高温蒸汽作用下花岗岩热破裂及细观规律的试验研究

发布时间：2017-04-09 08:09

  本文关键词：高温蒸汽作用下花岗岩热破裂及细观规律的试验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类对能源需求的日益增长,高温岩体地热能这一新型的绿色能源逐渐被各个国家所关注,并且在发达国家得到了迅速的发展。高温岩体地热能资源储量之庞大,可以作为人类可持续发展的替代能源。高温岩体地热资源开发涉及的领域很广泛,需要的技术支持也很复杂,其最核心的技术就是人工热储构造的设计和形成,而这将直接关系高温岩体地热的开采效率。当前人工热储构造的建造方法主要是水压致裂。一般来说,水压致裂技术只能产生一条垂直于最小主应力方向的裂缝,而且本质上只是增加了裂纹的长度,对于增加裂纹的密度作用是十分有限的。因此,常规的水压致裂技术极大地限制了水压致裂技术的使用。但是,地热开发所面临的花岗岩是在高温下的压裂过程,由于岩石的不均匀性,会在岩石内部产生热应力集中而导致热破裂,这将会导致高温下的水压致裂产生很多随机因素。其次,如何既能改变裂纹的长度,又使得裂纹密度增加并且连通成裂隙网络,增加热交换面积,是值得研究的。而干热岩原位开采实地模拟的实验难度较大,所以往往采用逆向思维,本文特别运用注入高温高压蒸汽的方式,模拟不均匀地应力状态下花岗岩的热破裂,采用自主研制的实验设备,实验研究了花岗岩在高温蒸汽作用下的热破裂规律及裂纹分布规律,得出如下结论:⑴在高温作用下,花岗岩的抗拉强度会极大的降低,从而降低花岗岩水压致裂的压裂压力。在本次试验条件下,花岗岩发生脆性破裂温度为483℃,蒸汽压力为10.6MPa。⑵在本次实验条件下,花岗岩发生热破裂的过程大致可以分为五个阶段。热破裂的阈值温度为260℃,此温度时裂隙大量发育,或形成贯通网络。⑶高温高压蒸汽作用下,花岗岩除了在沿着垂直于最小主应力方向产生主裂缝,还会由于热破裂,在其它方向产生一定数量随机分布的次生裂缝。本文采用特殊仪器将热破裂后的花岗岩做了渗透率测试和纵波波速测试,从而了解其热破裂过程中物理力学变化。得到离断裂面最近上层花岗岩试样纵波波速和渗透率变化最明显,受影响最大,裂隙发育最良好,中间层的变化不明显,但能看出裂隙的延展方向有偏移,下层试样的影响最小。由各孔位试样还原到花岗岩的的波速和渗透率分布图,得到其裂纹延伸方向。本文还通过断裂面扫描电镜实验,从微观角度研究了花岗岩的破裂机理。得到花岗岩断口形貌有显著的脆性特点,其断裂形貌主要包括穿晶断裂和沿晶断裂。在本次实验条件下,还表现出碎裂断口和疲劳损伤断口等。从沿晶断裂和穿晶断裂的裂纹密度来判断其不同位置的热破裂程度。通过宏观实验和理论及实验数据的综合分析,得到相关裂隙扩展规律,不同方向裂缝的形成,对于形成相互连通的空间裂隙网络有实际意义,从而有助于增大人工储留层的热交换面积,有助于提高地热开采的效率。
【关键词】：花岗岩 高温蒸汽 热破裂 纵波波速 渗透率 扫描电镜
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P314;TU45
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 概述12-15
• 1.2 国内外研究现状15-24
• 1.2.1 岩石热破裂的研究现状15-18
• 1.2.2 岩体水压致裂技术研究现状18-19
• 1.2.3 岩石细观结构的研究现状19-21
• 1.2.4 岩石高温下的物理力学特性研究现状21-24
• 1.3 本文主要研究内容和方法24-25
• 第二章 高温蒸汽作用下花岗岩热破裂的实验研究25-38
• 2.1 引言25
• 2.2 实验设备及方法25-28
• 2.2.1 实验设备26-27
• 2.2.2 实验方法27-28
• 2.3 实验结果及分析28-36
• 2.4 讨论36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 高温蒸汽作用后花岗岩热破裂的波速实验研究38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 岩石波速传播理论38-40
• 3.3 实验设备40-41
• 3.4 实验内容41-44
• 3.4.1 岩样制备41-44
• 3.4.2 纵波波速测量实验44
• 3.5 实验结果及分析44-53
• 3.6 本章小节53-54
• 第四章 高温蒸汽作用后花岗岩热破裂的渗透实验研究54-69
• 4.1 引言54
• 4.2 基础理论54-55
• 4.3 实验内容55-59
• 4.3.1 试样制备55-56
• 4.3.2 实验设备56-58
• 4.3.3 实验步骤58-59
• 4.4 实验结果及分析59-67
• 4.4.1 渗透率变化规律59-63
• 4.4.2 孔隙压与渗透率的规律63-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 高温蒸汽作用后花岗岩断裂面的SEM实验研究69-87
• 5.1 引言69
• 5.2 实验设备69-71
• 5.2.1 扫描电镜特点、用途和参数69-71
• 5.2.2 扫描电镜的原理和结构71
• 5.3 实验试样制备71-72
• 5.4 实验结果及分析72-85
• 5.4.1 断裂面细观形貌73-80
• 5.4.2 断裂机理80-81
• 5.4.3 断裂面破裂规律81-83
• 5.4.4 其他断裂花样83-85
• 5.5 本章小结85-87
• 第六章 结论与展望87-90
• 6.1 主要研究结论87-89
• 6.2 展望89-90
• 参考文献90-95
• 致谢95-96
• 攻读学位期间发表的学术论文目录96

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