以化石燃料为基础构建的能源结构对人类赖以生存的环境产生了越来越大的影响。干热岩（Hot Dry Rock，HDR）作为传统水热型地热的延伸，由于其环境友好性、清洁、可再生和空间分布的广泛性，被认为是21世纪最有潜力的新型能源。世界目前开采和利用地热资源主要是水热型地热。干热岩是一种没有水或蒸汽的深部高温岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。保守估计地壳中干热岩（3~10千米深处，其温度范围在150~650oC之间）所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。中国地质调查局的最新评价数据显示：中国大陆3~10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于中国2010年全国一次性能耗总量（32.5亿吨标煤）的5300倍。增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS），是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统，即从干热岩中开发地热的工程。干热岩的开发主要是采用人工形成地热储层，冷水通过注入井注入，进入人工产生的、张开的联通裂隙带，并与高温的岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路，从而实现持续不断提取深部储层中热能的目的。增强型地热系统中热能开发包含水力压裂和地热开采两个重要阶段。水力压裂阶段，低温高压流体通过注入井打入目标储层，导致天然存在的裂隙应力状态发生变化，从而引发岩石破裂而增大渗透率；地热开采阶段，冷水通过注入井进入人工压裂后的储层，与高温基质发生热交换，然后通过生产井流出到地面进行发电。在这两个阶段中，压力、温度和应力以及它们之间的耦合作用是控制水力压裂效果和热量产出特征的重要因素，也是EGS工程实施的关键科学问题。本文进行了理论方法和场地应用两个方面的研究工作。在理论方法方面，首先基于考虑温度和压力影响的Biot力学扩展方程，联合TOUGH2中的水热模型，建立了通用的力学耦合水热模型。然后在TOUGH框架内，采用有限元离散方法，建立了耦合数值模型，并开发了热-水动力-力学耦合模拟器TOUGH2Biot。通过两个一维问题和一个实际场地问题验证了所开发的模拟器的可靠性。在场地应用方面，基于随机裂隙网络的等效渗透张量方法和TOUGH2Biot数值分析了美国Desert Peak EGS水力压裂过程，评价了渗透率演化的时空分布特征；基于井筒和储层耦合模拟器T2well数值分析了中国松辽盆地场地级EGS优化开采方案下的开发潜能，并进行了不确定分析。本次研究成果一方面可为以后EGS和地下流动系统中相关热-水动力-力学耦合研究提供必要的评价工具，另一方面可为将来中国EGS开发提供科学的依据和技术支撑。