《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Shear wear effect on cross-fracture: coupled seepage and heat transfer evolution and prediction of unstable slip risk in geothermal reservoirs
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复杂交叉裂缝渗流与热传递耦合机制研究。通过人工交叉裂缝花岗岩试样的恒定法向应力剪切试验与三维多物理场模拟，揭示剪切强度演化、渗流特性及热传递效率的动态耦合规律。研究发现：剪切过程呈现弹性变形、应变软化与残余强度三阶段特征，高粗糙度裂缝增强抗剪能力的同时引发显著应力异质性。裂缝交汇几何形态调控流体分布与岩石力学响应，渗透率演化由粗糙度、剪切膨胀角及交叉点压降共同决定。提出融合剪切膨胀角、温度黏度效应及交叉点压降修正的渗透率反演模型，并定义几何感知型热传递增强系数。研究成果为地热系统储层设计提供理论支撑，指出高密度近正交交叉裂缝体系可优化热提取效率，而狭窄小体积裂缝交汇区易引发剪切滑移风险。
Bowen Han|Shuhong Wang|Shiyu Li|Weiyi Wang|Ze Zhang
东北大学资源与土木工程学院，沈阳，110819，中国
摘要
本研究阐明了增强型地热系统（EGS）中跨裂缝渗流与热传递的复杂耦合机制。通过对人工制造的多裂缝花岗岩样品进行恒定正应力剪切试验和三维多物理场模拟，系统地研究了剪切强度、流动特性及热传递模式的演变过程。实验结果表明，剪切过程分为三个明显阶段：线性弹性变形、应变软化以及残余强度。虽然裂缝的高粗糙度系数增强了剪切阻力，但也导致了显著的应力不均匀性。裂缝交叉处的几何形状控制了流体的分布以及岩石基体的力学响应，而渗透率的演变同时受到粗糙度和剪切膨胀的影响。因此，本文提出了一种渗透率反演模型，该模型考虑了剪切膨胀角、温度-粘度效应以及交叉点压力损失修正。此外，还定义了一个热传递增强系数来量化跨裂缝内的热效率。这些发现为EGS水库的设计提供了重要的理论基础，建议工程设计应优先考虑高密度、近乎正交的裂缝网络，以优化热提取效果，并避免狭窄的小体积裂缝带来的剪切滑移风险。
引言
地热能是一种稳定、自然产生的可再生资源。1目前，深层地热资源的开采主要依赖于增强型地热系统（EGS）。2EGS的核心技术是水力刺激——通过注入流体来激活结晶岩中的现有裂缝，从而增强渗透率。3然而，天然裂缝具有复杂的几何形状和非线性的力学行为，尤其是在跨裂缝网络中。4
由于这些裂缝的几何复杂性以及对扰动的敏感性，对其进行原位表征非常具有挑战性，这阻碍了获取粗糙度、裂缝开口以及交叉点空间拓扑等关键参数的准确性。5天然裂缝通常表现为盲裂缝、微裂缝或部分交叉的网络6，其水力连通性有限，因此在未经干预的情况下不适合商业开采。尽管水力刺激对于连接这些裂缝至关重要7,8但相关机制主要由沿现有界面的剪切滑移主导，而非新拉伸裂缝的生成。9,10关键的是，“剪切磨损”这一力学过程——即在位移过程中不规则表面的不可逆磨损和犁削——从根本上改变了裂缝交叉处的开口分布和接触拓扑。这种几何演变决定了后续的流体路径和对流热传递效率。因此，无法完全描述这些动态变化严重限制了岩石体剪切强度、渗流行为和热传递效率的预测，从而增加了大型工程项目中的风险缓解难度。
目前的研究主要集中在单一裂缝或简单的节理岩石体上，存在三个主要局限性。首先，力学行为常常被简化；大多数模型忽略了裂缝交叉处的几何相互作用效应，将剪切强度简化为正应力的线性函数。11其次，传统的立方定律未能考虑交叉点的压力损失和动态剪切开口演变，导致渗透率被高估12, 13, 14。第三，对异质性和边界条件效应的考虑不足，节理连通性会导致应力场分布的不均匀性15,16。由于裂缝交叉点是裂缝网络的关键组成部分17，它们显著影响热交换，因此已有许多研究对其流动和热行为进行了探讨。例如，Wu等人18分析了光滑交叉裂缝中的非线性流动，而Lu等人和Xie等人19、20使用光滑板模型和3D打印复制品研究了开口、交叉角和流速对热传递和流体竞争的影响。
然而，光滑平行板模型存在显著的计算误差，因此需要研究粗糙裂缝。关于粗糙裂缝的研究已经明确了开口异质性和接触面积在流体流动中的主导作用。最近对受应力作用下的交叉粗糙裂缝的研究揭示了更复杂的行为；Li等人21, 22, 23表明表面粗糙度会重新分配裂缝分支间的流体，而Karimzade等人24指出交叉几何形状对流动具有异质性控制作用。尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键问题：大多数研究将裂缝几何形状视为静态的，或采用简化的剪切位移模型，而没有考虑表面拓扑的渐进性磨损演变。剪切损伤、不规则表面退化以及由此引起的局部开口分布变化之间的实时反馈尚未得到充分量化，尤其是在跨裂缝的关键交叉点处。
虽然已有研究记录了机械过程对单一粗糙裂缝中渗流和热传递的影响25,26，并且最近也有尝试将力学与传输过程联系起来——如动态热传递系数27,28和剪切依赖的热分析29, 31——但这些模型无法直接应用于跨裂缝网络。仍存在两个根本性限制。首先，现有的单一裂缝模型忽略了交叉点处的重要水力和力学相互作用，那里会发生流体分流和局部压力损失。其次，缺乏基于物理的模型来预测剪切过程中渗透率和热传递的连续演变——这一过程受到磨损、膨胀和接触改变的共同影响。这些限制阻碍了预测EGS水库在长期运行中的瞬态性能和稳定性的能力。
为了填补这些空白，本研究结合实验力学和三维多物理场数值模拟，定量研究了粗糙裂缝中剪切强度、渗流和热传递的耦合演变。人工制造的多裂缝花岗岩样品接受了恒定正应力剪切试验，并结合了固体力学、流体流动和热传递的高保真模拟。研究特别关注交叉区域的动态、反馈驱动过程。主要创新包括：（1）一个与不规则表面损伤相关的剪切刚度衰减模型，阐明了不稳定性机制；（2）一个新的跨裂缝渗透率反演模型，该模型考虑了剪切膨胀、实时接触演变、温度依赖的粘度以及交叉点压力损失的影响；（3）一个考虑几何形状的热传递增强系数，用于量化跨裂缝系统的效率。通过建立这一综合框架，本研究旨在为EGS水库的设计提供坚实的理论基础。
样本制备
天然裂缝是岩石体的固有特征。然而，目前尚缺乏能够准确表征天然交叉裂缝原位几何形状的无损技术。32因此，本研究采用了巴西分裂法人工生成了交叉的粗糙裂缝。实验使用的花岗岩采自中国松辽盆地北部。
几何模型的建立
为了减少边界效应，计算域被限制在裂缝表面的中心90 × 90 mm2区域内（坐标范围：5–95 mm），有效地排除了计算中的5 mm周边边缘。通过3D扫描获得的原始点云数据在导入COMSOL Multiphysics之前经过了噪声处理。然后使用参数化表面重建了跨裂缝的几何形状，如图5所示。
剪切刚度演变对稳定性的影响
图9显示了在不同损伤系数（λ）下，归一化剪切刚度（剪切刚度除以初始刚度）随剪切位移的衰减情况。所有情况都表现出特征性的指数衰减。高损伤条件（λ ≥ 0.8）使衰减速率比低损伤条件（λ ≤ 0.2）快约300%，证实了λ是主导控制参数。在低损伤条件和5 MPa的正应力下，刚度比
结论
本研究通过实验室样品制备、恒定正应力剪切试验和三维数值模拟，系统研究了垂直交叉花岗岩裂缝在剪切作用下的力学响应、渗流演变和热传递特性。开发了高精度的磨损、渗透率和刚度预测模型，为岩石体稳定性的评估和地热资源的开发提供了理论支持。
CRediT作者贡献声明
Bowen Han：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件开发，形式分析，数据管理。Shuhong Wang：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，方法论研究，资金获取。Shiyu Li：监督，方法论研究，实验设计。Weiyi Wang：软件开发，实验设计，形式分析。Ze Zhang：撰写 – 审稿与编辑，可视化，软件开发，资金获取，数据管理。
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的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U1602232）、辽宁省科技计划项目（项目编号：2024021200-JH2/1021）、中央高校基本科研业务费（项目编号：N2301005和N2301006）以及南京理工大学2024年战略性前沿科技项目（项目编号：DC2400003370）的支持。
