砂岩在高温高压水下力学和微观特性研究

摘要

砂岩的地热尾水回灌问题一直以来都限制了地热资源的开发利用。地热资源的利用涉及到地下水资源的开采，会破坏了地下岩体的原始地应力状态。因此需要满足定产回灌的原则，当水热消耗完毕后，尾水需要回灌到深层岩体中，地热尾水回灌不仅可以增加地热井水位，还可进一步延长地热田的使用寿命。但同时地下岩石所处的环境发生变化，势必会引起岩石力学性能的变化，导致利用深层地热资源被尾水回灌问题所限制。尤其是地热系统所处的岩体为砂岩时，地热尾水回灌实施难度更大。以至于砂岩地热系统的持续开发利用存在很大的挑战，所以对砂岩的性质做进一步的研究具有很大的意义。　　当地热层为砂岩时，进行地热开发的全过程，砂岩所处的水热环境都要变化。起初砂岩处在高温高压水的环境中，随着开采地热水，砂岩的周边温度和水压改变对岩石的物理力学性质以及岩体的结构产生影响。因此，有必要了解砂岩在高温与高压水环境水用下的力学特性，以提高整个砂岩地热储水系统的整体效率和灵活性，从而对砂岩的地热资源的开发具有重要意义。　　本次论文是基于贵州大学引进人才科研项目（2019.01）和贵州大学自然科学专项科研基金项目（2019.03）的基础上完成的。以江苏省内陆地层中的粗砂岩标本为研究对象，制备了两种尺寸（φ50mm×100mm和φ50mm×20mm）的标准圆柱形砂岩试样，进行了高温高压水的处理，随后开展了三轴压缩渗流实验与巴西劈裂实验。主要目的是探讨高温高压水条件下砂岩力学强度变化的规律和原因。主要研究内容有：　　①模拟水热条件下储热层环境变化对砂岩物理力学性质的影响。对试样开展了不同高温高压水热处理和冷却处理。对尺寸一（φ50mm×100mm）的试样进行了常规三轴压缩渗流实验，研究结果表明，水热处理组中，处理温度相同时，砂岩试样的峰值强度和弹性模量随着水压的增大而减小，砂岩的渗透率随着水压的增加而增加。降温处理组，50MPa的水冷却的试样峰值抗压强度最小，直接用水冷却的试样的弹性模量最大，试样的渗透系数之间变化不大。　　②对尺寸二（φ50mm×20mm）的试样采用巴西劈裂试验，研究表明，不同水压和冷却处理条件下砂岩试样的荷载-位移曲线都经历致密化、弹性、屈服和破坏过程四个阶段。水热组中，随着水压升高，试样的致密化阶段延长，但对试样的强度和杨氏模量的影响减小，静态劈裂抗拉强度也随着水压的增大而减小。降温组中，试样WP2抗拉强度最低。应用数字图像相关法发现，水热组和降温组砂岩试样的破坏模式相同。最大主应变都首先集中在裂纹开始的砂岩试样的底部或顶部。局部应变的小跳跃意味着裂纹的萌生和扩展，而应变片的断裂则导致应变突变。　　③采用扫描电子显微镜（SEM）技术分析了砂岩试样的的微观特征，揭示砂岩受到高温高压水作用微裂纹的扩展情况，发现水热组中，砂岩试样的微裂纹随着水压的不断增大而变长变宽，而冷却中，直接用水冷却的试样裂纹的长度和宽度收缩减小，而在50MPa水冷却的试样，裂纹的宽度、长度急剧增大。选取部分具有代表性的试样进行X衍射实验，发现砂岩试样的主要矿物成分为钾长石，钠长石，钙长石，石英，白云母，石灰石，在高温高压水处理和冷却处理后，不同矿物含量发生了明显的变化。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2.1岩石力学试验研究

1.2.2高温高压共同作用下岩石力学性质研究现状

1.2.3高温高压共同作用下岩石微观性能研究现状

1.2.4水热耦合作用下岩石物理力学特性研究现状

1.3.1研究的主要内容

1.3.2技术路线

2温度处理实验方案及理论基础

2.1引言

2.2.1试样准备

2.2.2温度处理实验仪器

2.2.3高温高压水实验处理方案

2.2.4两组试样处理后密度变化

2.3.1巴西劈裂法研究抗拉性能

2.3.2岩石的强度破坏准则

2.3.3数字图像相关法

2.3.4电镜扫描原理

2.4本章小结

3 砂岩在高温高压水作用后的三轴力学特性研究

3.1引言

3.2岩石渐进破坏规律

3.3.1实验设备

3.3.2实验过程

3.3.3应力应变曲线

3.4实验结果分析

3.4.1高温高压水热处理对试样的三轴抗压强度的影响

3.4.2高温高压水热处理对试样的弹性模量的影响

3.4.3不同处理条件下砂岩破坏模式

3.5.1瞬态法和稳态法的介绍

3.5.2砂岩渗透性能的研究

3.6本章小结

4 不同处理条件下试样的巴西劈裂的力学性能研究

4.1引言

4.2.1试验仪器

4.2.2荷载位移曲线

4.3试验结果分析

4.3.1温度处理对试样巴西劈裂试验峰值荷载的影响规律

4.3.2高温高压水试验对砂岩的劈裂抗拉力学强度的影响规律

4.4.1数字图像相关法测量系统

4.4.2数字图像相关法实验方法

4.4.3分析结果

4.5本章小结

5 高温高压水热处理后试样的微观性质研究

5.1引言

5.2.1电镜扫描

5.2.2电镜扫描结果分析

5.3砂岩的矿物烧蚀作用的研究

5.4砂岩矿物成分的X衍射分析

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录：

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目：

C. 学位论文数据集

致 谢