花岗岩力学性能对温度变化与冷却策略的敏感性研究

文摘 2024-07-31 06:24 湖北

摘要：

干热岩地层钻井过程中，钻井循环介质对井底不同温度岩石形成冷却效应，导致其力学特性与破坏模式发生改变。为研究温度及降温效应对于热岩力学参数的影响，以花岗岩为研究对象，对加热后（100~800 ℃）经自然冷却和水冷的试样进行声波实验和力学实验，研究了温度和冷却方式对花岗岩的声波波速、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的影响规律，分析了不同处理方式下岩石的宏观破坏机制。结果表明：温度超过临界阈值时，花岗岩的力学参数逐渐减小，400 ℃时降幅达23%。温度升高使花岗岩表现出延性破坏特征，抗压强度降低，在400~700 ℃之间花岗岩的抗压强度降低更显著。水冷却比自然冷却后花岗岩的强度降低约13%。研究结果为干热岩钻井过程中钻井液冷却效应对岩石力学参数影响及声波测井计算分析地层参数提供了参考依据。

作者|廖华林尹璐孙凤魏俊颜辉滕志想

原题|温度及冷却方式对花岗岩力学参数影响的实验研究

来源|石油钻探技术

小编|阿热

→这是"地热能在线"的第169篇文章

随着钻井科学和能源需求的快速发展，地热储层钻井特别是高温岩体地热资源井的钻探越来越受到人们的重视，井底高温甚至超高温地热系统是钻井作业不可避免的难题^[1-4]。地热资源储层岩石多为花岗岩，受高温高地应力影响，干热岩层岩性坚硬，强度高、破碎难度大，境地环境温度变化导致花岗岩的岩石力学特性发生改变，是地热资源高效开发技术研究的一大难点^[5-7]。顾晓伟等人^[5,8]研究了高温热处理后的花岗岩的孔隙率、渗透率和波速等物理性质，发现随着温度升高，花岗岩的孔隙率、渗透率不断增大。赵亚永等人^[9-11]利用单轴抗压实验分析了花岗岩的强度、峰值应变和弹性模量等力学参数随温度的变化规律，探明了脆性岩石裂缝以最大周向拉应力准则和摩尔库伦准则的扩展规律。Huang Yanhua等人^[12-14]通过高温后花岗岩的声发射实验分析了花岗岩的纵、横波波速特征，结果表明超声波波幅随温度升高而减小。Li Shujian等人^[15]通过对岩石中的热应力进行非线性分析，探究了温度升高花岗岩的破坏模式，结果表明花岗岩由低温条件下的脆性破坏逐渐转化为高温条件下的韧性破坏。Yang Shenqi等人^[16-19]对花岗岩高温断裂韧性的温度效应进行了探讨，研究表明花岗岩的断裂韧性随温度的升高存在阈值，当温度小于该阈值时，断裂韧性随温度的升高而增大，温度大于该阈值时，断裂韧性逐渐减小。崔翰博等人^[20-21]研究了实时高温和高温冷却后花岗岩的力学参数随温度的变化规律，发现实时高温条件比高温冷却后花岗岩的力学参数降低幅度更显著。杨敏等人^[22-23]研究了花岗岩在温度影响下从弹脆性向弹塑性转变的变化过程，并建立了花岗岩的弹塑性损伤本构模型，由此对不同围压条件下高温后自然冷却花岗岩的动态力学行为进行了预测。不同冷却方式及温度条件下花岗岩的声波测试实验报道较少，岩石动态力学特性研究不全面。基于此，笔者采用声波实验和单轴抗压实验，分析了不同高温条件及冷却方式下的花岗岩力学特性，研究了试样的纵、横波波速、弹性模量和泊松比等力学特性参数随温度的变化规律，为干热岩储层岩石的安全高效钻进提供了参考依据。

实验方法与实验方案

1.1 岩样制备

为降低试样不均匀性导致的离散性误差，实验采用的试样均取自同一花岗岩块体。将花岗岩加工为直径25 mm、高度50 mm的标准试样，试样表面进行打磨和抛光处理，并选择表面没有明显缺陷、且平整度和粗糙度分别小于10 μm和3 μm的试样进行实验。

1.2 实验内容和方案

为确保实验数据的准确性和实验的可重复性，最大限度地减小实验误差，实验过程中的温度条件为包括室温在内的9个温度，每个温度进行6组实验，试样烘干并静置2 d后，分别测量实验前后的直径、长度和质量，计算其密度，取各组试样计算参数的平均值。

将每组花岗岩试样以一定的速率（10 ℃/min）加热到实验设定的温度（100~800 ℃），保温2 h，使高温条件下试样内部的热应力充分均匀分布。自然冷却采用随炉冷却的方式使试样与高温加热炉一起冷却至室温；水冷方式为将加热后的试件直接置入冷水水槽中，待水温恢复至室温，取出试样并烘干。

采用HKN-B型纵横波测试仪进行声波动态力学实验（见图1）。首先，将热处理后的试件擦拭干净，在传感器与试件间涂抹耦合剂，耦合剂起到润滑和有助于声波传导；然后，利用换能器发射超声波，用另一个换能器接受声波，记录实验数据。室内声波测试实验可以测量岩样的纵、横波波速，根据弹性波传播理论原理可以计算花岗岩的动态弹性模量、动态泊松比、剪切模量、体积模量等力学参数。

图1 HKN-B型纵横波测试仪实验流程

Fig.1 HKN-B type longitudinal and transverse wave tester

单轴抗压力学实验：单轴力学实验采用万能实验机，该实验机可加载的最大轴向载荷达100 kN，应变的测量精度小于0.005%。测试前核对试样编号，并对其表面喷涂黑色油漆，使其图像显示更方便。将花岗岩试样放到压缩机承压板中心，调整试样使压缩机与试样对齐贴合，保证受力均匀。实验过程中以0.5 MPa/s的轴向加载速度对花岗岩加载压力，直到试样破坏，记录破坏载荷及试样的破坏形态。

花岗岩物性参数的变化分析

2.1 温度对花岗岩形态的影响

实验过程中，加热后进行自然冷却的花岗岩发出清脆的响声，而遇水冷却的试件表明呈现出微裂隙。加热至不同温度及采用自然冷却和水冷方式处理得到的花岗岩试样如图2所示。可以看出，加热至不同温度（100~800 ℃）及采用不同冷却方式的花岗岩，其表面形态发生了变化。温度100~200 ℃条件下，不同冷却方式处理后与自然状态下的花岗岩外观颜色差异较小，整体呈灰白色，并伴有黑色斑点；加热至300 ℃时，花岗岩试样表面部分区域呈土黄色；加热至400~500 ℃时，花岗岩的颜色没有很大变化；加热至600 ℃时，试样局部呈土黄色；加热至700~800 ℃时，花岗岩从灰白色向白色转化。由岩样的外观形态可知，高温使岩样发生软化现象，且遇水冷却比自然冷却更会加剧软化的现象。

图2 不同温度处理后的花岗岩

Fig.2 Granite treated at different temperatures

2.2 冷却方式对花岗岩物性参数的影响

将花岗岩加热至不同温度及采用不同冷却方式冷却烘干后，根据质量损失量、体积增量和密度增量等参数分析花岗岩的质量、体积和密度等物性参数的变化情况。根据上述实验，加热至100~800 ℃并分别采用自然冷却和水冷后花岗岩的物性参数变化量测试结果如图3所示。

图3 冷却方式对花岗岩物性参数的影响

Fig.3 Effect of cooling methods on the physical parameters

由图3可知，温度对花岗岩的质量、体积和密度影响显著。加热至100~800 ℃过程中，花岗岩的物性参数变化过程可分为3个阶段。第一阶段为100~300 ℃，该阶段内花岗岩的密度增量较小，整体结构几乎不发生变化；第二阶段为300~600 ℃，自由水的逸出导致质量损失，且花岗岩的非均质连续体内部颗粒的热膨胀差异导致温度变形不协调，从而产生热应力，使其物性参数发生改变；第三阶段为600~800 ℃，花岗岩的密度快速增长，且增速逐渐提高。温度升高，花岗岩内的石英颗粒转变为鳞石英，微裂纹从内向外延伸，试样表面未形成宏观裂缝。遇水冷却过程中，试样的温度迅速降低，热应力短时间内急剧变化，产生大量裂纹，使其质量损失量和体积增量显著变化。

花岗岩力学参数实验结果分析

3.1 声波实验结果分析

3.1.1 温度和冷却方式对花岗岩波速的影响

采用不同冷却方式处理后花岗岩的纵、横波波速随加载温度的变化特征如图4所示。从图4可以看出，花岗岩的波速特征受冷却方式影响存在阈值，该阈值温度为300 ℃。加载温度低于阈值温度时，花岗岩的纵、横波波速变化较小，超过阈值温度后，波速特征显著降低。加热至600 ℃时，两种冷却方式下花岗岩的纵、横波波速差值达到最大。加载温度大于700 ℃时，冷却方式对于花岗岩纵、横波波速影响减小，纵横波波速差降低。此外，当加载温度超过阈值温度时，自然冷却条件下花岗岩的纵、横波波速特征随加载温度升高呈线性降低的趋势；遇水冷却条件下，加载温度大于600 ℃后，花岗岩的波速特征降低趋势逐渐减小。

图4 岩样纵横波速随加热温度的变化

Fig.4 The change of longitudinal and transverse wave velocity with heating temperature

加热至100~200 ℃时，温度引起岩石的热膨胀，使花岗岩内部原始微裂纹和微孔隙闭合，致密程度提高，纵、横波波速小幅提高。温度进一步提高对试样形成热损伤破坏，产生裂隙并进一步形成裂缝，其内部水分向外渗透，裂缝数增加，花岗岩的孔隙体积提高，波速降低。从岩石矿物成分的角度出发，不同的矿物成分热膨胀率不同，受温度的影响不同的矿物成分发生膨胀会有新的裂缝产生，进一步阻碍了声波的传播。因此，随着温度升高，花岗岩的纵、横波波速均呈降低的趋势。

3.1.2 温度和冷却方式对花岗岩力学参数的影响

根据声波实验原理[24-26]，根据纵、横波波速计算花岗岩不同冷却方式下的弹性模量、剪切模量、体积模量和泊松比等特征参数，结果如图5所示。

图5 基于声波实验的花岗岩力学参数随温度的变化

Fig.5 Variation of mechanical parameters with temperature based on acoustic wave experiments

由图5可知，不同温度及冷却方式处理后，基于声波实验得到的花岗岩的弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量等力学参数随温度的提高均呈现出降低的趋势，且其变化规律具有较好的相似性。自然冷却和遇水冷却两种方式下花岗岩的力学参数在100~300 ℃内没有明显的变化；温度为300 ℃时，冷却方式对花岗岩的力学参数影响显著，遇水冷却比自然冷却状态下低，平均降幅约为13%；温度为400 ℃时，花岗岩的力学参数出现明显的变化。温度600 ℃时，2种冷却方式下花岗岩的力学参数差距最大；温度为700~800 ℃时，冷却方式对花岗岩的力学参数影响降低。

3.2 单轴抗压实验结果分析

3.2.1 温度对抗压强度的影响

利用万能力学实验机对经不同温度处理后的花岗岩进行力学实验，观察花岗岩的破坏形态，并记录其应力-应变曲线关系，获得其抗压强度等力学参数。室温状态下花岗岩一般具有较好的脆性特征，而经过加热处理后，随温度的升高花岗岩逐渐从脆性破坏转向为延性破坏。不同温度和冷却方式处理后花岗岩的宏观破坏形态如图6所示。

图6 不同加热温度冷却后岩石的破坏形态

Fig.6 The failure modes of the rock sample with the change of heated temperature

由图6可以看出，花岗岩加热至100~300 ℃时，破坏形态主要表现为轴向拉剪破裂，失稳形式为突发失稳；300~600 ℃为斜向剪切破裂，失稳形式为突发失稳；700~800 ℃为锥形横向破裂，失稳形式为准突发失稳。由此可以看出，随着温度的升高，花岗岩的破坏形式分为轴向拉剪破裂、斜向剪切破裂和锥形横向破裂。遇水冷却后，花岗岩温度为300 ℃时开始出现斜向剪切破裂的形式，400 ℃之后的破坏形式比自然冷却下破坏更显著，可以看出遇水冷却后比自然冷却状态下花岗岩的破坏方式和失稳形式都有所提前。

花岗岩的抗压强度随加热温度的变化规律如图7所示。从图7可以看出，随着温度升高，花岗岩的抗压强度逐渐降低，主要是因为花岗岩内部的自然水分受温度影响不断向外渗透，导致产生更多的微小裂缝。

图7 单轴抗压强度随加热温度的变化

Fig.7 Variation of uniaxial compressive strength with heated temperature

此外，由于花岗岩是由不同矿物组成的非均质体，不同矿物成分的热膨胀率不同，在温度的影响下发生不同程度的膨胀，导致裂缝数目增加，使其抗压强度降低，且温度越高，降幅越显著。遇水冷却后，花岗岩的抗压强度整体低于自然冷却方式下花岗岩的强度特征。温度400 ℃时，岩样的抗压强度开始剧烈下降；温度600 ℃时，2种冷却方式的差异达到最大；温度700~800 ℃时，变化减小。

3.2.2 冷却方式对岩石应力-应变特性的影响

自然冷却和遇水冷却后花岗岩的应力应变曲线如图8所示，该曲线可分成4个阶段：1）压密阶段。随着载荷的增加，花岗岩内的微孔隙或微裂缝被压密，且温度越高，孔隙或裂缝数越大，抗压试验过程中的应变幅度越大。2）弹性变形阶段。曲线近似呈线性增长，应力应变呈比例变化；随着温度的升高，花岗岩的应力应变曲线弹性变形阶段的斜率逐渐减小，线弹性模量减小。3）屈服阶段。此阶段裂缝快速扩展，逐渐破碎，且温度越高，屈服变形阶段持续时间越长，抗压强度越低，表现出延性特征。4）卸荷阶段。形成剪切滑移破坏，且温度越高，破坏趋势越显著。遇水冷却后花岗岩的抗压强度比自然冷却低，剪切滑移程度更明显。

图8 不同冷却方式的应力-应变曲线

Fig.8 Stress-strain curves of different cooling methods

由图8可知，随着温度升高，花岗岩的宏观破坏形态由脆性破坏转变为延性破坏特征，且温度越高，延性效果越显著。形成这一现象的主要原因是温度升高导致花岗岩内部的水分蒸发并向外渗流，使得孔隙度增大，降低了岩石强度，而其剪切滑移变形增大，导致延性效果增强。升温过程中，岩石内部不同矿物之间不均匀膨胀，使其内部发生裂纹的萌生、扩展并逐渐贯通；冷却过程中，由于内部残余应力的作用，使裂纹进一步发展，形成物理损伤，因此，在岩石压密过程中可以明显看出加热后的岩石压密阶段所占比例逐步增加。

3.3 不同冷却方式下花岗岩的强度与声波波速的关系

对加热后采用不同冷却方式处理后的花岗岩进行声波测试和单轴抗压力学实验，得到花岗岩纵横波波速与抗压强度之间的变化关系（见图9）。从图9可以看出，抗压强度与纵、横波波速之间存在一定的“S”形函数关系，随着温度的升高，不同冷却方式下花岗岩的单轴抗压强度和纵、横波波速都呈现出逐渐降低的趋势，且降低幅度先增加后减小。

图9 单轴抗压强度与纵横波波速关系

Fig.9 The relationship between uniaxial compressive strength and wave velocities

结论与认识

1）自然冷却状态下花岗岩的力学特性参数随温度的升高呈线性降低的趋势，而遇水冷却后的力学特性参数呈凹型变化趋势。遇水冷却后，花岗岩的弹性模量、体积模量和剪切模量等力学参数比自然冷却状态下小，温度为100~300 ℃变化时，其力学参数相对平稳，600 ℃时差异最大，700~800 ℃变化减小。

2）温度的升高对花岗岩的单轴抗压力学实验宏观破坏特征影响显著，延性破坏特征逐渐凸显。温度为100~300 ℃时，花岗岩的破坏形态主要表现为轴向拉剪破裂；温度300~600 ℃时，表现为斜向剪切破裂破坏；温度700~800 ℃时，表现为锥形横向破裂，且遇水冷却比自然冷却条件下花岗岩的失稳形式有所提前。

3）不同温度和冷却方式条件下，花岗岩的抗压强度与纵、横波波速呈“S”形变化趋势，波速增加，其抗压强度降低，且降低速率先增加后减小，可以根据花岗岩的声波波速特征来预测井底岩石的强度特征，为测井岩石力学性质表征提供参考依据。

[编辑滕春鸣]

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