作为五大非碳基可再生能源的重要组成部分,地热能在推动全球能源结构转型和减少温室气体排放方面发挥着关键作用。在众多地热资源中,干热岩(HDR)储层因其巨大的能源储量而备受关注。目前,水力压裂技术已成为开发利用干热岩地热能的核心工程技术手段,为地热资源的有效开发提供了重要支撑。然而,与传统的沉积岩水力压裂相比,坚硬干热岩体的水力压裂面临更大的技术挑战。循环脉冲压裂作为一种新型压裂模式,其增渗机制和关键参数影响规律尚未得到充分研究,特别是在不同温压环境下的作用机理仍不明确。基于上述原因,本文通过实验结合有限元模拟的方法,探究了脉冲模式,温度,地应力差和围压对干热岩水力压裂破裂压力及裂缝扩展的影响,主要研究内容如下: (1)采用系统化的实验方法,对采自共和盆地花岗岩样本的物理力学性能进行了深入分析与评估。矿物组成与成分分析揭示了干热岩的地质特征;基本物理参数测定明确了其孔隙结构与渗透性;热物理性质表征为其热传导与储存能力提供了依据;力学性能测试揭示了岩石在压裂中的变形与破坏特性。这些实测数据为后续数值建模提供了基础输入参数,支持建立准确的数值模型。研究结果为理解干热岩储层复杂性奠定了基础,并探讨了储层特性(如矿物组成、孔隙结构、热物理性质及力学性能)对水力压裂中裂缝起裂、扩展及导流能力的影响机制。 (2)利用ABAQUS数值模拟软件,通过引入粘聚力单元方法,对水力裂缝的起裂机制及其扩展过程进行了数值模拟研究。通过整合Kirsch理论、渗流力学理论和损伤力学理论,构建了干热岩水力压裂粘聚力单元数值模型,并完成了模型验证与数值试验设计。在常规压裂模式下,不同温度条件下实验值与模拟值的破裂压力最大相对误差仅为3.65%;在脉冲压裂模式下,相对误差为5.47%。 (3)基于孔隙压力粘聚力单元模型,结合循环累计破坏理论和循环脉冲加载方式,本研究系统揭示了岩石损伤演化规律。研究表明,岩石的抗疲劳性能受其固有力学特性和环境因素的共同影响。在循环脉冲加载条件下,脉冲频率和振幅与干热岩损伤程度呈显著正相关:随着脉冲频率和振幅的增加,干热岩损伤程度加剧,破裂压力显著降低,有利于减少压裂过程中的地震风险。温度对岩石力学性能的影响表现为显著的负相关关系,温度升高导致的热应力诱导微裂纹扩展是岩石抗拉强度降低的主要机制,这种微观结构损伤的累积效应最终导致花岗岩等岩石材料的宏观强度显著下降。地应力差对岩石破裂行为的影响表现为:当地应力差较大时,地层岩石呈现明显的应力各向异性特征,使其易于沿最大主应力方向发生破裂。围压对水力压裂过程的影响主要通过改变岩石的断裂韧性特征来实现。随着围压水平的提升,岩石断裂韧性呈现显著增强趋势,且这种增强效应与围压值之间存在着近似线性的正相关关系。 (4)通过子程序提取裂缝云图中的破裂单元数量、裂缝长度和宽度等特征参数,实现了不同条件下水力裂缝扩展的定量分析。研究结果表明:高频高幅的脉冲注水方式可显著促进水力裂缝扩展,有利于形成大规模缝网结构,相比于传统压裂方式,脉冲水力压裂对干热岩储层的增渗效果更为显著;压裂液与干热岩之间的温差越大,裂缝扩展趋势越明显;水力压裂过程中形成的主裂缝具有明显的方向性特征,其扩展路径主要沿着最大主应力的方向延伸,高主应力差易形成单一平直裂缝,而低主应力差则有利于形成复杂裂缝网络;高围压对裂缝产生具有显著抑制作用。