隨著“碳中和”與“碳達峰”時間表的提出，中國亟需對現(xiàn)有能源結構進行改革，構建以新能源為主體的能源供給體系，推動綠色低碳技術實現(xiàn)重大突破，因此中國能源未來需要大力發(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(jié)、氣候、晝夜變化等因素的限制，穩(wěn)定、不間斷供能，且分布廣泛、儲量巨大，具有極大的開發(fā)潛力。如何有效開采干熱巖地熱、提高干熱巖地熱開發(fā)利用效率，是當前亟需解決的工程技術難題。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對干熱巖儲層進行增滲，使其生成具有高熱交換效率的復雜水力裂縫網(wǎng)絡。在實際工程中，鉆井效率低，井壁坍塌和水力壓裂“注不進，壓不開”等問題極大制約了干熱巖的開發(fā)。這是由于干熱巖處于實時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性質與壓裂裂縫起裂機理發(fā)生改變，傳統(tǒng)的理論和技術跟不上。

　　為解決以上問題，武漢巖土所巖體工程多場耦合效應課題組研究團隊對干熱巖力學特性及壓裂機理進行了系統(tǒng)研究與分析，為建立干熱巖高效安全開發(fā)技術體系提供科學依據(jù)。首先自主研發(fā)了實時高溫真三軸試驗系統(tǒng)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，實現(xiàn)了對干熱巖儲層高溫和三維高應力的準確模擬，目前已在中國地質科學院、青島理工大學推廣應用。

　　其次，基于該試驗系統(tǒng)進行了實時高溫(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(xiàn)了云母礦物顆粒在高溫下的韌化是造成花崗巖力學性能隨溫度增強的重要因素（圖3），花崗巖宏觀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。

　　最后開展了不同真三軸應力狀態(tài)下實時高溫(最高300℃)水力/CO₂壓裂試驗，并采用光學顯微鏡、核磁共振技術與CT掃描等觀測技術，從微觀到宏觀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。

　　相關研究成果已為我國干熱巖儲層的高效開發(fā)利用提供了有力科學支撐，相關論文已經(jīng)發(fā)表在《巖石力學與工程學報》、International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Journal of Central South University。相關研究成果由國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項項目（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 實時高溫真三軸與水力/CO₂壓裂試驗系統(tǒng)

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

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℃