关于花岗闪长岩在循环热冲击作用后孔结构演变的研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Study on the pore structure evolution of granodiorite after cyclic thermal shock

热冲击下花岗质岩微结构演化与损伤机制研究，采用声发射监测、核磁共振、三维显微镜及P波速度测试，建立孔隙度-损伤数学模型，揭示300-400℃为微裂缝快速扩展阶段，累计声发射强度是200-300℃区段的2.93倍，高热冲击导致孔隙分布均匀化与宏观裂隙形成，影响地热系统热提取效率与储层稳定性。

　　本研究探讨了高温干热岩（HDR）开采过程中频繁注入循环冷水对岩体微结构的影响，进而影响增强型地热系统（EGS）的热开采性能。通过综合运用声发射（AE）监测、核磁共振（NMR）、三维显微镜（3DM）和P波速度测试等手段，分析了在不同温度（100～500°C）和循环次数（5～15次）条件下，花岗闪长岩的热损伤及孔隙结构特征。研究还建立了一个基于孔隙演变的数学模型，用于评估热损伤程度。研究结果表明，300～400°C是花岗闪长岩在加热过程中内部损伤快速积累和声发射活动迅速增长的阶段。在这一温度范围内，累积的声发射计数是200～300°C范围内的2.93倍。此外，高温下频繁加热和快速冷却会导致孔隙扩展和微裂纹的产生。随着热冲击温度的升高，孔隙分布变得更加均匀。在超过300°C的温度下，花岗闪长岩的损伤显著加剧，从而形成宏观裂纹。这些结果为理解频繁注入对花岗闪长岩储层微结构的影响提供了重要依据，并为提高EGS的热提取效率提供了参考。

随着传统化石燃料资源的枯竭，资源开采难度和过度开采带来的环境污染问题日益严重，因此寻找和开发储量大、环境友好的新能源已成为各国政府和地区的迫切需求。HDR作为一种清洁、可再生的高温地热资源，因其广泛的分布、稳定的热源和丰富的储量而受到广泛关注。目前，EGS被广泛用于HDR中热能的初步开采。在通过水力压裂构建人工储层以及循环冷水与HDR之间进行长期热交换的过程中，周期性热冲击会引发储层岩石的疲劳损伤。这一过程会改变岩石的内部结构，形成孔隙和裂隙网络，从而增强热交换能力，但同时也对储层稳定性产生影响。因此，研究周期性热冲击后高温岩石的微结构演变对于HDR的高效开采具有重要意义。

当前，众多国际研究人员已开展了实验研究，以测试不同影响因素下储层岩石在热冲击后的物理或机械参数。这些研究主要集中在孔隙度、渗透率、热导率、强度和声发射监测等方面。在矿物骨架中，由于温度变化引起的热弹性应力，会促进孔隙和微裂纹的扩展。Xi等人（2023）的研究表明，热冲击后花岗岩中的中孔和大孔比例与所受温度呈正相关。此外，超过400°C时，孔隙的产生（形成新孔隙）和扩展能力迅速增加。岩石微结构的退化会直接导致其物理性质的变化。Li等人（2020）发现，在200°C的冲击下，花岗岩的渗透率变化不大，但在400°C和500°C时，其渗透率是未经处理样品的2到3个数量级。相比空气冷却，水冷会导致花岗岩的渗透率增加更为显著。此外，Gomah等人（2025）发现，在600°C时，液氮冷却后花岗岩的渗透率从0.2mD增加到4.7mD。热导率和P波速度随着温度和循环次数的增加而逐渐下降。Hu等人（2021）指出，热导率的下降速率随着循环次数的增加而趋于平缓。热冲击可能导致矿物的不均匀变形（由于热膨胀系数的差异），削弱相邻矿物之间的凝聚力，并促进粒间、粒内和跨粒裂纹的形成和连接。Gomah等人（2022）和Zhu等人（2024）分别利用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜分析了热冲击后花岗岩和花岗闪长岩的微裂纹发育状态。他们指出，微裂纹的密度和宽度均与热冲击温度呈正相关。疲劳损伤会进一步促进微裂纹的扩展，而孔隙和裂隙的发展是岩石机械性能退化的主要原因。Ram和Gupta（2024）的研究表明，花岗岩在热冲击作用下，其点载荷强度随着孔隙度的增加呈指数下降，这归因于微裂纹密度的增加。此外，微结构的变化已被发现显著影响岩石的破坏模式。Ding等人（2024）的研究也支持这一观点。

花岗岩和花岗闪长岩作为结晶岩，是HDR的主要岩性。Li等人（2024c）在青海共和盆地的地热勘探中观察到，花岗闪长岩岩芯相较于典型的花岗岩表现出更发达的天然裂纹，这有助于在水力压裂过程中形成裂隙网络。目前，关于热冲击的研究主要集中在花岗岩上，而对花岗闪长岩物理性质变化的研究则相对较少。孔隙和裂隙是岩石微结构的重要组成部分。综上所述，花岗闪长岩在周期性热冲击后的孔隙结构和裂隙尚未得到充分研究，相关数学模型也较为罕见。

因此，本研究重点分析了周期性热冲击对花岗闪长岩孔隙结构的影响，主要考虑温度和循环因素，基于孔隙度变化评估了花岗闪长岩的损伤特征，并从加热和冷却过程两个方面探讨了损伤机制。这些研究成果为HDR储层的开发提供了重要的理论依据。

研究使用的花岗闪长岩样本采集自中国临沂地区。为了减少初始样本之间的差异性，所有试样均从同一岩石块切割，并加工成直径为50毫米、厚度为25毫米的圆盘状试样，共32个试样。其中，长石（85.7%）和石英（7.5%）是花岗闪长岩的主要矿物成分，而黑云母和角闪石则为次要矿物。通过这一标准化处理，确保了实验数据的一致性和可比性。

实验过程主要针对当前全球EGS项目中HDR储层温度普遍低于500°C的情况，设计了相应的测试方案。为了准确捕捉热冲击对花岗闪长岩微结构的影响，研究采用了多阶段测试方法，包括初始加热、循环冷却和再次加热等。在这些测试过程中，利用声发射监测技术实时记录花岗闪长岩在加热过程中的内部损伤情况。研究发现，在初始加热阶段，花岗闪长岩的声发射活动在温度上升和恒温阶段均存在，但显著的信号集中在温度上升阶段。累积的声发射计数和能量呈现出先缓慢增加，随后随加热温度的升高而迅速上升的趋势。在25～200°C的温度范围内，声发射活动相对较弱，而在更高的温度区间，声发射的频率和强度显著增加。这表明，在加热过程中，花岗闪长岩的内部损伤随着温度的升高而逐步积累，特别是在300～400°C时，损伤程度达到峰值。这一阶段的声发射活动最为活跃，表明岩石内部的裂纹和损伤正在快速扩展。

在热冲击过程中，岩石的孔隙和裂隙是影响其物理性质变化的关键因素。随着温度的升高，孔隙的形成和扩展能力增强，导致岩石的渗透率显著增加。在更高的温度下，孔隙分布更加均匀，这有助于提高热传递效率，但同时也可能降低储层的稳定性。研究发现，在超过300°C的温度下，花岗闪长岩的损伤显著加剧，导致宏观裂纹的形成。这些宏观裂纹不仅影响岩石的完整性，还可能对EGS的运行造成潜在风险。因此，理解热冲击对花岗闪长岩微结构的影响，对于优化HDR的热开采技术具有重要意义。

此外，研究还探讨了冷却过程对花岗闪长岩微结构的影响。在冷却过程中，由于热应力的释放，岩石内部的裂纹和孔隙可能进一步扩展，导致更多的微结构破坏。与加热过程相比，冷却过程对岩石的损伤作用更为显著，特别是在快速冷却的情况下。这种现象可能与岩石在高温下的内部结构变化有关，例如矿物的软化和晶格的变形。因此，在热冲击的整个过程中，从加热到冷却，岩石的微结构演变需要被系统地研究，以全面评估其在高温环境下的行为特征。

通过结合多种测试方法，研究不仅揭示了花岗闪长岩在热冲击下的物理性质变化，还建立了基于孔隙演变的数学模型，用于评估岩石的损伤程度。这一模型能够帮助研究人员预测热冲击对岩石结构的影响，并为HDR的热开采提供理论支持。此外，研究还发现，不同温度和循环次数下的热冲击会导致花岗闪长岩的孔隙结构和裂隙网络发生变化，从而影响其热传递效率和储层稳定性。这些发现为未来HDR的开发和利用提供了重要的参考依据。

在实际应用中，HDR的开发需要考虑到热冲击对岩石微结构的长期影响。例如，在EGS的运行过程中，频繁的水注入会导致岩石的孔隙和裂隙逐渐扩展，从而影响其物理性质。因此，研究热冲击对岩石微结构的影响，有助于优化水注入策略，提高热能的开采效率，同时降低对储层稳定性的负面影响。此外，对于HDR储层的工程设计，理解岩石在不同温度和循环条件下的行为特征，有助于选择合适的开采技术和参数，确保系统的安全性和可持续性。

总之，本研究通过综合分析花岗闪长岩在周期性热冲击下的微结构变化，揭示了其在不同温度和循环次数下的物理性质演变规律。研究结果不仅为HDR的热开采提供了理论支持，还为未来EGS技术的优化和应用提供了重要的参考依据。通过进一步研究岩石在热冲击下的微结构变化，可以更好地理解其在高温环境下的行为特征，从而为HDR的高效和可持续开发奠定基础。