三维地应力下干热岩井壁失稳机理的热-流-固耦合数值模拟研究

为解决干热岩(HDR)地热开采中井壁失稳问题，西南石油大学团队通过建立三维THM耦合数值模型，揭示了不同地应力机制、钻井液压力和温度差对井周应力分布及破坏模式的影响规律，为深层地热安全高效钻探提供了理论支撑。

　　

随着传统化石能源枯竭和环境问题加剧，清洁高效的地热能开发成为全球焦点。干热岩(HDR)作为埋深2-10km的高温(150-650°C)花岗岩体，通过注入低温流体实现热能提取。然而在高温高压环境下，钻井液与岩体间的巨大温度差会引发热应力，导致井壁坍塌、循环漏失等工程事故，严重制约地热开发效率。现有研究多基于二维模型，难以反映三维地应力场与热力耦合的复杂作用机制，亟需建立更精确的预测模型。

西南石油大学机电工程学院的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，构建了包含应力场、渗流场和温度场的三维瞬态分析模型。该研究创新性地采用有限元法模拟花岗岩井筒的THM耦合过程，通过Drucker-Prager准则和最大拉应力准则分别评估剪切与拉伸破坏，系统分析了反向断层(RF)、走滑断层(SS)和正断层(NF)三种地应力机制下的井壁损伤演化规律。

关键技术包括：1) 基于连续介质力学建立三维THM耦合控制方程；2) 采用1/4井筒对称模型减少计算量；3) 通过损伤状态变量D₁/D₂量化破坏程度；4) 设置4-5倍井径的模型尺寸消除边界效应；5) 对比分析100-310°C温度差工况。

研究结果揭示：

1. 不同地应力机制下的井壁稳定性：NF机制（垂向应力115MPa）较RF机制（52MPa）使剪切损伤减少50%以上，但破坏模式均为水平面窄缝剪切突破（径向应力>轴向应力>切向应力）和井周同心径向拉伸破坏。

2. 钻井液压力影响机制：60-70MPa为最优压力区间，压力不足（0MPa）引发最小水平应力方向的径向拉伸破坏，过高压力（120MPa）则导致最大水平应力方向的切向拉伸破坏和低角度剪切破坏。

3. 温度差作用规律：ΔT>190°C时剪切损伤呈"+"形扩展，310°C高温差下出现高角度雁列剪切（轴向应力>径向应力>切向应力）和复合型拉伸破坏，破坏范围扩大至全井壁。

该研究首次系统阐释了三维地应力与THM耦合协同作用下的井壁失稳机制，创新性发现垂向应力通过抑制剪应力增长提升井壁稳定性，温度差通过改变应力分量关系诱发多模式破坏。研究成果为深层地热钻井的轨迹优化、钻井液密度窗口设计和热平衡控制提供了理论依据，对推动干热岩商业化开发具有重要工程指导价值。未来需结合现场试验数据验证模型准确性，并考虑岩石参数的空间变异性以提升预测精度。