作为地球浅层地壳中广泛分布的可再生能源，储存在热干岩（HDRs）中的地热能被认为是实现碳中和和应对气候变化的关键组成部分[[1], [2], [3], [4], [5]]。与常规水热储层的开发不同，从HDRs中提取地热能需要付出巨大努力来刺激原本低渗透性的岩石，以形成连通的裂缝网络，从而实现流体循环[[6], [7], [8], [9]]。这种人工系统被称为增强型地热系统（EGS），目前被视为利用HDRs中丰富地热能进行发电的有前景的技术，并在过去几十年中受到了广泛关注[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。20世纪70年代在芬顿山进行的第一次EGS现场试验初步验证了通过EGS开采地球热能的可行性[[6]]。此后，全球启动了64多个现场项目，测试创新和先进的技术，以实现有效的HDR刺激和高效的流体循环及热回收，例如法国的Soultz EGS项目和美国的FORGE项目[[1,4,14]]。近年来，Fervo Energy在EGS商业应用方面取得了显著进展，其内华达州的项目Red自2023年10月以来已开始向电网供电（3.5 MW），犹他州的项目Cape正在建设中，目标容量为400 MW[[16]]。
尽管通过这些现场试验取得了重大突破，但仍存在技术难题和经济挑战，阻碍了EGS在全球范围内的实际应用。Tester等人[[4]]全面研究了六个EGS现场项目，总结指出与HDR刺激和流体循环相关的主要技术问题包括低流体回收率、严重的流动短路等。从Red项目和Cape项目的经验来看，Norbeck等人[[16]]指出，尽管水平钻井和水力刺激技术取得了进步，但对热寿命的理解仍然是EGS开发的主要风险。流动短路（也称为流动通道化）是指大部分注入流体集中在刺激裂缝网络中的少数主要通道中的现象。流动短路的直接后果是，循环流体与周围岩层之间的有效热传递面积显著减少，从而大大降低了热寿命。这种现象已在多个EGS现场项目中观察到，例如英国的Rosemanowes项目和法国的Soultz EGS项目[[14], [4]]。在Rosemanowes EGS项目中，示踪剂测试结果显示，一个主导流动通道占总产量的50%以上（14 L/s），而在九个可能的流动通道中只有四个通道的流量超过1 L/s[[17]]。在Soultz EGS项目中，GPK3井中的九个开放裂缝中，有一个裂缝占据了总流量的70%[[4]]。多项实验室和数值研究已定量分析了流动通道化对EGS热性能的影响[[18], [19], [20], [21]]。根据Guo等人[[18]]的单裂缝EGS模型研究，由于严重的流动通道化，EGS模型的生产寿命从30年缩短至仅9.4年。McLean和Espinoza[[20]]开发了一个多裂缝EGS模型，模拟结果显示由于流动通道化，热回收率减少了近60%。
EGS项目的成功需要有效的技术来缓解流动通道化并保持相对较大的热交换面积，以实现高效和经济的地热回收。2021年，美国能源部的地热技术办公室（GTO）发布了资金机会，征集控制EGS水力特性的创新方法，重点在于消除冷却通道，以优化热能开采。获选的七个项目提出了各种方法来解决裂缝流动短路问题，包括开发温度响应性膨胀颗粒、可膨胀颗粒凝胶、温度敏感支撑剂、微/纳米封装反应流体和多孔聚合物来堵塞冷却的裂缝通道，以及利用热诱导的方解石沉淀来控制裂缝流动模式。这些项目的核心思想是堵塞冷却的通道，从而将循环流体引导到未探索的热区域。尽管有这些正在进行的研究努力，但在实际应用中仍缺乏有效的技术来防止裂缝流动集中在少数优先通道中。困难是多方面的。首先，需要堵塞的冷却通道可能远离井口，使得直接操作这些通道极其困难，甚至不可能。用于堵塞油/气储层中刺激孔隙的近井口分流器可能不适用。其次，在堵塞冷却通道的同时，其他未被堵塞的通道需要保持开放，以便流体循环。这种选择性堵塞要求带来了重大的技术挑战。第三，在EGS储层的高应力、高压和高温条件下，流体循环和热传递伴随着复杂的热-水-力-化学（THMC）耦合过程。THMC过程不可避免地导致裂缝特性和流体流动模式的动态演变[[22], [23], [24], [25]]。因此，在地热能提取过程中，流动短路行为也会动态演变，使得有效堵塞流动短路变得更加困难。
因此，全面理解复杂THMC耦合过程下裂缝流动通道化行为的动态演变对于设计有效的方法来选择性堵塞远场冷却通道至关重要。先前研究的一个重要发现是，流动通道化与THMC过程之间存在复杂的相互作用机制，例如热降引起的流动通道化[[18,20,21,27]]。伴随冷流体注入的热弹性效应触发了热应力与裂缝流动通道化之间的正反馈循环，最终导致严重的流动通道化，严重损害了EGS储层的热回收性能。除了热弹性效应外，其他THMC过程，如温度依赖的流体粘度[[19,28]]、热致破裂和流体-岩石反应[[29], [30], [31], [32]]，也可能以正或负反馈循环的方式影响流动通道化。与加剧流动通道化的正反馈循环相比，负反馈循环可以在一定程度上自动“修复”流动通道化，这对裂缝流动控制尤为重要。理解这些THMC过程与流动通道化之间的反馈机制可以为控制裂缝流动通道化行为提供关键见解和指导。GTO资助呼吁下提到的创新方法本质上旨在通过人工干预来促进这种负反馈循环，以消除流动通道化。
本研究的目的是全面回顾EGS储层中各种THMC耦合过程下裂缝流动通道化动态演变的研究现状。具体来说，我们旨在揭示THMC过程与流动通道化之间的反馈机制，研究这些THMC过程如何加剧或缓解流动通道化，并量化它们对长期热回收性能的影响。除了分析文献中的结果外，我们还开发了数值模型来模拟THMC效应下的裂缝流动通道化演变。最后，我们总结了解决流动通道化问题的最新技术，并对未来研究方向进行了展望。接下来，我们在第2节中首先介绍单裂缝、多个平行裂缝和裂缝网络中的流动通道化现象。第3节分析了THMC过程与流动通道化之间的主要反馈机制。第4节回顾了目前提出的流动通道化解决方案，第5节讨论了未来的研究方向。
