温度应力耦合作用对花岗岩渗透性的影响

0 引言

干热岩作为新能源有着极其重要的发展意义，不仅分布广泛，储存量丰富，而且属于清洁可再生能源。其开采原理是高压注入低温水于岩井，使岩体最小地应力方向薄弱处裂纹迅速扩展，吸收到的地热能再通过间距约0.4km 处的另一个深井利用高温水蒸气存储到地面系统。不同温度对岩体结构有着不同的劣化损伤，对岩体渗透性影响直接影响到地热能存储率。因此为了探究不同高温热处理岩石的渗透率对实际工程有着重要指导意义。

李学成等[1]模拟研究了高压条件下不同温度热处理后砂岩的渗透率变化规律，得推演出应力与砂岩渗透率之间的关系。陈占清等[3]利用岩石渗透率结果的离散型模型，探究了试样渗透率变化的根本原因。周远田等[2]使用回归分析技术探究了岩样渗透率与应力的关系，引入一种伽马侧井有效提高试样渗透率的分辨值。冯子军等[5]利用高温高压三轴试验机对高温作用后的花岗岩进行渗透率试验，结果表明300℃为花岗岩渗透率变化的临界值，渗透率在该温度出发生量级式突变，且原生裂纹迅速扩展。彭苏萍等[4]利用三轴试验探究了全应力条件下砂岩的渗透性，结果表明弹性阶段岩石渗透率与应力呈反相关，弹塑性阶段新生裂纹急剧扩张，导致渗透率增大，不同数值的有效侧压是导致岩石孔隙率变化的一个重要因素。尹光志等[6]利用多孔介质压裂-渗流试验系统对砂岩进行常规三轴试验，推演出应力-温度等多场耦合条件下试验渗流机制的变化规律。梁冰等[7]基于热弹性理论推演出岩石渗透率与温度的关系，结果表明岩体渗透性变化存在一个临界温度点，超过临界温度岩样渗透率急剧上升，而低于临界温度时渗透率变化较缓慢。刘均荣等[8]分别对灰岩、砂岩、变质岩以及砾岩开展渗透性试验，探究温度作用下岩石渗透率的变化机理，结果表明随着温度增加试样渗透率呈增大趋势，达到某一个阈值温度渗透率发生突变，且阈值温度主要取决于岩样组成矿物成分。贺玉龙等[9]通过对砂岩进行渗透率试验和孔隙度测量，探究了温度作用对岩石渗透性的影响，研究表明基于某个临界温度内，砂岩孔隙率随与有效应力反相关，在有效应力一定时，温度越高对砂岩孔隙率影响越剧烈，但孔隙度变化不明显，推测砂岩渗透率变化主要是由于高温作用使砂岩黏土矿物受爱膨胀产生分散效应。

1 花岗岩渗透率测定试验

试验试样花岗岩加工来自湖南省岳阳市汨罗市川，其组成矿物成分主要为：黑云母、石英、钾长石以及斜长石等，将试样加工成符合国际岩石力学规范标准尺寸h=25mm，φ=50mm 的圆盘状，外观呈灰色偏白，偏差率可忽略不计，岩体致密均匀，实验室测得其天然密度为2.68g/cm3，孔隙率约为0.71%。

本试验主要在湖北工业大学土木建筑与环境学院中法联合实验室完成。试验初期利用马弗炉加热设备TNX1200-30 对试样进行加热，为保证试样受热均匀，设置升温速率为5℃/min，由常温加热至目标温度后设置设备保持恒温2h，然后采用分阶段降温的方式冷却试样，将降温速率设置为2℃/min，温度每降低100℃设置设备保持当前温度恒温2h，直至试样降至室温，分阶段降温方法能最大程度上减小温度差对试样内部结构产生劣化损伤，避免其他因素对试验结果造成偏差。

对进行巴西劈裂试验后的试样开展渗透试验，利用HDH-100 高压伺服泵配备HGH100-4 环压自动跟踪仪结合围压缸进行，将试样装入合适尺寸橡皮套内，两端用排气垫片压实，凹槽面朝向试样，然后将装有试样的橡皮套固定在围压缸压力室底座上，上端用带有进水孔管道钢块压实，用箍圈将橡皮套与围压缸箍紧，使用仪器将护筒安装在底座上，安装压力室上盖并拧紧6 个固定螺栓，将管道安装在相对应的流通孔道上，开始像压力室注入压力油。先利用伺服泵注入压力油排尽压力室空气，待压力盖上孔道出油表示空气已排尽，此时用堵头封闭孔道。最后打开环压泵和伺服泵，环压泵设置为恒压模式，流量设置为5ml/min，伺服泵设置恒压控制，围压依次为2MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。

2 实验结果及分析

本试验通过环压泵连接围压缸上孔道，以稳定10ml/min 流量的速率向围压室注入水流，伺服泵通过围压管道连接围压缸底座孔道，先打开排液阀，以25ml/min 速率向围压室排液压油，待围压室上盖孔道出油时关闭排液阀，此时伺服泵设置为恒压，控制各个围压变量计算下游水流的质量，水溶液粘度为，最后利用达西定律计算出试样渗透率达西定律如下：

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