热沉积含水层和增强型地热系统中的渗透性演变与热传递：来自耦合DFN-THM建模的见解

本研究开发了离散裂缝网络（DFN）耦合热-水-力学（THM）模型，对比了热沉积含水层（HSA）与增强地热系统（EGS）在应力、孔隙压及裂缝密度变化下的热传导效率与力学响应差异，揭示HSA因高密度裂缝和渗透性基质实现更优热提取，而EGS受应力-温度敏感性显著影响，需针对性优化注采策略与储层管理。

　　

马月强|李颖|甘全

中国重庆煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室

摘要

热沉积含水层（HSA）和增强型地热系统（EGS）是两种具有不同地质和力学特性的重要的地热资源。了解它们的渗透率演变和热传递行为对于评估储层性能和指导工程设计至关重要。在这项研究中，我们开发了一个离散裂缝网络（DFN）模型，并结合了热-水-力学（THM）过程，以研究在不同应力状态、孔隙压力、裂缝密度、储层温度和固有渗透率下HSA和EGS的对比响应。结果表明，裂缝开口的演变最初主要受正常闭合控制，而当应力达到库仑破坏准则时，剪切膨胀变得显著。与EGS相比，HSA中较高的裂缝密度导致更大的累积开口和更高的热提取效率。定量分析表明，裂缝密度强烈控制着热传播，存在一个临界范围，在该范围内热传递效率迅速增加。储层温度和渗透率进一步调节裂缝敏感性，EGS表现出比HSA更大的应力依赖性和温度依赖性变化。这些发现突显了HSA和EGS在流体-热-力学耦合方面的根本差异。这些见解为地热能开发提供了实际意义，包括优化井位布置、裂缝刺激策略和储层管理，以提高长期可持续性。

引言

地热能越来越被认为是实现全球碳中和目标的可靠和可持续资源（Liu等人，2024年）。在地热系统中，热沉积含水层（HSA）和增强型地热系统（EGS）代表了两种具有根本不同地质框架的主要开发途径。HSA通常是浅层、多孔且具有渗透性的储层，适用于直接利用的加热应用（Hamlehdar等人，2024年），而EGS则针对需要刺激来提高渗透性的深层结晶岩（Magaji等人，2025年）。尽管存在这些差异，这两种系统都面临着一个核心挑战：它们的长期性能受控于耦合的热-水-力学（THM）过程，这些过程决定了裂缝演变、流体流动和热回收（Zhang和Wu，2025年）。

在地热资源开发中，准确的建模在理解储层行为、优化热提取和确保长期可持续性方面起着关键作用（Jiang等人，2025年；White等人，2024年）。地热资源的利用涉及热、水力和力学过程之间的强烈耦合（Singh等人，2025年）。流体流动改变了孔隙压力和有效应力，重新分配了裂缝中的载荷，导致正常闭合或膨胀。同时，冷水注入会产生显著的热弹性应力变化，可能触发剪切滑移，从而导致渗透率迅速提高——或者相反，导致机械不稳定（Zhang等人，2021年）。这些非线性反馈动态演变，并控制着长期储层行为，使得解耦或纯水力模型不够充分（Stefansson等人，2021年）。

在地热储层建模中，离散裂缝网络（DFN）模型传统上被用来明确表示裂缝几何形状、连通性和开口演变（He等人，2025年；Mahmoodpour等人，2022年）。然而，DFN模型在模拟大规模、异质储层时计算成本较高，因为需要离散化单个裂缝（Zhang等人，2024年）。另一方面，连续介质模型将裂缝网络视为有效的各向异性介质，简化了裂缝网络的表示，但可能过度简化了关键的裂缝尺度相互作用，如温度引起的渗透率变化和裂缝膨胀（Rostami等人，2023年）。为了解决这些挑战，我们将DFN方法与等效的连续介质模型结合起来，利用了两种方法的优势。DFN-连续介质耦合方法将裂缝建模为各向异性多孔介质，显著降低了计算复杂性，同时保持了模拟关键THM相互作用的能力（Gan和Elsworth，2016年）。这种混合方法允许对以裂缝为主的储层进行大规模模拟，同时准确捕捉重要的裂缝尺度现象，如应力依赖性渗透率、剪切膨胀和温度引起的开口变化。通过将裂缝网络视为连续介质，我们可以高效地模拟HSA和EGS储层，确保计算效率而不牺牲模型精度。

HSA和EGS在地质上存在根本差异，这些差异显著影响了它们的热、水力和力学行为。HSA通常具有较高的裂缝密度、连通性良好的裂缝网络和中等基质渗透率，这有利于连续的流体流动和相对稳定的热传递（Comerford等人，2018年）。这些特性使得在浅至中等深度的储层中能够高效提取热量，天然裂缝促进了有效的热循环和储存。相比之下，EGS涉及深层结晶岩，其基质渗透率低且裂缝网络稀疏（Kneafsey等人，2025年）。EGS中的裂缝通常是孤立的，需要人工刺激来提高渗透率，使得流体流动更加局部化且对热应力敏感（Li等人，2019年；Zhang和Wu，2025年）。因此，EGS系统的特点是裂缝对应力高度敏感，热提取经常受到快速热突破和机械不稳定性的影响。下表1总结了HSA和EGS之间的关键差异（Buijze等人，2019年；Cottrell等人，2023年；Kivi，无日期；Leveille和Zoback，2025年）。

这些裂缝网络特性的差异——HSA中密集且连通性良好的裂缝与EGS中稀疏且对应力敏感的裂缝——在储层建模和热提取中带来了独特的挑战。HSA表现出更连续的热传播，而EGS需要有效的裂缝刺激和仔细管理热弹性效应，以维持长期的热回收。

模拟HSA和EGS在耦合THM过程中的行为面临几个重大挑战。主要难点在于裂缝网络的异质性和热、水力、力学过程之间的复杂耦合。对于HSA，密集的裂缝网络和中等渗透率要求准确表示裂缝和周围基质中的流体流动（Liu等人，2025年）。相比之下，对于EGS，较低的裂缝密度和应力敏感的裂缝需要一个能够捕捉局部剪切膨胀、由于热应力引起的渗透率变化的模型（Lei等人，2021年；Rutqvist，2015年），以及裂缝刺激的复杂性。流体注入、裂缝行为和热变化之间的非线性反馈特别难以模拟，除非使用一个能够考虑这些相互作用的集成模型。此外，由于DFN模型中的裂缝网络离散化，HSA和EGS储层的大规模模拟计算成本较高。因此，需要采用混合建模方法，如DFN-连续介质耦合方法，以平衡模型精度和计算效率。

尽管在地热储层建模方面取得了显著进展，但在HSA和EGS方面仍存在几个关键的研究空白。一个主要空白是缺乏综合考虑HSA和EGS系统中裂缝网络特性和基质行为的综合模型。虽然现有研究大多集中在HSA或EGS上，但很少有研究使用统一的建模框架同时考虑这两个系统。这限制了在一致条件和操作场景下比较两个系统的THM演变的能力，从而阻碍了我们对它们相对性能和优化潜力的理解。

另一个关键空白涉及裂缝密度与热性能之间的定量关系。虽然长期以来人们认识到裂缝密度和应力敏感性是影响热传递的重要因素，但这些因素如何影响热传递和热回收的具体机制尚不清楚。这种理解的缺乏，特别是在不同地热系统的背景下，阻碍了开发更有效的地热资源管理策略，以考虑不同储层类型中裂缝网络特性的变化（De Dreuzy等人，2002年；Liu等人，2025年）。

最后，仍然需要集成地热优化模型，将THM过程的数值模拟与地热资源管理中的实际决策联系起来。虽然基于模拟的模型已经发展成熟，但在将这些模型应用于实际操作场景（如井位布置、裂缝刺激和热突破缓解）方面仍存在差距（Gan和Elsworth，2016年；Liu等人，2024年）。弥合这一差距将使数据驱动的决策成为可能，从而提高长期储层性能和地热能提取效率。

本研究旨在通过使用统一的DFN-连续介质模型来解决这些空白，该模型捕捉了HSA和EGS系统中的关键THM相互作用，促进了两者之间的全面比较。通过研究裂缝密度与热性能之间的关系，这项工作为评估地热系统设计和操作策略提供了定量框架，为可持续地热能提取提供了新的见解，并有助于更有效和高效地利用地热资源。

部分摘录

模型框架

在这项研究中，我们采用了Gan和Elsworth（2016年）开发的基于连续介质的方法，该方法通过等效的连续介质公式将离散裂缝网络（DFN）中的应力和流体流动耦合起来。该框架允许将裂隙岩体表示为各向异性介质，通过将裂缝属性嵌入连续介质本构关系中来实现。该模型扩展到包括热-水-力学（THM）过程，从而可以直接比较热沉积含水层

结果与讨论

耦合的DFN-THM模拟提供了对不同地质和操作因素如何控制地热储层中裂缝开口、渗透率演变和热传递的全面评估。系统地研究了五个关键影响因素：（i）原位应力，它控制着裂缝的正常闭合和剪切膨胀之间的平衡；（ii）孔隙压力，它改变了有效应力并直接改变了裂缝开口；（iii）裂缝密度，它决定了

局限性

尽管这项研究使用统一的DFN-THM框架提供了关于HSA和EGS的热-水-力学（THM）行为的宝贵见解，但仍有一些局限性需要考虑。首先，该研究假设HSA和EGS系统的岩石属性完全相同，这可能无法完全捕捉沉积岩与结晶岩在力学属性上的差异。虽然裂缝密度、渗透率和其他储层属性有所变化，但

结论

本研究应用了耦合的DFN-THM建模框架，以在一致的数值设置下比较热沉积含水层（HSA）和增强型地热系统（EGS）的热-水-力学响应。结果表明，这两种系统都经历了由应力引起的裂缝闭合和剪切膨胀，但EGS表现出更强的应力和温度敏感性，而HSA则受益于更高的裂缝密度和更透水的基质。

在这个统一的框架内，

作者贡献声明

马月强：撰写——原始草稿、验证、方法论。李颖：撰写——审阅与编辑、数据管理。甘全：撰写——审阅与编辑、软件、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42307201）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-MSX0433）以及煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室独立项目（项目编号：2011DA105287-MS202507）的支持。