摘要
干热岩资源是一种储量巨大的可再生清洁能源，我国的干热岩资源储量丰富，高效稳定开采干热岩是我国实现“双碳”战略目标的途径之一。干热岩开发主要是通过增强型地热系统完成。在干热岩开发时，岩石长期处于高温高压的水环境中，会出现岩石中不同矿物溶解/沉积的现象，造成裂缝堵塞或者管道结垢等问题。同时，在水与干热岩进行接触换热的过程中，水岩作用还会对岩石的力学性质产生影响，诱导岩石微孔隙生成、裂隙扩展，使岩石劣化损伤程度加剧，力学性能下降。本文分析了干热岩开发过程中高温高压条件下水岩作用引起的问题，阐述了水岩作用的机理，总结了当前水岩作用的实验方法以及数值模拟方法，最后对未来干热岩开发中水岩作用的研究方向进行了探讨，为今后干热岩长周期高效安全开发提供一些理论参考。
开发地热资源，尤其是深部干热岩型地热资源，是对推动我国能源结构向低碳绿色转型、达到“双碳”战略目标的重要途
目前，干热岩开发主要是通过增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）来进行的，首先通过人工改造地热储层，再利用注采井和裂缝系统循环采热介质提取热
| 项 目 | 开始时间/年 | 国家 | 井深/m | 刺激方法 | 岩石类型 | 储层温度/°C | 地震事件 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
兰道 （Landau） | 1983 | 德国 | 1874~2542 | 生产井未压裂; 注入井压裂 | 花岗岩 | 159 |
微震 (M≤2.7) |
|
因斯海姆 (Insheim) | 2007 | 德国 | 3600~3800 | 水力压裂和化学刺激 | 砂岩，花岗岩 | 165 |
微震 (M:2.0~2.4) |
|
苏茨 （Soultz） | 1987 | 法国 | 5093 | 水力压裂和酸化刺激 | 花岗岩 | 165 |
微震 (M:2.0~2.9) |
|
布瓦兰特 （Bouillante） | 1996 | 法国 | 1000~2500 | 热力压裂 | 火山岩,凝灰岩 | 250~260 | 微震 |
|
阿尔泰姆 （Altheim） | 1989 | 奥地利 | 2165~2306 | 酸化，水力刺激 | 石灰岩 | 106 | 微震 |
|
拉达雷罗 （Lardarello） | 1970 | 意大利 | 2165~2306 | 水力和热力刺激 | 变质岩 | 300~350 |
微震 (M≤3.0) |
|
沙漠峰 (Desert Peak) | 2007 | 美国 | 2430~2956 | 水力、热力和化学刺激 | 闪长岩，花岗岩 | ≥300 |
微震 (M≤2.8) |
|
库珀盆地 (Cooper Basin) | 2003 |
澳大 利亚 | 4421 | 水力压裂 | 花岗闪长岩 | 242~278 |
微震 (M≤3.7) |
|
比乔里 （Hijiori） | 1985 | 日本 | 1805~1901 | 水力压裂 | 花岗闪长岩 | 190 | 微震 |
在干热岩开发时，岩石长期处于高温高压的水环境中，水岩相互作用的影响不可忽视，在国内外许多地热电站和一些EGS工程中都出现了结垢现象。除此之外，冷的注入水体与高温岩石发生热冲击、物理化学作用都可能对岩石的力学性质造成劣化，影响地质体的稳定性，对干热岩的长期安全开采带来挑战。
水岩作用一般是指水溶液与岩石体之间的相互作用，对于岩石力学，则是指水溶液与岩石体在岩石固相线下的温度、压力范围内进行的所有化学反应、物理化学作用和力学损伤效
为了避免或抑制地热开发中的钙垢，需要清楚钙垢形成的主要过程及温度、压力、孔隙度发生变化时，碳酸钙的溶解规律。国内外一些学者对此也进行了相关研究，如Andre
地热系统中，代表性的垢物是钙垢和硅垢，其中钙垢是地热系统中最常见的，主要成分方解石，是一种次生矿物。当井内流体发生闪蒸汽化后，气相水蒸汽增多，导致二氧化碳分压降低，溶解在液相的CO2脱气溢出，造成最常见的碳酸钙垢。对于中性—碱性地热流体，方解石都是饱和的，关于低温条件下方解石的溶解度有很多研究，但对于高温系统和流体组分复杂的情况，实验数据很
图1 方解石平衡常数随温度变化曲
地热系统中，钙垢的形成与4个主要的地球化学过程有关：（1）井筒中沸腾作用导致的CO2脱气作用以及pH值增大；（2）套管腐蚀导致的pH值增大；（3）气体侵入导致的CO2逸出；（4）地热流体从储层到井口呈线性的解压作用导致的碳酸钙溶解度降
地下深部的干热岩处于高应力、高温的状态，其岩体的变形破坏特征呈现明显的流变
1948年，Rebinder
图2 600 ℃内不同温度状态花岗岩遇水冷却后岩石力学性质变
上述研究结果表明温度、时间、水岩作用均会影响到岩石的力学性质和本构模型，但目前干热岩开发过程中，大时间尺度下高温、高压及水岩作用对岩石性质演变的综合影响机制尚未探明，相关的花岗岩时效本构模型尚未建立，这也是未来对干热岩长期开采的一个重要研究方向。
由于对干热岩的开发是在高温高压的环境下进行的，为了模拟现实工况环境，Baldermann
图3 花岗岩在水岩作用下渗透率和热导率的变
综上所述，目前已经具备模拟干热岩水岩反应的高温高压流动反应的实验条件，但在大时间尺度下高温高压的水岩作用的相关实验目前还没有，研究方法上多采用热力学方法，未来研究难点将会转移到宏观、大时间尺度下水-岩相互作用的动力学过程，从不同的时间尺度研究水岩作用对干热岩开采过程的影响。
水-岩相互作用过程模拟是基于化学热力学和化学动力学原理，用数学方法定量刻画水岩体系化学反应过程的研究方
| 矿物 | 相对质量分数/% | 变化量/% |
|---|---|---|
| 石英 | 27 | 5 |
| 斜长石 | 35 | 2 |
| 碱性长石 | 35 | -2 |
| 黑云母 | 3 | -2 |
自1970年EGS的概念提出以来，逐步形成了增强型地热系统（EGS）和闭环地热系统（CLGS）等不同的开发方案，并全球范围内建立了很多典型的试验/示范工程，其中有一些EGS项目在运行中因受水岩作用的影响而失败。为了能实现干热岩长期稳定安全开采，对高温高压下水岩作用的深入研究有重要意义。
（1）探明高温、高压条件下大时间尺度的水岩作用对岩石性质演变的综合影响机制，对实现干热岩的长期稳定开采具有重要意义。
（2）目前研究水岩作用过程演化上多采用热力学方法，而宏观、大尺度水-岩相互作用的动力学过程还有较多问题需要探讨，将来可以从不同的时间尺度将热力学和动力学结合研究水岩作用对干热岩开采过程的影响。
（3）加强关键技术攻关和研发，将理论研究与实践相结合，在高地温梯度地区建设EGS或者CLGS示范项目，推动我国干热岩开发技术的发展。
参考文献（References）
推进“十四五”规划落实着力构建新发展格局——全国政协十三届常委会第十七次会议大会发言摘编［J］.中国政协，2021，387（12）：10-7. [百度学术]
国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知［J］.建筑节能（中英文），2021，49（11）：131-136. [百度学术]
李德威，王焰新.干热岩地热能研究与开发的若干重大问题［J］.地球科学：中国地质大学学报，2015，11：1858-1869. [百度学术]
余毅，马艺媛.中国干热岩资源赋存类型与开发利用［J］.自然资源情报，2022，（5）：7. [百度学术]
王贵玲，刘彦广，朱喜，等.中国地热资源现状及发展趋势［J］.地学前缘，2020，27（1）：1-9. [百度学术]
Allan J， Raymond F， Raymond，L. An evaluation of enhanced geothermal systems technology［R］. 2008. [百度学术]
Fallah A H， Gu Q， Chen D， et al. Globally scalable geothermal energy production through managed pressure operation control of deep closed-loop well systems-ScienceDirec［J］. Energy Conversion and Management， 2021，236（0）：114056. [百度学术]
唐春安，赵坚，王思敬.基于开挖技术的增强型地热系统EGS-E概念模型［J］.地热能，2021，（5）：3. [百度学术]
亢方超，唐春安，李迎春，等.增强地热系统研究现状：挑战与机遇［J］.工程科学学报，2022，44（10）：1767-77. [百度学术]
Breede K， Dzebisashvili K， Liu X， et al. A systematic review of enhanced （or engineered） geothermal systems： past， present and future［J］. Geothermal Energy， 2013，1（1）：4. [百度学术]
汤连生，王思敬.工程地质地球化学的发展前景及研究内容和思维方法［J］.大自然探索，1999，（2）：35-9，44. [百度学术]
赵宇辉，冯波，张国斌，等.花岗岩型干热岩体与不同注入水体相互作用研究［J］.地热能，2021，94（7）：2115-2123. [百度学术]
Kaieda H， Asanuma H. Present status of worldwide development of hot dry rock geothermal energy［J］. Journal of the Japan Institute of Energy， 2008，87（10）：834-839. [百度学术]
李佳琦，魏铭聪，冯波，等.EGS地热能开发过程中水岩作用对热储层特征的影响［J］.可再生能源，2014，32（7）：1004-1010. [百度学术]
吴阳春.热冲击作用下干热岩井筒围岩力学特性与稳定控制机理研究 ［D］.太原理工大学，2020. [百度学术]
Andre L， Rabemanana V， Vuataz F D. Influence of water–rock interactions on fracture permeability of the deep reservoir at Soultz-sous-Forêts， France［J］. Geothermics， 2006，35（5-6）：507-531. [百度学术]
Alt-epping P， Diamond L W， Hä， et al. Prediction of water–rock interaction and porosity evolution in a granitoid-hosted enhanced geothermal system， using constraints from the 5km Basel-1 well［J］. Applied Geochemistry， 2013，38（1）：121-133. [百度学术]
Xu T， Pruess K. Reactive transport modeling to study fluid-rock interactions in Enhanced Geothermal Systems （EGS） with CO2 as working fluid［A］. Proceedings World Geothermal Congress 2010［C］， 2010. [百度学术]
李义曼，庞忠和.地热系统碳酸钙垢形成原因及定量化评价［J］.新能源进展，2018，6（4）：274-281. [百度学术]
Segnit E R， Holland H D， Biscardi C J. The solubility of calcite in aqueous solutions-I The solubility of calcite in water between 75° and 200° at CO2 pressures up to 60 atm［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 1962，26（12）：1301-1331. [百度学术]
Gledhill D K， Morse J W. Calcite solubility in Na-Ca-Mg-Cl brines［J］. Chemical Geology， 2006，233（3-4）：249-56. [百度学术]
Henley R W. Geothermal fluids： Chemistry and exploration techniques： K. Nicholson. Springer Verlag， Berlin， New York， 1993， 263 pp.， DM 138.00 ［J］. Journal of Geochemical Exploration， 1995，52（3）：382-383. [百度学术]
Wanner C， Eichinger F， Jahrfeld T， et al. Causes of abundant calcite scaling in geothermal wells in the Bavarian Molasse Basin， Southern Germany［J］. 2017，70（1）：324-338. [百度学术]
刘业科.水岩作用下深部岩体的损伤演化与流变特性研究［D］.中南大学，2014，32（5）：9. [百度学术]
Rebinder P A， Shreiner L A， Zhigach K F. Hardness reducers in drilling： A physico-chemical method of facilitating the mechanical destruction of rocks during drilling［J］. Doklady Akademiinauk SSSR， 1948，37（17）：378-392. [百度学术]
Sausse J， Jacquot E， Fritz B， et al. Evolution of crack permeability during fluid-rock interaction. Example of the Brézouard granite （Vosges， France）［J］. Tectonophysics， 2001，336（1-4）：199-214. [百度学术]
张文达.花岗岩高温酸性环境水-岩作用特征及岩体劣化机制［D］.西南交通大学，2021. [百度学术]
邓华锋，肖志勇，李建林，等.水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2015（S1）：2690-2698. [百度学术]
冯夏庭.岩石破裂过程的化学-应力耦合效应［M］.北京：科学出版社，2010. [百度学术]
郤保平，赵阳升.600℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（5）：7. [百度学术]
顾晓伟.基于干热岩开采的高温水冷循环后花岗岩力学特性研究［D］.徐州：中国矿业大学，2021. [百度学术]
Baldermann A， Abbasov O R， Bayramova A， et al. New insights into fluid-rock interaction mechanisms at mud volcanoes： Implications for fluid origin and mud provenance at Bahar and Zenbil （Azerbaijan）［J］. Chemical Geology，2020，（537）： 119479. [百度学术]
Ellis A J， Mahon W. Natural hydrothermal systems and experimental hot-water/rock interactions ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta， 1964，28（8）：1323-1357. [百度学术]
Bjorke J K， Stefansson A， Arnorsson S. Surface water chemistry at Torfajkull， Iceland—Quantification of boiling， mixing， oxidation and water-rock interaction and reconstruction of reservoir fluid composition［J］. Geothermics， 2015，58（1）：75-86. [百度学术]
Yang F， Wang G， Hu D， et al. Influence of water-rock interaction on permeability and heat conductivity of granite under high temperature and pressure conditions［J］. Geothermics， 2022，100：102347-. [百度学术]
张荣华，张雪彤，胡书敏，等.高温下玄武岩与流体相互作用：在400℃、23MPa条件下反应的动力学实验［C］//2011年全国岩石学与地球动力学研讨会，2011. [百度学术]
李义曼，庞忠和.二氧化碳地质封存中的水-岩反应动力学模拟：进展及问题［J］.吉林大学学报（地球科学版），2012，42（S2）：352-360. [百度学术]
王周锋，郝瑞娟，杨红斌，等.水岩相互作用的研究进展［J］.水资源与水工程学报，2015，（3）：7. [百度学术]
杨国栋，李义连，马鑫，等.绿泥石对CO2-水-岩石相互作用的影响［J］.地球科学：中国地质大学学报，2014，（4）：11. [百度学术]
贾文飞，高柏，李鸣晓，等.水岩相互作用分析方法研究进展 ［J］.广东化工，2015，42（9）：2. [百度学术]
