摘要
我国干热岩资源储量巨大，实现干热岩资源的高效开发利用，对缓解能源危机和环境问题具有重要意义。由于干热岩高温高地应力的特点，常规压裂手段面临着裂缝破裂压力高、裂缝形成简单且有诱发地震风险等问题，导致干热岩的压裂效果受到制约。在常规压裂之前采用液氮对干热岩进行预先处理，利用液氮对干热岩的劣化影响，来降低干热岩的压裂难度，并为后续常规压裂多裂缝的形成提供有利预先条件，这种利用液氮辅助常规压裂的方式有望为干热岩储层压裂提供一种高效的压裂方案。为此，本文综合运用室内实验、理论分析和数值模拟方法，研究了液氮低温作用对高温花岗岩力学性质、声发射空间统计特征、损伤演化和能量特征的影响，探索了液氮致裂的具体方式，以及将其应用于辅助压裂的有效性和影响机制。取得的主要成果如下： （1）揭示了液氮低温作用对高温花岗岩力学性质的劣化影响。开展了自然冷却后和液氮冷却后高温花岗岩（25?400 °C）三点弯曲、巴西劈裂、单轴压缩以及三轴压缩（围压 0?60 MPa）实验，分析了花岗岩温度和围压对液氮低温作用后花岗岩力学性质劣化的影响；开展了液氮冷却过程的数值模拟，通过四参数随机生长法对花岗岩基质进行重构，揭示了热膨胀系数非均质性对液氮作用过程热应力生成的促进作用。 （2）实现了自然冷却后和液氮冷却后高温花岗岩破坏过程声发射事件相邻间距的表征以及主要声发射事件（集中分布在主要破坏区域的声发射事件）的识别。利用逾渗模型对声发射事件进行分析，确定了声发射事件相邻间距的3个特征值：高频相邻间距、最小相邻间距以及最大相邻间距，结果表明液氮低温作用导致高温花岗岩破坏过程声发射事件的高频相邻间距和最大相邻间距减小。利用声发射事件高频相邻间距，实现了从全部声发射事件中识别主要声发射事件。从事件计数、特征密度和分形维数三个方面，定量描述了全部声发射事件和主要声发射事件的空间分布特征，为定量评价液氮低温作用对高温花岗岩破坏过程声发射事件空间分布的影响提供了新思路。 （3）提出了影响材料强度的裂纹分布变量，以此定义了温度作用后岩石的热损伤变量，并建立了温度作用后岩石统计损伤本构模型。基于分形统计强度理论，定义了影响材料强度的裂纹分布变量，证明了液氮低温作用可以导致高温花岗岩内部裂纹数量和复杂度的增加。通过裂纹分布变量定义了热损伤变量，对热损伤的描述更符合损伤的物理意义；通过新定义的热损伤变量，建立了温度作用后岩石统计损伤本构模型，理论分析了液氮低温作用对高温花岗岩破坏过程损伤演化和能量特征的影响。 （4）进行了热流固耦合损伤模型的二次开发，开展了高温高地应力下液氮致裂花岗岩损伤破裂过程的数值模拟，分析了液氮注入和液氮压裂两种方式对高温花岗岩的致裂机制和致裂效果。考虑液氮致裂过程应力场、温度场、渗流场以及细观单元损伤相互间的全耦合关系，考虑岩石力学参数的非均质分布和液氮物性随温度和压力的变化，通过MATLAB对COMSOL Multiphysics软件二次开发实现了液氮致裂过程热流固耦合损伤模型的计算。将液氮致裂过程细分为液氮注入和液氮压裂两种，利用建立的模型，直观展现了高温高地应力下两种液氮致裂方式的差异，系统揭示了两种方式的作用机制。 （5）提出了基于液氮预压辅助压裂的干热岩储层改造新思路。利用建立的热流固耦合损伤模型，探究了液氮预压辅助压裂与前人提出的液氮预注辅助压裂的作用效果差异。证明了在不同影响因素（储层温度、地应力状态以及非均质性）下，液氮预压都能够有效促进压裂过程多裂缝的形成，并且能够明显降低压裂过程的起裂压力和失稳压力；与前人提出的液氮预注辅助压裂相比，液氮预压辅助压裂在促进压裂过程多裂缝形成和降低失稳压力方面更具有优势。
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