天然裂隙花岗岩中水力裂缝扩展的实验与数值模拟研究：对增强型地热系统开发的启示

针对增强型地热系统（EGS）开发中水力裂缝（HF）与天然裂隙（NF）交互机制不清的问题，研究人员通过实验室水力压裂实验和离散元模型（DEM）模拟，揭示了HF在花岗岩中的扩展规律：平行接近时HF向NF偏转（距离<5 mm），垂直接近时需满足主应力超岩石抗拉强度且NF无剪切破坏才能穿过。研究为深部地热资源开采提供了关键理论支撑。

　　

在追求碳中和的全球背景下，地热能作为一种清洁稳定的可再生能源备受关注。然而，增强型地热系统（EGS）开发面临巨大挑战——如何在地下高温硬岩中高效构建裂缝网络。花岗岩作为典型的热储层岩石，具有高强度、低渗透性的特点，其内部天然裂隙（NF）的存在既可能促进裂缝网络形成，也可能阻碍水力裂缝（HF）扩展。目前，针对沉积岩（如页岩、砂岩）中HF-NF相互作用的研究较多，但对花岗岩这类硬岩的认识仍不充分，制约着EGS的开发效率。

为解决这一关键问题，来自中国某研究机构的Jia He、Muzi Li等学者在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了创新性研究。他们采用实验与数值模拟相结合的方法，首次系统揭示了花岗岩中HF-NF相互作用的控制机制。研究团队选取青海共和盆地GR1井区的天然裂隙花岗岩露头样本，通过实验室水力压裂实验结合CT扫描和声发射（AE）监测，观察到HF向NF偏转和被NF阻断两种典型现象。为深入解析机制，团队建立了二维离散元模型（DEM），通过微参数标定实现了对实验现象的精准复现，并进一步探讨了多因素耦合作用规律。

关键技术方法包括：1）采用含天然裂隙的花岗岩样本（来自共和盆地GR1井区）进行实验室水力压裂，结合CT和AE监测；2）基于离散元方法（DEM）构建流体-力学耦合模型；3）通过参数敏感性分析量化应力条件（如σ_H
-σ_h
≥3 MPa）、NF摩擦系数（μ>0.4）和接近角度（θ>50°）的影响。

【Material and specimen】
研究选取共和盆地GR1井区花岗岩露头样本，X射线衍射显示其主要由石英、长石和云母组成。样本加工成直径50 mm的圆柱体，内含天然裂隙，为后续实验提供真实地质条件。

【Scenarios of interaction between HF and NF】
实验观察到两种HF-NF作用模式：平行接近时HF向NF偏转（最小距离<5 mm，相当于钻孔直径）；垂直接近时HF被NF阻断。DEM模拟进一步识别出五种作用模式，包括交叉、偏转和阻断等。

【DEM modeling analysis on HF-NF interaction】
数值模拟揭示：垂直交叉需同时满足两个条件——交叉点最大主应力超岩石抗拉强度，且NF不发生剪切破坏；多因素分析表明，当水平应力差（σ_H
-σ_h
）≥3 MPa、NF摩擦系数μ>0.4、接近角θ>50°时，HF更易穿过NF。

【Limitations of this study】
研究存在局限性：实验仅产生单翼裂缝，未完全反映数值模型中的双翼扩展；DEM为二维模型，未能考虑三维应力效应；样本尺寸较小，与现场尺度存在差异。

【Conclusions】
该研究通过实验-模拟交叉验证，首次量化了花岗岩中HF-NF相互作用的关键控制参数：1）平行接近时5 mm为HF偏转的临界距离；2）垂直交叉需满足应力-强度双条件；3）应力差、摩擦系数和接近角的协同作用决定HF扩展路径。这些发现为EGS压裂设计提供了理论依据——通过优化井网布置（控制HF-NF接近角）和注入参数（调控应力场），可主动引导裂缝网络形成，显著提升地热开采效率。

研究创新点在于将DEM模拟与花岗岩实验深度结合，突破了传统KGD模型对复杂裂隙处理的局限。未来研究可向三维模型、多场耦合（热-流-力）方向拓展，为EGS商业化开发提供更精准的预测工具。该成果不仅对地热开发具有指导意义，也为非常规油气开采中的硬岩压裂提供了新思路。