in the experiment

1.2 实验设备

本实验所用仪器为太原理工大学自主研发的多功能高温三轴伺服控制试验机，如图2所示。该试验机最高轴向力为1 000 kN，最大侧向压力为2 000 kN。该试验机可实现最高温度为650 ℃的高温岩石渗流试验，由液压加载系统、高温三轴压力室、温控加热系统、水冷却系统、渗流测试系统及水温测试系统组成。

图2 多功能高温三轴伺服控制试验机Fig.2 Multifunctional high temperature triaxialservo control testing machine

本试验温控精度为±1 ℃，渗流液体由出口的烧杯收集，并采用精度为0.01 g的电子天平进行实时称重。本实验采用的恒压泵流量范围为0.1～30.0 mL/min，工作压力范围0～20 MPa。记录出口、入口处的压力及流量，通过计算可得裂隙开度，计算公式见式(1)。

(1)

式中：L为试件长度，m；q为流量，m3/s；D为试件直径，m；ΔP为渗透压差，渗透压力与背压的差值，Pa；μ为水的动力黏度系数，Pa·s，其值与温度有关。查阅文献[14]后，本试验所用流体的动力黏度系数见表2。

表2 水的动力黏度与温度的关系Table 2 Relationship between the dynamic viscosity ofwater and temperature

1.3 实验步骤

1) 用锡箔纸缠绕劈裂的单裂隙试件，并将其固定在高温三轴压力容器底座上，按照试验机的操作规程，将纯耐高温石墨盘根装入高温三轴压力室内，石墨盘根起密封及传递侧向压力的作用，并连接渗流测试系统。

2) 对试件加载轴压及围压至15 MPa，待压力稳定后保压2 h，检查试验系统的密封性。

3) 将试件升温至设定值后保温2 h。然后在底座的入水口以恒定的压力注水，同时在压力室出口收集流出水，采用电子天平实时称重校核，待流量稳定后再记录流量数据。

4) 在预定温度下逐级增加注水压(1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa)，并记录流量数据，再将试件降至常温，保温4 h后再加热试件至预定值，此为一次循环实验。本试验共设置100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃五个温度梯度，各温度下分别进行10次循环实验。

1.4 测量结果

经上述实验后，将测量数据用式(1)计算，其结果见表3。

表3 各级温度下的平均裂隙开度Table 3 Average fracture aperture at different temperatures

续表3

2 实验结果分析

2.1 渗透压对裂隙开度的影响

图3是100～300 ℃时10次温度循环作用过程中，花岗岩裂隙开度与渗透压力的关系曲线图。由图3可知，不同温度下裂隙开度随渗透压增大而增大的幅度不同。

图3 花岗岩裂隙开度与渗透压关系曲线Fig.3 Relationship curve between granite fracture opening and osmotic pressure

在100 ℃时，渗透压从1 MPa增加到3 MPa时，闭合的裂隙张开，裂隙开度增大；当渗透压高于3 MPa时，裂隙开度增大的趋势放缓，这可能是当渗透压高于3 MPa时，一方面裂隙在张开，另一方面由于高渗透压使得裂隙面上一些细小的黏结力差的颗粒剥离，这些颗粒的一部分会充填渗透通道，另一部分随水流出，颗粒充填导致流量变小，所以计算所得裂隙开度相对减小。

因计算裂隙开度采用式(1)，在式(1)中，变化的参数只有流量与渗透压，在渗透压一定时，流量决定了裂隙开度的大小，而流量不仅与裂隙开度有关，同时还与裂隙的充填物有关，而式(1)中并未反映充填物的影响，这也可能是造成本实验结果的主要原因之一。

150～250 ℃时，裂隙开度随渗透压的变化趋势与100 ℃时基本相同，但裂隙开度变化幅度的转折点是渗透压为4 MPa，即低于4 MPa时裂隙开度增大幅度比较大，高于4 MPa时，裂隙开度增大幅度比较小，其原因一方面与100 ℃时相同，另一方面由于温度增高，相应的花岗岩热膨胀应力增加，导致裂隙开度有所下降。

300 ℃时，裂隙开度的变化规律整体趋势与100～250 ℃时相同，但最本质的区别是裂隙开度增加的幅度变小，突变点变为5 MPa，且5 MPa之前裂隙开度增加的幅度低于5 MPa之后裂隙开度增加的幅度，由图5(c)可以明显看出这一点，正好与100～250 ℃的相反，此原因可以归结为温度的影响，300 ℃时，由于花岗岩的温度较高，在注水过程中，裂隙面急剧冷却产生热破裂，即裂隙表面产生微裂纹或表面颗粒剥离，充填了裂隙，同时热膨胀力使得裂隙有一定程度的闭合，导致裂隙开度增加的幅度在同样条件下(同样循环次数与渗透压)小于前两个温度点。 另一方面，当渗透压增加到一定程度时(5 MPa)，剥离的颗粒在高渗透压力作用下沿裂隙流出，造成渗透能力增加，流量增加，最终表现为有效裂隙开度(总裂隙开度减去充填物的厚度)的增加，而在300 ℃之前，由于其剥离的颗粒相对少，颗粒与裂隙面的摩擦力大，渗透水压力不足以冲走颗粒或很少颗粒被冲走，使裂隙开度增加变缓。

2.2 温度对裂隙开度的影响

由于实验中温度循环次数较多，因此图4给出了循环次数为1次、4次、7次和10次花岗岩裂隙开度与温度关系曲线图。从图4可以看出，无论温度循环次数为多少，裂隙开度都随温度的升高而降低，但其降低的趋势略有不同，由于裂隙开度不仅受温度的影响，同时还受到渗透压力、温度循环次数以及应力状态等的影响，是众多因素综合作用的结果。温度对裂隙开度的影响主要表现为两个方面，一方面是热膨胀力，使得裂隙开度减小，另一方面是高温热破裂产生的剥离颗粒充填了裂隙，导致有效裂隙开度降低。

图4 花岗岩裂隙开度与温度的关系曲线Fig.4 Relationship curve between granite fracture opening and temperature

2.3 循环次数对裂隙开度的影响

图5绘制了10次温度循环实验后，裂隙开度与循环次数的关系曲线。由图5可知，在100 ℃、渗透压1 MPa时，10次循环实验后，裂隙开度基本保持不变，而在渗透压2～6 MPa时，前9次循环实验后裂隙开度明显变小，但当循环次数为10次时，裂隙开度有微小的反弹趋势。其原因为100 ℃时，温度相对低，热破裂作用相对较小，裂隙的张开度主要受渗透压和热膨胀力的作用，而渗透压为1 MPa时，引起的裂隙开度变化相对比较小，经温度循环后，不足以导致裂隙的变化，所以其裂隙开度基本保持不变。但当渗透压大于等于2 MPa时，渗透压使得裂隙张开程度变大，温度循环使得热膨胀力循环变化，导致裂隙张开、闭合循环作用，这种循环作用可使非啮合的裂隙变为啮合裂隙，粗糙裂隙转化为光滑裂隙或充填裂隙，最终导致有效裂隙开度降低，当循环次数再增加时，充填会继续增加，同时充填物在渗透水压力的作用下会被冲刷带走，啮合裂隙又转化为非啮合裂隙，导致有效裂隙开度又增大。

150～250 ℃时裂隙开度的变化比较相似，由图5可知，三个温度下首次循环与二次循环裂隙开度下降的幅度比较大。后面的循环中，在150 ℃下，1～6 MPa循环次数增加，裂隙开度一直呈降低趋势。在200 ℃下，渗透压低于5 MPa时，循环次数增加，裂隙开度也增大，渗透压力高于5 MPa时，裂隙开度一直呈降低趋势；而在250℃下，该现象的分界渗透压为3 MPa。但在循环次数为10次时，150～250 ℃下裂隙开度都有反弹增大的趋势。在300 ℃下，渗透压为1 MPa时，10次循环实验后裂隙开度基本不变。渗透压为2～6 MPa时，裂隙开度在前几次循环实验过程中呈下降趋势，之后又缓慢增大，裂隙开度整体上有增大的趋势，其原因与100 ℃时的说明相同。

图5 花岗岩裂隙开度与循环次数的关系曲线Fig.5 Relationship curve between granite fracture opening and cycle times

本实验的温度-水力循环只有10次，但从整体推演，随着循环次数的不断增加，裂隙开度最终有增加的趋势，温度越高，增加的趋势越明显。如本实验300 ℃时，5次循环实验后的裂隙开度逐渐增大。裂隙开度随着温度循环次数的变化是一个起伏波动的趋势，温度越高，起伏波动越复杂，其主要原因除了以上的解释外，还有随温度的升高，裂隙内既有水的渗透，又有水蒸气的渗透，可以说是气液二相流体，而气液二相流的渗透本身就比较复杂，渗透不稳定，实验现象也可以说明这一点，尽管在出水管端设置了冷却降温系统，保证出水口为液态水，但其出水量并不稳定均匀，时大时小，渗透压增大时，该现象更加明显。

3 讨 论

3.1 温度引起的裂隙损伤对裂隙开度的影响

花岗岩在300 ℃时发生热破裂[15]，而当花岗岩低于300 ℃时，受热使其裂隙面间产生热应力，与花岗岩外部高压同时作用下，导致裂隙面之间相互挤压，当压力超过裂隙面结构强度时，裂隙面就会破坏，导致裂隙开度减小。

当温度达到300 ℃时，一方面高温使花岗岩受热膨胀，其物理力学特性发生变化[16-17]，特别是膨胀变形使裂隙产生闭合。另一方面花岗岩产生热破裂，裂隙面内部也产生裂纹，当裂纹连通网络时，裂隙整体渗透率会产生明显的变化[18]，即渗透通道张开，裂隙开度增大。与此同时，裂隙表面也会产生损伤，造成颗粒的剥离，当颗粒积累到一定程度时，充填了裂隙渗透通道，有效的裂隙开度将降低。从裂隙的渗透能力来讲，这是两个互为相反的作用，本实验可以说明，如没有其他作用影响(如水力冲刷)，温度的升高会导致有效裂隙开度的降低，即热膨胀变形与热破裂颗粒充填降低渗透能力的程度大于热破裂形成裂隙网络增加渗透能力的程度。

3.2 渗透压力对裂隙开度的作用

前人的研究表明渗透压力的增大导致裂隙开度变大，本文也得出相同的结论，但本文涉及到了温度及温度的循环作用，即在不同的温度下，渗透压力导致裂隙开度变化的程度是不同的，如在同一渗透压作用下，温度越高，裂隙开度增大的数值越小，图3和图4可以充分说明这一点。而温度的循环作用，无论循环温度为多少，在同一渗透压下，起初的数次温度循环中，裂隙开度是降低的，但循环次数增加时，裂隙开度有增大的趋势，且温度越高增大的趋势越明显，其原因在实验结果分析部分中已说明，但循环次数为多少时裂隙开度开始增大，本次实验还不能定量分析。由于本次实验只进行了10次温度循环，在100 ℃时，第10次循环裂隙开度开始增大，150～250 ℃时，第9次循环裂隙开度开始增大，300 ℃时，第6次循环裂隙开度开始增大，由此可见温度越高，裂隙开度则越快开始增大。

3.3 温度循环引起的裂隙损伤对裂隙开度的影响

温度的高低循环无疑会引起围岩及裂隙的膨胀与收缩，导致裂隙面产生疲劳损伤[18]，温度越高这种作用越明显，疲劳损伤与热破裂增加了裂隙的厚度，但裂隙的渗透性并不一定会增加，如当细小的热破裂颗粒充填了渗透通道时，渗透能力会降低，最终表现为有效裂隙开度的降低，但当这些细小的颗粒被压力水冲走时，表现为渗透性的增加及有效裂隙开度的增加。温度循环次数的多少决定力损伤及破裂的程度，循环次数越多，这种损伤破裂程度越高，细小颗粒被水冲走的可能性越大，最终表现为有效裂隙开度的增加。

4 结 论

本文是在一定围岩应力作用下进行的实验，即垂向与侧向都为15 MPa时的实验，近似模拟600 m深的静水压力状态，模拟的地层温度为100～300 ℃，在这种状态下研究温度循环及注水压力对裂隙开度的影响，目的是揭示温度状态、温度循环及渗透压力对裂隙开度的影响，可以通过人为控制的方法，增加裂隙的渗透能力，进而提升热开采效率。实质上，地层应力的大小及方向对裂隙开度的影响是很大的，本文未进行研究，今后将深入开展这方面的研究，通过本文固定应力状态下相关的实验，重点归纳结论如下所述。

1) 无论温度为多高，裂隙开度随渗透压的增加也逐渐增大，温度不同，裂隙开度随渗透压增加而增大的幅度不同，并存在转折点。100 ℃渗透压高于3 MPa时，裂隙开度增加的幅度变小。150～250 ℃渗透压高于4 MPa时，裂隙开度增加的幅度变小。而300 ℃渗透压高于5 MPa时，裂隙开度增加的幅度变大。

2) 渗透压为1～6 MPa时，裂隙开度都随温度的升高而降低，但降低的幅度略有不同。

3) 在100～300 ℃时，同一渗透压下，起初的数次温度循环中，裂隙开度呈减小趋势。当循环次数时，裂隙开度也增大，且温度越高增大趋势越明显。100 ℃第10次循环时，裂隙开度开始增大，150～250 ℃第9次循环时，裂隙开度开始增大，300 ℃裂隙开度则在第6次循环开始增大。