文摘

液态氮(LN₂),它可以大大提高干热岩的效率(HDR)采矿,通常被用作冷却材料增强型地热系统(EGS)。物理性质、三轴压缩和渗透率测试进行治疗花岗岩样品,为更好的科学理解LN的效果₂冷却方法机械,热处理后岩石的渗透率属性。实验结果表明,对花岗岩的物理性质变化显著,密度、波速等都大大降低。与此同时,随着处理温度的增加,宏观裂缝表面逐渐生成和体积明显扩大。此外,花岗岩的表面润湿性能逐渐增加而增加温度。与空气/水的冷却方法相比,在LN₂冷却条件下,力学性能显著降低。当温度超过600°C,花岗岩强度降低明显,只有56.16%的参考价值。显著变形性质也发生了变化,与最后一个应变约3%的失败样本在800°C,显示一个明显的塑性变形特征。此外,还存在一种明显的相关性花岗岩的初始渗透率和温度之间的关系。当温度超过200°C,温度的增加导致初始渗透率的增加。除了温度的影响,负载的增加也会导致渗透系数的改变。当温度达到600°C,花岗岩的渗透率降低,然后增加轴向应力的增加。本文的结果是有价值的在理解热冲击LN的效果₂在压裂效率和干燥的热岩的渗透性特征。

1。介绍

干热的岩石(HDR)资源开发中扮演一个重要的角色在会议上对能源的需求1- - - - - -5]。一般来说,地热能源主要是存储在一个炎热的花岗岩水库,这是分布在2 - 6公里的深度,温度高于150°C (6]。由于低渗透储层矩阵,渗透性增强技术通常建议提高热力学效率和生产率的增强型地热系统[7,8]。液态氮(LN₂)低温压裂已经被证明是一种有效的刺激方法,具有巨大的潜力与高渗透建立通路(9,10]。低温压裂过程中LN的使用₂可以产生很高的热梯度和快速温度变化在岩石内部和外部的身体,导致更大的热应力和热裂纹与传统相比,使用hdr拍摄水/空气冷却(11]。水常常被用作冷却剂在以前的作品,但水有缺点,甚至可以导致重要的减少nonheat-treated岩石的力学性能12,13]。因此,HDR储层的物理力学性质很大程度上影响了LN₂冷却疗法。不同热冲击的影响通过水冷物理特性,力学行为,和岩石的渗透率参数是至关重要的知识成功改革的深层地热储层(14]。

近年来,大量深入研究花岗岩石的物理力学性质进行了高温处理后,并取得了许多有价值的结论不同的调查人员。以往的实验研究表明,thermal-induced微裂隙花岗岩高温处理后形成的,这是由于热膨胀和温度分布不均匀的矿物质13,14]。一旦达到临界温度,宏观裂缝发展扩张在岩石的矿物颗粒进一步导致花岗岩的高温腐蚀15,16]。Zhang et al。17)详细分析了温度变化对多变量的分布的影响在物理领域和开裂改进hydrothermal-salt-mechanical (IHTSM)模型。邵et al。18,19)发现,快速冷却会激起更多的热裂解在花岗岩内,导致力学性能明显恶化。随后,他们认为热的敏感性差异的潜在原因三个岩石中基于结果的扫描电子显微镜(SEM)和x射线衍射(XRD) (8]。然而,吴et al。20.]表明花岗岩石的单轴抗压强度(UCS)在水中冷却才下降很多岩石温度达到400°C。在更高的冷却速度,力量和弹性的花岗岩可能进一步降低在强烈的热冲击。陈等人。21]表明,加热花岗岩的峰值应力随加热温度增加(从200°C到1000°C)。Brotons et al。22)发现,温度梯度产生的热应力会降低石材的物理性能随着温度的增加(从105°C到600°C)。刘、徐(23]研究了花岗岩和砂岩的物理和机械性能在高温治疗后(从100°C到1000°C),发现400°C的灵敏度点力量。

最近,研究人员发现兴趣增加高温治疗和渗透率之间的关系,因为花岗岩的渗透性可能增加thermal-induced微裂纹的形成和传播。陈等人。24)进行了压缩测试,发现渗透率的变化是微不足道的微裂缝出现之前,当裂纹增长地区急剧增加。随后,了解温度对渗透率的影响性能的花岗岩,陈et al。21,25)发现,渗透率的热灵敏度温度为500°C。然后,田et al。26)发现了一个重大影响的初始和花岗岩的残余渗透率增加3 - 4个数量级的温度从25°C到750°C下空气冷却。

然而,与岩石的力学性能的研究,信息少了很多LN的影响₂冷却渗透特性。尽管渗透萃取的HDR的重要性,仍然是一个缺乏证据在高温加热后花岗岩石的渗透率演化模式和LN₂冷却疗法。因此,本文的目的是探讨不同加热温度的影响在机械和渗透率的作用下花岗岩LN的属性₂冷却。花岗岩样品受到heating-cooling在四层,即。,a slow heating to 200°C, 400°C, 600°C, and 800°C followed by a rapid cooling with LN₂。进行了比较分析研究花岗岩的物理力学和渗透率的变化行为受到不同heating-cooling热冲击。

2。材料和方法

2.1。样品制备

在HDR(花岗岩,作为一个典型的岩石类型17),在我们的研究中被选为实验材料。花岗岩标本收集从一个露头位于湖南省,中国。根据矿物使用x射线衍射(XRD)分析,花岗岩主要由长石(47.6%)、石英(15.7%),和黑云母(23.8%)。岩石样本的标准圆柱体的形状 在实验室根据国际岩石力学学会(ISRM)标准27]。图1(一)显示了岩石样本和测试设置用于我们的实验。热负荷调度图所示1 (b)。在第一步中,12个花岗岩样品被分成四组,都是先加热到不同的目标温度(200°C, 400°C, 600°C,和800°C)使用高温加热炉的加热速度2°C /分钟然后被保持在预设温度2 h。其次,高温的炉加热采集标本,放置在一个油箱加满25 L的液态氮。最后,花岗岩标本与治疗完成安装在指定的设备,如右侧图所示1(一)。

2.2。测试方法

2.2.1。物理参数测试程序

机械测试之前,物理性质的平均和标准偏差的样本,如密度、大小(即。、高度和直径)和纵波速度,加热后冷却之前第一次测量。水滴的接触角是岩石润湿性的重要指标反映了岩石的亲水特性,如图2(一个)。认定(28]提供了润湿性测试方法是使用技术获得高分辨率图像的花岗岩表面的水滴的接触角和方法安排如下。首先,注射器清洗用蒸馏水和装满水。其次,一个干净的表面标本被稳定在一个水平表。随后,一个水滴慢慢注入注射器花岗岩表面,如图2(一个)。最后,一个高清摄像头用来记录界面在液滴表面张力。岩石样品表面的接触角的轮廓线之间的夹角水滴与岩石的水平表面,如图2 (b)。

2.2.2。机械测试程序

进行了三轴压缩试验使用MTS815.04岩石力学测试系统在热shock-treated花岗岩标本,如图3。系统可以执行在围压应力三轴变形实验140 MPa,轴向载荷4600 kN,液压140 MPa,可以测量渗透率的岩石样本 。本研究使用去离子水为孔隙流体和硅油为围压流体。围和进气压力控制的石油增压器和气体压力泵,分别。得到的三轴抗压强度与围压5 MPa,围压率为0.1 MPa / s,和一个轴向位移加载速率的0.001毫米/秒。

2.2.3。渗透测试程序

考虑到花岗岩超低渗透率,瞬时脉冲磁导率测试方法被用来保证测量精度(29日),如图4。探讨热shock-treated样品的渗透率演化与偏应力增加,以下测试程序的设计:(我)对待标本在水饱和48 h,然后用0.5毫米厚的夹套聚四氟乙烯热缩管,两端密封的不锈钢电线(2)然后组装夹套样本放入三轴压力与静水压力设定在细胞5 MPa(3)圆周举行5 MPa压力和轴向应力与应变率增加了位移控制方式的0.001毫米/秒(iv)从这个阶段,样品渗透率测量,直到达到峰值应力。对于每个渗透试验,3 MPa的液压应用在顶部和底部结束(v)顶部的液压表面下降到1 MPa为了创建一个两端表面之间的压力梯度。水流从样品的低端到高端,通过样本的内部

重要的是要注意,这水压力应低于围压,以避免横向泄漏。

的 - - - - - - 曲线记录被用来计算样品渗透率值根据方程(1)。这是指出,极限载荷和轴向载荷保持不变,而渗透率进行了测量。渗透测试是终止当压力梯度达到或接近0.4 MPa,渗透时间达到3 h,或渗透压差稳定。在渗透率测试测量的瞬态方法,水压力差( )试样的两端之间逐渐降低,并减少的速度取决于岩石类型、岩石配置,标本长度、试样横截面积,水密度和粘度,应力状态(29日]。

在哪里的渗透率是岩石样本,水的压缩系数,上、下水库的体积,样品的长度,水的粘度,测试的持续时间,试件的横截面积,的区别是在上部和下部之间的水压力的岩石标本。著名的参数值是 , , , , , ,和 。

3所示。结果与讨论

3.1。物理性质

3.1.1。表面形态、密度、纵波速度

花岗岩样品的表面形态图受到不同热冲击治疗(200、400、600、800°C)在图所示5。根据之前的调查,吸附水的逃脱,水晶水,构造水存在于岩石在高温处理(30.]。重力和吸水的水完全逃脱150°C和200°C,分别为(31日]。因此,如图5表面没有明显差别颜色的花岗岩样品25°C(没有热休克疗法)和花岗岩样品在200°C。温度进一步提高,在600°C时,石英经历了α- - - - - -β相变,导致一个重要的衰落的表面色32,33]。

花岗岩样品的基本物理力学性质受到LN₂不同温度下冷却总结表1。纵波速度、密度和温度之间的关系对花岗岩样品加热到不同的温度LN紧随其后₂-coling治疗是描绘在图6。从图可以看出6纵波速度的变化表现出与一个相对较小的初始值得注意的下行趋势减少在200°C,然后是一个近似的线性快速降低温度的进一步升高。然而,密度显然不会改变之前600°,减少了大约20%在800°C。这些结果表明,p波速度,与密度相比,更敏感,更适合描述花岗岩热冲击造成的损害。

3.1.2。润湿性

润湿性量化的结果不同热shock-treated花岗岩样品的接触角如图7。它可以发现,水滴的接触角与加热温度增加,和25°的角度63°C, 147°200°C, 165°400°C, 170°600°C, 800°和178°C(数字7(一)- - - - - -7 (f))。结果表明,热shock-treated花岗岩表面比未经处理的花岗岩表面亲水,和水处理花岗岩表面更容易吸收。值得注意的是花岗岩的表面在800°C的治疗有明显的宏观裂缝和大量的细裂纹。这使得水滴立即吸收室内就与岩石表面。渗水产生的水渍在前视图中,可以看到如图7 (f)。

3.2。力学行为

3.2.1之上。应力-应变曲线

花岗岩试样的三轴压缩应力-应变曲线没有热处理在室温(25°C)的约束压力下5 MPa如图8。可以看出,曲线可分为四个阶段,即:,(我)compaction stage (O-A), (ii) elastic stage (A-B), (iii) yield stage (B-C), and (iv) failure stage (after the C point) [34]。对应于每个阶段的特征应力三轴压缩曲线的点(裂缝闭合压力),B点(压力损伤阈值),点C(峰值应力)。每个选择压力渗透测试来观察不同阶段下的花岗岩的渗透特性,和实验结果将在下一小节中介绍。

hydronic-mechanical耦合条件下的应力-应变曲线的花岗岩样品暴露在不同的热冲击治疗后绘制在图9。可以看出,五个样品的应力-应变响应有明显差异,表明热冲击对力学性能有很大的影响。随着加热温度的增加,初始关闭先前存在的微裂隙引起的非线性变形段变得越来越明显,特别是如果温度超过600°C。然后,在线性增长,随着温度的增加,曲线的斜率变得越来越低。postpeak的同时,曲线的下降段逐渐从突然下降变化缓慢下降,特别是在800°C,它显示了一个明确的转换从脆性向延性。这些变化可以归因于更多热裂纹发生在领导的样本的快速释放热应力的作用下极端温差。

3.2.2。三轴抗压强度

三轴抗压强度的变化后花岗岩样品加热和LN₂冷却疗法的围压下5 MPa如图10。从图可以看出10花岗岩的三轴抗压强度在气温变化不明显的25 ~ 400°C。这一现象表明,当加热温度相对较低,只有物理形态变化和轻微的微裂纹起始发生在花岗岩与吸收的逃脱,绑定,水晶水(14]。随着温度的增加,进一步的,超过573度,更多thermal-induced显微裂纹转换成宏观裂缝由于石英的相变30.]。由于形成宏观裂纹,热应力被释放,持续增加的温度提升更多的微裂隙的形成(33]。特别是,当温度达到800°C,大量的晶体和结构水逃脱了,和Mg^{2 +}黑云母氧化导致大量热的变化,最终引起宏观裂纹的形成。因此,峰值强度保持相对恒定的温度小于600°C。当温度达到600°C,一些金属债券(如Al-O、k o, Na-O Ca-O)破产,和一些矿物质(如碳酸钙和钙蒙脱石)融化或分解(35]。更多的被加热,诱导裂缝和花岗岩的峰值强度显著降低在800°C。

进一步比较分析的影响冷却方法干燥的热岩的压裂效率,三轴抗压强度与温度之间的关系在空气和水的冷却条件下在先前的研究报告也一起绘制在图10。它可以发现花岗岩强度随温度的变化趋势可以分为三个阶段,这是(我)25°C - 400°C, (II) 400°C - 600°C,和(3)超过600°C。在空气或水的冷却条件下,花岗岩强度显示了波动的趋势与温度的变化35,36),从加强过渡到疲软的临界温度。在LN₂冷却条件,然而,花岗岩的强度随着温度持续下降趋势,这符合二次函数。当温度达到800°C,花岗岩强度显著降低,达到80.29 MPa。这些差异,结果表明,在一定的加热温度范围,相对较低的冷却速度更有可能导致关闭或疗愈的先前存在的微裂隙裂缝的扩张和启动。

3.2.3。失败模式

最终失败的模式花岗岩样品受到不同热冲击治疗在三轴压缩下呈现在图11。当温度在25°C,主宏观裂缝的角度对水平方向约60°,如图11(一)和11(b),当温度上升到200°C, 400°C,和600°C的角度宏观断裂是由大角度拉伸骨折70°-80°,如图11(c) -11(e)。宏观裂纹的不同是由于温度场不均匀的热应力分布和矿物质(拉伸)快速淬火。在失败时,有许多大角度宏观拉伸断裂,这是由于减少抗拉力随着温度的增加(37]。因此,从脆韧性变形花岗岩转换。

3.3。渗透率参数

水力耦合加载过程中,孔隙和微裂隙花岗岩处理可以产生一些复杂的动态体积变化,导致渗透率演化花岗岩的特征。渗透压力差(所花费的时间 )达到稳定和减少低于0.5 MPa应力状态有关的花岗岩中可以看到图吗12(一个)。此外,值得注意的是随着时间的增加,最初的逐渐减少,不能达到预设2 MPa呈现在图12(一个),因为内部裂缝的发展在花岗岩与负荷增加。特别是,在屈服阶段,最初的低于0.5 MPa,如图12(一个)。

对数后获取的 ,典型的进化渗透压力与加载时间的对数律下渗流图所示12 (b)。实验数据的典型例子是线性拟合得到的斜率 ,拟合相关系数 , , , , ,和 ,最后计算基于方程(1): 。

检查渗透率演化在三轴压缩,偏应力曲线和样品渗透率作为轴向应变的函数为每个加热温度是绘制在图13。花岗岩样品在不同热冲击治疗表现出相似的力学行为:(1)压力一定程度的衰退发生在每个渗透,这是主要由粮食下滑在渗流引起的。(2)渗流过程中,流体的作用下通过裂缝通道也可能造成进一步的破坏岩石和减少压力。

如数据所示(13日)- - - - - -13 (c)花岗岩样品的渗透率的演进在200°C和400°C与参考样本(25°C)。前达到0.8%的轴向应变,渗透率相对稳定和漂浮 。这是由于裂缝通道没有完全在这个阶段形成的。当轴向应变继续增加,轴向应力方法的峰值压力,样品的渗透率显著增加了近两个数量级 ,展现,液体渗流通道内充分发展样本。此外,样品渗透率的展览在600°C一个有趣的现象,如图13 (d)。渗透率降低,然后增加与轴向应变的增加,轴向应变的转折点是0.8%。关闭是由于大量的热诱导裂缝在初始阶段,导致渗透率下降达到 。此后,增量生成新的压缩引起的裂缝渗透率的增加。此外,正如在图展出13 (e)后,渗透率演化模式的花岗岩在800°C接受治疗与其他temperature-treated样本显示了一个截然不同的区别。所有加载阶段的渗透率变化相对轻微,总是在波动 ,这是明显大于渗透率较低的加热温度。这可以导致大量的宏观热损伤裂缝内现有花岗岩和thermal-induced裂缝很难接近甚至在压缩的作用。

进一步分析处理温度对渗透率的影响在不同阶段特点,选择典型的渗透率数据(平均值)获得渗透率和温度之间的关系,如图14。可以看出thermal-treated花岗岩在弹性阶段的渗透率与温度呈正相关。此外,渗透系数在弹性阶段为每个处理最低花岗岩因为初始裂纹闭合引起的压缩。此后,随着压力的增加,开始和聚结的解理,然后转换成宏观裂缝为流体提供快速流道。

此外,有一个显著的二次温度和渗透率之间的关系,如图14。在compression-density阶段,温度是极大地影响了样品的渗透率。渗透率的岩石样本增加与温度的变化在这个阶段。类似的特征已经表现出在弹性阶段,这是弱受温度的影响在200°C。在屈服阶段,有一个现象,渗透率的变化显示下降,然后随着温度的增加而增加。压缩阶段的渗透率达到最低花岗岩时暴露在温度200°C到400°C。compression-density阶段,渗透率是岩石在热处理时最低。治疗温度低于400°C时,流动通道可以保持开放,提高渗透率的岩石,是由于吸收和束缚水的损失38]。此外,矿泉水的损失可能损坏矿物骨架,这矿物损伤会导致岩石的密度和岩石的脆性增加,导致渗透率的额外的改进39,40]。当温度超过400°C时,应力状态生效的压实初始裂缝,导致渗透率下降。处理温度是400°C时,渗透率与应力状态的变化不明显,表明400°C是一个转折点。

4所示。结论

快速热冲击可以大大提高HDR压裂效率,尤其是在LN的使用₂。在这项研究中,不同热冲击的影响(缓慢加热到不同的温度快速冷却和LN紧随其后₂)的物理、机械和花岗岩样品渗透率性能的系统研究。非破坏性测试(表面形态、密度、纵波速度和润湿性)和破坏性的测试(三轴压缩和渗流)采用调查这些属性。此外,基于实验结果,进行了比较分析研究花岗岩石的物理力学和渗透率的变化行为在不同热冲击治疗。主要结论概括如下。(1)LN₂一个高效的冷却剂,可以改变通过快速冷却HDR的物理性质。值得注意的是,花岗岩的纵波速度降低到接近80%,治疗时温度为800°C。此外,随着温度的增加,产生大量的热损伤裂缝内花岗岩标本,以及花岗岩的润湿性增强。液体直接穿透了花岗岩内部,不能形成一个完整的水滴在高温下治疗,导致的花岗岩润湿性强,尤其是在800°C的治疗方法(2)LN的影响₂冷却花岗岩的力学性能具有重要意义。当温度超过600°C,花岗岩展品的强度明显下降,只有56.16%的参考样本。此外,变形性能也明显变化;特别是在800°C,最后应变在失败的时候达到约3%,显示出一个明显的塑性变形特征(3)初始磁导率之间的相关性也存在花岗岩和温度。花岗岩液氮治疗后的渗透率演化模式显示了一个二次与温度的关系。当治疗温度低于400°C,压力的增加提高了花岗岩的不渗透性,使渗透系数降低。当温度达到600°C,花岗岩的渗透性的增加先增加然后减少轴向压力。与治疗的温度进一步上升,大量的连接骨折在岩石中发芽,导致异常快速渗透过程和一个更大的渗透系数计算

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢支持的金融支持本研究第二青藏高原科学考察和研究项目(批准号2019 qzkk0904),中国国家自然科学基金(批准号42007254和42007254),和浙江省自然科学基金(批准号LQ20E080006)。