热处理砂岩的损伤特性及渗透性演化研究

摘要

针对地热能开发高温高压的复杂地质环境，探索温度对岩石渗透性演化的影响至关重要。同时，岩石在复杂的应力条件下的损伤特性以及渗透特性是地热资源开发和核废料处置等工程设计的关键性问题。本文以干热岩资源开发为背景，以重庆现场采集的砂岩为研究对象，开展了不同热处理后砂岩物理力学试验、三轴压缩过程中的渗透试验以及相关的数值模拟，分析研究高温对岩石的物理力学性质的影响，并揭示岩石在加载过程中的损伤变形以及岩石渗透性演化规律。取得了以下成果：　　①热处理温度对砂岩的物理及力学性质的影响较大。砂岩经过不同温度的热处理后，砂岩的自然物性及外观形貌都会明显的变化，其中砂岩的质量、孔隙度、抗压强度、弹性模量等砂岩的物理力学及其外观性质因素都会明显发生变化：随着温度不断的升高，其质量逐渐减小、孔隙度逐渐增大。极限强度也受到温度的影响，产生了很大的变化，同时，弹性模量变化比较有规律，总体随温度升高逐渐减小。抗剪强度也受到了温度的影响，其粘聚力随温度的升高逐渐减小，而内摩擦角却在不断增大。　　②在三轴压缩破坏的过程中，砂岩的渗透率受到了温度的影响，但是在加载的过程中，整体都是随着轴向应变增加可以分为三个阶段：初始下降段、平稳过渡段及迅速上升段；其渗透率在各阶段存在明显的不同。砂岩的原始微裂隙在初始的加载阶段过程中被压密闭合对渗透率的影响显著，随着原始微裂隙的压密闭合砂岩的渗透率逐渐下降趋于稳定值；砂岩的原生裂隙在线弹性阶段已经充分压密，新的裂隙又未产生，砂岩的孔隙压缩对渗透率产生重要影响；微裂隙萌生扩展阶段，随着荷载的增加，砂岩微裂隙不断萌生扩展贯通，其渗透率逐渐显著增加。　　③砂岩在不同的温度热处理后，在不同的围压以及不同的渗透压下，其渗透率随着围压以及渗透压的呈现出不同的变化规律，表明不同温度热处理后的砂岩对围压和渗透压的敏感性存在较大的差异，试验发现砂岩经过500℃热处理后的渗透率比其他温度处理后的渗透率明显较大。渗透率和裂隙体积应变具有相关性，砂岩在加载过程中的渗透率随裂隙体积应变的增加总体呈增大的趋势，进一步阐明了不同热处理后砂岩的渗透演化规律。　　④在试验的基础上，基于Weibull统计规律和Drucker-Prager准则定义损伤变量，建立热-流-固统计损伤模型，深入分析了砂岩渗透率与损伤变量的相关性，发现在微裂隙扩展阶段，砂岩开始损伤损伤变量逐渐增大，渗透率也逐渐增加，其渗透率随损伤变量具有指数关系。分析渗透压对对岩石损伤演化的影响，发现砂岩随着渗透压的逐渐增大，砂岩内部的损伤速度也逐渐加快，表明高渗透压会加快岩石内部的诱发岩石损伤发育。　　⑤基于COMSOL Multiphysics建立了热处理砂岩损伤渗透性演化模型。进行相关的理论分析，利用COMSOL Multiphysics耦合分析软件对岩石在加载过程中的流体渗流进行数值模拟，分析了热处理岩石的损伤特性和渗流特性。基于建立的损伤模型和渗透率演化模型，数值分析能较好的模拟岩石在加载过程中的损伤演化和渗透性演化，其模拟结果与试验结果相符。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 干热岩资源开发现状

1.2.2 高温岩石物理力学性质的研究现状

1.2.3 岩石渗透性演化的研究现状

1.2.4 THM耦合数值模拟的研究现状

1.3 研究目的与研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线

2 岩体热-流-固多场耦合理论

2.1 引言

2.2 热-流-固（THM）多场耦合理论

2.2.1 应力控制方程

2.2.2 渗流场控制方程

2.2.3 温度场控制方程

2.3 损伤理论分析

2.3.1 基于Weibull和 Normal分布的岩体力学参数统计方法

2.3.2 损伤对热流固耦合的影响

2.4 本章小结

3 热处理砂岩的物性特征研究

3.1 试验准备

3.1.1 岩样加工

3.1.2 岩样热处理

3.2 热处理对砂岩物相的影响分析

3.3 温度对砂岩质量、体积、密度的影响

3.3.1 不同温度作用后砂岩质量的变化规律

3.3.2 不同温度作用后砂岩体积的变化规律

3.3.3 不同温度作用后砂岩密度的变化规律

3.4 不同温度作用后砂岩孔隙率的变化规律

3.5 本章小结

4 热处理砂岩的力学特性研究

4.1 热处理砂岩的力学特性试验

4.1.1 岩石的力学参数

4.1.2 试验仪器及试验过程

4.1.3 单轴和三轴压缩试验

4.2 热处理砂岩的单轴压缩力学参量

4.2.1 热处理砂岩的单轴抗压强度

4.2.2 热处理砂岩的峰值应变

4.2.3 热处理砂岩的弹性模量

4.2.4 热处理砂岩的泊松比

4.3 热处理砂岩的抗剪强度参数

4.4 热处理砂岩的损伤特性研究

4.5 本章小结

5 热处理砂岩的渗透特性研究

5.1 砂岩渗透率测试方法及原理

5.2 热损伤后砂岩三轴压缩过程中的渗透特性

5.2.1 全应力-应变过程渗透特性演化规律

5.2.2 热处理后砂岩渗透率特征值的变化规律

5.3 热处理后砂岩渗透率的演化规律

5.4 渗透压影响热处理砂岩的渗透性

5.5 热处理砂岩损伤-渗透性演化特性研究

5.6 本章小结

6 热处理砂岩损伤渐进过程中的渗透率演化机理研究

6.1 考虑温度效应的岩石损伤演化方程

6.2 热-流-固损伤统计本构模型

6.3 不同渗透压下砂岩的损伤演化规律

6.4 不同热处理后砂岩的渗透性演化规律

6.5 热处理砂岩损伤-渗透率演化模型研究

6.6 热处理砂岩渗透性演化的数值模拟

6.6.1 COMSOL Multiphysics简介

6.6.2 数值模型建立

6.7 数值模拟结果

6.7.1 热处理砂岩的损伤演化

6.7.2 渗透特性演化规律模拟结果

6.8 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附 录

学位论文数据集

致谢