文摘
评估的花岗岩在高温下的力学性能和破坏模式等地下工程的重要问题是增强型地热系统和核废物处置。介绍了实验室实验的结果调查花岗岩石在高温下的物理力学行为失败。结果可以得出一些重要的结论。单轴抗压强度(UCS)和切线模量随着温度降低。特别是UCS-temperature曲线可以分为三个部分:一个部分(20 - 200°C)在UCS显示略有减少,部分(200 - 300°C)的UCS显著减少,和第三部分(300 - 500°C) UCS减少的速度稳定。然而,在整个温度范围从20到500°C,切线模量减少成倍增长。声发射(AE)数量减少的数量和发生频率较低的数量在更高的温度。单个颗粒周围大量微裂隙在200°C和裂纹长度显著增加,当加热到300°C。具体来说,微裂缝的长度在300°C的花岗岩可能是10倍的时间okthan在200°C。淬火或注入冷水HDRs将进一步削弱岩石和诱导热损伤岩石结构。 The strength of rock would be further quench-weakened by 10%, 20% and 30% at 200°C, 300°C and 500°C, respectively. Therefore, in Enhanced/Engineered Geothermal Systems (EGS), quenching is much more destructive than normal thermal stress.
1。介绍
岩石承载增强/工程地热系统(EGS)受到温度升高(例如,加热时热量恢复)或降低温度(例如,淬火在水力压裂),如图1。这些热治疗通常导致修改岩石的力学性能和响应的几个THMC过程(1- - - - - -6]。修改包括岩石软化,强度减弱,弹性模量的降低。自1970年代以来,人们进行了无数次研究,以确定温度升高的影响在花岗质岩石的物理力学性能和变形7- - - - - -17]。然而,大多数研究集中在改变样本被加热后的样品(13,18- - - - - -27),而不是跟随加热期间发生的变化。自热恢复具有重要意义下提取热量,热裂纹损伤过程应考虑加热。监控温度对结晶岩石的热微裂缝的影响,一些学者采用各种方法,如直接波速测量、尾波干涉法(地板),渗透率测试和声学排放(AE)跟踪热裂解过程加热,从而揭示了热裂解机理(7,16,28,29日]。因此,有必要了解花岗岩的失败反应在高温下,特别是在高温度高于200°C。在这些温度下,岩石的性质比在地球表面温度时截然不同。此外,理解HDR的表现在直接加热和淬火时将有助于提高热处理效率EGS水库建设。
一般来说,更高的温度导致较低的UCS和降低脆性岩石的弹性模量。然而,下降趋势变化由于不同成分的标本测试和实验技术的差异。对于简单的加热测试,冷却方法,如淬火,在空气中冷却,或冷却炉,可以显著影响试样的机械和物理性能(19,30.]。此外,热裂解和石英α- - - - - -β相变(31日有助于戏剧性的变化。可以消除不确定性引入的不同的冷却方法进行高温测试。
花岗岩的主要机制,削弱身体损害是由热膨胀引起的矿物和岩石的热变化32]。具体来说,空间和时间温度变化能引起微裂缝由于微分谷物与不同的热弹性模之间的热膨胀和热导率。然而,也有其他机制,如耐高温下裂纹萌生和传播(增韧机制)27]。通过使用计算机断层扫描(ct机扫描),赵和同事(16,33)透露,热裂纹发展随着温度的增加。几个直接观察在温度低于200°C。随着温度增加,更多的解理是发起和合并,导致开发新微裂隙和预先存在的裂纹的传播。提供一个链接之间的微观结构参数和岩石的力学行为,格里菲斯et al。34)提供可靠的测量微裂纹特征约束微机械模型对岩石强度和刚度,这桥之间的差距测量微尺度的微裂纹密度和力学性能的测量样本规模。在加热期间,许多物理和矿物学变化发生这些现象并最终导致热损伤。的α- - - - - -β石英相变发生在573°C,因此,导致石英晶体的体积增加。这导致岩石的裂缝导致削弱机械性能(20.,35- - - - - -37]。这些复杂的矿物热转换也是很重要的因素导致削弱和脆塑转变的变形(38- - - - - -40]。
有必要了解花岗岩变形的实时反应在高温下在宏观和微观结构。在这项研究中,Luhui花岗岩单轴压缩试验在温度从20°C到500°C。本研究重点研究:(1)在UCS高温的影响,弹性模量、和声学排放(AE) Luhui花岗岩;(2)淬火效应和热效应的干热的岩石。以下部分描述的实验方法,然后提出并讨论了结果。最后,几个重要的研究结论中提出的部分。
2。材料和方法
2.1。Luhui花岗岩样品制备
Luhui花岗岩样品收集从一个露天采石场在邹城,山东,中国。被选中作为Luhui花岗岩块避免骨折,不连续,微裂隙会影响测试结果。花岗岩块(图2(一个))切成小块(200毫米×200毫米×120毫米)在实验室进行进一步的处理。这些小块空心生产50毫米直径圆筒长100毫米(图2 (b))。两端的圆柱形样本地确保汽缸持平的结束和相互平行(图2 (c))。完成了花岗岩标本图所示2 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
Luhui花岗岩是一种强非均匀脆性和坚硬的岩石,主要由长石、石英等。图2 (e)显示了meso-structure花岗岩的室温使用高精度的微ct。晶粒,晶粒的边界,谷物和谷物孔隙之间的粘合剂可以明确区分的41]。主要矿物成分(长石、石英)几乎相同的比例。然而,这些矿物的力学性能有很大的不同,使得花岗岩集中异构。
2.2。单轴压缩和声学排放测试过程
单轴压缩实验进行了伺服机构测试系统的最大承载能力300 kN, 0.001毫米的位移分辨率。这个伺服控制系统可以测试样品在载荷(应力)或位移(变形)控制模式。在该测试中,采用位移(变形)控制模式。具体地说,这些测试的位移速率Luhui花岗岩标本被设定为0.5毫米/分钟等于应变速率为8.33×105/ s。
温控电炉加热样品,用于加热样品到目标温度的升温速率4°C /分钟。样本的目标温度举行两个小时达到热力平衡,允许热反应进行。在这项研究中,目标温度是20,200,300,400,500°C。四个单轴压缩测试为每个目标温度。表列出了样本数量和实验条件1。运行一个测试,一个圆柱形样本放置在炉的中心和活塞应用压缩后的样本AE传感器。活塞位移和载荷同时记录在测试期间的AE信号。应该注意的是,AE传感器不能直接连接到炎热的样本。另外,这些AE传感器连接到活塞(图3)。
3所示。结果
3.1。单轴压缩的结果
3.1.1。花岗岩样品在高温下的应力-应变曲线
花岗岩样品在不同温度下的单轴应力-应变曲线从20°C到500°C呈现在图4。脆性花岗岩的应力-应变曲线大致可以分为三个阶段,即原始微裂纹闭合阶段,弹性变形阶段和最后阶段表示压力突然下降。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
前两个阶段,微裂纹闭合和弹性变形阶段,发生在最大应力。在微裂纹闭合(密封)阶段,应力-应变曲线是向下凹的形状可能导致关闭的原生孔隙和孔隙样本,尽管所指出的(42),一些测试条件和样品制备的缺陷也可能导致向下凹的应力-应变曲线的形状。在弹性变形阶段,轴向应力增加和弹性形变支配着应力-应变曲线。仍然是线性的应力-应变关系尽管有一些不可逆转的变化在这个阶段,如裂纹萌生。弹性变形阶段结束时达到峰值强度时,舞台上紧随其后的是突然压力下降压力。在压力突然下降阶段,压力降低导致突然从峰值到零应力-应变曲线成为一条垂直线。
从图4可以看出,应力-应变曲线是依赖于温度的。具体来说,峰值强度和刚度随温度。这是下一节中讨论。
3.1.2。单轴抗压强度和切线模量
(1)温度对UCS的效果。图5提出了一种图形显示花岗岩样品UCS和温度;相应的UCS和切线模量的值列在表中1。可以看出,平均UCS值随着温度增加而减小。UCS-temperature曲线可以分为三个部分的UCS降解率。从20°C到200°C,从112.7 MPa UCS下降到平均102.3 MPa。因此,在这个范围内UCS略有减少UCS降解率为0.058 MPa /°C。从200°C到300°C,平均UCS下降更为明显。在这个范围内,从102.3 MPa UCS价值下降到84.5 MPa,换句话说,UCS降解率= 0.178 MPa /°C。高于300°C, UCS继续下降,但平均降解率很低(只有0.024 MPa /°C)。看来,花岗岩的热损伤可能是启动20°C和200°C之间,增强200°C到300°C,但是小额外伤害发生超过300°C。
如图5UCS的花岗岩,200 - 300°C是低于室温。在加载过程中,热应力提高裂缝扩张和压力软化。因此,UCS随着温度增加而减小。此外,矿物组成和显微裂纹的变化导致力学性能的退化。大散射散射方面的数据,处理数据在室温下几乎完全消失在500°C。在室温下大量散射可能是由于样本的不完美和岩石的非均质性。花岗岩是一种结晶的岩石,主要由石英、长石和其他矿物质。在室温压缩,开裂是随机的,因此强度主要是由样本缺陷控制。然而,高温UCS的变化往往是统一的,因为越来越多的热诱导微裂隙岩石的强度控制。也就是说,在岩石热裂解,在某种程度上,可以释放出缺陷和岩石的非均质性。
(2)温度对切线模量的影响。切线模量的参数(E)代表样品的电阻在弹性压缩阶段。在应力-应变曲线,切线模量定义为弹性变形部分的斜率曲线。在弹性变形阶段,压应力增加线性轴向应变和弹性变形占主导地位的应力-应变曲线基本保持在商业周期见顶前的地区。花岗岩的弹性模在不同的温度下可以由应力-应变曲线;他们是列在表中1并绘制在图6。花岗岩的平均切线模量随着温度增加而减小。曲线在图6可以分为两个部分。温度范围20 - 300°C的切线模量明显下降13.6绩点10.0的绩点,而在温度高达300°C,只有轻微的减少,从10.0的绩点9.8的绩点,发生——花岗岩在高温下软化。
3.2。声发射的结果
微裂缝监测通过计算动态断裂事件使用AE花岗岩样品。图7为每个测试温度显示典型的应力-应变曲线绘制在AE数与时间轴花岗岩样品在五个不同的高温测试环境。
(一)
(b)
微裂缝活动每个面板如图所示8可以清楚地分为两个时期,即一个静止期和一个活跃的时期。在静止的时期,有很少或根本没有AE数记录。AE活动期间,应力-应变曲线反映了两种不同类型的变形,弹性变形阶段和裂纹扩展和传播阶段。在弹性变形阶段,有一个或多个压力下降可能代表微裂缝传播。这种压裂不是在所有情况下应力-应变曲线,但显然AE传感器和检测到的是体现在AE数量突然增加。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
花岗岩样品的显微裂纹的强度随温度的变化。如图8,AE数减少的数量和记录的频率更低温度升高时表明花岗岩更高温韧性。这个结果符合在这些温度较低的切线模量。有趣的是,AE累计计数和时间曲线显示不同的步骤在更高的温度指示几个失败的样本。这些失败将在以下部分中讨论了失效模式和粒度分布。
4所示。讨论
4.1。热的花岗岩微观裂纹的影响
翟et al。43]研究了热对花岗岩的强度的影响方面的能量储存和释放。更高的温度意味着更大的热能在花岗岩,这可能导致更大的能源释放当裂缝合并前和传播失败。在完成一项研究在热裂解,赵和同事(16)报道,热压裂Luhui花岗岩在更高的温度增加。图7(一)显示了CT图像的meso-structure Luhui花岗岩试样在不同的温度下(20°C, 200°C, 300°C和500°C)。在室温下没有明显的裂纹。一些micro-fractures被观察到温度低于200°C。水晶粒子周围大多数微裂隙在削弱线加热到200°C。但large-closed多边形裂纹在花岗质粒子尚未形成。可以观察到大裂缝,裂纹长度显著增加,当加热到300°C。具体来说,在花岗岩裂隙的长度可以在300°C 10倍的时间比一个裂缝在200°C,这将显著破坏岩石的严密和完整的结构,从而削弱它的力量。重要的是,当温度增加到500°C,花岗岩的晶体颗粒几乎micro-fractures包围。超过90%的micro-fractures(边界或解理裂纹(17,26,44])发生在岩石颗粒的界限,虽然小穿晶裂纹(45,46跨越的矿物颗粒。此外,杨et al。26)表示,在花岗岩的矿物颗粒紧密安排和联系。在400 - 600°C,裂缝和穿晶裂纹的边界在长石和石英颗粒会降低岩石的强度和刚度。热裂解生成这些裂缝和裂缝的知识表明,失败失败后,晶粒大小的碎片将会更小。
通过开展MPV micro-photometer测试,冯et al。7)揭示了微观裂纹数量变化与温度在热裂化Luhui花岗岩。如图7 (b)微裂纹的数量曲线(长度> 5μ米),有两个高峰和相应的温度是100 - 150°C和250 - 300°C,分别。微观裂纹数量的第二个高峰出现在300°C,远远大于第一高峰。热诱导微观裂纹发生的解释是不和谐的热膨胀,从而导致热应力在花岗岩。当花岗岩的温度增加到100 - 150°C,热应力在大多数的矿物颗粒可能超过焊接压力和粒间微裂缝主要发生。数量的峰值长度> 5μ米微裂缝发生。当温度进一步增加到250 - 300°C,热应力可能超过内部粘结应力矿物晶体和穿晶裂纹主要发生,导致第二次大增量的微裂隙。量的微观裂纹长度大于10μ米(长度> 10μ米)有相同的进化。数量和长度增加,温度> 10μm微观裂纹对应的长度> 5μm微观裂纹数量减少。它可以说明小裂纹传播和相互连接形成大微观裂纹后小微观裂纹初始温度上升。这些结果与CT图像结果如图一致7(一)。这些发现可以解释为什么UCS和温度变化,特别是UCS大跌200 - 300°C。
4.2。比较之间的岩石的力学性能直接加热和淬火处理
EGS系统注入冷水HDR出现很多对热刺激47- - - - - -50]。正如上面提到的,温度可以减少抗压强度的增加,切线模量等力学参数的HDR在某种程度上。在淬火过程中,强度和弹性的花岗岩可能显著减少由于强烈的热冲击产生相当大的热损伤岩石结构。因此,有必要了解如何直接加热和淬火条件下力学性能变化。
习和赵进行了淬火测试Luhui花岗岩从室温到500°C。加热后Luhui花岗岩样品(23冷水),是用来满足这些样品和之后获得的UCS价值观。图9(一个)礼物UCS值的变化与温度和图9 (b)显示了规范化USC-temperature曲线。黑色线条展示我们的高温测试结果,虚线是淬火测试结果。指出,规范化UCS UCS价值之间的比例在不同温度和UCS值,获得了在室温下。同样,数据9 (c)和9 (d)目前实际的切线模量的值之间的关系,以及规范化的切线模量和温度,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
Luhui花岗岩在室温下的UCS值不同,因为不同的取样位置和风化条件的岩石标本,例如,Luhui花岗岩的UCS价值,我们获得的是116 MPa,不同于Xi和赵的结果(23]。然而,UCS气温变化的趋势是一致的。三个部分从UCS和观察到的温度曲线。节我:UCS值略有降低的温度范围20 - 200°C。第二部分:UCS值大幅下降,从200年到300°C。第三部分:UCS稳定的下降率从300年到500°C。具体来说,岩石的强度将进一步淬火削弱了10%,20%和30%在200°C,分别为300°C和500°C。除了UCS价值观、切线模量之间的关系的Luhui花岗岩标本和温度也获得。发现的切线模量随温度的直接加热和淬火花岗岩标本(数字9 (c)和9 (d))。
此外,规范化UCS和切线模量淬火试验中获取的值小于那些获得高温条件的值。此外,淬火高温的归一化曲线下降的速度比曲线,这意味着淬火或HDR注入冷水将进一步削弱岩石和岩石结构产生热损伤。
花岗岩是一种结晶的岩石。在异构的岩石,热裂解是随机的。热诱导微观裂纹发生的主要原因是不和谐的矿物颗粒的热膨胀,从而导致热应力在花岗岩。温度的变化(即热梯度)是诱发热应力的主要因素。具体来说,一个更大的温度变化总是意味着更高的热应力。一旦当地热应力超过了绑定相同/不同的构成粒子间的压力,会发生热裂解,从而导致微裂纹,传播和互连。因此,淬火(急剧温度变化)引起岩石破坏的破坏性比正常体温上升。
5。EGS HDR地热开采的影响
温度变化可能引起力学参数的变化,并可能导致的热冲击花岗岩标本(23,51,52]。温度在花岗岩的力学参数有很大的影响,主要反映在切线模量、抗压强度等。
如图1,EGS是利用地热资源的概念从地球通过打井到HDR。井钻首次在高压注入冷水刺激或水力压裂自然岩石关节,从而创建一个地热储层。注入冷水回升并返回到热表面通过生产井。过程中注入冷水HDR,岩石会迅速冷却速度高,不可避免地导致储集岩内的热冲击。由于快速冷却,会产生一个相对较高的热梯度相比,从稳定的热流。更高的热梯度肯定会产生一个更大的热应力分量。
这项研究调查了花岗岩标本的失败响应,并讨论了岩石力学性质差异直接加热和淬火处理。岩石宏观失败总是引起的微裂纹,传播、互连等。骨折在岩石抗压边界加载许多微裂隙的合并的结果,不是单一裂纹的增长17]。随着压应力的增加,岩石破裂,微裂纹的数量变化空间从随机到当地强烈的开裂区。等不透水岩石,高热处理淬火,可能会创建新的热裂纹。HDR的含义是,当井中钻出高温岩石,但流循环较差,因为缺乏流动路径,热裂解过程可能是一个有价值的追求提高渗透率。因此,在地热热源刺激和增强的过程中,岩石破裂反应在加热和淬火治疗是不容忽视的。钻井期间,注射,水力压裂和hydroshearing53,54),岩石破裂反应和由于温度变化的机制应充分利用钻井和储层建筑效率的提高。
6。结论
理解的影响,温度对花岗岩失败是极大的兴趣工程师参与增强型地热能源系统和核废物处理项目。在这项研究中,在高温下的力学行为和变形花岗岩从20°C到500°C在宏微观尺度系统研究。可以得出几个结论。(1)单轴抗压强度(UCS)和切线模量随着温度降低。UCS-temperature曲线可以分为三个部分:UCS减少20°C和200°C之间,明显在200°C和300°C,然后减少的速度大幅放缓的间隔300°C到500°C。然而,随着温度的增加从20°C到500°C,切线模量减少成倍增长。(2)声发射(AE)计数记录的数量也随温度变化。在更高的温度,AE数减少的数量和数量记录的频率更低。这表明花岗岩更高温韧性。(3)淬火或HDR注入冷水会进一步削弱岩石和创建热损伤岩石结构。岩石的强度将进一步quench-weakened 10%, 20%和30%在200°C,分别为300°C和500°C。因此,在EGS系统中,淬火中的应用更具有破坏性的正常温度应力,可以充分利用提高钻井和储层的刺激。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
附加分
高光。(1)的单轴抗压强度(UCS)和花岗岩的切线模量随着温度降低。(2)UCS-temperature曲线遵循三级strain-dependent进化。(3)淬火更具破坏性比正常的热应力。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的基础研究基金为中央大学(2020 xjny03和2017 xkzd06)和跃起的杰出学者项目中国矿业大学&技术,北京。