温度冲击效应诱导干热岩孔裂隙结构演化及损伤破坏机制

• Published in: 煤炭学报 Vol. 49; no. 12; pp. 4855 - 4872
• Main Authors: 孙勇, 翟成, 丛钰洲, 郑仰峰, 唐伟, 王帅, 来永帅, 王宇, 陈爱坤
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国矿业大学低碳能源与动力工程学院,江苏徐州 221116%中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116 01.12.2024
• Subjects: 增强型地热系统; 损伤机制; 力学特征; damage mechanism; hot dry rock; mechanical charac-teristics; 液氮冷冲击; liquid nitrogen cold shock; pore structure; enhanced geothermal system; 干热岩; 孔隙结构
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2024.0072

TD989; 干热岩型地热能是一种清洁可再生能源,具有稳定高效、永久持续的优点,其开发的主要瓶颈是在深部低孔、低渗热储构造渗流换热裂隙通道.常规水力压裂方法在深部高应力束缚下起裂压力高,裂缝形态单一、难扩展.液氮循环冷冲击方法是通过周期向热储注入液氮,利用液氮对热储的温度冲击效应诱导强热应力,形成复杂裂隙网络.为研究温度冲击效应对干热岩的损伤破坏机制,对干热岩进行了液氮循环冷冲击处理,测试了温度分布、孔隙结构及力学特征变化,分析了"温度冲击-孔隙发育-力学损伤"级联破坏机制,结果表明:液氮冷冲击造成干热岩温度场时空剧变,降温速率高,温度梯度大,诱导热应力最高可达 6.75 MPa;循环冷冲击过程干热岩孔隙数量增加,尺寸扩展,微、中孔增加最明显,孔隙率最高可达 10.45%,而高温差和多冷冲击次数作用下干热岩大孔及裂隙数量增加,形成裂隙网络;这进一步导致干热岩塑性增强,抗拉强度降低,最低仅 1.70 MPa,损伤阈值更小.温度冲击诱导矿物晶粒收缩,在晶粒边界产生拉伸应力,当其值超过抗拉强度,就会导致张拉裂隙产生.孔裂隙主要出现在石英晶粒边界及内部.温度是干热岩损伤的主控因素,冷冲击次数能够保证干热岩的持续损伤.矿物晶粒的热膨胀系数差异、液氮的快速降温、循环冲击的疲劳损伤作用是造成干热岩温度冲击损伤的主要原因.