干热岩体热冲击后纵波波速演化规律研究

干热岩体花岗岩受构造运动影响,产生规模较大的节理裂隙,形成裂隙干热岩体,这些裂隙在后期被热液充填后,称后期热液充填裂隙干热岩体,充填体与母岩的胶结面是一个弱面,利用该弱面极易于建造干热岩地热人工储留层,大幅节省建造成本。为研究实际干热岩地热开发中注入低温水热冲击后母岩、充填体及其胶结面性质的演化规律,利用超声波检测技术研究了4类ø50 mm×100 mm标准岩样(花岗岩母岩、充填体、含纵向胶结面充填花岗岩、含横向胶结面充填花岗岩)在室温至600℃高温条件下反复热冲击及不同冲击氛围(0℃水冷却冲击和室温冷却冲击)下的纵波波速演化规律。研究结果表明:室温下含胶结面充填花岗岩的开口孔隙率较母岩、充填体低,而波速较母岩、充填体大;室温-300~0℃水反复热冲击过程中,4类岩样在首次热冲击后波速降幅可达40%~50%,之后随着热冲击次数增加波速降幅减小,约3%;相同高温下,4类岩样在0℃水冷却冲击后的波速降幅均较室温冷却冲击时大,说明0℃水冷却冲击对岩石的损伤更强;相同热冲击方式下,含胶结面充填花岗岩波速降幅较母岩、充填体大,这是因为胶结面附近的矿物颗粒尺度差异最大,热破裂程度最强。研究结果对断层模式干热岩地热开发中储留层的建造及开发过程中储留层结构演化的认识有重要指导意义。

两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个"失效围压阈值",当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于"失效围压阈值")增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了"失效围压阈值"存在的合理性。

不同围压下花岗岩渗透率及其渗透敏感性规律研究

干热岩体渗透性对地热资源开发有着很大的影响。为进一步认识地热能开发中储层的渗流特性,采用脉冲法岩石三轴渗流仪,以花岗岩为研究对象,探究花岗岩在不同围压下渗透率和渗透敏感性的变化规律。结果表明:在加载和卸载围压过程中,花岗岩渗透率随围压的变化曲线都符合幂函数变化规律,同一围压下花岗岩加载过程的渗透率始终大于卸载过程的渗透率;花岗岩渗透率曲线在围压30 MPa时存在拐点,以围压30MPa为界渗透率曲线分为阶段A和阶段B。在A阶段,随着围压变大渗透率降幅较大、降速较快;在B阶段,随着围压变大渗透率降幅变小、降速明显变慢;定义渗透率敏感系数C_k反映岩石渗透率随围压的变化趋势,按照敏感系数值可将花岗岩渗透率敏感性分为高敏感、中敏感、低敏感3个阶段。

不同结构形式的后期热液充填裂隙花岗岩常温下物理力学性质研究

在干热岩开采的实际工程中,利用岩体结构面作为热交换通道将减小工程投入,并获得更好的工程效果。而在实际中花岗岩体中的结构面通常被热液充填,形成后期热液充填花岗岩体。研究后期热液填充裂隙花岗岩体的物理力学性质对实际地热开发中建设人工储留层具有重要指导意义。利用后期热液填充裂隙花岗岩体制备不同结构形式试样,在常温下对4种结构形式(上下结构、左右结构、母岩、充填体)的花岗岩试样进行纵波波速检测试验、抗压强度试验和对5种结构形式(边界充填体、母岩、充填体、左右结构、边界母岩)的花岗岩试样进行抗拉强度试验、渗透率测定试验。试验结果表明:(1)常温下4种结构形式的试样中,纵波传播速度vP大小关系为:上下结构、左右结构>母岩>充填体。在10 MPa围压下,4种花岗岩岩样峰值强度?c均值大小关系为:上下结构>左右结构>充填体>母岩,在相同围压下,5种花岗岩岩样渗透率k的大小关系为:充填体>母岩>边界充填体>左右结构花岗岩>边界母岩。在热液充填后,胶结面处花岗岩的孔隙度、渗透率减小,纵波波速、抗压强度增大;(2)在热液充填过程中,胶结面处母岩矿物颗粒发生熔蚀,且热液进入母岩孔隙裂隙,热液冷却结晶后对胶结面处的"黏合"和"愈合"作用是胶结面处花岗岩物理力学性质发生改变的原因。(3)常温下5种花岗岩岩样抗拉强度?t均值大小关系为:母岩>边界母岩>左右结构>边界充填体>充填体,后期热液充填裂隙花岗岩体中,充填体成为岩体的抗拉薄弱处,因此在"断层模式"的地热开发中,可对充填体处进行人工压裂建造人工储留层,大大节省其建造成本。

多级围压下砂岩单裂隙渗流传热试验研究

为研究不同围压下砂岩平直单裂隙的渗流传热特性,采用自主研制的高温三轴渗流-换热试验系统,以蒸馏水为换热介质,进行不同围压和不同温度下的对流换热试验。试验设置4,4.5,5,5.5,6MPa 5个围压水平,对低温区(T=50℃、70℃、100℃)的对流换热规律进行了分析,还创新性地开展了高温区(T=130℃)的对流传热试验。结果表明:(1)在相同温度、围压下,提高流速,渗透压力增大,导致裂隙开度随流速的增加而变大;在相同流速、围压下,温度升高使岩样骨架膨胀,弹性模量变小,岩样裂隙闭合程度加大,裂隙开度随温度的升高而变小;在相同温度、流速下,加大围压,裂缝紧密贴合,渗流通道进一步减小,开度也随之减小;(2)换热系数与流速、温度呈正相关,与开度呈负相关,高温下换热系数相对于低温时对流速、开度的变化更加敏感,高流速下换热系数相对于低流速时对温度、开度的变化更加敏感;(3)通过对比流速、温度、开度3个因素对换热系数的影响,发现流速、温度对换热系数的影响比开度的影响强。研究结果对断层模式地热开发中提高干热岩换热效率有重要指导意义。