新聞科研進(jìn)展
隨著(zhù)“碳中和”與“碳達峰”時(shí)間表的提出，中國亟需對現有能源結構進(jìn)行改革，構建以新能源為主體的能源供給體系，推動(dòng)綠色低碳技術(shù)實(shí)現重大突破，因此中國能源未來(lái)需要大力發(fā)展綠色可再生能源。其中，深部干熱巖地熱能可以不受季節、氣候、晝夜變化等因素的限制，穩定、不間斷供能，且分布廣泛、儲量巨大，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力。如何有效開(kāi)采干熱巖地熱、提高干熱巖地熱開(kāi)發(fā)利用效率，是當前亟需解決的工程技術(shù)難題。為了有效地提取干熱巖的熱量，需要鉆探直井或水平井，并采用水力壓裂技術(shù)對干熱巖儲層進(jìn)行增滲，使其生成具有高熱交換效率的復雜水力裂縫網(wǎng)絡(luò )。在實(shí)際工程中，鉆井效率低，井壁坍塌和水力壓裂“注不進(jìn)，壓不開(kāi)”等問(wèn)題極大制約了干熱巖的開(kāi)發(fā)。這是由于干熱巖處于實(shí)時(shí)高溫與真三軸高地應力共同作用環(huán)境中，高溫高應力下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與壓裂裂縫起裂機理發(fā)生改變，傳統的理論和技術(shù)跟不上。
為解決以上問(wèn)題，武漢巖土所巖體工程多場(chǎng)耦合效應課題組研究團隊對干熱巖力學(xué)特性及壓裂機理進(jìn)行了系統研究與分析，為建立干熱巖高效安全開(kāi)發(fā)技術(shù)體系提供科學(xué)依據。首先自主研發(fā)了實(shí)時(shí)高溫真三軸試驗系統與高溫水力壓裂模塊（圖1與圖2），解決了高溫環(huán)境的高應力加載與隔熱、高溫下減磨和對中、高溫高應力下注入流體密封的難題，實(shí)現了對干熱巖儲層高溫和三維高應力的準確模擬，目前已在中國地質(zhì)科學(xué)院、青島理工大學(xué)推廣應用。
其次，基于該試驗系統進(jìn)行了實(shí)時(shí)高溫(最高400℃)真三軸壓縮試驗，研究了不同溫度下花崗巖力學(xué)特性隨中間主應力的變化特征，并揭示了溫度對中間主應力效應的影響。發(fā)現了云母礦物顆粒在高溫下的韌化是造成花崗巖力學(xué)性能隨溫度增強的重要因素（圖3），花崗巖宏觀(guān)破壞特征隨溫度演化的總體趨勢由剪切破壞為主轉變?yōu)橐岳?剪切破壞為主。
最后開(kāi)展了不同真三軸應力狀態(tài)下實(shí)時(shí)高溫(最高300℃)水力/CO2壓裂試驗，并采用光學(xué)顯微鏡、核磁共振技術(shù)與CT掃描等觀(guān)測技術(shù)，從微觀(guān)到宏觀(guān)研究了壓裂后試樣的孔隙和裂縫分布特征并揭示了高溫下壓裂機理的轉換。高溫下壓裂裂縫形態(tài)發(fā)生轉化，在高溫下形成包含多種尺度裂隙的云狀裂縫。推導了基于剪切破壞的壓裂破裂壓力預測模型，在干熱巖中，軸向應力較大，基于拉伸破壞的破裂壓力預測模型與基于剪切破壞的破裂壓力預測模型計算值的差距隨著(zhù)溫度增加而逐漸增大，在有效環(huán)向應力遠未達到抗拉強度的情況下發(fā)生剪切破壞。壓裂裂縫拓展能量耗散機制隨溫度升高發(fā)生轉換，在室溫下以粘性控制為主，高溫下以韌性控制為主。
相關(guān)研究成果已為我國干熱巖儲層的高效開(kāi)發(fā)利用提供了有力科學(xué)支撐，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》、International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Journal of Central South University。相關(guān)研究成果由國家重點(diǎn)研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng )新合作重點(diǎn)專(zhuān)項項目（2022YFE0137200）資助。
論文鏈接：
http://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/abstract/abstract30930.shtml
https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020.104521
https://doi.org/10.1007/s11771-023-5221-z
https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2022.105313
圖1 實(shí)時(shí)高溫真三軸與水力/CO2壓裂試驗系統
圖2 高溫水力/CO2壓裂模塊
圖3 云母在高溫下發(fā)生韌化
圖4（a）室溫下與（b）300℃下的壓裂曲線(xiàn)
圖5 壓裂裂縫形態(tài)：（a）室溫下單一主壓裂裂縫；（b）200℃下的多尺度云裂縫
圖6 壓裂后試樣CT掃描：（a）室溫；（b）300℃