在全球能源問(wèn)題緊張和氣候變暖背景下，地?zé)崮茏鳛橐环N分布廣泛的清潔可再生能源近年來(lái)備受關(guān)注。隨著向地球深部要熱的需求增加，巖土體中的裂隙被愈加重視。在深部致密條件下，低滲孔隙對(duì)地?zé)崃黧w的影響逐漸降低，天然和人工裂隙成為主要的滲流換熱介質(zhì)。它們通常相互交錯(cuò)形成錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙網(wǎng)絡(luò)的分布和形態(tài)都會(huì)極大地影響地?zé)崃黧w的傳熱過(guò)程，然而是否裂隙越長(zhǎng)越密便會(huì)加強(qiáng)熱對(duì)流？其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)理尚不清楚，這是地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)向深層進(jìn)軍的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

    中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變?nèi)珖?guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)工程學(xué)科中心水文地質(zhì)與地?zé)豳Y源組的博士生董遠(yuǎn)卓與導(dǎo)師孔彥龍研究員，聯(lián)合龐忠和研究員，中國(guó)石油大學(xué)（北京）黃永輝副教授等，利用COMSOL軟件建立了二維隨機(jī)裂隙滲流傳熱模型，通過(guò)改變溫度梯度，結(jié)合溫度場(chǎng)分布、Rayleigh數(shù)，定量評(píng)估了自由熱對(duì)流和強(qiáng)制熱對(duì)流的相互作用，并通過(guò)自定義的地?zé)嵯到y(tǒng)采熱效率探究了盆地尺度裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)對(duì)地?zé)崮荛_(kāi)采的影響（圖1）。

圖1 數(shù)值模型及不同裂隙平均長(zhǎng)度下的模擬結(jié)果。(A)裂隙平均長(zhǎng)度為0，代表多孔介質(zhì)模型；(B-F)裂隙平均長(zhǎng)度分別為100、200、300、400和500米，其中(F)中的白色箭頭指示了優(yōu)勢(shì)通道

    結(jié)果表明，裂隙的存在會(huì)顯著改變溫度場(chǎng)，形成不規(guī)則的熱邊界層和局部羽流，且通常開(kāi)度更小、更短、更水平、數(shù)量更少的裂隙網(wǎng)絡(luò)更有利于自由熱對(duì)流發(fā)生：在他們的情景中，增大裂隙開(kāi)度會(huì)促進(jìn)強(qiáng)制熱對(duì)流，但當(dāng)開(kāi)度大于0.08 m時(shí)，裂隙內(nèi)部出現(xiàn)非層流的不穩(wěn)定流動(dòng)，導(dǎo)致自由熱對(duì)流增強(qiáng)；而裂隙長(zhǎng)度和密度的影響類似，長(zhǎng)度和密度增加會(huì)擴(kuò)大換熱面積，但相互交錯(cuò)的裂隙同時(shí)也會(huì)形成流體運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道，其引起的快速流會(huì)降低換熱效率。這兩種相反作用的平衡在裂隙長(zhǎng)度達(dá)到300 m 或數(shù)量達(dá)到 50 個(gè)時(shí)被突破，其后自由熱對(duì)流將被極大的抑制，自由熱對(duì)流發(fā)生的閾值（臨界Rayleigh數(shù)）提高 2-4 倍；傾角在45°左右的裂隙由于形成“V”字形通道，增強(qiáng)了強(qiáng)制熱對(duì)流，將臨界Rayleigh數(shù)提高 1.5-3.2 倍。也就是說(shuō)，裂隙的長(zhǎng)度和密度是影響熱對(duì)流的主要因素（圖2）。

圖2 敏感性分析。(A)臨界Rayleigh數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化折線圖；(B)局部敏感性分析

    此外，為定量評(píng)估地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用潛力，研究團(tuán)隊(duì)定義了一個(gè)反映系統(tǒng)的可持續(xù)性和穩(wěn)定性的參數(shù)——地?zé)嵯到y(tǒng)采熱效率，其為熱儲(chǔ)層在特定時(shí)刻釋放的熱量相對(duì)于總熱儲(chǔ)量的比例。結(jié)果顯示，在天然狀態(tài)下，中等開(kāi)度、長(zhǎng)度、傾角和密度的裂隙網(wǎng)絡(luò)具有最高的采熱效率，這與臨界Rayleigh數(shù)開(kāi)始急劇增加的閾值一致，意味著自由熱對(duì)流和強(qiáng)制熱對(duì)流強(qiáng)度相近時(shí)地?zé)嵯到y(tǒng)的換熱能力最強(qiáng)（圖3）?？紤]系統(tǒng)穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：存在有限數(shù)量的、開(kāi)度較大、長(zhǎng)度中等并以45°傾斜交叉的裂隙網(wǎng)絡(luò)（50條、0.08-0.1m、300m）是裂隙性巖溶儲(chǔ)層地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)的有利靶區(qū)。

圖3 不同裂隙幾何特性對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)采熱效率的影響。(A)開(kāi)度；(B)長(zhǎng)度；(C)傾角；(D)密度

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