交变载荷作用下的干热岩天然裂缝剪切滑移特性研究

Hot Dry Rock (HDR) is a type of naturally fractured formation but ultra-low permeability. It is significant to activate the natural fractures slip and make them networking for HDR geothermal resources utilization. This project proposed a novel stimulation method by using the dynamic alternating load. The natural fractures are loaded by the dynamic hydraulic pressure under a certain frequency and amplitude. The fractures become unstable and tend to be shearing slippage. The key issue is to understand the dynamic stress responses and their influences on the HDR friction behaviors. The tri-axial friction experiment and numerical simulation will be used. First, The HDR friction behaviors are studied by the tri-axial friction experiments. The purpose is to find the correlation between the frequency and amplitude of the dynamic loading and the friction strength. Second, the HDR friction constitutive model is obtained from the experimental data in order to quantify the relation of shear stress and normal stress on the fractures. Third, the mathematical model of the dynamic stress responses is established and the numerical simulation is carried out to simulate the natural fracture slipping. The results will provide the fundamentals of the novel stimulation method for HDR geothermal resources.

干热岩致密且天然裂缝发育，能否有效激活天然裂缝、提高储层连通性是高效开发干热岩地热能的关键。本项目提出采用交变载荷激活干热岩天然裂缝的新方法，即对裂缝面施加一定频率和幅值的交变水压力，诱导裂缝失稳，促进天然裂缝剪切滑移，可望实现天然裂缝的有效激活。其关键科学问题是交变载荷作用下的干热岩动态应力响应及其对裂缝摩擦滑动的影响机制。针对这一关键科学问题，拟采用三轴摩擦实验、理论建模和数值模拟等方法，开展如下研究：室内实验交变载荷作用下的干热岩天然裂缝摩擦滑动特性，得出载荷频率和幅值对摩擦强度、摩擦系数和摩擦稳定性的影响规律；基于实验结果，建立干热岩天然裂缝摩擦本构模型，定量描述裂缝剪切应力与正应力关系；在此基础上，建立交变载荷作用下干热岩动态应力响应模型，数值模拟裂缝剪切滑移过程中的应力演化，揭示干热岩天然裂缝剪切滑移特性。研究结果有望为形成一种干热岩地热高效改造新方法提供理论依据。

压裂改造被公认为高效开发深部干热岩地热资源的关键技术之一。本项目提出了交变水压致裂干热岩改造方法，紧密围绕“交变载荷作用下的干热岩动态应力响应及其对裂缝摩擦滑动的影响机制”这一关键科学问题，以青海共和盆地龙才沟地区和贵德地区干热花岗岩露头为对象，系统研究了交变载荷作用下干热花岗岩基本力学性质评价、天然裂缝剪切摩擦特性、摩擦本构方程和动态应力响应特征等，取得三方面成果：（1）实验阐明了交变载荷作用下干热花岗岩露头基本力学性质及其声发射响应特征，基于声发射事件密度，揭示了交变载荷作用下干热花岗岩损伤演化规律，发现高振幅（30MPa）交变载荷可有效降低岩石抗压强度（降幅10%），而低频低振幅交变载荷无法显示改变岩石强度，宏观层面证实了交变载荷利于降低干热花岗岩强度且存在最优振幅；（2）设计并开展了交变正应力下干热花岗岩裂缝剪切摩擦实验，表明裂缝摩擦系数与交变应力频率具有显著负相关性，微观研究揭示了交变正应力下降低裂缝间摩擦系数的粉末润滑和疲劳跳跃力学机制，细观层面实现了交变水压降摩减阻促进裂缝剪切滑移的机理解释；（3）基于干热花岗岩基本力学参数，建立了含单条压裂裂缝的交变载荷作用下干热岩体动态应力响应模型，阐释了裂缝尖端周期变化应力场及其剪切区，表明裂缝尖端周围区域是形成剪切裂缝的有利区域，交变水压振幅越高，剪切有利区域范围越大，频率变化不改变剪切有利区范围，为优选交变水压频率和振幅提供了理论依据。研究成果在《Engineering Fracture Mechanics》、美国岩石力学协会ARMA学术年会、美国地热资源委员会GRC年会等行业主流期刊和会议发表论文4篇，授权国家发明专利1件，申请国家发明专利1件。