断层-裂缝型储层多级注水剪切过程中裂缝扩展动力学研究

针对干热岩地热开采中储层渗透率提升难题，中国科学院研究人员通过花岗岩试样力学实验与FRACOD数值模拟，揭示了不同节理角度下注水剪切强度变化规律及裂缝扩展机制，发现30°节理花岗岩剪切强度降幅最大，注水压力对断层滑移贡献率达53.73%，为EGS（增强型地热系统）储层优化提供了关键理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，干热岩（Hot Dry Rock）作为地热能的重要载体，其开发技术成为可再生能源领域的研究热点。然而，这类储层普遍存在低孔隙度、低渗透率和埋深大的天然缺陷，如何通过人工干预提升储层渗透率成为关键科学问题。传统的水力压裂（Hydraulic Fracturing）技术虽能创造新裂缝，但维持裂缝开放需要持续支撑剂注入，而水力剪切（Hydro-shearing）技术通过激活天然裂缝网络，利用粗糙面自支撑效应实现渗透率永久提升，更具工程优势。

针对水力剪切过程中裂缝动态扩展机制不清、储层响应规律不明的问题，中国科学院团队联合西藏羊八井地热田实际地质数据，开展了一项跨尺度研究。通过自主研发的热-流-固（F-M-T）耦合剪切试验箱，系统测试了不同节理角度花岗岩在注水条件下的力学行为，并运用边界元法开发的FRACOD软件，首次实现了从井筒压裂、节理贯通到断层激活的全过程动态模拟。

关键技术方法包括：1）采用Φ50 mm标准花岗岩试样进行多角度节理剪切实验；2）基于羊八井地热田地质构造建立三维数值模型；3）运用FRACOD软件模拟流体-力学-热（F-M-T）多场耦合过程；4）通过声发射能量监测裂缝扩展动态。

地质背景与实验设计
研究选取西藏羊八井地热田作为研究对象，该区域经过20余年开发已出现储层萎缩现象。实验采用水泥-石膏-河沙复合材料模拟天然节理填充物，制备含30°、45°、60°三种倾角节理的花岗岩试样，通过耦合剪切试验系统获取力学参数。

节理角度对剪切行为的影响
研究发现，30°节理试样在水压作用下峰值剪切强度降幅最大（较无水压条件下降27.6%），这与该角度接近岩石剪切破坏角（约30°-35°）直接相关。剪切位移随节理角度增大呈单调递增趋势，45°试样表现出显著的"渗透率三阶段"演化特征：稳定期、跃升期和平台期。

储层深度对裂缝扩展的约束
数值模拟显示，随着埋深增加（模拟24m、100m、300m三层位），水力压裂裂缝长度从12.7m缩减至4.3m，断层激活所需注水压力提升2.8倍。在300m深度，天然裂缝仅能产生0.8mm的剪切滑移，表明深部储层改造需更高能量输入。

工程参数敏感性分析
基于24m深度井筒模型，研究发现注水压力与地应力比对断层滑移呈正相关（相关系数分别为0.89和0.76），而断层内聚力（Cohesion）和摩擦角（Friction Angle）呈负相关。通过方差分解分析，注水压力贡献率达53.73%，是调控水力剪切效果的核心参数。

结论与展望
该研究首次揭示了多级注水剪切过程中裂缝扩展的深度效应，证实井筒直接布置在断层带可提升47%的剪切刺激效率。建立的F-M-T耦合模型成功预测了羊八井地热田储层改造参数，为EGS工程提供了以下关键指导：1）优先选择30°左右天然节理进行水力刺激；2）深部储层需采用阶梯式增压注水方案；3）注水压力应控制在最小主应力的1.2-1.5倍区间。这些成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为全球干热岩商业化开发提供了重要理论支撑。