热干岩中液氮相变驱动的裂缝起裂与扩展：基于耦合CFD-DEM方法

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Fracture initiation and propagation in hot dry rocks driven by liquid nitrogen phase transition using a coupled CFD-DEM approach

　　

人工裂缝网络的高效构建对于从热干岩（HDR）储层中开采地热资源至关重要。液氮（LN2）压裂技术利用冷冲击产生热应力并增加流体压力，有效促进裂缝的起裂与扩展。关键在于，压裂过程中LN2的相变释放潜热和动态冲击载荷，通过动态改变冷冲击梯度和压力瞬态，重写了传统压裂物理机制。这种相变-冷冲击-流体压力协同压裂机制尚未被探索，成为HDR工业化应用的根本障碍。为解决这一问题，研究人员率先通过计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）集成开发了一种先进的热-水-力学耦合框架，其中构建了用于LN2压裂的多尺度颗粒基花岗岩模型，以研究流体压力、热应力和LN2相变对裂缝动力学的各自贡献。结果表明，在压裂早期，热应力显著降低岩石的断裂阻力，触发裂缝的起裂和快速扩展。随着热应力减弱，流体压力成为裂缝扩展的主导驱动力。LN2相变引起的膨胀通过双路径加速将微裂缝增加5倍：增强初始破裂并维持裂缝网络生长。在高温储层条件下，冷冲击和相变诱导的膨胀被放大，加速微裂缝演化并产生更广泛的裂缝网络。高注入速率快速提升流体压力，激发工程可控的裂缝密度调节。这些见解为优化地热能源回收和LN2压裂在HDR中的工业部署建立了第一性原理设计规则。

**论文解读：液氮相变驱动热干岩裂缝起裂与扩展的CFD-DEM耦合研究**

**研究背景与问题**
热干岩（HDR）作为一种深层（3–10 km）非常规地热资源，因其分布广、温度高，可突破传统地热空间限制，具有巨大开发潜力（中国可采HDR储量约2.52×10²⁵ J）。然而，高效构建人工裂缝网络是HDR地热开采的关键。传统水力压裂技术难以在致密高温岩体中形成大规模连通裂缝网络，限制了增强型地热系统（EGS）的工业化应用。液氮（LN2）压裂技术利用冷冲击（?196°C）产生热应力、降低岩石强度，并通过相变（液氮→气氮）释放潜热和膨胀压力，有望突破传统压裂局限。但当前研究存在三大瓶颈：一是缺乏同时考虑LN2相变、热应力、流体压力与岩石力学响应的统一模型；二是对冷冲击、流体压力与相变膨胀三者的协同作用机制认识不足；三是深部HDR储层的地应力、温度及注入参数对裂缝行为的影响规律尚不明确。为此，研究人员开展本研究，旨在揭示LN2相变-冷冲击-流体压力协同驱动裂缝起裂与扩展的机理。

**研究内容与结论**
研究人员开发了基于Python的PFC（离散元）与Fluent（计算流体动力学）耦合界面，构建热-水-力学（THM）耦合模型，首次系统模拟了LN2压裂过程中相变、热应力与流体压力的协同作用。通过构建多尺度颗粒基花岗岩模型（GBGM，基于山东露头花岗岩矿物组成：钾长石15.7%、斜长石41.9%、石英28.3%、副矿物14.1%），并校准微观力学参数，研究了流体压力、热应力及LN2相变对裂缝动力学的各自贡献。结果表明：在压裂早期，热应力显著降低岩石断裂阻力，触发裂缝起裂与快速扩展；随着热应力减弱，流体压力成为后期裂缝扩展的主导驱动力；LN2相变膨胀通过双路径加速将微裂缝数量增加5倍（相比仅考虑冷冲击与流体压力），并提升裂缝网络分形维数至1.7029（仅流体压力时为1.1576）。高温储层（20–300°C）放大了冷冲击与相变膨胀效应，加速微裂缝演化并形成更广泛网络；高注入速率（1–10 m/s）快速提升流体压力，实现工程可控的裂缝密度调节。该研究发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，为优化地热采收率和LN2压裂工业化部署提供了第一性原理设计规则。

**关键技术与方法**
研究采用计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）耦合框架，通过自编Python接口实现PFC与Fluent的双向数据交换。PFC负责颗粒尺度力学响应（接触力、裂缝演化），Fluent模拟流体流动、传热与相变过程（采用Lee模型模拟蒸发-冷凝）。孔隙度与渗透率通过Kozeny-Carman方程转换二维与三维参数，流体压力梯度力与拖曳力共同作用于颗粒。模型通过单颗粒运动、一维热传导及多孔介质对流-扩散四类基准测试验证。花岗岩模型基于山东露头样品（矿物组成如前），采用Voronoi多边形建立多尺度颗粒基模型（GBGM），并通过试错法校准单轴压缩试验（峰值应力154.9 MPa，弹性模量33.6 GPa，泊松比0.26）。忽略具体试剂与操作步骤，仅关注方法框架。

**研究结果**
- **应力演化分析（3.2.1）**：通过对比流体压力、冷冲击与相变耦合作用下的颗粒间正应力分布，发现耦合效应将原位压应力转化为拉应力，早期拉应力集中触发裂缝，后期随裂缝扩展应力降低。相变膨胀进一步扩大拉应力区范围与强度。
- **温度场演化分析（3.2.2）**：考虑相变后，近井区快速汽化吸收潜热，温度梯度陡增，加剧局部热扰动，促进裂缝起裂；仅考虑冷冲击时温度前缘扩散缓慢，梯度影响范围窄。
- **流体压力演化分析（3.2.3）**：相变在近井区快速产生高压气氮，并扩散至整个模型，持续提升流体压力，增强颗粒间应力，形成更复杂裂缝网络。冷冲击主要作用于早期，相变效应贯穿全过程。
- **裂缝演化分析（3.2.4）**：耦合作用下，微裂缝在约5000步时沿晶界与杂质区起裂，沿最大水平主应力方向扩展；9000步时裂缝几乎贯穿模型；15000步时形成连通的复杂网络。对比纯流体压力，裂缝数量增加15.7倍，分形维数从1.1576升至1.7029，表明相变显著提升裂缝复杂度与空间连通性。
- **注入速率影响（4.1）**：高注入速率（10 m/s）导致流体压力快速上升，峰值压力更早出现，裂缝更长且更密集；低注入速率下压力增长缓慢，裂缝有限。
- **储层温度影响（4.2）**：高温（300°C）下冷冲击增强，热应力更大，近井区微裂缝更密集；后期相变膨胀加剧，裂缝网络更广泛。温度影响主要表现于早期，后期热应力减弱后由流体压力与相变主导。
- **地应力影响（4.3）**：最大与最小水平主应力比值增大时，裂缝沿最大主应力方向优先扩展，延伸更远；应力差增大降低起裂压力，促进沿主应力方向的拉伸破坏。

**结论总结**
研究开发的Python耦合PFC-Fluent界面建立了热-水-力学（THM）模拟框架，克服了传统离散元方法在流体输运与热效应模拟上的局限。多尺度颗粒基花岗岩模型揭示：不考虑相变时，早期冷冲击主导，热应力降低断裂阻力；后期流体压力主导。考虑相变后，气体膨胀显著提升流体压力，微裂缝数量相比纯流体压力及冷冲击-流体压力耦合分别增加15.7倍和5倍，分形维数相应提高1.47倍和1.24倍。高注入速率加速压力积累，高温储层放大冷冲击与相变膨胀效应，应力均匀化使裂缝传播方向从60°–120°集中区转向各向同性。通过优化注入速率与流体-储层温差，可有效控制压裂过程以提升储层渗透率。