热弹性过程与矿物反应在断裂流通道形成过程中的竞争：对Enhanced Geothermal Systems（EGS）储层长期热性能的影响

《Engineering Geology》：Competition between thermoelastic process and mineral reaction on fracture flow channeling: Implications for long-term thermal performance of EGS reservoirs

地热系统优化中热弹性效应与矿物溶解反应的耦合作用及其对流动通道化和长期热性能的影响被三维THMC耦合模型系统研究。摘要：

　　

曾凡|吴辉|宋国锋|王宇飞|季雅安

北京大学地球与空间科学学院，北京 100871，中国

摘要

由于裂隙开口分布的异质性，裂隙流道现象在增强型地热系统（EGS）中普遍存在，并被认为是热提取性能不佳的主要原因之一。许多数值研究已经量化了流道对热性能的影响，然而在复杂的热-水-力-化学（THMC）耦合过程中流道的动态演变仍缺乏探索。本研究开发了一个具有异质裂隙开口的3D现场规模THMC耦合EGS模型，系统地研究了热弹性过程和矿物反应对裂隙流道及长期热性能的单独和联合影响。结果表明，在长期注入欠饱和水的情况下，热弹性过程会导致低温区域的裂隙开口扩大，从而加剧流道效应；而矿物溶解则主要在高温区域扩大裂隙开口，导致流体分散。这两种机制表现出强烈的物理化学反馈：矿物溶解通过扩大热交换区和均匀化热应力分布来抵消热弹性引起的流道效应，而热弹性过程则通过缩小热交换区来增强矿物溶解的效果。参数分析进一步表明，岩石弹性模量较高、裂隙刚度较低的储层更容易受到严重热弹性诱导的流道效应的影响；而较高的注入温度、较低的注入浓度和较多的反应性矿物含量则能增强矿物溶解的缓解作用。这些发现表明，通过选择弹性模量低、裂隙刚度高且含有丰富反应性矿物的储层，并结合高温欠饱和注入策略，可以优化EGS的长期热性能。

引言

热干岩（HDRs）在全球范围内广泛分布，具有巨大的发电潜力，有望在发展脱碳电力系统中发挥关键作用（Ricks等人，2024年；Zhang等人，2024年）。增强型地热系统（EGS）是一种从热干岩中提取热能的有效方法，它利用水力刺激技术（如压裂和剪切）来刺激目标HDRs中的人工-天然裂隙网络，以实现高效的流体循环和热提取（Brown和Duchane，1999年；Li等人，2024年；Pogacnik等人，2016年；Schoenball等人，2020年）。由于水力刺激的裂隙网络是流体流动和热回收的主要通道（Koh等人，2011年；Kolditz，1995年；Zeng等人，2023年），这些裂隙内的流动模式在很大程度上决定了循环流体与周围岩层之间的有效热交换面积，从而决定了长期的热生产性能（Guo等人，2016年；Llanos等人，2015年）。

裂隙中的流体流动模式主要受裂隙内渗透率的空间分布控制，而渗透率通常具有高度异质性，这取决于裂隙开口的分布（Kosakowski等人，2001年；Méheust和Schmittbuhl，2000年）。以往实验和模拟中普遍观察到的裂隙流动模式是流道效应（Tsang和Tsang，1989年），即由于开口/渗透率的异质性，大部分循环流体集中在注入井和生产井之间的少数流道中。因此，流体与岩石之间的有效热交换面积受到流道效应的显著限制，导致热提取不足，热性能严重受损，表现为生产温度的快速下降，这也被称为热短路（McLean和Espinoza，2023年；Slatlem Vik等人，2018年；Zhou等人，2024年）。

表征流道行为对于EGS储层的预测、优化和风险管理至关重要，但由于裂隙流动模式受到多种物理/化学过程的影响，并且在EGS储层的整个生命周期中不断变化，这仍然是一个复杂的挑战。许多实验和数值研究已经量化了流体超压、孔隙弹性过程、热弹性过程以及水-岩反应引起的裂隙开口演变（Kling等人，2018年；Meng等人，2021年；Ogata等人，2018年；Polak等人，2003年；Shu等人，2023年）。注入水在裂隙中产生的流体超压倾向于扩大裂隙开口（Gudmundsson，2001年；Kang等人，2022年），而高压水渗透到岩石基质中则增强了孔隙弹性过程，这倾向于减小开口（Zeng等人，2025年）。这些由流体压力驱动的过程对从注入井到生产井的开口变化具有空间衰减的影响，从而改变了裂隙流动模式。此外，冷流体注入可以引起岩石基质的收缩（热弹性过程），在冷却区域扩大裂隙开口并加剧流道效应（Danko和Bahrami，2012年；Guo等人，2016年）。同时，水-岩反应（包括矿物溶解和沉淀）可以进一步改变裂隙开口分布（Pandey等人，2015年）。最近的模拟表明，常温下的矿物溶解促进了局部流动并产生了分支溶解模式（Jiang等人，2025年）。在一个现实的EGS储层中，上述所有过程共同影响裂隙开口分布的演变，从而影响裂隙流动模式。然而，以往的研究（Guo等人，2016年；Kang等人，2022年；Zeng等人，2025年）往往只关注一两个过程，并忽略其他过程（特别是注入流体与岩石矿物之间的复杂化学反应）以简化模型。

热-水-力-化学（THMC）耦合数值模型对于全面剖析不同过程之间的复杂相互作用并定量表征它们对裂隙开口分布和流道行为的联合影响是不可或缺的。尽管针对EGS储层的THMC耦合模型已经引起了大量研究关注，但其发展仍处于初级阶段（Wang等人，2025年）。Ogata等人（2018年）建立了一个2D THMC框架，成功再现了裂隙流动实验中观察到的水力开口演变，证明了应力控制的矿物溶解在改变水力开口中的关键作用。Zhang等人（2024年）随后开发了一个基于有限体积方法的THMC模型，他们的模拟结果表明，考虑多组分矿物反应得到的生产温度低于单组分模型。然而，这些研究使用的是将裂隙简化为线性特征的2D模型，因此未能捕捉到流体流动模式在裂隙平面上的空间异质性。Rawal和Ghassemi（2014年）进行了3D THMC模拟，以模拟与EGS相关的物理和化学过程。他们发现矿物溶解对开口扩大的贡献大于热弹性过程（Rawal和Ghassemi，2014年）。Salimzadeh和Nick（2019年）提出了一个集成热-水-力-机械和化学过程的双向耦合模型。他们的模拟显示，矿物溶解引起的应力重分布促进了向生产井的优先流动，这阻止了冷流体充分清扫热裂隙表面，从而降低了EGS的整体热提取效率（Salimzadeh和Nick，2019年）。基于这种方法，Song等人（2022年）进一步将离散裂隙网络纳入THMC框架，并定量评估了应力重分布对裂隙开口演变的影响。不幸的是，现有的THMC模型通常假设裂隙表面上的开口分布是均匀的，从而忽略了由开口异质性引起的强烈流道效应（Liu等人，2024年；Tsang和Tsang，1989年）。因此，一个考虑所有相关物理和化学过程以及固有复杂性（如异质开口分布）的3D耦合THMC模型是必要的。这样的模型有助于阐明复杂的流道行为，特别是其动态演变。

本研究的主要目标是全面研究EGS储层中流道行为的动态演变及其对长期热性能的相应影响。特别是，本研究旨在分析流体注入在EGS储层中引起的矿物反应和热弹性过程之间的竞争性相互作用。开发了一个具有空间异质开口分布的3D现场规模单裂隙EGS模型，以模拟与EGS储层热提取相关的复杂THMC耦合过程。进行了一系列热提取模拟，在THMC耦合框架中选择性地排除了热弹性过程和矿物反应，以系统地量化它们对裂隙流道和生产温度的单独和联合影响。此外，还研究了注入温度、注入流体浓度、反应性矿物含量、岩石弹性模量和裂隙刚度的影响。这些发现为储层选择和注入管理策略提供了有根据的指导，以减轻流道效应并提高EGS操作的长期热提取效率。

本文的结构如下。第2节详细介绍了THMC耦合框架的控制方程和验证。第3节介绍了具有空间异质开口分布的3D现场规模单裂隙EGS模型的设置。第4节介绍了热弹性过程和矿物反应对裂隙流道行为和生产温度的单独和联合影响。本节还讨论了这些发现对储层选择和注入管理策略的意义，以及本研究的局限性和未来研究方向。最后，第5节提供了总结和结论。

部分摘录

控制方程

我们开发的模型的新颖之处在于它全面整合了THMC耦合过程，包括控制裂隙开口分布演变的关键物理化学机制。这些物理化学机制包括流体超压、孔隙弹性过程、热弹性过程以及裂隙自由表面的矿物溶解/沉淀过程（图1）。与每个控制方程相关的物理化学机制和假设是

模拟域

我们开发了一个尺寸为3公里×3公里×3公里的3D模型来表示EGS储层（图5a）。模型中心嵌入了一个直径为1公里的水平圆盘形裂隙（图5a），位于地表下约3公里的深度，类似于澳大利亚Cooper盆地Habanero项目的配置（Guo等人，2016年）。注入井和生产井分别在坐标（-250, 0）米和（250, 0）米处与裂隙相交。

结果与讨论

本节研究了在THMC耦合过程下裂隙流道行为的演变。具体来说，我们系统地研究了热弹性过程和矿物反应如何共同调节裂隙开口并改变EGS模型生命周期内的裂隙流动模式。参数研究进一步评估了通过选择储层属性（反应性矿物含量、岩石弹性模量和裂隙刚度）来控制裂隙流动模式的潜力

总结与结论

本研究开发了一个现场规模的单裂隙THMC耦合EGS模型，该模型包含了一个空间异质开口场，以捕捉真实的裂隙复杂性。通过30年的热提取模拟，系统地阐明了热弹性过程和矿物反应对裂隙开口演变、流体流动模式和长期热性能的单独和联合影响。此外，参数研究还探讨了注入

CRediT作者贡献声明

曾凡：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据管理、概念化。吴辉：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、数据管理、概念化。宋国锋：软件、方法论。王宇飞：验证、方法论。季雅安：验证、软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（42372305）、国家重点研发计划（编号2021YFA0716001）以及中国石油公司-北京大学基础研究战略合作项目的支持。