旋流射流冲击下高温花岗岩的破岩特性：对采用径向射流钻进技术开采干热岩的启示

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Rock breaking characteristics of high-temperature granite under swirling jets impingement: Implication for hot dry rock extraction using radial jet drilling

　　**摘要**径向射流钻进（RJD）是实现干热岩（HDR）地热资源高效开发的有前景技术。然而，目前适用于RJD现场作业可靠的射流破岩方法仍然不足。旋转射流具有三维流动结构、宽阔的冲击覆盖范围和强大的破碎能力，使其成为解决这一技术局限性的有力竞争者。本研究对四种类型的旋转射流冲击从100 °C加热到500 °C的花岗岩试样进行了破岩实验。结果表明，所有旋转射流都能产生直径超过30 mm的钻孔，满足井下管柱的输送要求。当花岗岩温度达到200 °C时，侵蚀孔周围开始出现明显裂纹。当温度超过400 °C的临界阈值时，发生整体劈裂失效。钻孔壁上的断裂模式以拉伸失效为主，伴有次要的压缩-剪切损伤。纯水射流形成窄钻孔并伴有广泛的周围裂纹。磨料水射流产生较大的钻孔，裂纹扩展受到抑制。这项工作揭示了岩石温度控制旋转射流冲击下花岗岩成孔特性的内在机理，并区分了纯水射流和磨料射流的不同破碎机理。本研究通过RJD验证了旋转射流在HDR开发中的适用性。也为地热工程中结合岩石预热和旋转射流破碎的创新复合策略提供了实验支持。**引言**地热是一种绿色、低碳、可再生能源，因其储量丰富、分布广泛、环境友好和高可靠性而被认可。[1],[2] 干热岩（HDR）通常指位于3–10 km深度、温度超过180 °C且含少量或不含流体的低渗透性岩层，构成地热资源的重要组成部分。[3],[4] 中国拥有巨大的HDR地热储量，估计总能量约为2.52×102? J，相当于约8.56×101?吨标准煤。假设2%的开采率，该量相当于中国2023年总能耗的2993倍。[5],[6] HDR地热资源的高效开发不仅将促进中国能源结构的优化和升级，还将为实现"双碳目标"提供强有力的支持。径向射流钻进（RJD）利用水力钻探多个与主井筒垂直的径向井（直径20–50 mm，长度可达100 m或更长）。这使得在HDR地热储层中创建多层、多分支的三维井网成为可能。[7],[8] 进一步基于径向井实施压裂增产不仅能诱导水力裂缝的多点起裂，形成复杂的三维裂缝网络，还能引导和控制裂缝扩展方向，从而有效连通注入井和生产井。[7],[9] 研究表明，与传统垂直井压裂相比，HDR中的径向井压裂可将破裂压力降低14.1%–43.7%，并提高导流能力10.3%–55.6%。[10] 因此，径向井压裂被认为是提高HDR地热资源开采效率的有效手段之一。研究人员采用理论分析、数值模拟和实验室实验研究了通过径向井压裂开发HDR的问题，探讨了裂缝起裂和扩展特性以及不同工作流体在循环系统中的热开采性能等关键问题。[11],[12],[13],[14],[15] 然而，实施径向井压裂的前提和基础是在HDR中成功钻出径向井。关于"如何破碎坚硬致密的HDR以形成径向井"这一基础研究问题的文献有限。因此，迫切需要探索HDR径向钻进的新方法。针对上述挑战，本研究创新性地提出了将旋转射流应用于HDR径向钻进（如图1所示）。该方法涉及使用连续油管驱动由"半刚性管+射流喷嘴"组成的组件，通过旋转射流实现径向钻进。该方法的主要技术优势是：(1) 旋转射流表现出较强的扩散性和较大的冲击区域，可以增加HDR中的钻孔直径；(2) 射流的高切向速度引发拉伸-剪切岩石损伤，提高破碎效率。目前，学者们已经对旋转射流的流场和破岩机理进行了相关研究，为本研究提供了重要的初步基础。在旋转射流流场研究方面：[16],[17],[18],[19],[20] 旋转流与磨料颗粒耦合降低了空化起始阈值并促进空化气泡的产生，而这些气泡的溃灭加速了磨料颗粒。水、气和磨料固体三相之间的强耦合相互作用使旋转射流流场的表征复杂化。针对上述挑战，早期学者忽略空化效应，采用流场可视化测试和CFD模拟进行流场分析。这些研究揭示了关键流场特性，包括缺乏恒速核心、高切向速度和较大的冲击区域。在旋转射流破岩研究方面：[21],[22],[23],[24],[25] 射流岩石破碎受复杂的多场耦合和材料失效行为控制，这给理论和数值研究带来巨大困难。以前的研究人员通过实验室实验对使用旋转射流破岩进行了实验研究。他们的发现证实了旋转射流实现的强破岩能力和大钻孔直径，并为操作参数组合的优化以及揭示岩石失效模式做出了贡献。然而，大多数先前的研究都是在室温岩石上进行的。与室温岩石相比，高温岩石表现出力学性能的变化，并且射流与岩石之间的显著温差在射流破岩过程中引入了热损伤。[26],[27],[28]先前的研究结果证实，旋转射流表现出高切向速度和较大的冲击区域等流场特性，以及强破岩能力和大钻孔直径等破岩特征。这些特性使旋转射流成为HDR径向钻进的有效方法。为了探索使用旋转射流破碎HDR的可行性，本研究关注旋转射流对HDR的破岩特性。使用四种类型的旋转射流——旋转水射流（SWJ）、旋转磨料水射流（SAWJ）、直-旋混合水射流（SSWJ）和直-旋混合磨料水射流（SSAWJ）——对100 °C、200 °C、300 °C、400 °C和500 °C的高温花岗岩进行破碎实验。分析包括射流侵蚀钻孔和周围裂纹的宏观形貌、侵蚀钻孔的几何参数及其比破岩能、侵蚀钻孔周围裂纹的几何特征以及钻孔壁上的裂纹形貌。还讨论了射流介质和喷嘴结构对旋转射流破碎高温花岗岩特性的影响。本研究结果为HDR径向钻进的新方法提供了理论基础。**章节摘要****2.1 实验设置**使用高压磨料射流破岩实验系统对使用旋转射流破碎高温花岗岩进行了实验。该实验系统的示意图和物理图如图2所示。该系统主要由五个子系统组成：磨料混合系统、动力系统、柱塞泵系统、测试池系统和数据采集与控制系统。其中，磨料混合系统自动制备混合物**3.1 射流侵蚀孔和周边裂纹的宏观形貌**对于使用旋转射流破碎高温花岗岩的过程，花岗岩的温度主要在三个方面影响该过程：(1) 花岗岩的介观结构；(2) 花岗岩的物理和力学性能；(3) 射流与花岗岩之间温差引起的热应力。这三种影响的外部表现是旋转射流侵蚀花岗岩的破岩特性随**4.1 射流介质对旋转射流破碎高温花岗岩特性的影响**本研究采用两种射流介质，即纯水水和磨料水，对高温花岗岩进行对比破碎测试。从实验中测量的所有宏观孔形貌、定量裂纹指标和微观裂纹特征清楚地证明，射流介质对旋转射流冲击下花岗岩破碎模式具有决定性影响。可以总结出一致的实验规律如下。在侵蚀孔尺寸方面（图10**未来工作**在未来工作中，我们将对多因素耦合下旋转射流操作参数的优化进行实验研究。以射流压力、 standoff距离、磨料类型、磨料质量浓度和喷射时间为变量进行正交实验，定量表征每个参数对侵蚀孔直径、深度和体积、比破岩能以及周围裂纹规模的调节机理。**结论**通过径向射流钻进（RJD）技术高效开发HDR地热资源依赖于可靠的射流岩石破碎和钻孔延伸。本研究使用四种旋转射流构型对100–500 °C的花岗岩进行实验室破岩实验。系统地分析了旋转射流冲击下加热花岗岩的宏观钻孔形貌、孔周围裂纹特征和微观裂纹行为。这项工作揭示了岩石**CRediT作者贡献声明****Huan Li:** 概念化、方法论、写作 – 原稿。 **Wenbin Li:** 调查、写作 – 审查与编辑。 **Chenrui Guo:** 调查、写作 – 审查与编辑。 **Bing Xi:** 调查、写作 – 审查与编辑。 **Jingbin Li:** 资金获取、资源。 **Zhongwei Huang:** 资金获取、资源。 **Gensheng Li:** 资金获取、资源。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。**致谢**本工作得到国家自然科学基金创新研究群体项目（编号：52421002）、国家自然科学基金面上项目（编号：52374018）和中国石油大学（北京）科研基金（编号：2462025XKBH021）的资助。Huan Li | Wenbin Li | Chenrui Guo | Bing Xi | Jingbin Li | Zhongwei Huang | Gensheng Li中国地质资源重点实验室，中国石油大学（北京），北京，102249，中国