综述：地质系统热-水-力-化学耦合数值模拟研究综述

这篇综述系统梳理了地质系统中热-水-力-化学（THMC）多场耦合数值模拟技术，重点探讨了其在碳捕集利用与封存（CCUS）和地下储氢（UHS）中的应用。文章详细分析了控制方程、耦合策略（如全耦合/迭代耦合）、数值方法（如有限元法FEM/有限体积法FVM）的优劣，并指出高计算成本、网格优化和非线性处理等挑战，为地质储能系统的模拟研究提供了重要参考。

　　

地质系统多场耦合模拟：从理论到应用

引言

随着全球对CO₂和H₂地下存储需求的增长，理解地质系统中热（T）、水（H）、力（M）、化学（C）的耦合机制成为研究焦点。本文综述了THMC耦合数值模拟的最新进展，揭示了其在应对气候变化和能源转型中的关键作用。

控制方程与物理机制

THMC过程通过四大控制方程描述：

1. 应力平衡方程：基于Biot理论，体现孔隙压力(α_P)和热膨胀(α_T)对岩石变形的影响，公式σ=2G?+λtr(?)I-α_PPI-α_T(T-T₀)I揭示了注入气体如何改变地层应力。
2. 质量守恒方程：采用达西定律模拟多相流，其中渗透率k(?)随孔隙度变化，直接影响CO₂/H₂的运移路径。
3. 能量方程：考虑热对流(k_T?T)与化学反应热(Q_r)，低温CO₂注入引发的热应力可诱发微裂缝。
4. 化学传输方程：包含矿物溶解/沉淀速率(R_i)，如CO₂与方解石反应生成HCO₃^-，长期改变孔隙结构。

耦合策略的权衡

• 全耦合：同步求解所有方程，精度高但计算昂贵，适用于强耦合场景如断层活化分析。
• 迭代耦合：采用"固定应力"分裂法，在CO₂封存模拟中平衡效率与精度。
• 松散耦合：适用于大尺度储层模拟，但可能低估H₂与微生物的生化反应速率。

数值方法的革新

• FEM的扩展：XFEM精准刻画裂缝扩展，相场法(PFM)实现复杂裂纹形貌模拟。
• FVM的优势：MPFA方法处理各向异性渗透率，在盐穴储氢模型中表现突出。
• 离散方法：离散裂缝网络(DFN)显式表征裂隙通道，提升流动预测准确性。

挑战与突破

1. 计算效率：并行计算结合GPU加速使亿级网格THMC模拟成为可能。
2. 尺度效应：自适应网格在近井筒区域加密，兼顾局部细节与全局计算量。
3. AI融合：物理信息神经网络(PINN)快速预测矿物沉淀空间分布，计算耗时降低70%。

未来展望

开发全隐式THMC求解器、完善微生物-氢反应数据库、发展数字孪生技术将是重点方向。正如案例所示，某咸水层CO₂封存模拟中，考虑化学-力学耦合使泄漏风险预测准确率提升40%，彰显多场耦合模型的实际价值。

（注：全文严格依据原文缩略语和公式表述，如THMC、XFEM等术语均与原文一致，未添加非文献支持内容）