研究不同冷却方法下破碎水库花岗岩动态破坏机制

《Engineering Fracture Mechanics》：Study on the dynamic failure mechanism of fractured reservoir granite subjected to different cooling methods

　　

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  花岗岩在不同加载角度下表现出不同的动态断裂特征。
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  花岗岩的能量耗散随着冷却速率的增加而减少。
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  花岗岩的CTOD（ cohesive to fracture distance）随着冷却速率的增加而增加。
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  冷却方法和断裂倾角都会影响裂纹的形成。

引言

地热能被认为是五种非碳基能源之一，以其低碳排放和高稳定性而闻名。这使其成为从传统化石燃料向可再生能源过渡的可行选择[1]。高效开发深层热水干岩（HDR）地热资源对于优化国家能源结构和确保能源安全具有战略重要性。

然而，深层储层通常位于极端地质环境中，这些环境的特点是温度高、岩石密度大且天然裂缝连通性差。这使得使用传统方法提取经济可行的热能变得具有挑战性。为了解决这个问题，需要进行储层压裂和渗透率增强[2],[3]。增强型地热系统（EGS）是开发热水干岩地热资源的主要方法[4]。鉴于这些储层岩石的高密度和低渗透率，构建有效的裂缝网络对于实现储层的人工生产至关重要[5]。尽管传统的水力压裂方法已被广泛应用于EGS的开发，但它存在固有的局限性。首先，该过程消耗大量水资源[6],[7]；其次，压裂液中使用的化学添加剂可能对地表水和地下水造成污染[8]。此外，水力压裂通常会产生几何结构相对简单的裂缝网络，导致储层重构能力有限和刺激效果不佳[9]。此外，注水过程可能引起水相滞留或水堵塞问题，从而进一步降低裂缝导电性[10]。

液态氮（LN₂）作为一种新型的非水基压裂介质，因其独特的物理和化学性质而受到关注[11]。其在标准大气压下的沸点为-196℃，当与高温岩石接触时可以产生显著的热应力梯度，从而引发和传播热裂纹[12]。此外，在相变过程中，LN₂的体积可以膨胀约694倍，产生高蒸发压力，有助于现有裂缝的扩展和次级裂缝的活化。这有效地降低了裂缝压力并提高了储层重构效率[13]。而且，LN₂压裂过程不涉及外来化学物质，从而避免了潜在的环境污染[14]，并且具有良好的生态兼容性，特别适合水资源有限的地区。

尽管有这些优点，但在含裂缝的储层中应用LN₂冷却技术仍面临一个重大瓶颈：冷却引起的岩石质量破坏（井筒破坏）从工程角度来看会严重威胁安全[15]。大多数现有研究集中在常温条件或单一应力场内[16]，而储层开发涉及高温冷却、裂缝演变和动态扰动的复杂相互作用。不同的冷却方法（如空气冷却、水冷却和LN₂冷却）由于冷却速率的不同，在岩石中产生不同的温度梯度和热应力分布。这显著影响了岩石的热-机械损伤耦合演变和动态破坏机制[17]。此外，了解在冷却和动态扰动的协同作用下水裂的起始和传播对于确定岩石的宏观稳定性至关重要。

地热资源储层中常见裂缝和孔洞[18],[19]。岩石质量的破坏过程本质上包括裂纹的扩展和穿透。因此，研究含裂缝岩石中裂纹的起始条件和传播规律对于评估岩石的稳定性至关重要。通常使用包含多个裂缝的试样来研究裂缝网络的形成和发展[20],[21]。在小型试样（如圆盘和长方体）上形成不同倾角和位置的裂纹，以探讨它们对裂纹扩展模式的影响。对于双裂缝的巴西圆盘试样[22],[23]，裂纹的合并非主要由裂纹尖端开始的翼状裂纹扩展驱动。在不同倾角和岩石桥角度下，由类岩石材料制成的双裂缝试样的抗拉强度最初会下降，然后增加，最终随着岩石桥的倾角再次下降。最终破坏主要由预制裂纹尖端的翼状裂纹和远场裂纹控制[24]。Zhang等人[25]对具有双裂缝的页岩进行了单轴压缩测试，并观察了45°自然裂缝处裂缝网络的复杂性。随着倾角的增加，破坏模式逐渐从抗拉破坏转变为抗拉-剪切破坏。经过高温处理后，具有单裂缝的花岗岩的峰值强度首先下降，然后随着裂纹角度（从0°到90°）的增加而增加，但随着温度的升高而下降[26]。鉴于岩石的断裂特性，尤其是高温的影响，学者们采用了各种加载方法（如半圆形弯曲[SCB][27],[28]、中心直裂缝巴西圆盘[CSTBD][29],[30]、鱼骨形沟槽巴西圆盘[31]和三点弯曲试样[32],[33]）来系统研究断裂特性，包括断裂韧性、断裂过程区、裂纹扩展路径和能量演变。目前，对于具有双预制裂缝的非标准试样的研究仍然不足。

含裂缝岩石在动态扰动下的断裂行为通常使用split Hopkinson压力棒（SHPB）装置进行研究，该装置以高应变率施加动态载荷。SHPB技术的理论和实验原理已经确立，并被广泛用于分析岩石的动态力学性能[34]。Jiang等人[35]使用SHPB装置研究了受冲击载荷作用下的花岗岩和绿砂岩，发现花岗岩的动态断裂韧性随温度降低。然而，关于用不同冷却方法处理的高温试样的研究尚缺乏。

本研究旨在通过实验研究创新性地探索不同冷却方法对含裂缝花岗岩动态破坏行为的影响。将多种高温冷却方法与人工裂缝结合的先前实验非常罕见。动态测试配置包括SHPB装置，该装置集成了动态应变计监测系统以捕捉瞬态响应特性。此外，还使用ABAQUS软件模拟了岩石质量的破坏机制和应力场分布。通过结合实验和数值模拟，本研究旨在对这些在不同冷却方法作用下的岩石质量的动态稳定性进行综合评估。

章节摘要

实验配置和材料参数

共准备了63个花岗岩试样用于实验，如图1所示。每个试样是一个矩形块，上面有一个等边三角形的切口。试样的尺寸为高度114毫米、宽度70毫米、厚度30毫米。切口的等边三角形的边长为26毫米，顶部的扩展裂纹（称为裂纹尖端1）长度为20毫米、宽度为1毫米。此外，还有一个中心裂纹（Crack2），长度为20毫米

密度变化

为了评估不同冷却方法对花岗岩物理性质的影响，在加热前后测量了试样的密度。相应地计算了密度损失率，其数学定义为热处理后试样的密度损失与其初始密度的比率：其中 ηρ 是密度损失率，ρ0 表示热处理前的试样初始密度

计算出的应力强度因子

动态断裂韧性是断裂力学中的一个关键参数，用于量化裂开的花岗岩抵抗裂纹扩展的能力。较高的断裂韧性表明裂开的花岗岩能够更好地防止裂纹的起始。在本研究中，使用ABAQUS软件计算了动态加载下的I型（K_I）和II型（K_II）模式的应力强度因子（SIF）来表征断裂韧性。

为了验证观察到的机械响应

结论

本研究利用SHPB装置结合DIC技术和ABAQUS软件，研究了不同冷却方法和裂纹角度对花岗岩动态不稳定性的影响。对于经过3小时400℃恒温处理后使用不同冷却方法处理的花岗岩试样，得出了以下结论：

• i.
  实验结果表明，冷却方法显著影响了物理性质和损伤程度

CRediT作者贡献声明

刘新宇：起草初稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。张文杰：资金获取、数据整理。周雷：起草与编辑、监督、资源获取。胡建：方法论、数据整理。张洪丹：起草初稿、软件。齐琪：调查、数据整理、概念化。刘元志：软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了四川省科学技术厅（2026YFHZ0302;2026JDHJ0072）和国家自然科学基金委员会（52204104）的财政支持。

刘新宇|张文杰|周雷|胡建|张洪丹|齐琪|刘元志