摘要
本文针对增强型地热储层岩体注水剪切过程存在系列问题，以山东文登地热矿井为研究背景，采用现场调研、室内试验、数值模拟及理论分析相结合手段，围绕天然节理形成机制及形貌特征、力-热耦合花岗岩剪切力学行为及破坏机制、耦合受力下花岗岩节理剪切力学行为及破坏特征、力-热-水耦合储热岩石节理注水剪切增透过程及增透机理和文登地热矿井注水剪切增透效果及优化开采模式等开展了系统研究，主要研究内容及成果如下: (1)开展了完整花岗岩真三轴加载试验，获得了不同加载工况下的完整花岗岩两种破坏机理:张拉及剪切破坏。根据形成节理面空间位置关系，将节理面划分为张拉节理面、S-1类剪切节理面及S-2类剪切节理面，创建了天然节理空间数学模型，分析并获得了形成节理面形貌特征随各方向主应力变化规律:张拉节理面微凸体最大值及三维粗糙度仅受σ3影响且普遍大于剪切节理面，整体均匀度低;S-1类及S-2类剪切节理面微凸体最大值及三维粗糙度受σ1、σ2及σ3影响，整体均匀度高。基于微细观角度显微切片分析，发现晶间破裂向穿晶破裂转变是节理面形成模式及形貌发生改变的本质。 (2)研制了力-热-水耦合剪切试验盒，进行了不同力-热耦合工况下花岗岩剪切力学试验，明确了不同温度及法向应力影响下花岗岩剪切力学特征及形成节理面形貌特征，获得了剪切力学参数、节理面粗糙度与温度、法向应力内在联系，结合显微切片分析手段，揭示了不同力-热耦合工况下花岗岩剪切破坏机制。试验结果发现:花岗岩峰值剪切强度、内摩擦角、粘聚力及剪切刚度与法向应力呈正相关，与温度呈负相关;但节理面三维粗糙度、各向异性特征及节理表面微凸体高度与温度呈正相关，与法向应力呈负相关;破坏模式转变是花岗岩力学特征及形成节理面形貌特征发生改变的根本原因。在此基础上，进一步探究了节理表面凸体结构力学性能与破坏特征随热-水耦合条件演变规律。 (3)进行了力-热耦合及力-水耦合花岗岩节理剪切力学试验，获得了花岗岩节理剪切力学强度、法向变形及节理面损伤随法向应力、温度及注入水压演变规律，探究了剪切强度及节理面损伤面积与法向应力、温度及注入水压内在联系，改进了力-热-水耦合岩石节理剪切力学模型及岩石节理剪胀模型，揭示了不同耦合条件下花岗岩节理剪切破坏机制。 (4)基于FRACOD2D数值软件开展了增强型地热储层岩体的注水剪切模拟试验，将注水剪切过程划分为井筒压裂、节理连通及节理剪切滑移三个阶段，探讨了注入水压、节理初始张开度、节理倾角等因素影响下的储热岩石节理渗透率、温度场及法向开度演变规律，进一步揭示了不同影响因素下储热岩体在不同注水剪切阶段增透机制。 (5)基于山东文登地热背景，创建了文登储热库注水剪切及采热过程数值模型，对比了注水剪切前、后采热能力提升效果;分析了注水压差及注采方式对文登储热库采热能力影响，优化了文登储热库热能开采模式，确定了“注水压差14 MPa、一注二采”的生产模式为文登储热库的最佳开采模式。
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