水岩相互作用的多尺度模拟：从实验优化到地热储层的长期预测

《Applied Geochemistry》：Multi scale simulation of water rock interaction: from experimental optimization to long-term prediction of geothermal reservoirs

　　

摘要：增强型地热系统（EGS）在长期运行过程中，岩石-水相互作用过程对传热效率的影响仍未得到充分理解，这凸显了系统研究地球化学演化及其对储层性能影响的重要性。基于单裂缝水-岩反应实验和岩心尺度的反应性传输模型，本文对相关的反应动力学参数进行了标定和优化，并结合研究区地质特征建立了针对具体场地的反应性溶质传输模型。开展了35年的长期模拟，系统分析了地热流体中溶解溶质浓度的时空演化，重点关注关键溶质（包括SiO2、Na+、K+）的动态变化及其对水-岩反应的响应。研究结果表明，长石溶解是溶质浓度变化和储层地球化学演化的核心驱动力，而黑云母和斜长石由于含量低且反应活性弱，对整体地球化学过程和溶质传输没有显著影响。SiO2的沉淀作为次要因素，仅引起局部变化，不影响以长石溶解为主导的整体地球化学演化趋势。本研究阐明了水-岩反应、溶质浓度变化与地热流体演化之间的内在联系，为EGS长期稳定运行提供了可靠的理论基础和技术支撑。

引言

随着社会快速发展，能源需求大幅增长。然而，由于传统化石燃料的不可再生性及其带来的环境污染问题，地热能源作为一种清洁能源，逐渐受到世界各国的关注[1]。干热岩作为一种高质量的地热能源，已成为许多国家建筑供暖/制冷和发电的重要能源[2]。增强型地热系统（EGS）具有高运行效率、系统稳定性和环境影响小等特点，使其成为开发地热资源的有效且前景广阔的手段[3]。由于干热岩储层中天然裂缝的缺乏或发育不充分，地热储层的天然渗透率极低[4,5,6,7,8]。因此，EGS的核心技术方法依赖于水力压裂来创建人工裂缝。这些诱导裂缝不断扩展并相互连通，形成复杂的裂缝网络，有效提高了储层渗透率和取热效率[9]。注入储层的地热流体通过连通的裂缝网络与储层岩石进行热交换，然后将热量传输至地表用于发电或供暖[10,11,12]。由于储层裂缝是热量回收过程中的基本单元，研究裂缝流动过程中的传热效率具有重要意义[13]。

地热储层的数值模拟对于阐明储层内注入流体与破碎岩体之间的长期相互作用至关重要[14]。向地热储层注入冷水会打破原有的化学、热力和力学平衡，从而改变地层孔隙度、渗透率和溶质传输行为[15,16,17,18]。地热储层地层的孔隙度和渗透率主要受溶解-沉淀动力学、矿物组成、原地应力条件和空间温度分布控制[19,20,21]。然而，这些物理和化学过程之间的相互作用和耦合高度复杂，并且在地热开发过程中通常同时发生[22,23]。阐明这些地下过程的演化特征对于实现地热资源的高效可持续利用至关重要[24]。基于原地物理化学条件的储层尺度数值模拟和渗透率演化的时空预测，可以进一步支持地热开采方案的优化。为定量揭示长期运行过程中储层的动态变化，研究人员开发了多种数值模拟代码和软件，如TOUGHREACT和COMSOL。这些工具能够可靠地预测储层演化，并为实际地热生产提供理论指导[25,26,27]。

Davies等人[28]提出了一组基于沉积岩裂缝渗透率实验得出的渗透率与孔隙度经验相关关系的本构关系，该关系可应用于储层尺度的数值模拟。基于加州长谷火口（LVC）地热系统的水-气化学数据和盖层矿物组成，Xu等人[29]对碎裂岩浆热液系统的物理性质进行了一维流动研究。Dobson等人[30]通过实验室测试和数值模拟，研究了在预设温度和压力条件下地热储层中矿物的溶解和沉淀行为。基于一维平流数值模型进行矿物溶解模拟，他们得出结论：在平面裂缝中矿化流体迁移过程中的温度变化可以显著影响矿物沉淀速率。

许多学者通过采集地热系统地表和地下区域的岩石和流体样品来研究水-岩相互作用。结合钻井获取的数据（包括流体化学、岩石矿物组成、渗透率、孔隙度和温度），通过TOUGHREACT软件进行了地热系统的长期反应性传输模拟，模拟结果与现场钻井测量数据表现出良好的一致性[31,32,33,34]。Slovtsov[35]分析了分布在日本火山弧和俄罗斯堪察加半岛多个地热田的流体地球化学和矿物学特征。结果表明，当岩石孔隙度超过0.001时，在高于140°C的温度下，饱和安山岩中可发生沸石沉淀，无需原始地热流体的输入。相反，地热流体的流入可能会触发石英和正长石的沉淀，进一步导致在百年时间尺度上孔隙度降低。足够长的水-岩反应持续时间最终可能导致裂缝完全闭合。

Ghassemi[36]对流体注入和生产过程进行了一系列数值模拟，分析了在热应力和二氧化硅溶解-沉淀耦合控制下，长期取热过程中裂缝开度的动态演化。结果表明，对于初始开度相对较小的裂缝，裂缝渗透率的明显增强和注入点附近局部压力变化主要由热弹性效应主导，而生产井周围裂缝开度的扩大主要受二氧化硅溶解控制。Ping[37]探索了含石膏泥岩中水-岩相互作用的多尺度劣化特征和微观机制（图1）。共进行了25次实验室溶解实验和30次常规岩石力学压缩试验。实验结果表明，水-岩反应引起岩石性质的渐进多尺度变化，涉及矿物组分、孔隙度、颗粒结构、微观形态和微孔复杂性。在所有矿物组分中，硫酸钠和石膏具有最高的化学活性。晶内孔隙明显发育，颗粒接触方式从面-面接触转变为线-线接触。岩石内微孔、中孔和大孔的体积比例分别增加了80.0%、59.9%和71.4%。

Taron[38]还提出了一种耦合方法，将TOUGHREACT的热（T）、水力（H）和化学沉淀/溶解（C）平衡与FLAC3D的力学（M）框架相结合，旨在验证多孔介质在THMC耦合效应下的变形和破裂过程。Rutqvist[39]分析了加州间歇泉地热场中流体注入诱发的微震（MEQs）的原因和机制。通过地热蒸汽生产和冷水注入的热-水-力（THM）耦合分析，该研究调查了诱发地震活动的可能性，计算了原地应力的时空演化，并检查了这些应力变化是否会触发岩石力学破坏和相关微震。与其他研究结果一致，低温流体注入诱发微震的最重要因素是注入区周围岩石的温度降低和体积收缩。最终，这种岩石体积变化破坏了原有的应力平衡并诱发了地震活动[40,41,42]。综上所述，以往的研究主要关注地热储层内多场相互作用相关的物理变化，而化学反应模拟通常使用默认参数，导致模拟结果的精度相对较低。

尽管上述研究在地热储层模拟、水-岩相互作用和多场耦合效应方面取得了广泛进展，但仍存在显著的研究空白有待解决。大多数以往的地热储层数值模拟要么仅关注物理过程而简化或忽略详细的化学反应，要么依赖默认的动能参数进行化学模拟而未结合场地特定的实验室测试数据，导致预测储层渗透率演化和水-岩反应机制的精度不足。此外，现有研究很少将实验室获得的水-岩反应动力学参数和矿物组成数据整合到多场耦合数值模型中进行系统分析，导致实验室实验与场地尺度模拟之间存在脱节。为填补这些空白，本研究在实验和模拟两方面引入了显著创新：实验方面，通过有针对性的实验室测试获取了场地特定的水-岩反应动力学参数和矿物组成数据，避免了默认参数的局限性；数值方面，将这些实验数据整合到热-水-化学（THC）耦合数值模型中，概括了目标储层的地热地质条件，系统分析了多场耦合的水-岩反应机制及其对储层渗透率的影响。这种实验室实验与数值模拟的整合不仅提高了模拟结果的精度，还建立了实验数据与场地尺度储层演化预测之间可靠的联系，这是区别于以往研究的关键创新。

实验片段

实验目的与基本原理

本实验的主要目的是研究岩石样品的渗流特征和渗流过程中溶质迁移的时间演化，以及分析排出液中相关化学组分和pH值随时间的变化。本研究旨在为理解围压条件下流体-岩石相互作用机制提供实验数据和理论支持。

实验的基本原理基于水-岩反应动力学参数的修正

首先在TOUGHREACT软件中构建了一个岩心尺度的数值模型，与单裂缝渗流实验条件一致。岩石样品尺寸、矿物组成和体积分数，以及渗流流体的化学组成和浓度，与实验中使用的花岗岩试样相同。数值模拟表明，控制水-岩反应速率的关键化学动力学参数不仅包括矿物体积……

基本情况

松辽盆地是中国东北部的一个中生代-新生代内陆盆地，跨越黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四个省级行政区，面积约26万平方公里。该盆地油气资源丰富，地热潜力可观。在构造上，它由六个主要的一级构造单元组成：中央凹陷区、东北隆起区、东南隆起区、西南隆起区、西部斜坡……

钠离子（Na+）

以往研究表明，高温花岗岩储层中水-岩反应的速率具有温度依赖性。水-岩反应引起流体化学组成和溶质浓度的变化。因此，在储层流体迁移过程中对溶质组成演化进行时间监测，是识别活跃水-岩反应类型的重要诊断工具。如图9所示，储层流体中Na+的空间分布……

结论

本研究对花岗岩单裂缝进行了水-岩反应实验，并建立了岩心尺度的反应性传输模型以标定和修正关键反应动力学参数。结合目标EGS场地的地质和地热特征，进一步开发了储层尺度的反应性溶质传输模型。在35年模拟开采期内，分析了地热流体中溶解溶质浓度（包括溶解C……的时空演化。

CRediT作者贡献声明

卢龙远：数据整理、软件、撰写-原始稿件。刘国阳：项目管理、验证、可视化。尹晓晓：调查、项目管理。张鹏：概念化、数据整理、资金获取、方法论、撰写-审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张鹏报告称曾获得中华人民共和国自然资源部的资金支持。若有其他作者，他们声明不存在已知可能影响本论文报告的潜在竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由中华人民共和国自然资源部天津中低温地热资源观测与研究中心开放基金（编号TJDRYWZ-202405）支持。

卢龙远|刘国阳|张鹏|尹晓晓

沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳，110870，中国