断层控制型储层地热-锂协同生产数值模拟：以Upper Rhine Graben（URG）Rittershoffen双井系统为例

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Numerical Modeling of Geothermal Heat and Lithium Co-Production in Fault-Hosted Reservoirs

　　

全球向低碳能源系统转型正推动对锂的需求，锂是电池储能技术的关键原材料。地热卤水，尤其是西欧上莱茵地堑（Upper Rhine Graben, URG）中的地热卤水，提供了与热能共产的潜在锂来源，具有经济和战略效益。研究人员基于URG中Rittershoffen地热双井系统（geothermal doublet system）的综合现场数据（压力瞬变、示踪剂试验、温度剖面）校准了一个数值模型。该模型采用带离散不连续面的控制体积有限元法（control volume finite element method, CVFEM）来模拟断层控制系统中流体流动、热和溶质运移的耦合过程。结果揭示了一个高度非均质的流场：通过主断层及其损伤带的快速主流动路径，以及通过周围储层的较慢次流动路径。这些路径之间的相互作用受损伤带渗透率调节，控制着水力短路（hydraulic short-circuiting）。50年生产模拟表明，尽管热输出保持稳定，但随着贫锂注入卤水回采至生产井，产出锂浓度在早期下降。将围岩锂释放建模为体积浸出来源项（volumetric leaching source term），并在缺乏长期现场数据时将其作为敏感性参数处理，可以抵消这种稀释；低至0.3 g Li/m³岩石总体积/年的持续浸出速率可将浓度维持在约100 ppm或以上。该研究强调，约束原位浸出速率和水力连通性对于降低URG等断层控制环境中长期地热-锂项目的风险至关重要。

研究背景与问题。全球低碳能源转型提升锂需求，URG卤水以150–200 ppm的锂浓度被视为与地热共产的潜在锂源。长期预测存在不确定性：断层/裂缝储层中注入井与生产井之间可能发生水力短路（hydraulic short-circuiting），贫锂回注卤水优先到达生产井导致产出锂浓度下降；围岩基质锂浸出（leaching）可能抵消稀释，但缺乏长期现场数据。既有URG型热-水模型多聚焦采热和自然对流，未考虑溶解矿物运移；Goldberg et al. (2023)模拟30年热锂共采但未用独立试井数据校准且未纳入基质浸出；Banshoya et al. (2025)用随机二维离散裂缝网络，认为裂缝结构对锂浓度控制强于温度，但为合成网络。为此，研究人员以Rittershoffen双井系统为原型，建立经压力瞬变、示踪剂和温度剖面多数据校准的数值模型，系统评估断层控制流场、短路和浸出对50年热锂共产的影响。研究得出，热输出较稳健，而锂生产高度依赖基质浸出；其意义在于强调约束原位浸出速率和水力连通性对降低此类长期项目风险至关重要。

关键技术与数据来源（不超过250字）。样本与数据来自Rittershoffen地热双井系统公开现场资料（压力瞬变、示踪剂试验、温度测井/生产温度；Baujard et al., 2017；Sanjuan, Scheiber, et al., 2016）。主要方法为：三维控制体积有限元法（control volume finite element method, CVFEM）结合离散不连续（discrete discontinuity）断层表征，显式表示主断层与50 m损伤带；一维井筒模型与Peaceman型井-储耦合；采用O–NaCl状态方程；耦合求解流体质量、盐质量、能量和锂质量；以示踪剂、压力瞬变和温度数据校准，筛选MM4和HM4开展50年情景预测，并对损伤带渗透率和浸出速率进行敏感性分析。

研究结果。3.1 敏感性分析参数变化（Parameter Variations for Sensitivity Analysis）：通过改变损伤带渗透率和锂浸出速率开展50年预测，结果表明损伤带渗透率控制断层-基质水力连接与热突破/锂贫化程度，浸出速率是维持产出锂浓度的关键敏感性参数。3.2 回注流体贡献与流动路径（Reinjected Fluid Contribution and Flow Paths）：通过模拟30年流速场和锂贫化锋面发现，主断层为快速通道，但损伤带和Buntsandstein及上基底中发育显著次生环流；HM4基质扫掠更强，MM4呈部分短路且次生流集中于损伤带，低损伤带渗透率时流动更断层通道化。3.3 锂生产预测（Lithium Production Forecasts）：通过无浸出与不同浸出速率情景对比发现，无浸出时产出锂从150 ppm早期快速下降后近线性降低；浸出速率约0.3 g Li/m³岩石总体积/年或以上可在50年内维持约100 ppm，最大产量常出现在运行数年后；0.03 g Li/m³岩石总体积/年介于两者之间，较高损伤带和储层渗透率更有利于持续生产。3.4 热响应与生产温度预测（Thermal Response and Production Temperature Forecasts）：通过温度场与井筒温度模拟发现，生产温度约165°C，50年内下降不超过约10°C；冷锋因径向扩展而减速，且岩石热容量、断层热上流和基质暖流体补给使热突破滞后，井筒模型对现场温度拟合约2°C，初始温度-深度剖面与GRT-2测井一致。

讨论总结。多数据集校准将绝对断层渗透率、断层孔隙度（4%–5%）及断层-损伤带渗透率对比（约两个数量级）约束为控制短路和锂稀释的关键因素；初始产出流体中注入流体比例约25%–35%，随损伤带渗透率变化并在数十年内渐近增加。示踪剂约11天到达但回收率低，归因于示踪剂沿断层面径向扩展及淡水示踪剂的浮力上移；热突破滞后还受冷锋减速、岩石热质量、断层热上流和基质暖流体贡献影响。结果与Goldberg et al. (2023)在年锂产量量级（其约231 t Li、约1,230 t LCE；本研究约200 t Li、约1,100 t LCE）和“热稳定、锂下降”的定性行为上一致，但断层表征不同：本研究采用约1 m高渗离散断层，得到Rittershoffen测井约1 m流动带和约11天示踪突破支持。浸出被简化为恒定体积速率并止于150 ppm平衡，可能偏保守；Sajkowski et al. (2025)实验提示贫锂回注液仍可释放锂。URG浓度处于直接锂提取（Direct Lithium Extraction, DLE）商业可行低端，100 ppm持续浸出情景仍在商业范围，无浸出50–70 ppm处于低端。热生产较锂生产更稳健，温度保持160°C以上。局限包括平面均质断层、上基底等效多孔介质、简化地质、浸出恒定且停止、缺乏长期锂生产数据、忽略地质力学和主预测未含自然对流等。

研究结论翻译。1）经校准并包含主断层及周围渗透层（Buntsandstein和上花岗岩基底）的模型成功再现了可用现场数据的关键特征，增强了其用于预测模拟的可信度。2）预测表明热能生产稳健且可持续，生产温度在数十年内保持160°C以上；锂生产则取决于宿主岩石锂浸出这一不确定过程。3）无浸出时，因贫锂注入流体循环，产出锂浓度预计随时间下降。4）若浸出速率达到约0.3 g Li/m³岩石总体积/年，锂生产可在50年运行期内维持在经济上感兴趣的水平；浸出可能是地热锂项目长期可持续性的关键因素。5）流动由断层带快速主通道主导，造成示踪剂快速到达和初始约30%注入流体回采，同时存在经邻近储层基质的显著次生流动路径；损伤带及相邻地层渗透率调节这些相互作用和短路程度。6）当前建模表明，Rittershoffen类系统适合地热能与锂提取，但若浸出可忽略，锂生产预计随时间下降；未来工作应聚焦更好地约束原位浸出速率，并探索最大化流体与富锂岩石体积接触的策略。