温度与化学作用下岩石物理力学性质研究进展

李博宇，彭文祥，王李昌，隆威

(中南大学，长沙 410083)

0 引言

随着碳达峰与碳中和目标的提出，社会对清洁能源的需求越来越大。干热岩资源作为一种储量大、污染小的清洁能源，在我国越来越受重视。干热岩资源的开采是通过深部钻探形成多个钻井，依靠水力压裂等手段在深部地热储层中形成裂隙网络，使钻井之间相互贯通，再通过水循环将热量带到地面上来[1，2]。所以深部钻探井壁稳定技术与干热岩热储层改造技术是干热岩勘探和开发利用的关键。干热岩钻井深部阶段及地热储层主要是结晶岩层，长期处在高温环境中，并且在深部钻探及热储层改造过程中会受到化学作用的影响[3，4]，深部井壁围岩及热储层中岩石的物理力学性质发生变化，规律性变差，可能会产生井壁失稳、热储层改造困难等情况，从而制约干热岩的开发利用。综上所述，研究温度与化学作用下岩石物理力学性质可以为井壁稳定技术及热储层改造技术提供理论支持，对于干热岩的开发利用具有重要意义。

1 温度作用下岩石物理力学性质研究现状

近年来，相关学者运用各种实验手段对温度作用下岩石的物理力学性质做了大量研究，主要包括对高温岩石在不同冷却条件下的物理力学性质变化及实时高温状态下岩石的物理力学性质变化的研究。

1.1 高温岩石在不同冷却条件下的物理力学性质研究

研究深部高温岩体在热应力作用后的物理力学性质变化及热损伤问题可以更好地服务于干热岩开发利用等深部地下工程。目前已经有许多学者对于高温岩石物理力学性质有了一定的研究成果，主要集中于温度及冷却方式对高温岩石物理力学性质的影响。

高温自然冷却后岩石物理力学性质室内试验研究一般使用马弗炉等加热设备将岩石加热至目标温度，待岩石自然冷却后再通过各种实验室技术、仪器测出高温后岩石的各种物理力学参数及微观结构变化，并结合理论分析进行研究[7]。由于干热岩地层及其他深部地下工程中的主要岩石是花岗岩，现阶段相关学者对这方面的研究以花岗岩为主。赵亚永等[5]采用加热设备把花岗岩等三种岩石加热到指定温度进行保温，将岩样冷却至室温后进行力学试验及微观试验，研究发现岩石物理力学性质的变化与矿物组分改变及微观裂隙发育关系密切。Li等[6]通过对不同高温冷却循环次数下的花岗岩进行单轴压缩试验，得出了热循环对岩石脆韧性、强度及破坏模式的影响规律，随着热循环次数增加，岩石逐渐由脆性向韧性转变，力学强度减小。综上所述，高温作用下岩石的内部微观晶粒结构发生改变，出现微观裂隙，当岩石达到一定温度时，随着温度的升高岩石微观裂隙不断增多，从而劣化了岩石的力学性能。

在深部地下工程中，经常会出现高温岩石遇较低温溶液急速冷却致裂的现象，这种情况也不容忽视。例如，深部钻探过程中较低温的钻井液与高温井壁相接触、水力压裂过程中高温储层与较低温水相接触，都会使高温岩石快速冷却，从而影响岩石的物理力学性质。因此，开展对不同冷却条件下高温岩石的物理力学性质的研究十分必要。相关学者对试验研究方法进行改进，对岩石高温处理后立即用水或其他温度较低的液体对岩石进行冷却，再用各种实验技术手段得到岩石的物理力学性质及微观结构的变化，结合数值模拟等手段研究急速冷却对岩石各种性质的影响。郤保平等[8]对比了高温花岗岩自然冷却和水中急速冷却后的单轴抗压强度及表面温度变化规律，并通过数值模拟研究了不同冷却介质对花岗岩强度的劣化机制，研究表明，急速冷却对花岗岩的损伤比自然冷却更大；崔翰博等[9]将花岗岩高温处理，采用一部分浸水或全部浸水的方式使花岗岩冷却，然后进行巴西劈裂试验，分析不同处理方式下花岗岩力学性质的变化规律，得出了当花岗岩浸水部分比例为四分之三时，抗拉强度减小幅度最大；侯新[10]采用不同温度的CaCl2溶液对高温处理后的花岗岩进行冷冲击，研究了花岗岩冷冲击前后的开裂状况、裂纹形态等，分析得出了花岗岩温度越高，冷却介质温度越低，二者温差越大，花岗岩裂隙数量越多，对花岗岩力学性能劣化越明显。综上所述，当花岗岩温度较高时，高温花岗岩在急速冷却下的力学性能损伤相较于自然冷却更加明显，这是因为高温花岗岩在水冷或其他溶液冷冲击下岩石表面急剧降温，此时内部温度还较高，岩石产生热应力，加剧了岩石微观裂隙的扩展，使得岩石力学性能劣化更加明显。

1.2 实时高温状态下岩石物理力学性质研究

为了研究实时高温状态下岩石的物理力学特性，相关学者运用实时高温试验系统对实时状态下高温岩石的物理力学性质进行测试，并研究岩石物理力学性质的变化特征[13]。徐小丽等[11]先将花岗岩在加热设备中加热，再用力学试验系统进行实时高温状态下花岗岩的单轴压缩试验，研究得出了实时高温下花岗岩抗压强度随着温度的变化规律；闵明等[12]采用同样的步骤先将花岗岩岩样加热到指定温度，然后进行巴西劈裂试验，并进行微观分析，研究得出400℃内破坏主要诱发的是晶间裂纹，400℃以后穿晶裂纹较多。

为了能够更好地测试出实时高温状态下岩石的力学特性，马啸等[14]研制了可以在实时高温状态下进行真三轴试验的力学试验系统，并在试验系统研制完成后进行花岗岩实时高温真三轴试验，最终得出400 ℃内高温会使花岗岩力学强度增大。李利峰等[15]采用高温高压三轴力学实验系统，测试出不同温度、不同围压及不同加载速率下花岗岩力学特性的变化规律。

综上所述，许多学者都已陆续开展了实时高温下花岗岩物理力学性质的研究，并取得了一定研究成果。当温度在一定范围内，花岗岩在实时高温状态下物理力学性质随温度的变化趋势与高温自然冷却后岩石物理力学性质随温度的变化趋势相差不大。当温度较高时，由于自然冷却温度下降对岩石产生了二次损伤，岩石内部裂隙增多，高温冷却后岩石的力学性能劣化得更严重。相较于高温冷却后岩石物理力学性质的研究，实时高温状态下岩石物理力学性质的研究在研究方法上取得了实质性的进步，得出了许多更接近于工程实际的实验数据，为干热岩的开发利用等深部地下工程提供理论支持。但不管是高温后岩石还是实时状态下高温岩石的物理力学性质研究，都仅仅考虑了温度因素，忽略了化学等其他因素。

2 化学作用下岩石的物理力学性质研究

深部地下工程中岩石不仅会受到高温、冷冲击等温度因素的影响，还有化学因素的影响。干热岩深部钻探中钻井液与井壁岩石之间的化学反应，不同化学环境的地下水与岩石之间的反应，人工地热储层开发过程中化学刺激剂与高温岩石之间的反应都可能会使岩石的物理力学性质发生变化。因此，许多学者对化学作用下岩石的物理力学性质做了一系列的试验及理论研究。

钻探工程中，钻井液对井壁围岩的化学作用可能会影响井壁稳定性，相关学者对此也进行了研究。卢运虎等[16]配制了pH=10的钻井液，然后将加工好的岩心在钻井液中浸泡不同天数，再通过室内力学试验得出钻井液化学作用下泥岩的力学参数，研究了深部泥岩在钻井液化学作用下强度弱化的规律。研究表明，碱性溶液会与泥岩裂缝中的矿物发生反应，使得岩石缝隙不断扩张，从而使泥岩的力学性能下降。随着岩心浸泡时间的增长，其力学强度不断降低。

地下水化学溶液与岩石发生化学反应也会影响岩石的物理力学性质，这也是学者们研究方向之一。苗胜军等[17]配制了不同pH的酸性溶液及中性溶液来浸泡花岗岩，采用微观实验仪器进行观察分析，得出了酸性溶液化学作用下花岗岩微观结构的变化情况，结合理论分析探讨了酸性溶液化学作用下岩石的化学损伤机制；王宏伟等[18]同样将花岗岩浸泡在不同pH的溶液中，然后将浸泡后的花岗岩进行三轴压缩试验，得出相关力学参数，分析出酸性溶液化学作用下岩石的力学特性变差的原因。研究表明，化学溶液初始pH是影响岩石物理力学性质的主要因素，酸性溶液与花岗岩中的矿物反应，使岩石受到损伤，劣化了花岗岩的力学性能。

化学刺激法已成为国际上改造人工地热储层的方法之一，研究化学刺激剂对深部岩石渗透性等物理力学性质的影响也成为当前的研究热点。王帅等[19]将乙酸与土酸溶液混合，配制三种不同的有机土酸溶液，将花岗岩在不同溶液中浸泡数天，再通过力学试验得出反应后花岗岩的力学参数变化，得出了有机土酸化学作用对花岗岩力学性质的影响规律，随着乙酸浓度的升高，岩石的力学强度逐渐降低；郭清海等[20]利用岩心流动仪进行化学刺激实验，将岩石放入岩心流动仪的夹持器中保持一定温度，研究了不同注入流速下盐酸、土酸及氢氧化钠三种不同的化学刺激剂对岩石的渗透率的影响，试验表明，土酸能有效增加花岗岩的渗透率，而有机土酸的溶蚀作用效果比传统土酸更佳。

综上所述，许多学者已陆续开展了各种溶液化学作用下岩石物理力学性质的研究，得出了不同化学作用下岩石物理力学性质的变化规律。当岩石与化学溶液相接触时，岩石中的矿物质会与溶液中的溶质发生反应，改变岩石的内部结构，从而改变了岩石的物理力学性质。但是可以看出大部分室内试验都是将岩石在化学溶液中浸泡反应后再在常温下进行物理力学性质的试验，很难在高温与化学同时作用下直接进行物理力学试验，这是因为目前室内试验在实验设备等方面还有一定的限制。

3 温度与化学作用对岩石物理力学性质的影响机理总结

目前温度与化学作用对岩石物理力学性质的影响机理研究已取得许多理论成果，主要内容如下图1所示。

图1 温度与化学作用对岩石物理力学性质的影响机理Fig.1 Influence mechanism of temperature and chemical action on physical and mechanical properties of rock

温度作用对岩石的影响机理包括高温作用下岩石的失稳机理和冷冲击作用下高温岩石致裂机理。温度对不同岩石物理力学性质的影响大小不同，但影响机理相似。在常温状态下，岩石内部结构相对稳定，当温度升高后，岩石内部结构开始发生变化，如矿物受热膨胀及矿物组分发生改变等[21]。这些变化会使岩石内部微观结构改变，出现晶间裂隙或穿晶裂隙，微观裂隙不断增多，从而影响了岩石的物理力学性质。冷冲击作用下高温岩石致裂机理也是类似的科学原理。以研究最多的花岗岩为例，在深部地下工程中高温花岗岩与其周围岩体在相同的温度下共存，达到热平衡状态，当高温岩石受到低温液体的冷冲击时，短时间内热量自发地从高温岩石转移到低温液体中，使得岩石外表面温度急剧下降，岩石内部温度还较高，此时岩石外表面就会产生拉伸应力，内部为压应力，最终使花岗岩生成新的裂隙，岩石产生二次损伤，加剧了岩石力学性能的劣化。

水岩之间的化学作用会使岩石的矿物组分发生变化，从而改变了岩石的物理力学性质。其中，溶液的pH是影响岩石物理力学性质的主要因素，氢离子和氢氧根离子会与岩石中的矿物质发生反应，改变岩石的矿物组分及微观结构，从而改变岩石的物理力学性质。比如干热岩人工热储层建造过程中所采用的酸性或碱性化学刺激剂会与高温岩体发生反应，以改造岩体渗透性等物理力学性质；深部钻探中碱性钻井液与井壁围岩发生反应，改变了围岩的物理力学性质，影响井壁稳定性。同理，除氢离子及氢氧根离子外的离子也会与岩石发生化学反应，但其对岩石物理力学性质的影响要小于pH的影响。

4 结论与展望

介绍了温度与化学作用下岩石物理力学性质的研究现状，梳理了不同冷却条件下高温岩石物理力学性质研究、实时高温状态下岩石物理力学性质研究及化学作用下岩石物理力学性质研究的研究方法与理论成果。对温度与化学作用对岩石的物理力学性质的影响机理进行总结，主要概括了高温、冷冲击及化学腐蚀对岩石的影响。高温、冷冲击等温度作用会使岩石产生损伤破坏，随着温度的改变，岩石的矿物组分发生变化，并出现晶间裂隙及穿晶裂隙，影响岩石的物理力学性质。化学作用下岩石的物理力学性质变化的实质是化学溶液中的各种离子与岩石中的矿物发生反应，使得岩石的矿物组分与微观结构发生改变，从而改变了岩石的物理力学性质。

针对温度与化学作用下岩石物理力学性质的研究，有以下三个方面需要研究突破：①高温岩石在不同化学溶液冷冲击作用下的物理力学性质变化规律；②模拟干热岩深部钻探及热储层改造工程中高温与化学环境，探究实时高温与化学作用下岩石物理力学性质变化规律；③高温、化学同时作用下岩石微观结构变化对岩石宏观物理力学性质的影响机理。