热应力影响下深层含水层储能系统的温度-渗流-地表变形响应机制及储热效应研究

　　针对季节性能源分布不均问题，研究人员通过建立热-流-固(THM)耦合三维模型，揭示了含水层储能系统(ATES)在热应力与注采循环作用下的温度-渗流-地表变形响应规律。研究发现热应力可使地表年沉降速率降低至1.5 mm，储热效率提升0.5%，孔隙压力对地表变形的影响显著大于热应力，为ATES系统安全运行提供了理论支撑。

　　

随着全球能源结构调整的深入，季节性能源供需失衡成为制约可持续发展的关键瓶颈。夏季能源过剩与冬季需求激增的矛盾，催生了含水层储能系统（Aquifer Thermal Energy Storage, ATES）这一创新解决方案。这种将地F水层作为"天然蓄电池"的技术，通过夏注冬采实现能量跨季节调配，其储热效率高达67-87%，已在北美、欧洲等地广泛应用。然而，在看似美好的前景下，隐藏着复杂的科学挑战——高温流体注入引发的热-流-固（Thermo-Hydro-Mechanical, THM）多场耦合效应，不仅导致地表周期性升降（年沉降速率达5 mm），更可能永久损伤含水层结构。更棘手的是，传统研究多聚焦流体抽取引发的孔隙压力变化，却忽视了热应力这一"隐形推手"，使得地表变形预测犹如盲人摸象。

中国石油大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表的研究，首次构建了融合Biot固结理论与热弹塑性理论的三维THM耦合模型。通过有限元法（FEM）模拟三年注采循环，结合SBAS-InSAR（小基线集干涉合成孔径雷达）地表监测数据，系统解析了温度场-渗流场-变形场的交互机制。研究特别关注热应力与孔隙压力的博弈关系，并创新性引入热膨胀系数作为调控阀门，为ATES系统设计提供了全新视角。

关键技术包括：1）基于TOUGH-FLAC3D耦合平台构建三维非均质含水层模型；2）采用Biot固结理论计算孔隙压力-变形耦合效应；3）应用热弹塑性本构模型量化热应力影响；4）通过参数敏感性分析（注入速率40-60 m³
/h、温度50-70°C）揭示调控规律。

【温度响应】
模型显示高温区（>50°C）呈椭球状扩展，三年后热锋面推移至距注入井120 m处。各向异性渗透率导致温度场非对称分布，注采井间形成54°C的稳定热通道，这是储热效率提升的结构基础。

【地表变形】
周期性注采引发地表"呼吸式"升降，年均净沉降1.5 mm。热应力使夏季地表抬升0.8 mm，部分抵消了冬季1.3 mm的沉降，这种"热缓冲效应"将总沉降量降低了23%。值得注意的是，孔隙压力对变形的贡献度达60%，远超热应力的40%。

【参数影响】
当注入速率从40增至60 m³
/h时，地表变形振幅扩大37%，但储热效率仅提高2.1%；而注入温度每升高10°C，孔隙压力下降8 kPa，导致沉降加剧。最关键的发现是：热膨胀系数α>1.2×10^-5
/°C时，热应力主导变形机制，系统进入"热稳定区"。

这项研究颠覆了传统认知：热应力并非单纯的破坏因子，而是可调控的"双刃剑"。通过优化注采参数（建议速率45 m³
/h、温度55°C），可实现沉降控制与效率提升的协同。该成果为深层ATES系统提供了三大设计准则——热应力补偿机制、孔隙压力预警阈值、热膨胀材料优选标准，尤其对中国东部沉降敏感区的储能项目具有指导价值。未来研究可结合人工智能（如GRU-CNN模型）预测长期地质演变，推动地F热能开发向"精准调控"时代迈进。