1. 地热储层岩石

  裂隙网络的建立是深部地热开采的关键课题，研究地热储层岩石的热损伤对深地热开采至关重要。为此总结了世界范围内已建和在建的深地热工程实践，根据各项目储层岩性给出了世界范围内深地热开采示范工程与岩性分布。按照深地热实践中储层岩性出现的频次，三大类岩石中火成岩是深地热的主要岩石，沉积岩次之。表明深地热储层以花岗岩类、砂岩为主。另外，花岗岩作为深层火成岩也是深部地层的主要岩性，在诸多地质环境中皆可见到。因此，本试验岩性的选取为花岗岩和砂岩。

图1 深部地热储层岩性分布及占比

2. 岩石热损伤后微观结构变化

  温度产生的热应力是导致岩石内部损伤的重要原因，而裂隙的萌生、扩展是岩石热损伤的重要表现。通过岩石在温度作用前后的薄片分析，可见高温导致的矿物裂隙的增多，薄片表面粗糙度增大。岩石试样高温作用前后在正交偏光下的微观结构变化。岩石损伤对微观结构的影响体现在两个方面。第一是微观裂隙的增多，如花岗岩石英、长石晶体中的裂隙；岩石在经历高温作用后内部会产生裂隙，这些裂隙会导致岩石在薄片制作中更加容易受到磨损而出现表面粗糙度加大，尤其是G-2、S-1、S-2，如石英、长石晶体表面擦痕的增多，砂岩薄片表面光泽暗淡。热应力的作用导致岩石内部裂隙的萌生和扩展，从而引起应力波的传播，为采用声发射监测岩石损伤提供了前提。

图2 高温作用前后岩石微观结构变化（正交偏光）

3.岩石热损伤模拟

岩石热损伤的物理机制是一个复杂的过程，无论从声发射监测角度还是微观结构观察(如CT)，岩石在经历高温作用后都出现微观甚至宏观的裂隙。因此，我们认为裂隙的萌生与扩展是岩石热损伤的重要物理机理之一，也是在宏观上各物理、力学参数劣化的重要原因。实时声发射监测结果表明，无论在升温还是降温阶段，岩石中都存在裂隙的萌生或扩展(即损伤)。从岩石力学角度，两个阶段对应的力学机理不同。我们采用DLSM (Distinct Lattice Spring Model) 模拟的热损伤过程揭示了岩石热损伤的力学机理。岩石在升温过程中，非均质导致的非均匀变形乃至破裂；在降温过程中，处在极限或准极限状态的含缺陷晶体由于岩石的微观结构改变和压缩应力而发生微裂纹从尖端的扩展。假设岩石在热损伤过程中含缺陷晶体导致的损伤比例为w，则非均匀变形导致的损伤比例为1-w。

优化后的数值损伤变量见下图。大部分岩石试样的试验结果与数值结果吻合较好，其中砂岩S-3由于在降温阶段200 ºC的损伤变量巨增，数值结果与试验结果出现较大的偏差。花岗岩G-1、G-2、G-3、砂岩S-1、S-2、S-3的比例系数w分别为0.52、0.48、0.58、0.87、0.92、0.99。总体上，花岗岩的w小于砂岩，说明花岗岩中两种损伤机制都存在，且比例大致相同，而砂岩中由于晶体缺陷导致的损伤比例较大，S-3几乎都是这种损伤。

图3 损伤变量实验结果与模拟结果。(a-c) 分别为花岗岩G-1、G-2、G-3，(d-f) 分别为砂岩S-1、S-2、S-3