化学腐蚀对花岗岩裂隙扩展的作用及其在增强型地热系统初步应用

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通过室内试验与数值模拟相结合的方式,研究了含有预制裂隙的花岗岩试样在化学腐蚀作用后力学性能的演化规律和裂隙扩展作用机理,进而分析了化学腐蚀后含有裂隙网络现场尺度模型的裂隙扩展与聚合过程。研究成果为加强化学腐蚀结合水压致裂技术在增强型地热系统开采中的应用提供有效数据支撑。论文主要内容及结论如下。对在pH=2、4、7和12的化学试剂中腐蚀5天或30天后的含有单裂隙和双裂隙的花岗岩试样分别开展了巴西劈裂和三轴压缩试验。结果发现:腐蚀时间的延长导致花岗岩力学性能减弱,且试样的间接抗拉强度、三轴抗压强度和弹性模量都在pH=2腐蚀30天的工况下达到最小,其次分别是在pH=4、12和7的溶液中。在三轴压缩试验中,无论试样经过何种化学腐蚀处理,其体积峰值应变和轴向峰值应变都随着围压的增加而线性增加。围压的增加使得试样孔隙率不断减小,从而导致岩溶反应的随机性降低和应力波动的减小。对含有不同种类预制裂隙的花岗岩试样开展了最终破裂模式与裂隙聚合模式的分析,研究表明:对于分别含有0 mm、5 mm、10 mm和15 mm的A、B、C和D型单预制裂隙圆盘试样,A、B和C型试样均发生了典型的巴西劈裂破坏,且预制裂隙在不同变化角?(轴向位移方向与预制裂隙的夹角)下并未与主拉伸裂纹发生聚合。D型试样预制裂隙在部分工况下与主拉伸裂纹发生聚合,然而在在所有?=60°和90°的试样中都没有主拉伸裂纹与预制裂隙的聚合情况发生;对于三轴压缩完整A型试样,试样最终破裂都为产生一条切穿试样的主剪切裂纹。对于含有相对低倾角的B型试样,其最终破坏模式都为两条预制裂隙之间的直接聚合破坏。对于含有相对高倾角的C型试样和含有相对高、低倾角的D型试样,两类试样的最终破裂模式受腐蚀试剂pH值、腐蚀时间和围压三种因素不同程度的影响。对于数值模拟研究,微观参数标定后的模拟结果与室内试验结果具有较好的拟合度,且在三轴压缩试验中,裂纹都首先萌生于预制裂隙附近。对含有不同种类裂隙网络的现场尺度模型开展了数值模拟研究,且微观参数标定后的模拟结果表明:以注水井和生产井之间发生连通作为观察结束点时,含有无交叉裂隙网络的模型在pH=2腐蚀30天的工况下累计裂纹数量最小,而含有交叉裂隙网络的模型在pH=4腐蚀30天的工况下累计裂纹数量最小。在以上两种工况下,萌生的裂纹通过裂隙网络形成连通通道,并使地热开采达到最高效率。这说明,天然裂隙的分布和化学腐蚀试剂的pH值对裂纹萌生与扩展起着十分重要的作用。
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