花岗岩作为热能储存材料，在热循环作用下的热物理性质和界面性质演变

《Journal of Energy Storage》：Evolution of thermophysical and interfacial properties of granite as a thermal energy storage material under thermal cycling

花岗岩热循环下热物理与界面特性演化规律及预测模型研究。

　　

黄振江|赵宇|沈明轩|王朝林|党双|赵宇航

贵州大学土木工程学院，中国贵州贵阳，550025

摘要

深层地热系统构成了广阔的地下热储层。然而，在长时间运行条件下，控制储层介质热物理性质和界面特性演变的机制和模式仍不甚明了，这限制了对系统效率和寿命预测的准确性。为了解决这一问题，我们对花岗岩样品进行了系统的热循环实验，实验温度范围为200–600°C，循环次数为5到20次。通过结合核磁共振（NMR）、三维表面扫描、热参数分析和接触角测量，我们全面表征了孔隙结构、热物理性质和润湿性的演变过程。结果表明，当温度超过400°C的临界阈值时，花岗岩的热导率、热扩散率和热储存系数会从逐渐恶化转变为加速恶化。经过20次热循环后，这些性质分别下降了33.91%、26.97%和40.51%。同时，界面性质也发生了显著变化，包括润湿性增强，接触角下降了54.10%，粘附功增加了23.60%。值得注意的是，热物理性质和界面性质的恶化速率在经过五次热循环后出现了明显的拐点。基于观察到的孔隙结构演变，我们开发了一个改进的Lichtenecker模型，该模型考虑了孔隙率和大孔比例的增加，从而能够高精度地预测热导率的变化。此外，本研究还探讨了热物理性质恶化和界面润湿性增加对地热系统热回收效率的综合影响。这些发现为评估和优化深层地热储层的长期性能提供了重要见解。

引言

随着全球能源结构向低碳替代能源的快速转型，建立安全、稳定和可持续的清洁能源供应系统已成为实现碳中和的关键挑战[1]、[2]、[3]、[4]。地热能，特别是深层热干岩（HDR）中的热能，构成了巨大的天然地下热储层[5]、[6]。全球HDR的理论资源量估计约为1.3×10^27焦耳，温度范围为150至650°C[7]、[8]。与太阳能和风能等间歇性可再生能源不同，HDR能够提供连续且可靠的能源输出，不受昼夜或季节性波动的影响，使其成为大规模基荷发电和区域供暖应用的理想选择[9]、[10]。

为了有效利用这种深层热能资源，人们开发了增强型地热系统（EGS）[11]。EGS利用水力压裂和化学刺激等工程技术，在低渗透性、高温的岩层中创建人工裂缝网络，从而激活原本无法获取的HDR资源并实现高效的热提取[12]、[13]、[14]。在运行过程中，低温流体被注入人工裂缝网络，在热岩基质中循环，吸收热能，随后返回地面使用[15]、[16]。因此，EGS的长期性能从根本上取决于两个关键物理过程：岩基质内的热传导（受储层岩石热物理性质控制）和岩-流体界面的热传递（受裂缝表面界面特性控制）[17]、[18]。

在EGS的数十年设计寿命中，由于注入-生产操作和电网调峰需求，储层岩石不可避免地会经历反复的热循环[19]、[20]。迄今为止，已有大量研究致力于了解岩石在这种热循环下的物理力学性质演变。随着温度范围和循环次数的增加，观察到岩石性质的系统性退化，包括质量损失、波速降低、单轴抗压强度、弹性模量和剪切强度下降，以及孔隙率和渗透率增加[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。潜在的损伤机制涉及多个尺度：在微观尺度上，石英相变引起的矿物颗粒界面解离、长石溶解和云母脱水[30]、[31]、[32]、[33]；在中观尺度上，微裂纹的聚合和热应力集中[34]；在宏观尺度上，物理力学性能的整体恶化[35]。先进的表征技术进一步阐明了这些多尺度损伤机制。例如，Gui等人[36]利用声发射分析揭示了循环次数增加时岩石破坏模式的变化。Mo等人[37]应用热重-傅里叶变换红外光谱技术研究了加热和冷却循环过程中矿物模量和硬度的变化。Ning等人[38]使用NMR量化了孔隙结构演变。Guo等人[39]结合计算机断层扫描（CT）和扫描电子显微镜（SEM）观察了热裂纹从表面向内部的逐渐扩展。然而，现有研究主要集中在热循环对岩石宏观力学性质和微观断裂行为的影响上，而对重复热加载下关键热物理参数和岩-流体界面性质演变的研究不足。这些因素对于确定系统的热回收能力至关重要。因此，目前对EGS长期运行过程中热提取效率恶化的理解仍然有限，从而影响了对储层寿命和能源生产效率预测的准确性。

基于上述分析，虽然岩石体的机械稳定性是一个关键问题，但同样迫切需要扩展研究重点，以了解热循环下花岗岩热物理性质和界面性质演变模式及其潜在机制。从热存储材料性能演变的角度出发，本研究旨在探讨花岗岩在不同温度（200°C、400°C、600°C）和不同循环次数（5次、10次、15次、20次）下关键热物理和界面参数的变化。我们将采用一系列分析技术，包括NMR、三维表面扫描和电子显微镜，来建立微观结构演变与宏观性能退化之间的联系，并开发一个考虑孔隙结构变化的热导率预测模型。此外，本研究还探讨了退化的热物理性质和增强的润湿性对EGS热提取效率的相互影响，旨在为HDR资源的高效和可持续利用提供重要的理论和实验基础。

材料

样品来自中国湖南省平江县的一个地热场。其基本物理参数通过实验确定如下：密度在2.62至2.66 g/cm3之间，纵波速度在3080至3220 m/s之间，孔隙率在0.35%至0.38%之间。如图1所示，室温下花岗岩的主要矿物成分包括石英（29.8%）、长石（32.4%）、斜长石（25.3%）和黑云母（12.5%）。

热传输性质

岩石的热传输性质由热导率（k）和热扩散率（λ）决定，这两个参数分别表征了材料的导热能力和对温度变化的响应能力。在完整的岩石中，热量主要通过矿物晶体之间的直接颗粒接触进行固相传导。裂缝的形成破坏了这种传导连续性，显著降低了热传输效率。

结合孔隙结构效应的热导率模型

岩石的热传导行为受多种因素影响，包括矿物组成、孔隙率、孔隙结构和温度梯度[44]。在各种可用的模型中，Lichtenecker模型是最常用的常规热导率估算模型之一。该模型通过考虑岩石矿物基质和孔隙填充介质之间的热导率加权组合，提供了估算体积热导率的表达式

结论

本研究以花岗岩作为代表性的热存储介质，系统地在不同温度水平和不同热循环次数下进行实验研究，以模拟EGS长期运行期间的热循环条件。通过结合多种先进技术，包括NMR、三维表面地形扫描、热物理参数分析和接触角测量，研究了演变模式及其潜在机制

CRediT作者贡献声明

黄振江：撰写——初稿、验证、正式分析、数据管理。赵宇：资源获取、项目管理、研究。沈明轩：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、方法论、研究、资金获取。王朝林：资金获取、概念构思。党双：资源获取。赵宇航：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52564014、52268022、42567025、52264006）、贵州大学专项研究基金（项目编号202412）、重庆交通大学山地桥梁与隧道工程国家重点实验室（SKLBT-2310）、贵州省科学技术基金（编号GCC[2022]005-1）和贵州省基础研究计划（QKHJC [2024] Youth165）的支持。