基于网格碎片化技术的增强型地热系统裂缝耦合热-流-力学建模研究

本研究针对增强型地热系统（EGS）中裂缝网络形成的复杂性，提出基于网格碎片化技术（MFT）的耦合热-流-力学（THM）建模方法。通过高长径比（HAR）元素与标准有限元（FE）结合，实现了无需重网格化的裂缝自然演化模拟，成功验证了其在热-流耦合解析解匹配、天然裂缝（NF）与水力裂缝（HF）相互作用及长期EGS运行模拟中的有效性，为EGS优化设计提供了创新工具。

　　

地热能作为清洁能源的重要来源，其开发潜力巨大，但增强型地热系统（EGS）的商业化应用长期受限于地下裂缝网络形成的复杂性。传统技术难以模拟热-流-力学（Thermo-Hydro-Mechanical, THM）多场耦合作用下天然裂缝（Natural Fractures, NF）与水力裂缝（Hydraulic Fractures, HF）的动态交互，导致EGS设计效率低下。MIT研究预测EGS未来50年可提供100GWe清洁能源，但现有数值模型依赖预设裂缝路径或复杂追踪算法，无法真实反映THM驱动的裂缝自然演化过程。

为解决这一难题，来自巴西圣保罗大学等机构的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表论文，创新性地将网格碎片化技术（Mesh Fragmentation Technique, MFT）引入EGS建模。该方法通过在高长径比（High Aspect Ratio, HAR）元素中嵌入标准有限元（Finite Element, FE），结合CODE_BRIGHT多物理场求解器，实现了无需重网格化的裂缝自发演化模拟。关键技术包括：1）MFT框架下HAR元素构建；2）THM全耦合控制方程求解；3）牛顿-拉夫森非线性迭代算法；4）基于Bodvarsson解析解的模型验证。

模型验证
通过与Bodvarsson热-流解析解对比，证实该模型能精确捕捉温度场与渗流场耦合效应，最大误差低于5%。

裂缝相互作用
模拟显示水力裂缝遇天然裂缝时呈现三种行为：直接穿透、沿界面偏转或诱发次级裂缝。当水平应力差异系数>0.7时，裂缝倾向于沿最大主应力方向扩展，与Tarasovs和Ghassemi的边界元法结论一致。

EGS长期运行
60年模拟发现：1）低温流体（-196°C液氮）使花岗岩抗拉强度降低63%，促进复杂裂缝网络形成；2）裂缝间距与长度比约为1:1，符合Tarasovs提出的热致裂尺度律；3）各向异性应力场下裂缝网络连通性提升37%，但过高的注入压力会缩短储层寿命20%。

该研究首次实现THM全耦合条件下的EGS裂缝自主演化模拟，其创新性体现在：1）突破传统离散裂缝网络需预设几何的限制；2）通过HAR元素自然表征裂缝扩展，避免复杂追踪算法；3）揭示热应力主导的次级裂缝形成机制。研究结果为EGS储层改造策略优化提供了定量工具，特别是验证了液氮致裂技术的可行性，为减少水资源消耗的EGS开发开辟新途径。模型已成功应用于英国、日本等地的EGS项目预演，代码开源将进一步推动地热工程领域的协同创新。