摘要
干热岩地热能是一种清洁可再生能源。我国的干热岩资源量赋存巨大，开发干热岩对于保障我国能源安全，推动能源绿色低碳转型具有重要意义。干热岩主要为深部低孔低渗的花岗岩，需要进行人工压裂改造，构造增强型地热系统。液氮循环冷冲击方法利用低温液氮与高温岩石的巨大温差诱导高热应力，能够生成复杂的立体裂隙网络。针对温度交变作用下花岗岩热损伤这一核心问题，综合利用理论分析、物理实验和数值模拟等手段，研究了液氮循环冷冲击高温花岗岩宏-细-微观损伤劣化特征，探讨了不同液氮冷冲击参量对花岗岩损伤的影响规律，阐明了液氮循环冷冲击花岗岩热破裂机制。得到的主要结论如下： （1）利用热电偶和红外热像仪监测了液氮冷冲击过程高温花岗岩的温度场时空演化规律，分析了花岗岩的传热传质特性，发现花岗岩中心温度“快速-缓慢-快速-缓慢”下降，分别与液氮的膜态沸腾、过渡沸腾、核态沸腾和自然对流沸腾相对应；端面温度呈指数衰减，降温速率与冷冲击温差正相关。径向温度梯度在冷冲击初始时段和靠近边缘位置的时空维度上较大。通过圆柱体热应力模型计算的径向热应力超过了抗拉强度。基于PFC2D进行了花岗岩晶粒热破裂数值模拟，发现温度变化时不同矿物晶粒的热膨胀/收缩量差异导致颗粒法向接触力超过抗拉强度，产生拉伸裂隙。综合来看，液氮冷冲击过程的急降温速率、高温度梯度和大晶粒变形差是花岗岩热损伤的本质原因。 （2）综合采用超声波、电阻率和核磁共振测试方法，对高温-液氮循环冷冲击过程花岗岩的宏观物性进行了连续、无损表征，分析了冷冲击变量对花岗岩物性损伤的影响规律。结果表明，相较于空气和水冷却方式，液氮急冷方式对花岗岩的损伤更严重。单次液氮冷冲击下，随着加热温度的升高，骨架连续性减弱，连通导电路径增加，孔隙空间扩展，导致波速和电阻率减小，孔隙度增大，其中波速对花岗岩损伤最敏感；400℃为花岗岩物性显著劣化的阈值。循环液氮冷冲击下，随着花岗岩损伤程度的加剧，超声接收波的P/S波速衰减，波形畸变，频率漂移，裂隙岩心起“低通滤波器”作用。结合有交互作用的双因素方差分析，确定加热温度（即冷冲击温差）是花岗岩热损伤的主控因素。 （3）对高温-液氮循环冷冲击后花岗岩进行了单轴压缩和巴西劈裂试验，结合非接触式全场应变测量技术，测试了热损伤花岗岩的压缩、拉伸力学行为响应。结果表明，花岗岩由单一破坏模式向复合破坏模式发展，由脆性向延性转变，高应变区范围增加。高加热温度或多冷冲击次数下，单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度减小。与液氮冷冲击次数相比，加热温度对花岗岩力学特性的影响更加显著，400℃也是力学特性的突变点。受初始孔隙、晶粒尺寸和黏结强度影响，花岗岩A、C和B的力学损伤对加热温度和冷冲击次数的敏感性依次递减。 （4）通过光学显微镜和低场核磁共振仪，对液氮循环冷冲击过程高温花岗岩的细、微观孔隙结构进行了连续测试，从多尺度、多角度分析了孔隙结构的演化模式，对比了液氮冷冲击变量对孔隙结构的影响。结果表明，液氮循环冷冲击过程，在相对较低的温度时（200-400℃），新生小尺寸孔隙增加，与石英相关的晶间和晶内裂隙少量发育；在相对较高的温度时（500-600℃），孔隙扩展、连通形成大尺寸孔隙，晶间、晶内裂隙协同发育，局部形成了裂隙网络。更多的冷冲击次数诱导更多的中孔，而更高的加热温度促使大孔增加。花岗岩A和C具有较大的晶粒尺寸，倾向于生成大孔和裂隙；花岗岩B具有较小的晶粒尺寸，倾向于生成更多中孔。通过多重分形谱发现，高加热温度和多冷冲击次数下，一维孔径分布和二维裂隙像素点分布的复杂性和异质性增强。 （5）利用三维X射线显微成像对高温-液氮循环冷冲击后的花岗岩进行了扫描；结合数字岩心技术，构建了损伤花岗岩三维孔裂隙模型；提取了表征体元，基于格子Boltzmann方法进行了介观尺度的流体渗流模拟，评估了损伤花岗岩的渗流特征。结果表明，随着加热温度升高，短、曲折流线的稀疏、孤立、局部分布转变为长、顺畅流线的密集、交错、整体分布，优势渗流通道增强，相对渗透率和平均流速呈指数增长，渗流-换热能力提高。花岗岩A和C的中、长流线密集分布，呈“主渗流面+多分支渗流通道”模式，整体渗流能力较强；花岗岩B以曲折、孤立的短、中流线为主，呈“单渗流通道”模式，整体的渗流能力较弱，不利于流体的渗流与换热。 本文研究成果进一步完善了液氮循环冷冲击高温花岗岩物理力学性质损伤劣化规律，加深了液氮循环冷冲击致裂干热岩的基础研究，能够为我国增强型地热系统开发提供理论和技术指导。
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