DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34104-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580441
تاريخ النشر: 2026-01-24
المؤلف: Longshan Su وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يتم استخدام طريقة العناصر المنفصلة (DEM) لنمذجة سلوك الجرانيت في أنظمة الطاقة الحرارية المحسنة (EGS) تحت تأثيرات الصدمة الحرارية والتحميل الديناميكي. تكشف النتائج أن تكوين الشقوق يكون أكثر وضوحًا خلال مرحلة التبريد بعد الصدمة الحرارية، مع كون الأنواع السائدة من الشقوق هي الشقوق الشد والشقوق الشد القص. يُظهر كثافة هذه الشقوق أنها تزداد مع ارتفاع درجات حرارة الصدمة الحرارية وعدد دورات التحميل الديناميكي. ومن الجدير بالذكر أنه عند درجة حرارة عالية تبلغ 500 درجة مئوية، تتدهور الخصائص الميكانيكية للجرانيت بشكل كبير، مما يؤدي إلى تطور شقوق واسعة. توفر المحاكاة رؤى قيمة حول انتشار الشقوق وتطور الأضرار، والتي تعتبر حاسمة لتقييم تحفيز الخزانات واستقرار آبار المياه في EGS.
تسلط الاستنتاجات المستخلصة من نموذج PFC الضوء على عدة نقاط رئيسية: (1) خلال الصدمة الحرارية، يستمر وجود تدرج كبير في درجة الحرارة الداخلية حتى بعد أن تصل الصخور إلى درجة الحرارة المستهدفة، مع حدوث انخفاض في هذا التدرج بعد فترة استقرار مدتها ساعتان، مما يؤدي إلى عدد أقل من الشقوق بسبب التمدد الحراري. (2) تعتبر مرحلة التبريد حاسمة لأضرار الصخور، حيث يتم ملاحظة زيادة كبيرة في تكوين الشقوق، مما يتماشى مع البيانات التجريبية، ويشير إلى أن الضغط الشد الناتج عن اختلافات درجات الحرارة هو السبب الرئيسي للأضرار الناتجة عن الحرارة. (3) تشير تحليل استجابات التحميل الديناميكي إلى أن درجات الحرارة المرتفعة تزيد من الأضرار تحت التحميل المتكرر، مع حدوث التفتت والتقشر حتى عند درجات حرارة معتدلة (مثل 350 درجة مئوية) بعد العديد من الدورات (مثل 50)، مما يبرز تسارع انتشار الشقوق والأضرار الكبيرة الناتجة عن تفاعل درجات الحرارة العالية والتحميل الديناميكي.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحديات البيئية الناتجة عن الاعتماد على الوقود الأحفوري، وخاصة انبعاث الغازات الضارة مثل CO2، التي تساهم في التلوث والأضرار البيئية. استجابةً لهذه القضايا، هناك اهتمام متزايد بمصادر الطاقة المتجددة، حيث تبرز الطاقة الحرارية الأرضية كبديل واعد نظرًا لاحتياطياتها الوفيرة، وانبعاثاتها المنخفضة من الكربون، وسلامتها. تركز الدراسة على أنظمة الطاقة الحرارية المحسنة (EGS)، التي تستخدم تشكيلات الصخور الجافة الساخنة (HDR)، وخاصة الجرانيت، لاستخراج الطاقة الحرارية الأرضية. يعتبر السلوك الميكانيكي لـ HDR تحت الصدمة الحرارية والتحميل الديناميكي أمرًا حيويًا لضمان استقرار آبار المياه وكفاءة استخراج الطاقة.
تستعرض الورقة الأدبيات الموجودة حول تأثيرات درجات الحرارة العالية على HDR، مشيرة إلى أن درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تبدأ وتنتشر الشقوق، مع حدوث تدهور كبير في الخصائص الميكانيكية فوق 400 درجة مئوية. أظهرت دراسات متنوعة أن الصدمة الحرارية تزيد من انتشار الشقوق مقارنة بالتسخين وحده، مع تأثيرات مثل تغاير الصخور وحجم الحبيبات تؤثر على سلوك الأضرار. على الرغم من وفرة البيانات التجريبية، لا يزال هناك فجوة في فهم التطور الزمني الحقيقي لدرجة الحرارة الداخلية والضغط في الصخور، حيث تركز معظم الدراسات على عوامل معزولة. لمعالجة ذلك، تستخدم البحث كود تدفق الجسيمات (PFC)، وهي طريقة عددية تحاكي الصخور كتركيب للجسيمات، للتحقيق في التأثيرات المشتركة للعلاج الحراري والتحميل الديناميكي على انتشار الشقوق وتطور الأضرار في HDR. تهدف هذه الطريقة إلى تقديم رؤى أعمق حول عمليات الأضرار الديناميكية تحت ظروف حرارية وميكانيكية مرتبطة.
مناقشة
تناقش هذه القسم إطار عمل كود تدفق الجسيمات (PFC)، الذي يستخدم طريقة العناصر المنفصلة لمحاكاة تفاعلات الجسيمات ونمذجة السلوك الميكانيكي والحراري للمواد، وخاصة الصخور. تستند طريقة PFC إلى قانون القوة والإزاحة وقانون نيوتن الثاني، مما يسمح بحساب القوى بين الجسيمات واستنتاج معادلات حركة الجسيمات. تتحقق الدراسة من قابلية تطبيق طريقة PFC من خلال محاكاة الضغط أحادي المحور وانتقال الحرارة، مما يظهر أن النموذج يلتقط بشكل فعال السلوك الميكانيكي للصخور تحت الضغط ويحاكي بدقة انتقال الحرارة الموصل، مما يتماشى بشكل وثيق مع التوقعات النظرية.
تكشف النتائج أنه خلال الصدمة الحرارية، يكون توليد الشقوق أكثر وضوحًا بشكل ملحوظ خلال مرحلة التبريد مقارنة بالتسخين، مع وجود علاقة إيجابية بين كمية الشقوق ودرجة حرارة الصدمة الحرارية. تسلط الدراسة الضوء على أن الشقوق الدقيقة التي تبدأ أثناء التسخين تعطل انتقال الحرارة المنتظم، مما يؤدي إلى زيادة الضغوط الحرارية عند التبريد. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن التحميل الديناميكي يزيد من أضرار الصخور، مع درجات حرارة أعلى وزيادة دورات التحميل تؤدي إلى انتشار أكبر للشقوق والتفتت. تؤكد البحث على أهمية مراقبة تكسير الصخور في التطبيقات العملية، مثل استخراج الطاقة الحرارية الأرضية، وتقترح أن العمل المستقبلي يمكن أن يدمج PFC مع طرق العناصر المحدودة لتعزيز فهم سلوك الصخور تحت ظروف حرارية وميكانيكية معقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34104-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580441
Publication Date: 2026-01-24
Author(s): Longshan Su et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
In this study, the discrete element method (DEM) is employed to model the behavior of granite in enhanced geothermal systems (EGS) under the combined influences of thermal shock and dynamic loading. The findings reveal that crack formation is most pronounced during the cooling phase following thermal shock, with the predominant types of cracks being tensile and tensile-shear. The density of these cracks is shown to increase with elevated thermal shock temperatures and the number of dynamic loading cycles. Notably, at a high temperature of 500 °C, the mechanical properties of the granite significantly deteriorate, leading to extensive crack development. The simulations provide valuable insights into crack propagation and damage evolution, which are crucial for assessing reservoir stimulation and wellbore stability in EGS.
The conclusions drawn from the PFC model highlight several key points: (1) During thermal shock, a substantial internal temperature gradient persists even after the rock reaches the target temperature, with a reduction in this gradient occurring after a two-hour stabilization period, resulting in fewer cracks due to thermal expansion. (2) The cooling phase is critical for rock damage, as a significant increase in crack formation is observed, aligning with experimental data, and indicating that tensile stress from temperature differentials is the primary cause of thermally induced damage. (3) The analysis of dynamic loading responses indicates that higher heating temperatures exacerbate damage under repeated loading, with fragmentation and spalling occurring even at moderate temperatures (e.g., 350 °C) after numerous cycles (e.g., 50), underscoring the accelerated crack propagation and macroscopic damage resulting from the interplay of high temperatures and dynamic loading.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the environmental challenges posed by fossil fuel reliance, particularly the emission of harmful gases like CO2, which contribute to pollution and ecological damage. In response to these issues, there is a growing interest in renewable energy sources, with geothermal energy emerging as a promising alternative due to its abundant reserves, low carbon emissions, and safety. The study focuses on Enhanced Geothermal Systems (EGS), which utilize hot dry rock (HDR) formations, primarily granite, to extract geothermal energy. The mechanical behavior of HDR under thermal shock and dynamic loading is crucial for ensuring wellbore stability and efficient energy extraction.
The paper reviews existing literature on the effects of high temperatures on HDR, noting that elevated temperatures can initiate and propagate cracks, with significant degradation of mechanical properties occurring above 400°C. Various studies have demonstrated that thermal shock exacerbates crack propagation compared to heating alone, with factors such as rock heterogeneity and grain size influencing damage behavior. Despite the wealth of experimental data, there remains a gap in understanding the real-time evolution of internal temperature and stress in rocks, as most studies focus on isolated factors. To address this, the research employs the Particle Flow Code (PFC), a numerical method that simulates rock as a particle assembly, to investigate the combined effects of thermal treatment and dynamic loading on crack propagation and damage evolution in HDR. This approach aims to provide deeper insights into the dynamic damage processes under coupled thermo-mechanical conditions.
Discussion
The section discusses the Particle Flow Code (PFC) framework, which employs the discrete element method to simulate particle interactions and model the mechanical and thermal behavior of materials, particularly rocks. The PFC method is grounded in the force-displacement law and Newton’s second law, allowing for the calculation of inter-particle forces and the derivation of particle motion equations. The study verifies the applicability of the PFC method through uniaxial compression and heat transfer simulations, demonstrating that the model effectively captures the mechanical behavior of rock under stress and accurately simulates conductive heat transfer, aligning closely with theoretical predictions.
The findings reveal that during thermal shock, crack generation is significantly more pronounced during the cooling phase compared to heating, with a positive correlation between crack quantity and thermal shock temperature. The study highlights that microcracks initiated during heating disrupt uniform heat conduction, leading to increased thermal stresses upon cooling. Additionally, the results indicate that dynamic loading exacerbates rock damage, with higher temperatures and increased loading cycles resulting in greater crack propagation and fragmentation. The research underscores the importance of monitoring rock fracturing in practical applications, such as geothermal energy extraction, and suggests that future work could integrate PFC with finite element methods to enhance the understanding of rock behavior under complex thermal and mechanical conditions.