人工肌肉驱动器的可逆激活技术可用于自调节 fractures（此处“fractures”可能为特定术语，需根据上下文确定准确含义，如“裂缝”或“断裂结构”）流动，从而实现长期的地热能可持续利用

《Renewable Energy》：Reversible actuation of artificial muscle proppants for self-regulating fracture flow and long-term geothermal sustainability

　　

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  Smart TR-HCC支撑剂能够在裂缝中实现自主且可逆的流量调节。
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  这种复合支撑剂能够在200°C的水中浸泡12周而不会降解。
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  API测试显示渗透率增加了116.4%，在150°C时达到峰值362 D。
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  循环测试确认机械平衡状态，渗透率保留率为94.30%。
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  50年的模拟显示累计热量提取量增加了40.58%。

引言

在缺乏天然热液活动的地区，增强型地热系统（EGS）通过将冷水（通常是水）注入深层、高温、低渗透性的岩层中，并通过单独的生产井回收加热后的液体来提取地热能。尽管技术有所进步，但EGS的经济性仍受到热短路现象的限制，即注入的液体优先通过少数高导电性的通道流动，绕过了大部分储层。这种优先通道现象加速了热突破，迅速冷却了主导裂缝，导致大量储层未被充分利用。

水力压裂被广泛用于通过生成新的裂缝和重新激活现有的裂缝网络来提高EGS的渗透率[1]。传统的水力压裂可以实现持久的渗透率提升，因为剪切滑移会导致不可逆的膨胀，并使裂缝通过凸起物自我支撑[2]，这一机制也在现场的水力剪切中得到验证，其中裂缝表面的不规则性在没有支撑剂的情况下仍能保持一定的开口[3]。然而，这种静态的渗透率提升无法主动应对长期循环过程中由温度变化引起的裂缝导电性的变化。随着储层冷却，流动方向会重新分配到主导通道，因此在不断变化的温度和应力条件下进行适应性导电控制对于减轻热短路现象和维持EGS的长期性能至关重要。

由于储层行为受到地质条件、刺激策略和长期储层管理的强烈影响[4] [5]，现场规模的EGS性能仍然具有很大的不确定性。多个现场项目已经展示了水力刺激的潜力。上莱茵地堑（Upper Rhine Graben）的设施已经实现了超过十年的可靠生产[6]，这得益于高的地热梯度和天然存在裂缝的结晶岩层，其中水力刺激成功增强了被阻塞的自然裂缝。在康沃尔（Cornwall）的United Downs和EDEN项目中，通过以剪切为主导的刺激在5000米厚的断裂花岗岩中实现了有效的循环；而澳大利亚的Habanero项目在多次刺激未能实现持续循环或商业可行性后最终被放弃[7] [8]。尽管在犹他州的FORGE、Soultz-sous-Forêts和Hijiori进行的试点规模示范验证了核心EGS技术[9] [10] [11]，但热短路仍然是商业可行的主要障碍。后来的现场示踪测试一致显示，主导裂缝捕获了不成比例的流量，快速的热突破表明储层体积被大量绕过[9]。这种优先通道现象导致局部热耗尽、早期生产温度下降以及热量回收率大幅降低[12]。已经探索了几种缓解策略，但每种策略都有其局限性。井位优化可以提高扫掠效率，但受地质不确定性和高昂的钻探成本的限制[13] [14]。注入速率调节可以对压力分布进行一定控制，但需要持续调整，可能会降低总体产量[15]。使用封隔器或水泥进行机械分区隔离可以阻断个别的高导电性区域，但这成本高昂、不可逆，并且无法有效管理随热前沿前进而变化的导电性[16] [17]。这些方法都无法提供能够持续响应储层在整个裂缝网络中变化的热状态的自主、适应性流量调节能力，而这正是维持EGS长期性能所必需的。

基于支撑剂的水力压裂已成为一种更有前景的策略，最近在美国的项目展示了显著的性能改进[18] [19]。在犹他州的FORGE项目中，基于支撑剂的刺激使循环流量从0.44 kg/s增加到22 kg/s，经过七个阶段[20]；内华达州的项目Red使用插塞式和完井式支撑剂完成技术实现了63 kg/s的持续流量和快速并网[21] [22]；犹他州的项目Cape通过80个处理过的支撑剂阶段达到了12 MW的峰值产量和93 kg/s的循环流量[23]。这些成功案例证明了支撑剂在地热压力和温度条件下能够有效保持裂缝的导电性。然而，传统的支撑剂本质上是被动的。它们提供了静态的导电性提升，但缺乏在温度变化时调节流量分配的能力[24] [25]。随着注入液冷却的进行，传统支撑剂会保持统一的高导电性，使得最初可渗透的通道继续被利用，从而热短路现象基本得不到缓解[26] [27]。

为了解决EGS中的热短路问题，本研究提出了一种智能的温度响应型水力导电性控制器（TR-HCC）支撑剂，它能够在裂缝储层中实现自主的、材料驱动的流量调节。该复合材料将预拉伸的尼龙人工肌肉嵌入到DCP交联的氟弹性体矩阵（Fluoro-gum/DCP&Muscle）中，将局部温度变化转化为在闭合应力下的可逆动作：在150–200°C时收缩以保持裂缝开口，在20–40°C时膨胀以增加冷却区域的流动阻力并抑制通道效应。本研究系统地描述了TR-HCC支撑剂的热水稳定性、在代表性应力下的循环API裂缝渗透率以及热疲劳特性，然后使用完全耦合的3D热-水-井筒（THW）模拟量化了50年的现场性能，展示了一条可持续维持生产温度和提高长期热量回收率的可行路径。

章节摘录

材料与方法

长期的EGS运行需要能够在嚴重的热和化学循环条件下保持裂缝导电性的支撑剂。在这里，我们开发并评估了一种智能的TR-HCC支撑剂，它可以通过肌肉动作（扭曲/卷曲前驱纤维的解开）自主且可逆地调节裂缝开口，类似于双向形状记忆响应：在高温储层中收缩以维持热量提取，在冷注入期间膨胀以减少通过冷却区域的流量。

热驱动动力学和恢复行为

本研究介绍了一种基于Fluoro-gum/DCP&Muscle复合材料的温度响应型支撑剂，旨在实现稳健的热水稳定性和在地质热条件下更好的加工性能。Fluoro-gum基质在200°C的水中浸泡12周后化学性质保持不变（未检测到氟化物释放），通过工艺改进、延长溶剂去除和减少DCP含量，消除了表面粘性，产生了适合放大生产的离散、形状稳定的颗粒。

结论

本研究通过开发一种智能的、温度响应型的TR-HCC支撑剂来缓解EGS中的热短路问题，该支撑剂能够在裂缝储层中实现被动的、自主的流量调节。Fluoro-gum/DCP&Muscle结构将预拉伸的尼龙人工肌肉嵌入到交联的氟弹性体矩阵中，在高温（200°C）下收缩以促进热量提取，在低温（20°C）下膨胀以减少通过冷却区域的流量。

CRediT作者贡献声明

Zhuochen Zhan：撰写 – 原始草稿、可视化、调查、形式分析。 Qitao Zhang：撰写 – 原始草稿、可视化、调查、数据整理。 Chengbin Yu：方法论、调查。 Guoqiang Li：撰写 – 审稿与编辑、概念化。 Arash Dahi Taleghani：撰写 – 审稿与编辑、调查、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

○ 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了美国能源部能源效率与可再生能源办公室（EERE）下属的地热技术办公室的支持，授予了奖项N0。（DE-EE0009787）