高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”对f 200 mm×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。     

高温4 000 m静水压力下钻进过程中花岗岩体变形特征

为从高温岩体中提取热能,需向热能储层花岗岩层中施工深部钻孔,钻孔的稳定性将影响钻井施工的进展,但钻孔的稳定性又受其围岩变形的影响.因此,为研究高温高压下钻孔围岩的变形特性,利用中国矿业大学600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,模拟研究4 000 m静水压力下,不同温度时钻孔施工过程中花岗岩体的变形特征,结果表明:(1) 恒温恒压下花岗岩体钻进过程中的变形呈现明显的蠕变特征,轴向和侧向变形均具有完整的初始蠕变和稳态蠕变;(2) 不同温度下钻进过程中花岗岩轴向和侧向变形量随温度的增加而增大,且存在温度阈值,为150 ℃～300 ℃;(3) 4 000 m静水压力下花岗岩体钻进过程中,300 ℃时开始出现明显的加速蠕变过程,500 ℃时产生蠕变破坏.     

高温及三轴应力下花岗岩体力学特性的实验研究

高温岩体地热开发及核废料的地下处置等需要对高温高压下花岗岩体的力学行为进行深入细致研究.采用自主研制的"20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",投入大量人力、财力和物力,历时0.5 a,系统深入地研究φ200 mm×400 mm的大尺寸花岗岩试样在高温三轴应力下的热变形和破坏特征及其热学和力学参数随温度的变化特征.研究结果表明:(1)在三维静水应力下,花岗岩的热变形可分为低温缓慢变形段、中高温快速变形段及高温平缓变形段等3个阶段.自由状态测定的热膨胀系数会过分夸大,或失真地估计岩石的热膨胀或热力作用,在应力状态下测定的热膨胀系数更能反映实际岩体状态.(2)在高温三轴应力条件下,花岗岩体受压表现出与常温下不一致的变形特征,即先是体积膨胀,当差应力超过一定值后则体积收缩.(3)花岗岩体在高温下的破坏形式是典型的剪切破坏,与常温下的破坏形式一致,但在高温和高围压条件下出现明显的延性转化.(4)在有围压条件下,花岗岩体的弹性模量随温度升高先是缓慢减小,然后快速减小,超过400℃后基本保持不变,与小试件的情况相似.     

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

 采用中国矿业大学的“20 MN高温高压岩体三轴试验机”进行高温三维应力下大尺寸f 200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600 ℃,轴向应力最高达175 MPa。研究发现：(1) 三维应力条件下鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变变形均可划分为：瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2) 高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3) 以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4) 通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。     

600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究

 通过对600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性试验研究及花岗岩体遇水热破裂劣化机制的探讨,发现高温状态花岗岩遇水冷却过程中,由于岩体内温度急剧变化,岩体内产生热破裂或热冲击现象,岩体力学性能劣化,从而导致超声波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随温度逐渐减小。具体表现为：(1) 高温状态花岗岩遇水冷却后超声波速随着经历温度的升高呈负指数函数关系降低;(2) 花岗岩经过高温遇水冷却处理,峰值应力和峰值应变及其单轴抗压强度都受到很大影响;(3) 高温状态遇水冷却处理对花岗岩的抗拉强度影响明显,抗拉强度随温度的变化规律符合负指数函数关系;(4) 高温状态花岗岩遇水冷却后其弹性模量随温度的升高呈负对数规律减小。     

高温岩体地热钻井施工关键技术研究

 高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施工。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征,在试验研究、理论分析和数值模拟的基础上,提出高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。进而从高温岩体地热开采中钻井围岩失稳的主要因素、热力耦合作用下钻井围岩流变特性、高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件,提出高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。通过对高温高压下花岗岩中冲击破岩、切削破岩、冲击–切削复合破岩的试验研究及不同温度下3种破岩方式的比较,获得高温高压下3种破岩方式的破岩规律。最后从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁稳定的影响及应对措施,提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井液技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究,对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。     

20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制

详细介绍自行研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机主要由主机加载系统、高温压力室与温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成.最大轴压和侧压均为10000kN,试样尺寸为φ200mm×400mm,试样最高加热稳定温度为600℃.介绍试验机研制的关键技术难点和解决方案,与普通用于地球物理研究的高温高压试验机相比,具有如下显著特点:(1)试样大,是普通的高温高压试验机试样体积的64倍,可以更好地反映岩体的特性;(2)实现伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温度下的变形特性;(3)具有研究渗透性、矿物热解过程的变形特性等多种功能;(4)具有在高温下施工钻孔并研究钻孔岩石蠕变特性的功能;(5)主要用于研究岩体的工程特性.采用该试验机进行煤试样在高温高压下的变形特性试验,揭示煤体在高温下的应力-应变特征,特别是高温下塑性强化特性、在塑性阶段无体积膨胀特性,发现其弹性模量随温度的增加呈指数衰减特性.该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、矿山安全、建筑安全等工程领域深刻的科学规律与自然现象,为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向.     

高温后花岗岩渗透性及其演变规律试验研究

高温处理对于花岗岩渗透性影响显著,高温后花岗岩的渗透性与其经历的温度、所处的应力状态密切相关。采用压力脉冲衰减法,对高温(100℃～600℃)后花岗岩不同应力状态下的渗透率进行试验研究,在此基础上分析花岗岩宏细观物理力学性质随温度的变化规律,以及高温后花岗岩渗透性随体积应力、孔隙压、有效应力的演变规律。研究结果表明:(1)高温处理后花岗岩渗透率随经历温度呈逐渐增大趋势,500℃以内渗透率增加幅度较小,500℃～600℃花岗岩渗透率会发生一个阶跃性变化;(2)相同高温处理后花岗岩的渗透率随体积应力增大呈现减小趋势,且减小幅度在逐渐变小,相同体积应力下,花岗岩的渗透率随着孔隙压增大而增大;(3)高温后花岗岩渗透率与有效应力呈负指数关系,且渗透率随着有效应力的增大而减小;(4)拟合获得了600℃内高温处理后花岗岩渗透率与温度、有效应力的关系式。研究结果可为干热岩地热人工热储建造提供理论依据和技术支持,丰富和发展了高温岩石力学内涵。     

高温三维应力下鲁灰花岗岩蠕变本构关系的研究

采用中国矿业大学的20 MN高温高压岩体三轴试验机进行了高温三维应力下大尺寸Φ200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的实验研究,温度最高达到了600℃,轴向应力最高达到了175 MPa。通过对实验数据的分析,发现高温三维应力条件下静水应力引发鲁灰花岗岩发生蠕变变形,提出了考虑静水应力作用时稳态蠕变率的本构方程,得到了鲁灰花岗岩蠕变本构方程的参数A1,A2,?Q,m,n。研究还发现静水应力下的蠕变和差应力下的蠕变曲线特征相同,同样可以划分为初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,鲁灰花岗岩的蠕变变形是温度,差应力和静水应力的函数,温度、差应力和静水应力的升高都会加速鲁灰花岗岩的蠕变变形。更多还原     

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(f 200 mm×400 mm)花岗岩试样和工程钻头(f 30 mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论：(1) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755 N钻压下,300 ℃的切削速度比室温时增大30%～50%;(2) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755 N时,300 ℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%～30%;(3) 在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4) 由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。     

三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究

 采用“20 MN高温高压岩体三轴试验机”,精心设计4块完整花岗岩岩样。在25和75 MPa静水应力条件下,实时测试花岗岩岩样在热破裂作用下的渗流规律,这是国内目前首次对花岗岩在高温三维应力作用下渗流规律的实时试验研究。试验结果表明：(1) 在三维应力条件下,花岗岩发生热破裂。在热破裂升温过程中,花岗岩岩样的渗透率随温度的升高而表现为正指数增大的规律。(2) 在热破裂作用初期,花岗岩岩样渗透率随温度的增加而缓慢增加。在热破裂作用的后期,花岗岩岩样渗透率随温度的升高而急剧升高直至达到渗透率峰值。(3) 在整个热破裂升温过程中,各花岗岩岩样渗透率随温度升高而不断增加,渗透率变化率随温度的升高而不断加速。(4) 在静水应力和热破裂作用下,花岗岩岩样的渗透率峰值和初始值的比值最高可达93倍,其渗透率的变化率最高达3.5×10－4 mD/℃,热破裂作用极大地增强花岗岩的渗透特性。试验得到的数据和结论对高温岩体地热开发、石油二次开采及煤炭地下气化具有重要的意义。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。     

高温后花岗岩冲击破坏行为及波动特性研究

 采用SRM–5N超声检测分析仪和高温分离式霍普森压杆(SHPB)系统装置,分别对不同高温后花岗岩的波动特性和动态力学特性进行试验研究,分析不同温度条件对花岗岩纵波波速、波形频谱的影响,研究高温后花岗岩的动态抗压强度、峰值应变以及冲击破碎形态的变化情况。试验升温等级设为25 ℃,100 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800℃,1 000 ℃七个等级,升温速度为10 ℃/min。试验结果表明：(1) 随着温度的增高,花岗岩试样的热损伤总体上呈逐渐增大趋势。但是100 ℃之前热损伤有所降低,出现负的热损伤,随后热损伤不断增加,直到600 ℃以后热损伤增幅开始变缓。(2) 随着温度的升高,试样的动态抗压强度总体减小,峰值应变总体增大;但是在110 ℃左右,抗压强度有所增强,峰值应变有所减小;600 ℃之后抗压强度和峰值应变分别显著减小和增大。(3) 推断110 ℃左右为花岗岩一个阈值温度,在这个温度之前,温度的对花岗岩产生负损伤,花岗岩强度增强;推断600 ℃～800 ℃范围内存在为花岗岩另一个阈值温度,超过这个温度花岗岩的力学性能发生显著变化。该方法和成果可为岩体工程施工、防火设计以及火灾后评估修复提供一定参考价值。     

秦岭隧道在深埋高地热条件下围岩变形的粘弹性分析

根据秦岭隧道围岩在不同温度下的蠕变试验结果,用粘弹性理论对处于深埋高地热条件下的隧道围岩粘弹性变形进行了定量的分析,指出了高温与常温条件下围岩变形存在的差异及高温条件下可能带来的问题,对及早预防高地热引起的灾害有积极的作用。     

高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究

利用自主研制的600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,分别研究大尺寸(φ200mm×400mm)晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力(侧压系数1.2)条件下不同温度时渗透特性的演化规律。结果表明:(1)在室温～300℃中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阈值温度。当温度达到阈值温度时,渗透率降至最低值。(2)在300℃～600℃高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阈值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阈值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。(4)渗透率随温度变化的阈值温度和峰值温度与煤阶有关。无烟煤渗透率的阈值温度是150℃～200℃,峰值温度为450℃～500℃,而气煤渗透率的阈值温度为200℃～250℃。