干热岩是一种储量极为可观且可再生的清洁能源,对其安全高效开发有助于缓解我国能源紧张局面,推动能源结构的优化升级。维持井壁的稳定性是干热岩地热能得以顺利开发的关键先决条件,但处于高温状态的岩体与低温的注入流体接触,会产生强烈的热冲击效应,造成岩石物理力学性质劣化,对井筒的稳定性产生不利的影响。当前研究对不同温度作用方式下花岗岩的细微观损伤机制及其宏观力学特性演化缺乏系统研究,以及对水平井采热过程中围岩温度场和应力场演化机制研究尚不深入。 本文以青海共和盆地花岗岩型干热岩为研究对象,通过宏-细观多尺度物理力学试验,揭示了25℃~800℃温度域内岩石热损伤演化机制与物理力学性质的演变规律。之后建立了干热岩水平井闭环地热系统(CLGS)的热-流-固多场耦合采热模型,揭示了注采过程中储层温度场和应力场的动态响应规律,并评估了闭环地热系统的采热性能以及关键参数的敏感性。研究成果为青海共和盆地干热岩采热工程的井壁稳定、高效取热等提供相关理论和科学指导。以下是本文的主要内容和主要结论: 首先研究了25℃~800℃温度域内,不同温度和冷却方式下花岗岩质物理性质的变化规律。结果表明,随着温度的升高,经自然冷却以及遇水冷却这两种不同方式处理后花岗岩的质量、密度、纵波波速和热导率呈减小趋势,体积、线膨胀系数和孔隙度呈增大趋势。然后通过扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)实验获得了花岗岩裂隙形态、孔隙尺寸以及分形特征的演变规律,从细微观角度揭示了花岗岩的热损伤机理。结果表明,25℃~600℃时花岗岩孔隙主要由微孔、小孔和中孔组成,且随着温度的升高,小孔和中孔的数量逐渐增多,800℃遇水冷却的花岗岩中出现大孔。随着温度的升高,岩石样品中的裂纹数量增加。 随后,开展了花岗岩在实时高温下和高温后的单轴压缩、巴西劈裂及分级荷载蠕变试验,研究了不同温度作用方式下花岗岩力学性能的劣化规律。结果表明,实时高温下花岗岩热损伤阈值温度区间为400℃~600℃,单轴抗压强度和弹性模量随着温度的升高,先升高后降低,在200℃时达到最大。高温后花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量,随着温度的升高逐渐下降,且遇水冷却试样比自然冷却试样下降程度更高。高温后自然冷却和遇水冷却下花岗岩的抗拉强度和拉伸模量都随着温度的升高,呈现先增大后减小的趋势。实时高温作用下,花岗岩的蠕变特性表现出明显的温度-应力依赖性,其稳定蠕变速率随温度和应力水平升高而增大。长期强度随温度的升高先增大后减小,长期强度占单轴抗压强度的比重也随温度的升高而减小,从25℃时的93.6%下降到800℃时的73.2%。 最后,建立了单水平井闭环地热系统的热-流-固多场耦合采热模型,研究了干热岩水平井注采过程中,储层温度场和应力场的演变规律以及井壁围岩温度和应力的动态响应,并评估了闭环地热系统的采热性能以及参数的敏感性。结果表明,在水平井筒轴向上,井壁围岩的应力变化趋势大致可以分为三个阶段:先迅速减小,再缓慢减小,最后再增大。井壁围岩沿水平井轴向上的平均热-机械应力最大,水平径向上的平均热-机械应力最小。影响生产温度的各因素按其重要性排序依次为:质量流量、井长、注入温度和井径;影响采热功率的各因素按其重要性排序依次为:质量流量、注入温度、井长、井径。