增强型地热系统（EGS）裂隙岩体渗流传输特性的温度效应及离散元模拟研究

Enhanced geothermal system, which is an efficient approach to exploit the hot dry rock geothermal energy, involves complex coupled thermal-hydraulic-mechanical-chemical (transport) processes. Laboratory tests will be carried out in order to investigate the effects of heating-cooling processes on fracture permeability under different stress levels. Acoustic emission and laser scanning will also be used to monitor the possible thermally induced damage in/on fracture walls, from a micro-cracking perspective. Based on experimental results, a constitutive model that represents changes in fracture permeability resulting from coupled thermal and stress processes will be derived and calibrated. Compared with equivalent continuum approaches, discrete fracture network models, which can explicitly depict the geometry, contact mechanisms and permeability of fracture systems, will be used in this project. The governing equations for describing displacement, fluid flow, heat transfer, fluid-rock reaction and solute transport processes in single fractures will be derived, proper numerical solutions to these equations will be proposed and incorporated into the popular discrete element code UDEC developed by Itasca. Based on tracer experiments in geothermal wells of South-East area, Beijing and the potential EGS site in Gonghe Basin, Qinghai, numerical modeling of near and far field scales will be performed, in order to achieve a better understanding of the role of coupled thermal-hydraulic-mechanical-chemical processes in fluid flow, heat transport and solute migration in fractured rocks.

增强型地热系统是开发深层干热岩资源的有效手段，其面临的关键科学问题是准确预测裂隙岩体渗流、传输特性在热–水–力–化多场耦合作用下的时空演化规律。通过开展不同应力水平下、升降温循环过程中单裂隙的渗透性实验，并结合声发射、激光扫描等测量手段，揭示裂隙开度、粗糙度等在温度–应力耦合作用下的演化规律与热损伤的微观机理，建立单裂隙多场耦合本构模型。深入研究单裂隙变形、渗流、热交换、水岩反应、溶质传输等过程的控制微分方程及边界耦合条件，提出基于离散裂隙网络模型的数值求解方法，以发挥离散裂隙网络模型在精细刻画不同尺度岩石裂隙方面的优势。依托北京东南城区地热对井回灌示踪试验、青海共和盆地干热岩增强型地热系统潜在场址等工程，开展近场、远场等不同尺度的数值模拟，研究裂隙岩体中渗流传热、溶质传输等过程对高温、高压、 高地应力耦合作用的响应机理，为我国增强型地热系统的选址、设计、运营提供理论支撑和分析工具。

由于深部热储的非线性特性和复杂的赋存环境，多场耦合效应与调控是地热可持续开发面临的关键问题。本项目围绕裂隙岩体渗流传质特性在热水力化多场耦合作用下的时空演化规律等关键科学问题，开展了温度–应力耦合作用下岩石裂隙力学、渗流、传质特性的演化规律与理论模型、离散裂隙网络模型多场耦合模拟方法与主要影响因素、非均质岩体渗流传热传质过程的等效渗流通道理论框架与参数反演方法、城市尺度深层地热群井系统高效模拟方法与多场耦合效应等内容的研究。经过三年的努力，取得的主要研究成果如下：.（1）揭示了多场耦合作用下花岗岩裂隙动态变形和损伤特征及其对渗流传质特性的影响规律，提出了可定量描述裂隙两翼损伤体积的裂隙损伤系数，发现了裂隙损伤碎屑颗粒粒径服从韦伯分布，提出了可全面反映裂隙粗糙度和损伤特征的裂隙溶质阻滞因子。.（2）发展了基于离散裂隙网络模型和溶质粒子追踪算法的裂隙岩体多场耦合模拟方法，基于现场实测数据给出了裂隙粗糙度系数的概率分布函数，揭示了裂隙粗糙度对宏观裂隙网络渗流、传热、传质过程的影响规律。.（3）揭示了非均质孔隙热储中的优势渗流传热路径，建立了适合于裂隙型、非均质孔隙型热储的等效渗流通道模型，提出了基于等效渗流通道模型的热储参数反演与开采井热突破预测的完整理论框架。.（4）提出了地热井–围岩相互作用简化模型，实现了城市尺度（>100 km2）地热田群井系统的高效模拟，应用于北京东南城区、山东德州城区、雄安新区等地热田的资源评价与开采方案优化设计。.在本项目资助下，共发表学术论文18篇，其中SCI收录论文7篇；参编英文专著1部；申请国家发明专利1项、获批软件著作权3项；毕业博士研究生1名、硕士研究生1名；获得自然资源部科技技术一等奖1项、第二届全国青年岩土力学与工程创新创业大赛三等奖；项目负责人入选了中国科协“青托工程”、获得了中国岩石力学与工程学会青年科技奖，作为执行主席承办了中国科协第335次青年科学家论坛。