摘要
为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质，进一步指导干热岩钻井施工，通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样，通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间，以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载，减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩，通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据，计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数，分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明，在200 ℃以内，花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低；随着温度的进一步升高，花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低，而抗拉强度持续降低；储层岩体温度和应力的升高，将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数，为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。
干热岩是不含或仅含少量流体，温度高于180 ℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体，深部干热岩资源深度可达到5000 m以上，温度可达到350 ℃温度以
鉴于目前勘探开发的干热岩资源大部分为高热流花岗岩型干热岩资源，为了研究干热岩储层岩石高温环境下的力学特性，特采取钻井岩心进行测试。由中国科学院武汉岩土力学研究所负责测试，选取了不同的实时高温条件，对钻获的干热岩储层花岗岩岩心分别开展了实时高温条件下花岗岩巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验，并分析了不同实时高温条件下花岗岩在拉伸、剪切、压缩等应力路径下的强度和变形破坏机理，为干热岩工程碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定性等提供参数和依据。
岩石材料本身具有非均质性，具有大致相同矿物颗粒和结构的花岗岩局部结构也会存在差异，这将导致岩石宏观力学性质的差异，即岩石的宏观力学性质存在离散
图1 花岗岩试样
Fig.1 Granite samples
试验采用设备为ETM305D型高低温电子万能试验机（见
图2 ETM305D型高低温电子万能试验机及试验夹具
Fig.2 ETM305D high low temperature electronic universal testing machine and test fixture
巴西劈裂试验试样采自2800 m井段，由同一根岩心加工而成，表面完整无明显缺陷（参见
将试样置于弧形夹具并进行对中处理（见
剪切试验试样采自3100 m井段，均由同一根岩心加工而成，表面完整无明显缺陷。将所选岩样加工为50 mm×50 mm×50 mm的立方体，并控制试样各端面的平整度偏差≯0.05 m
本试验所选剪切角度为70°，将试样置于高低温箱内的变角剪切夹具（见
单轴压缩试验试样采自3400 m井段，均由同一根岩心加工而成，表面无明显缺陷。根据规
将试样置于高低温箱内的单轴压缩夹具上（见
图3 不同实时温度下花岗岩巴西劈裂荷载-位移曲线
Fig.3 Brazilian splitting load-displacement curves of the granite under different real‑time temperatures
由于试验采用的花岗岩属于致密岩样，因而荷载-位移曲线弹性阶段较长，压密阶段较短，屈服过程微不可查，试样在经过弹性变形后立即达到峰值，强度发生破坏，破坏前荷载-位移曲线上几乎没有征兆。在25、100、200 ℃，曲线斜率在临近峰值荷载前几乎保持不变，到达峰值荷载后突然陡降，表现出明显脆性破坏特征，均属于脆性破
| (1) |
式中：——岩石抗拉强度，MPa；——试样劈裂破坏发生时最大荷载值，N；——圆盘试样的直径，mm；——圆盘试样的厚度，mm。
图4 不同实时温度下花岗岩巴西劈裂试验破坏形态
Fig.4 Failure modes of the granite after Brazilian spliting tests under different real‑time temperatures
不同实时温度下花岗岩试样抗拉强度见
| 实时温度/℃ | 峰值载荷/kN | 抗拉强度/MPa |
|---|---|---|
| 25 | 16.80 | 8.56 |
| 100 | 10.90 | 5.55 |
| 200 | 8.75 | 4.46 |
| 300 | 6.08 | 3.10 |
图5 花岗岩试样实时温度-抗拉强度曲线
Fig.5 Real‑time temperature-tensile strength curve of the granite samples
图6 不同实时温度下花岗岩剪切试验荷载-位移曲线
Fig.6 Load-displacement curves of the granite shearing tests under different real‑time temperatures
在剪切的开始阶段，试样在剪切荷载的作用下逐渐被压密，岩体中原有微裂隙和孔隙逐渐闭合；线弹性阶段，剪应力随剪切位移的增大迅速增大，达到峰值荷载后，结构面发生剪切破坏，剪应力迅速跌落，破坏前屈服过程微不可查，表现出较强的脆性破坏特征。在100 ℃条件下，试样破坏后在荷载作用下仍然具有一定的位移量，表现出一定的韧性；300 ℃条件下，剪切破坏下的试样在荷载降低到一定程度后出现二次弹性发展，表现出一定的承载能力。200 ℃以内，试样的峰值荷载随温度的升高逐渐增大，这是由于高温作用使得试样内部体积膨胀，剪切面增大引起晶间接触密实，从而导致峰值荷载的增加；超过200 ℃后，由于高温下试样内部颗粒的不均匀膨胀和热裂纹的扩
| (2) |
式中：——岩石抗剪强度，MPa；P——试样剪切破坏时最大荷载值，N；A——剪切断面的面积，m
图7 不同实时温度下花岗岩剪切破坏形态
Fig.7 Failure modes of the granite during the shearing tests under different real-time temperatures
试验中选用凡士林作为润滑剂，摩擦力可忽略不计。不同实时温度下花岗岩试样抗剪强度见
| 实时温度/℃ | 峰值荷载/kN | 抗剪强度/MPa |
|---|---|---|
| 100 | 98.0 | 36.8 |
| 200 | 168.7 | 63.4 |
| 300 | 26.6 | 10.0 |
图8 花岗岩试样实时温度-抗剪强度曲线
Fig.8 Real‑time temperature-shear strength curve of the granite samples
结合
图9 不同实时温度下花岗岩单轴压缩试验应力-应变曲线
Fig.9 The stress-strain curve of the granite during the uniaxial compression test under different real‑time temperatures
压密阶段应力-应变曲线呈缓坡下凹形，这是由于压缩荷载作用下岩体中原有微裂纹及孔隙逐渐闭合，且压密阶段也随着温度的升高而增长；弹性变形阶段，应力-应变曲线近似直线，岩石压密后接近连续介质；屈服阶段岩石进入塑性变形阶段，开始出现微破裂，且随压缩应力的增大而加剧，屈服阶段后期逐渐接近峰值应力状态，过程较短；屈服阶段随温度的升高逐渐显现；越过峰值强度后，微破裂发展出现质的变化，不断破裂扩展造成应力和能量释放，试样贯通性破裂面形成，岩体强度迅速减
图10 不同实时温度下花岗岩单轴抗压试验破坏形态
Fig.10 Failure modes of the granite during the uniaxial compression tests under different real-time temperatures
试样抗压强度和弹性模量可由下式计算求
| σ1=P/A | (3) |
式中：——岩石抗压强度，MPa；P——试样发生压坏时最大荷载值，N；A——试样截面积，m
为了试验结果的准确性，本试验选取应力-应变曲线的直线段（40%~60%）进行弹性模量的计算：
| (4) |
式中：E——花岗岩试样的弹性模量，GPa；——抗压强度的60%和40%；——60%和40%抗压强度下对应的应变。
实时温度/ ℃ | 峰值荷载/kN | 抗压强度/MPa | 弹性模量/ GPa |
|---|---|---|---|
| 25 | 127.3 | 118.4 | 23.9 |
| 100 | 122.1 | 113.6 | 20.5 |
| 200 | 152.0 | 141.4 | 27.5 |
| 300 | 142.4 | 132.3 | 19.4 |
图11 花岗岩试样实时温度-抗压强度曲线和弹性模量曲线
Fig.11 Curves of real‑time temperature-compressive strength and elasticity modulus of the granite samples
结合
以往的研究表明，岩石的可钻性与岩石力学参数存在密切的关系，由于我国目前勘探开发的干热岩资源大部分为高热流花岗岩型干热岩资源，通过对花岗岩岩心在300 ℃以内的试验结果可见：
（1）随着钻井深度的增加，储层岩体温度逐渐升高，在200 ℃以内，花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低；随着温度的进一步升高，花岗岩的单轴抗压强度和抗剪强度降低，而抗拉强度持续降低。这表明，在干热岩储层的温度条件下，相比于常温环境，尽管花岗岩的抗拉强度出现了一定的劣化，但是单轴抗压强度和剪切强度都出现了升高，并且拉伸、压缩和剪切应力路径下破坏已经表现出了一定韧性，不再是单纯的脆性破坏，这是由于温度升高，强结合水和结晶水的逸出，矿物颗粒间的润滑作用下降，颗粒间的摩擦力增大，导致岩石的脆性减弱，塑性增强（从侧面也说明高温将导致储层高温岩体的蠕变性增强）。
（2）储层岩体温度和应力的升高，将使岩石的硬度增加、塑性增强。在干热岩勘探钻井过程中，随着钻井深度的加深和井底温度的增高，岩石硬度逐渐增大、塑性逐步增强，岩石可钻性越来越差，研磨性越来越强，钻头的钻齿每次与岩石的碎岩作用所破碎岩石的体积也越来越小，引起钻进速度下降、钻效降低。
（3）通过模拟测试干热岩储层岩体的物理力学特征和分析其特性，对指导干热岩工程碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等具有重要的指导意义。
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