刘赛|法拉斯·阿尔·巴卢希|君吉|李璐|苗金|张倩|郭瑞昌|李超|王洪生
美国德克萨斯大学奥斯汀分校经济地质学系，奥斯汀，TX 78758
**摘要**
增强型地热系统（EGSs）的热量产生通常受到流体短路导致的热突破限制。本文回顾了最新的缓解EGSs热突破的技术，并提出了潜在的研究方向。旨在阐明具有良好性能的最新技术，识别关键挑战，并为未来的研究方向提供新的见解。该综述的独特之处在于整合了跨学科研究的最新发现，对EGSs热突破缓解策略进行了全面深入的分析，并对其进行了比较和联系。讨论并评估了过去开发和评估的五种主要技术：流体流动管理、间歇性热提取、使用二氧化碳（CO2）作为工作流体、裂缝导电性调整以及利用温度响应流体。研究发现，虽然流体循环速率调整和实时监测与控制可以显著提高EGS的热输出，但它们会带来诱发地震的风险和增加成本。间歇性热提取通过交替进行热提取和关闭操作，使储层温度得以恢复，从而有效延缓了出口温度的下降。CO2可以在裂缝中促进更全面的热交换，从而提高热输出。温度敏感的支撑剂可以根据温度分布自动调节流体流动，从而增强EGS的热产量。未来有前景的研究包括使用纳米流体和反应性示踪剂。所提出的多层次策略可以导致一种用于热突破控制的集成技术。
**引言**
地热能利用地球内部的热量作为可再生能源，与太阳能、风能或水力发电不同，它能够提供连续且可调度的高功率[1]。地热能源自地壳深处的残余热和放射性同位素的衰变，通过工程井和先进的提取技术可以获取这些热量[2]。地热井通常暴露在高温的地下环境中，需要耐高温的密封材料来保持水力完整性[3,4]。地球热量的持久性和强度意味着这种资源在人类时间尺度上是无穷尽的，无论天气或一天中的时间如何，都能支持持续的地热能生产[5]。与风能和太阳能等可变可再生能源相比，地热能是一种稳定的基础负荷电源，在现代装置中的可靠性高达75%以上[6]。地热电站占地面积小，因为大部分核心基础设施都隐藏在地下，减少了土地使用冲突，并能够靠近需求中心进行部署。地热发电的生命周期排放量非常低，通常低于太阳能光伏，比化石燃料低几个数量级，这使地热能在脱碳策略中占据关键地位[1]。此外，地热项目每兆瓦创造的就业机会比风能或太阳能更多，并有助于当地税收和特许权使用费，从而带来经济和社会效益[5]。
传统的地热发电，通常称为常规水热系统，依赖于天然存在的热水储层和渗透性岩石，这种组合主要存在于特定的构造或火山环境中。这一地理限制历史上将地热利用限制在特定区域，如环太平洋火山带，使其对全球电力生产的贡献不到1%[7,8]。为了实现可用于商业发电和供暖的满意热量产出，增强型地热系统（EGSs）作为一种颠覆性的地热开发方法应运而生[9,10]。EGSs基于在通常干燥且缺乏足够自然裂缝或流体的热岩石中创建的工程化地热储层[11]。通过部署水力或化学刺激等技术来创建地下裂缝网络，然后通过裂缝循环水或其他工作流体，EGSs可以开发出原本无法获取的巨大地热能储备[12]。这一创新将地热潜力与罕见的地质条件分离，使其适用于全球各地，并解锁了一个理论潜力远超当前能源需求的能源来源。为了分析EGSs的热性能，数值模拟、实验室实验和现场测试是潜在的方法。然而，EGSs的大规模使得通过实验室实验获得精确数据非常具有挑战性，而现场规模测试的高成本要求在测试前获得系统性能的宝贵见解，这可以通过数值模拟来实现。过去，许多数值模拟研究已经用于评估EGSs的性能[13]。刘等人[14]对EGSs的最新进展进行了广泛的回顾，结合了实验室测试、数值建模和基于现场的研究结果；他们的分析表明，这些系统的成功实施在很大程度上取决于裂缝网络的准确创建和管理，无论是自然形成的还是人工刺激的。
尽管EGSs具有变革性前景，但它们面临重大的运营和可持续性障碍。一个关键问题是注入储层中的流体在刺激和热提取过程中可能引起的诱发地震风险，这可能发生在注入操作期间或注入后阶段[15]。问题的原理是流体注入改变了储层中的孔隙压力和有效应力，冷流体与热储层之间的温差导致岩石收缩和注入附近的额外热应力；因此，这些热流体过程会在储层中引起机械不稳定性和潜在的地震[16]。此外，热突破是EGSs面临的另一个突出挑战[17]。热突破是指冷注入流体通过优先或快速流动路径提前到达生产井，导致输出温度加速下降，从而显著缩短储层的有效寿命和热回收效率[18,19]。这种现象从根本上与EGS储层内裂缝网络的设计和动态有关，因为渗透性的空间异质性、裂缝开口和井配置可以创建主导热交换的通道[20]。操作参数，如井间距、注入速率和流体性质，进一步影响突破的时间和严重程度[21]。热突破的发生不仅危及EGS项目的商业和环境可行性，还使投资和风险概况复杂化，从而阻碍了其广泛采用。
认识到这一问题的紧迫性，科学和工程界提出并评估了一系列缓解技术。这些技术包括优化流体路径和延迟热下降的井布置策略[18]、提高渗透性分布和最小化优先通道的先进储层刺激方法[21]、实现储层再充水的操作协议（如间歇性热提取）[22]、采用超临界CO2等替代工作流体以利用其改进的热性能[21]，以及有意识地管理裂缝导电性以限制快速通道[23,24]。为了更好地控制热突破，普卢默等人[25]提出并研究了利用流体流动通道之间的温差来放置降低渗透性的剂子的输送方法，以选择性地堵塞高流速的较冷裂缝。然而，有效缓解热突破的能力仍受到地质异质性、耦合的热流体-机械-化学过程的复杂相互作用以及有限的现场规模实验验证的限制[19,21,26]。
当前文献中的一个关键空白是缺乏综合性的多学科综述，这些综述综合了这些不同的缓解策略、它们之间的相互依赖性以及在不同地质和操作条件下的性能。大多数现有研究仅关注单一缓解方面的建模或依赖于简化的储层行为假设，从而限制了它们在实际EGS部署中的指导价值。此外，关于循环热应力下裂缝网络行为的实验研究和长期监测仍然很少，进一步增加了预测模型和管理协议的不确定性[21]。虽然使用CO2等非水工作流体的研究在效率和碳封存方面具有前景，但尚未在广泛现场应用或操作优化中得到验证。
本文的目标和新颖之处在于提供对最新缓解EGSs热突破解决方案的综合性分析，围绕五个关键技术领域组织：流动管理技术、间歇性热提取、使用CO2作为工作流体、裂缝导电性调整以及利用温度响应流体。通过阐明基本原理并批判性地评估这些领域的最新进展、局限性和潜在解决方案，本文独特地整合了当前的技术水平，同时确定了未来研究和创新的有希望的方向。值得注意的是，提出了一种多层次策略，用于开发EGSs热突破控制的集成技术。所有技术的技术成熟度（TRL）、主要成本驱动因素、可扩展性决定因素、收益、风险、最低监测要求以及可测量的成功标准都进行了比较分析。应当注意的是，本文引用的研究仅用于支持相关论点。本文对最新的热突破缓解技术进行了深入详细的比较分析，并提出了关键解决方案和未来研究方向，以解决当前的局限性和挑战，而不仅仅是过去研究的叙述性总结。通过提供批判性和充分参考的分析，本文旨在为研究人员、工程师和决策者提供基础资源，帮助他们通过有效缓解热突破来提高EGS技术的耐用性、热性能和可扩展性。
**部分摘录**
**操作原理**
EGSs指的是人工设计的地下储层，旨在捕获和利用来自具有足够温度但缺乏常规地热能提取所需自然渗透性或流体含量的深层岩石的热能[8]。在EGS开发中，通常通过水力压裂等刺激技术有意创建或增加渗透性，以形成流体循环的路径。
**热突破**
在EGS中，热突破是指注入储层中的冷流体到达生产井的时刻，导致提取流体的温度明显且通常是永久性的下降。系统中的热短路会显著加速热突破，其机制如下：增强型地热系统的长期生产稳定性在很大程度上取决于有效热交换的扫掠体积。
**热突破控制技术**
近年来，提出了各种技术来延迟或防止热突破。其中，以下五种最新技术得到了广泛研究：流动管理技术、间歇性热提取（ITE）、基于CO2的EGSs、裂缝导电性调整以及利用温度响应流体。所有这些技术都旨在解决热短路问题，延迟冷前沿的到来，并改善热扫掠。
**关于未来研究的建议**
尽管在开发缓解EGSs热突破的技术方面取得了相当大的进展，但仍存在挑战，需要进一步的研究来提高EGSs的效率、可持续性和经济可行性。首先，值得关注的一种新兴方法是采用纳米流体作为工作流体，但这仍需要进一步研究来证明其有效性。此外，为了在实地测试这些不同技术，需要一种适当的冷前沿测试技术。
**结论**
本文提出了针对缓解热突破和提高EGSs热产量的不同最新技术的开创性综述，涵盖了从流体流动管理到ITE、使用CO2作为工作流体、裂缝导电性管理以及利用温度响应流体等多个方面。每种技术都有其独特的优势和局限性，突显了在异质地下环境中管理热提取的复杂性。为了进一步提高长期性能……
**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，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。
