作为一种清洁的可再生资源,地热开发工程受到了越来越多的关注。而其中,干热岩层则被是认为较为理想的地热开发储层。干热岩地热开采过程中,需要通过水力压裂技术在干热岩层中人工诱导出具有理想换热面积和良好导流能力的大规模裂缝网络,实现注采井之间的采热流体循环,即所谓的建立增强型地热系统;因此,干热岩储层的压裂施工始终是决定增强型地热系统采收性能的关键技术之一。但由于干热岩地层高温、高强、低渗的特点,这为构造理想的裂缝网络带来了挑战。考虑到干热岩所处的高温环境,有望采用低温流体进行冷冲击降低其强度,并配合以循环泵注的方式使力学特征进一步劣化,从而形成一套全新的循环泵注-冷冲击协同作用的复合压裂技术,实现降低起裂压力并增强压裂效果的目标,这对建立高采热效率、长换热寿命的增强型地热系统具有重要理论指导意义。 本文综合运用室内试验、数值模拟和理论分析等方法,对实时高温、高温后冷冲击及循环载荷作用下的干热岩力学特性和细观损伤特征进行了分析,明确了冷冲击对岩石力学参数的影响规律;在恒幅循环的加载路径下,评价了不同循环加载模式对干热岩力学参数劣化的效果;最终通过建立热-流-固耦合数值模型,评价了不同注入路径条件下干热岩储层的压裂效果。 主要研究内容如下: (1)通过对干热岩试样施加高温,明确了不同温度条件下的力学参数变化规律,即干热岩在300℃前压缩强度和弹性模量随温度升高而小幅升高,之后随温度升高而显著降低。之后分别在不同高温条件下使用水、液氮对干热岩试样进行冷冲击处理,并通过辅助手段维持低温进行试验,从而明确了在冷冲击条件下,力学参数随初始温度的升高逐渐减小的规律。 (2)选取6种初始试样条件,以恒幅加载路径为基础,通过改变加载应力速率、上幅载荷值及下幅载荷值,确定了6种恒幅加载模式,进而开展了循环加载模式条件下的力学试验。基于循环加载试验结果,明确了循环加载过程中,弹性模量在加载初期存在增强的效果,随后发生逐步劣化,且在高应力速率、高上幅载荷值低下幅载荷值的条件下,强化效果将减弱,劣化效果明显增强。其中,冷冲击后的岩石弹性模量强化特征较弱,劣化特征较强,且在使用液氮冷冲击后该特征较为明显。同时,不同循环载荷加载条件下的岩石强度均出现较为明显的下降,其中以液氮冷冲击条件下,采用高应力速率、高上幅载荷值及低下幅载荷值的加载模式尤为明显。 (3)基于修正的Hoek-Brown准则,建立了考虑高温及冷冲击损伤的岩石本构模型。并基于后退欧拉方法和Newton-Raphson迭代算法,建立了相应的返回映射算法,实现对温度损伤后干热岩弹塑性力学行为的描述。考虑到循环加载过程中应变在损伤后出现累积的现象,引入变阶分数阶理论,构造出应变与循环时间相关的变阶函数,并通过分析循环上、下幅值对应变累积的影响,构造了考虑累积损伤破裂能演化的损伤元件以及新的变阶分数阶弹黏模型,综合构建出可描述恒幅循环累积损伤的本构模型。 (4)基于离散元理论,建立了考虑热损伤效应的精细化有限元-离散元耦合模型,实现了三维尺度上的矿物颗粒重构,并采用有限元中的“壳体”单元进行围压的施加。以此为基础,进行了4种加载路径下的循环加载数值模拟,明确了不同加载路径对干热岩高温及冷冲击等条件下强度及弹性模量的影响规律。与此同时,开展了水和液氮两种注入介质在4种加载路径条件下的室内压裂模拟试验。通过对比不同条件下的起裂压力、缝宽范围及裂缝体积,定量评价了不同路径条件下的压裂效果。 (5)建立了考虑多簇流量分配机制的循环泵注-冷冲击模式下的干热岩热-流-固耦合压裂数值模型,通过二次开发实现了颗粒粘结损伤劣化过程的描述。在此基础上,开展了水和液氮两种注入介质在4种加载路径条件下的数值模拟研究。通过对比不同条件下的整体裂缝形态、起裂压力、缝宽范围及裂缝面积,明确了不同注入介质在不同注入路径条件下对干热岩压裂效果的影响。