《干热岩地热开采多场耦合基础研究》以干热岩增强型地热系统(EGS)为研究对象，系统介绍干热岩地热开发过程中热储内部的多场耦合机理、热储特征动态变化机制、参数影响规律、现场应用等方面的理论基础与*新研究成果；重点介绍干热岩开发的多场耦合过程、水岩作用下裂缝形态演变的热-流-化-变形多场耦合模型、热-流-化-变形多场耦合下EGS裂缝形态演变机制、热-流-固多场耦合下裂缝损伤特征试验研究、热-流-固多场耦合下裂缝导流能力演化数值分析、干热岩EGS注采热-流-固-化多场全耦合模型、多场耦合下地热取热性能评价与优化等内容。

目录
前言
第1章 干热岩开发多场耦合过程 1
1.1 绪论 1
1.2 EGS取热过程多场耦合作用概述 3
1.3 热-流-化多场耦合机理 4
1.4 热-流-固多场耦合机理 5
1.5 热-流-固-化多场耦合机理 5
第2章 水岩作用下裂缝形态演变热-流-化-变形多场耦合模型 7
2.1 高温高压花岗岩水岩作用实验 7
2.1.1 实验装置及实验原理 7
2.1.2 实验样品与实验方案 9
2.1.3 不同反应条件下溶液离子浓度变化规律 11
2.2 多矿物组分水岩作用机制 16
2.2.1 储层中水岩作用的化学反应方程式 16
2.2.2 矿物反应动力学计算原理及参数修正 17
2.3 干热岩裂缝尺度热-流-化-变形多场耦合模型 20
2.3.1 模型假设 20
2.3.2 干热岩裂缝热-流-化-变形数学模型 21
2.3.3 几何模型 25
2.3.4 初始条件与边界条件 26
2.3.5 多矿物组分水岩作用影响对比 27
第3章 热-流-化-变形多场耦合下EGS裂缝形态演变机制 28
3.1 裂缝内各场的分布特征 28
3.1.1 温度分布特征 28
3.1.2 速度分布特征 29
3.1.3 浓度分布特征 29
3.1.4 裂缝面上各矿物的反应速率分布特征 32
3.1.5 裂缝开度变化特征 34
3.2 注采参数对裂缝面变形的影响 35
3.2.1 注入流速对裂缝面变形的影响 35
3.2.2 注入温度对裂缝面变形的影响 38
3.2.3 注入浓度对裂缝面变形的影响 41
3.3 裂缝几何形态对裂缝变形的影响 43
3.3.1 不同裂缝几何形态裂缝面变形特征对比 43
3.3.2 裂缝面几何参数对裂缝面变形的影响 46
3.4 水岩作用下干热岩裂缝开度演变方程 48
第4章 热-流-固多场耦合下裂缝损伤特征试验研究 52
4.1 试验设备与试验材料 52
4.1.1 试验系统及测试装置 52
4.1.2 花岗岩原石及试样制备 56
4.2 试验方案与流程设计 61
4.2.1 高温高压注采试验 61
4.2.2 裂缝面冷水冷却试验 63
4.2.3 导流能力测试试验 64
4.3 注采与冷却试验特征分析 67
4.3.1 裂缝面形变特征分析 67
4.3.2 裂缝面损伤特征评价 76
4.4 导流能力试验结果分析 79
4.4.1 试验结果评价指标 79
4.4.2 天然裂缝导流能力演化特征 80
4.4.3 人造裂缝导流能力演化特征 86
4.4.4 弹性变形-损伤协同作用机制分析 89
4.4.5 多参数下协同作用效果评价 91
第5章 热-流-固多场耦合下裂缝导流能力演化数值分析 95
5.1 热-流-固多场耦合机理 95
5.1.1 数学控制方程与假设 95
5.1.2 多场多过程求解流程 101
5.2 模型工具描述与验证 102
5.2.1 几何数值模型 102
5.2.2 初始条件和边界条件 103
5.2.3 多场耦合验证 104
5.3 损伤影响下导流能力演化机制 111
5.3.1 损伤演化特征 111
5.3.2 损伤作用效果 114
5.4 关键参数对损伤影响规律 118
5.4.1 基质初始温度影响规律 118
5.4.2 注入流量影响规律 121
5.4.3 储层地应力差影响规律 123
第6章 干热岩EGS注采热-流-固-化多场全耦合模型 126
6.1 裂缝型岩心高温注采取热试验 126
6.1.1 试验原理 126
6.1.2 试验方案 128
6.1.3 岩心加温过程流动传热特性 130
6.1.4 试验前后岩心裂缝等效水力开度分析 133
6.2 EGS注采热-流-固-化多场全耦合模型 135
6.2.1 模型建立 135
6.2.2 模型求解 143
6.2.3 不同多场耦合模型产能特征对比 151
6.3 EGS注采四场作用下热储特征分析 152
6.3.1 取热过程热储特征分布 152
6.3.2 不同模型裂缝开度对比 157
6.4 多场耦合作用强度评价 162
6.4.1 多场作用程度评价指标 162
6.4.2 力-化效应比 163
6.4.3 热弹-孔弹效应比 165
6.4.4 孔弹、热弹与化学效应贡献比 166
第7章 多场耦合下地热取热性能评价与优化 170
7.1 青海共和EGS示范场地取热性能评价 170
7.1.1 取热性能评价指标 170
7.1.2 青海共和EGS示范场地热储模型 171
7.1.3 青海共和EGS示范场地热储取热评价 173
7.1.4 工艺参数对取热性能的影响 174
7.2 取热性能多目标优化决策一体化方法 181
7.2.1 取热指标间的矛盾性 181
7.2.2 方法原理 182
7.2.3 干热岩取热性能优化 191
7.2.4 优化方法对比 199
参考文献 205

第1章 干热岩开发多场耦合过程
　　世界能源危机与环境问题日益严峻，各国政府注重提高传统能源能效的同时，把新能源技术作为战略突破口，全球正向“新能源时代”逐渐转型。2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上的讲话中提出，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。国家“十四五”规划明确指出“推进能源革命、建设清洁低碳、安全高效的能源体系”，因此大力发展可再生能源，是实现“双碳”目标的必然选择，是我国能源结构转型的必经之路[2]。
　　按照成因、温度、埋深和开发利用方式，地热资源可以分为浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩型地热资源[3]。干热岩属于高温地热资源[2， 4]。我国干热岩地热资源量极为丰富，达2.52×1025J，约占世界干热岩地热资源量的1/6[5-7]。埋深位于5km内的干热岩资源折合约1.50×1014tce(吨标准煤)[8]，按照2资源量开采，是2022年我国能源消耗的35000倍，可贡献碳中和减排目标的17.7%，开发潜力巨大，具有广阔的发电前景，有望优化我国能源结构、节能减排、改善环境[2]。
　　1.1 绪论
　　针对干热岩的赋存特点，目前公认增强型地热系统(EGS)是实现干热岩开采的主要手段。该技术*早由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室提出[7， 9， 10]，其原理如图1.1所示。EGS是指在实际生产前，通过钻井沟通地面和地下储层；采用热刺激、化学刺激或水力压裂的方法在储层内部形成具有良好流动通道的储层；在储层内部注入取热工质进行流动取热；取出的热量在地面进行发电和供暖应用[11]。从1974年*个EGS示范工程至今[12， 13]，美国、英国、法国、德国、日本、澳大利亚等发达国家累计实施了60余项EGS工程[14]，包括美国芬顿山(Fenton Hill)[15]、英国Rosemanowes[16]、法国苏茨(Soultz)[17]、德国Landu[13]、日本Hijiori[18]和雄胜(Ogachi)[19]、澳大利亚库珀盆地(Cooper Basin)[18]和Paralana项目等[20-23]，其中仍在运行和在建的EGS项目有29个[14]，法国Soultz是目前公认的商业化运行*成功的EGS工程[23， 24]。
　　然而干热岩本身特有的高温、高硬度、高应力和高致密的特征，导致EGS工程面临着钻探成本高、开发寿命短、取热效率低、经济效益差、地层和环境风险高等问题，多数EGS工程被迫终止，仅法国Soultz实现商业化应用[23]。美国能源部2015年开始分阶段资助“干热岩地热能前沿瞭望台研究计划”(Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy，FORGE)[5， 25]，通过建立新一代EGS地下试验平台，开展干热岩表征、钻探、改造、开发、测试等新技术研究，可降低开发风险、促进EGS商业化，形成示范引领，提供EGS商业规模开发的可复制道路。我国高温干热岩开发仍处于起步阶段[2， 26]，自2012年开始，在国家高技术研究发展计划、国家重点研发计划和国家自然科学基金委员会重大项目等资助下，正在逐渐建成青海共和盆地干热岩勘查与试验开发示范基地，需要深入研究EGS开发关键基础理论，探索热储特征演变特征、实现取热性能优化，为我国*个EGS示范基地建设提供理论和方法支撑，加快干热岩安全、经济、高效开发的进程。
　　深部干热岩处于高温、高压、高地应力和复杂的水化环境，循环流体在EGS中的循环流动换热受温度、压力、应力、化学反应控制[27]，裂缝与基岩发生流量、热量、组分等通量传递，伴随着温度差、压力波动、应力变形、浓度变化等现象，涉及流体力学、传热学、固体力学、地球化学等多学科，因此EGS循环取热是典型的多物理场耦合过程[28]。然而现有模型难以刻画裂缝中发生的复杂热-流-固-化多物理场耦合现象，尚未揭示四场全耦合下热储与裂缝特征的演变机制，无法定量多场耦合效应与物理化学场的作用强度，热储高效可持续利用面临挑战。同时，EGS取热过程涉及的多场耦合参数多、优化目标多、约束多，传统的取热性能优化以单一目标为主，难以同时优化多个取热性能指标，未能实现全局优化，造成注采参数不合理，亟须改进取热优化方法，考虑地质与工程参数约束后，均衡优化取热效率、开采寿命等，为现场地热开发提供有效注采方案[29，30]。取热过程多场耦合机制不清晰，裂缝特征演变难判断、取热规律难预测、取热性能难优化，这是地热循环热短路、运行寿命短、取热效率低、经济效益差的重要原因，无法实现EGS工程的经济高效开发利用，迫使EGS工程被迫终止或废弃。美国Fenton Hill项目试采75d，生产温度降达90℃[31]；日本Hijiori项目试采出口温度由163℃骤降至100℃[32]，不到一年出现热突破[5]，项目被迫终止。
　　针对上述EGS开发过程面临的多场耦合机制复杂、取热性能难优化的难题，笔者采用理论分析、室内试验和数值模拟的方法，详细揭示了EGS开发过程中热储内的多场耦合机制，阐明了热储裂缝演变特征，分析了取热性能变化规律，提出了地热开采取热性能多目标优化决策一体化方法，实现了EGS工程取热性能优化，为干热岩的经济高效开发利用提供理论与方法支撑。
　　1.2 EGS取热过程多场耦合作用概述
　　地热系统的循环取热过程实际上是一个多场耦合过程。由注入井注入相对“低温”的工质，其与储层换热后，再由生产井产出热流体，改变了原有的温度场、流动场、应力场及化学场，伴随着各场之间的耦合作用，需要深入理解温度场-流动场-应力场-化学场(thermal-hydraulic-mechanical-chemical，THMC)四场耦合机制[27， 33， 34]。
　　图1.2是EGS系统中单裂缝的多场耦合过程。裂缝是多场耦合的关键空间，涉及流体流动、换热、组分输运、应力变形和化学反应过程。低温流体从左侧注入，高温流体从右侧产出，这是流动过程。流体流经裂缝时从热岩基质吸收热量，并且携带热量与溶质向下游流动，这是热对流与组分输运过程。裂缝流体压力的变化使岩心的有效应力发生变化，进而改变裂缝开度，发生孔弹变形，这是孔隙弹性效应[35]。裂缝及基岩的温度变化会造成储层中的热应力变化，使基岩空间发生收缩与裂缝空间逐渐增大，发生热弹变形，这就是热弹效应[35]。如果循环工质中反应浓度、组分浓度是不平衡的，将会发生水岩作用，这是化学反应过程。岩石表面的矿物溶解将会使裂缝开度增加，然而矿物沉淀将会使裂缝开度降低，这是化学反应造成的裂缝变形。以上为干热岩EGS取热过程中发生的多场行为。
　　EGS取热过程中多场耦合关系复杂，根据目前学者对各耦合过程的认识和研究，可以将其多场耦合关系分解为热-流-化(thermal-hydraulic-chemical， THC)多场耦合和热-流-固(thermal-hydraulic-mechanical， THM)多场耦合，然后结合化学反应和固体力学对流动取热通道的作用效应，*终揭示其热-流-固-化(THMC)多场耦合机制。
　　1.3 热-流-化多场耦合机理
　　不同过程通过温度、流速、浓度、裂缝形态和化学反应常数等参数之间的反馈机制而相互耦合[36]。裂缝作为EGS的主要流动换热通道，其形态和结构的变化对系统取热性能影响重大。储层内部的流动、换热和化学反应直接或间接地影响裂缝形态，其中矿物的溶解和沉淀直接改变裂缝形态，而流动和传热过程则通过影响化学场间接改变裂缝形态。例如，裂缝内流体的流动会影响溶质运移和换热过程，进而影响裂缝内部的温度和浓度分布，以及化学反应；同时裂缝内部的换热会影响其温度分布，打破储层内部的化学平衡，促使化学反应的发生。因此，储层内部的各个耦合过程是相互关联的，探究热-流-化多场耦合下的水岩作用对裂缝形态演变的作用机制具有重要意义(图1.3)。
　　1.4 热-流-固多场耦合机理
　　流体流动、传热和应力演变通过压力、速度、温度、损伤因子和裂缝开度等变量实现实时传输与耦合(图1.4)。其中，损伤演化起“桥梁”沟通作用：①损伤发生会改变岩石热物理性质，温度场演化引起的热应力是岩石损伤的主要原因之一；②应力与岩石力学物性的大小是判断岩石是否破坏的依据，损伤的发生会影响岩石力学性能；③损伤会改变裂缝导流能力，进而影响渗流场，渗流场通过影响温度场和应力场反作用于损伤。[佳姬2]各物理场间的耦合关系将在热-流-固-化多场耦合关系中进行详细阐述，在此不再赘述。
　　1.5 热-流-固-化多场耦合机理
　　流体流动、传热、组分输运、应力变形与化学反应之间的变量实时传输(图1.5)，包括流体压力、流速、温度、溶质浓度和裂缝开度。各变量的传输过程与不同物理、化学场的控制方程保持一致。裂缝开度是关键的耦合点，直接影响裂缝导流，从而改变流场分布。流速变化影响了热对流、溶质对流扩散与有效应力分布，温度、浓度与应力将随着流场发生变化。反过来，温度变化造成热应力变形，浓度变化影响溶解/沉淀过程，进而改变裂缝开度，应力变化造成裂缝变形，因此温度场、化学场和应力场反过来影响了裂缝导流，*终结果是多场相互耦合，持续发生动态变化。以下为任意两场之间的详细耦合关系。
　　热-流(TH)：水的物性，如黏度、导热系数将随温度发生改变，造成流动阻力与裂缝导流能力相应地不断发生变化，从而影响流动场的分布。流动场变化将影响热对流过程，从而改变温度分布。
　　热-固(TM)：相对低温的循环工质注入储层中，与初始温度相比，将产生温差，在热弹效应的作用下，诱导热应力与热弹变形，从而影响裂缝开度演变。
　　热-化(TC)：温度变化将导致化学反应速率常数与平衡浓度发生变化。化学溶解和沉淀作用导致裂缝开度的演变，*终影响热对流与组分的对流扩散。
　　流-固(HM)：流场中流体压力改变将影响热储有效应力，进而改变裂缝开度与渗透率，反过来影响渗流场。
　　流-化(HC)：循环工质在裂缝中携带溶质运移，当溶质浓度与平衡浓度不一致时，将会诱导沉淀或者溶解，*终影响裂缝开度，裂缝开度变化反过来影响裂缝导流。
　　固-化(MC)：化学溶解或沉淀诱导裂缝开度发生变化，在应力加载下裂缝开度不稳定，即裂缝变形受到应力约束，同时其改变了裂缝边界处的受力分布，裂缝总开度是应力和化学作用综合作用的结果，裂缝开度变化反过来影响了溶质组分的对流。