固—熱耦合作用下巖體破裂及聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、隨著世界油氣資源的緊缺,煤炭資源開采造成環(huán)境嚴(yán)重破壞,高溫巖體地?zé)岬仍S多綠色新能源的開發(fā)被提出。高溫巖體地?zé)豳Y源所處地層很深,施工時(shí)涉及到高溫、高地應(yīng)力的影響。巖體在熱作用下發(fā)生熱破裂,降低巖體強(qiáng)度,巖體在固-熱耦合作用下會(huì)加速微破裂產(chǎn)生,對(duì)高溫巖體的施工造成一定的影響,因此,研究固-熱耦合作用下巖體的破裂及聲發(fā)射特征有著重要的意義。本文主要進(jìn)行無(wú)約束和三軸應(yīng)力狀態(tài)巖體的熱破裂聲發(fā)射、高溫蠕變過(guò)程中破裂聲發(fā)射特征、單軸和三軸高溫蒸汽壓裂

2、試驗(yàn)來(lái)研究固-熱耦合作用下巖體的破裂規(guī)律及聲發(fā)射特征,得到如下結(jié)論:
   ⑴通過(guò)無(wú)約束花崗巖升溫、降溫、循環(huán)升降溫?zé)崞屏崖暟l(fā)射和25MPa均勻壓力花崗巖升溫過(guò)程熱破裂聲發(fā)射試驗(yàn)研究,得到:①無(wú)約束花崗巖升溫過(guò)程,熱破裂聲發(fā)射現(xiàn)象明顯,試樣沒有肉眼可見的裂紋產(chǎn)生,隨著溫度增高,熱破裂發(fā)生次數(shù)增多,強(qiáng)度增大。熱破裂可分為三個(gè)階段:常溫~160℃,壓密熱破裂階段,熱破裂聲發(fā)射數(shù)量很少,強(qiáng)度很低;160~460℃,脆性熱破裂階段,熱破

3、裂聲發(fā)射數(shù)量大幅增加,強(qiáng)度基本不變;460℃以后,彈塑性熱破裂階段,熱破裂聲發(fā)射數(shù)量、強(qiáng)度和持續(xù)性達(dá)到試驗(yàn)最高值。②無(wú)約束花崗巖降溫過(guò)程,熱破裂分為三個(gè)階段:600~300℃,彈塑性熱破裂階段,聲發(fā)射數(shù)量隨溫度降低增多;300~100℃,脆性熱破裂階段,熱破裂聲發(fā)射強(qiáng)度和數(shù)量為試驗(yàn)最大值;100~30℃,后脆性破裂階段,熱破裂聲發(fā)射強(qiáng)度降低。③25MPa均勻壓力大尺寸(φ200×400mm)花崗巖升溫過(guò)程,巖石試樣出現(xiàn)肉眼可見的裂紋,熱

4、應(yīng)力局部集中和三軸應(yīng)力導(dǎo)致熱破裂產(chǎn)生。熱破裂分為三個(gè)階段:常溫~110℃,壓密熱破裂階段,聲發(fā)射數(shù)量多、振鈴高,能量較低,熱膨脹導(dǎo)致原生裂隙發(fā)生變形、閉合;110~420℃,脆性熱破裂階段,聲發(fā)射數(shù)量多、振鈴數(shù)大、能量高,巖石礦物成分熱膨脹不均勻?qū)е聼釕?yīng)力局部集中,發(fā)生熱破裂;420~500℃,彈塑性熱破裂階段,聲發(fā)射數(shù)量多,振鈴數(shù)大,聲發(fā)射能量峰值大,階段性能量累積小,聲發(fā)射由少數(shù)的高能量聲發(fā)射和多數(shù)能量極低的聲發(fā)射組成,熱作用使巖石

5、礦物軟化,發(fā)生局部塑性破壞。④三軸應(yīng)力狀態(tài)可促進(jìn)熱破裂在較低溫度進(jìn)入脆性破裂階段和彈塑性熱破裂階段,無(wú)約束花崗巖熱破裂(聲發(fā)射)比25MPa均勻壓力狀態(tài)滯后約40~50℃左右,滯后溫度值的大小取決于試樣三軸應(yīng)力狀態(tài)。
   ⑵通過(guò)大尺寸(φ200×400mm)花崗巖高溫蠕變破裂聲發(fā)射試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)300℃花崗巖蠕變?cè)囼?yàn),經(jīng)歷瞬態(tài)蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段,聲發(fā)射信號(hào)連續(xù)產(chǎn)生,蠕變第一階段聲發(fā)射振鈴、能量為第二階段2倍;400℃、500℃

6、花崗巖蠕變,只有穩(wěn)態(tài)蠕變階段,均勻壓力蠕變聲發(fā)射比差應(yīng)力蠕變少,振鈴低一個(gè)數(shù)量級(jí),間隔出現(xiàn)較大能量的聲發(fā)射;溫度增高,蠕變聲發(fā)射參數(shù)降低。
   ⑶通過(guò)花崗巖單軸蒸汽壓裂(尺寸120×120×300mm)試驗(yàn)和三軸蒸汽壓裂(尺寸300×300×300mm)裂紋擴(kuò)展和聲發(fā)射特征試驗(yàn),得到:①固-熱耦合作用對(duì)巖體破裂有促進(jìn)作用,熱破裂起到了弱化巖體強(qiáng)度、加快起裂的作用?;◢弾r單軸水力壓裂破壞壓力為6.5MPa,單軸430℃和350℃

7、高增壓速率蒸汽壓裂試驗(yàn),破壞壓力分別為2.7MPa、2.2MPa,不足水力壓裂破壞壓力的50%;單軸450℃低增壓速率蒸汽壓裂試驗(yàn),破壞壓力為1.8MPa,為水力壓裂破壞壓力的1/4左右。②固-熱耦合作用下花崗巖體水力壓裂易出現(xiàn)多條裂縫。低增壓率單軸蒸汽壓裂只有1條裂縫能夠貫通試樣,其余裂縫起裂后不久止裂;三軸蒸汽壓裂起裂時(shí)出現(xiàn)“T”型裂縫,平行最小主應(yīng)力方向的裂縫擴(kuò)展中轉(zhuǎn)向垂直最小主應(yīng)力方向。熱破裂分布的隨機(jī)性導(dǎo)致蒸汽壓裂出現(xiàn)多條起裂

8、裂紋。③單軸高增壓速率蒸汽壓裂,側(cè)向變形速率很大,變形量為水力壓裂的2倍以上,試樣垂直破壞面的變形量為平行破壞面方向變形的5倍左右。單軸高溫蒸汽壓裂,試樣軸向發(fā)生壓縮變形,側(cè)向變形為膨脹變形,單軸蒸汽壓裂時(shí)間較短,熱作用主要起到降低鉆孔內(nèi)壁強(qiáng)度、加速起裂的作用,軸向壓縮變形和側(cè)向膨脹變形主要為蒸汽壓力增大所致。三軸蒸汽壓裂裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)變形過(guò)程分為三個(gè)階段:蒸汽壓力增加階段,由于蒸汽壓力增加,軸向?yàn)閴嚎s變形,變形速率逐漸降低,側(cè)向?yàn)榕蛎涀?/p>

9、形,變形率逐漸增大;保壓階段,熱膨脹作用增強(qiáng),側(cè)向繼續(xù)膨脹變形,變形量與時(shí)間基本呈線性關(guān)系,軸向變形由壓縮逐漸轉(zhuǎn)化為膨脹;蒸汽壓裂階段,熱膨脹作用范圍增大到整個(gè)巖石試樣,軸向和側(cè)向變形都為膨脹變形。④單軸高溫蒸汽壓裂時(shí),裂紋擴(kuò)展分為壓裂前熱破裂階段和壓裂破裂階段。壓裂前熱破裂階段,熱破裂分布具有隨機(jī)性,熱破裂以鉆孔為中心逐漸的向外圍發(fā)展。壓裂破裂階段分為三個(gè)步驟:起裂、延伸、形成宏觀裂縫。⑤高溫三軸蒸汽壓裂裂縫擴(kuò)展分為3個(gè)階段:蒸汽壓力

10、增加階段,鉆孔表面發(fā)生熱破裂,破裂點(diǎn)少,隨機(jī)分布;保壓熱破裂階段,熱作用范圍增大,熱破裂以鉆孔為中心向外圍擴(kuò)展,沿著半徑方向破裂密度逐漸減??;壓裂階段,幾乎整個(gè)試樣范圍都發(fā)生熱破裂,孔壁出現(xiàn)多處起裂裂紋,宏觀裂縫的形成經(jīng)歷以下步驟:a熱破裂集中出現(xiàn),在壓裂孔周圍成核;b產(chǎn)生多條起裂裂紋;c裂紋在長(zhǎng)度、寬度和高度方向擴(kuò)展;d平行最小主應(yīng)力裂縫止裂;e平行最小主應(yīng)力裂縫轉(zhuǎn)向垂直最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展;⑥裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,裂縫周圍破裂點(diǎn)密度增大,試樣

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