岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 422-436.doi: 10.16285/j.rsm.2024.0495
薛熠1, 2,杨博鹍1,刘勇2,孙强2,张云3,曹正正2
XUE Yi1, 2, YANG Bo-kun1, LIU Yong2, SUN Qiang2, ZHANG Yun3, CAO Zheng-zheng2
摘要: 液氮循环压裂技术是一种环境友好且高效的新型无水压裂方法,通过多次液氮冷却作用在干热岩中产生显著的热应力,从而有效地对干热岩储层进行致裂和增渗。为了揭示液氮循环冷冲击作用对干热岩断裂特性及损伤特征的影响机制,对花岗岩试样进行不同循环次数的高温加热-液氮冷却处理,通过三点弯曲试验对处理后的花岗岩试样物理力学特性(包括断裂韧度和破裂特征)进行了分析。基于三维激光扫描技术和分形理论对三点弯曲试验后花岗岩断口表面形貌特征及断面粗糙度进行了定量评价。采用数值方法,利用随机四参数生成法重构非均质花岗岩基质,建立了热-力耦合的混合相场模型,对不同液氮循环次数下高温花岗岩的微裂隙演化及宏观断裂过程进行模拟,分析了液氮循环冷冲击作用对高温花岗岩宏观断裂特性的影响。试验和数值结果表明:高温加热-液氮冷却循环作用会加剧花岗岩的损伤程度,导致断裂韧度等力学参数显著下降。断面分形维数以及形态特征参数与循环次数呈显著正相关,在高循环次数下断面展现出复杂曲折的宏观主裂纹扩展路径。热-力耦合混合相场模型能够有效再现高温加热-液氮冷却循环作用下花岗岩的热-力开裂行为。花岗岩的热损伤主要集中在最大拉伸应变能区域。液氮循环作用下,高温花岗岩的微破裂主要由温度梯度和相邻矿物颗粒之间的热膨胀变形差异引起。液氮循环冷却诱导的微裂隙使得花岗岩I型断裂的扩展路径更加曲折和复杂。
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