目前,干热岩增强型地热系统(EGS)建造常采用水力压裂等手段,但其面临“起裂压力高、裂缝单一、注采井沟通困难”等难题,“柔性造储”可作为水力压裂储层改造的有益补充,其中采用循环冷-热冲击方式可在干热岩储层内诱导产生复杂裂隙,为干热岩EGS开发提供新方法。在河北省自然科学基金优秀青年科学基金项目(编号:A2024210057)、国家自然科学基金面上项目(编号:1237021756)资助下,本文为了揭示干热岩损伤机理及力学、渗透特征演化规律,本文首先开展了花岗岩循环冷-热冲击模拟实验,分析了不同冷-热循环次数、加热温度作用下花岗岩微观表面形貌、孔裂隙结构的变化特征,探明了冷-热冲击作用下花岗岩微观损伤破裂机理;其次,研究了不同冷-热循环次数、加热温度作用下花岗岩力学性质、应力-渗透率特征,查明了冷-热冲击作用下花岗岩宏观力学参数和受载变形中渗透率响应规律;最后,建立了热-流-固-损伤(THMD)多场耦合模型,开展了冷-热冲击作用下现场尺度干热岩损伤及采热效果数值模拟,探明了冷-热冲击作用对干热岩开采的促进作用。主要结论如下: (1)花岗岩试样内部矿物含量与热冲击温度之间并未呈现显著的相关性,热冲击作用仅是引起矿物晶体结构改变、并未引起矿物化学成分变化。热冲击作用下花岗岩主要矿物成分变小。热冲击作用下花岗岩微观表面上大量出现穿晶裂隙和剥离岩屑。热冲击作用改变了孔径分布特征,使得微孔孔隙体积比降低,中孔和大孔孔隙体积比升高,热冲击具有扩孔效应和孔隙均一化效应。加热温度达到573℃时,石英会发生可逆相变,热膨胀系数显著增大,热损伤破裂加剧。当加热温度由300℃增加到700℃后,花岗岩孔隙率提升531%,内部孔裂隙由原先的孤立小孔裂隙变化为连通的大孔裂隙。冷-热循环次数9次后,花岗岩孔隙率提升248%。冷-热循环次数增加,花岗岩内部大裂隙先沿横向扩展,当循环五次后裂隙沿竖向扩展,整体上贯穿连通。 (2)随着热冲击温度和冷-热循环次数增加,花岗岩峰值强度和弹性模量呈现“稳定-缓慢下降-快速下降-缓慢下降”的阶段性演化规律,泊松比在500℃-600℃热冲击温度之间陡增。热冲击作用增强了压缩阶段和屈服阶段,降低了起裂应力,促进了弹性能向耗散能转变,能量更多用于裂隙扩展,花岗岩由脆性向塑性化转变。700℃热冲击作用下,最大值点处耗散比可达到0.74。冷-热循环9次后,最大值点处耗散比可达到0.94。热冲击后试样在宏观上破坏模式由轴向劈裂、剪切破坏向多裂隙剪切破坏过渡。热冲击作用下,花岗岩内部颗粒先在边缘破坏后裂隙逐步贯穿到中心区域,裂隙数量提升982%。 (3)热冲击作用下花岗岩受载变形过程中渗透率均有提升,热冲击损伤越剧烈,花岗岩的渗透率应力敏感性更高。700℃热冲击温度下,花岗岩渗透率提升4057%;冷-热循环9次后,试样渗透率提升8927%。循环冷-热冲击作用下,花岗岩孔隙喉道体积进一步增大,渗透率大幅度提升。 (4)岩层温度和注入压力的升高、力学强度和注入温度的降低有助于损伤的发育,主裂隙沿钻孔向四周延伸,并发育出分支裂隙,形成具有一定连通性的复杂裂隙。岩层温度、力学强度和注入压力与渗透率之间呈现指数函数关系,而注入温度与渗透率之间呈现线性变化关系。提升注入压力可更显著增大岩层渗透性,结合水力压裂和热冲击方式,可实现低渗岩层的整体渗透性的提高。现场尺度THMD模拟,温差增大后,开采1000天后热采收率提升209%。 研究结果将促进对循环冷-热冲击下花岗岩的力学及渗透特征演化规律及机理的深入认识,为干热岩“柔性造储”提供理论和技术支撑。