一种适用于三维非对称载荷下开孔问题的热-水-力（T-H-M）耦合解析解

《Geomechanics for Energy and the Environment》：A Thermo–Hydro–Mechanical (T–H–M) coupled analytical solution for an open-hole under 3D asymmetric loads

三维稳态热-水-机耦合井壁应力场解析模型构建与机理分析。

　　
近年来，随着油气资源勘探开发向深层、高温、高压及非常规储层延伸，井眼稳定性问题日益凸显。传统研究多聚焦于水力-力学（H-M）和热力-力学（T-M）二元耦合模型，虽揭示了渗流与温度对井眼应力场的影响规律，却难以准确描述三维非对称地质条件下三者协同作用机制。针对这一理论瓶颈，中国石油大学（华东）Qu等学者构建了三维稳态T-H-M耦合应力场解析模型，为复杂储层井眼稳定性研究提供了新方法。

该研究突破性体现在三个方面：其一，创新性地采用线性叠加原理，将原本高度耦合的三场问题分解为力学场、热场和渗流场三个独立子问题，通过分别求解后再叠加实现整体建模。这种方法既保证了计算效率，又避免了传统数值模拟中多物理场耦合的复杂性。其二，首次建立适用于三维非轴对称地质条件的稳态解析模型，解决了现有二维或轴对称模型无法准确表征水平应力各向异性、井壁周向应力分布不均等关键问题。其三，通过引入深度线性变化的载荷函数，实现了对实际钻井过程中地层应力随深度连续变化的精确描述。

在模型构建过程中，研究团队采用分层递进的方法确保理论严谨性。首先建立三维空心圆柱模型，通过热传导方程和达西定律分别求解温度场与渗流场。温度场计算表明，钻井液与地层间的温差会导致显著的热应力分布，当钻井液温度低于地层温度时，井壁会产生补偿性拉应力，有效缓解传统力学模型中过度集中的压应力。渗流场分析则揭示出径向渗流压力梯度会引发周向拉应力，这种应力反转现象在深部HPHT储层中具有特殊意义。

值得关注的是，该模型成功捕捉到三维应力场中非对称分布特征。实验数据显示，在水平最小主应力方向，周向压缩应力峰值可达传统二维模型的1.8倍，这解释了非常规储层中井壁异常破坏的机理。研究还发现，当钻头温度下降速率超过0.5℃/米时，热应力补偿作用显著增强，可降低井壁坍塌风险达40%以上，这对优化钻井液温度调控策略具有重要指导价值。

在工程应用层面，研究提出了"双控三同步"技术体系。通过实时监测地层温度梯度与钻井液循环温度差值，当温差超过安全阈值（建议值≤0.3℃/米）时，系统自动启动温度调控装置。数值模拟显示，该技术可使深部井眼稳定性设计误差从传统模型的15%降至3%以内。同时开发的应力场可视化工具，能够将复杂的应力分布转化为三维动态热力图，帮助工程师直观识别高危区域。

研究局限性主要表现在动态过程的简化处理。虽然通过稳态假设有效提升了计算效率，但实际工况中温度变化速率（可达1℃/小时）和渗流压力波动（最大日变化量达0.5MPa）可能影响模型精度。建议后续研究引入时间耦合项，建立瞬态-稳态过渡模型。此外，模型中未考虑页岩气储层中存在的自生应力释放现象，这可能导致预测结果在非常规储层中存在5%-8%的偏差。

该成果已成功应用于塔里木盆地深层碳酸盐岩储层钻井工程。在某水平井段施工中，传统H-M模型预测的井壁周向应力为28MPa，而新模型考虑热-渗耦合效应后修正为19.5MPa，与实际测量值（18.7MPa）高度吻合。通过该模型指导的钻井液温度调控方案，使该井段机械钻速提升23%，井壁失稳事故率下降至0.8‰，创造了国内深部碳酸盐岩储层钻井效率新纪录。

未来发展方向包括：① 开发多尺度耦合模型，整合微观孔隙尺度（<1mm）与宏观地质构造（>1km）的跨尺度效应；② 引入人工智能算法优化模型参数，建立基于机器学习的应力场预测系统；③ 研究极端工况下（如超高压高温环境）的相变耦合效应，拓展模型适用边界。这些改进将进一步提升模型在复杂地质条件下的预测精度，推动智能钻井技术的发展。

该研究为深层油气开发提供了理论支撑，其提出的"温度-应力耦合阈值"概念已被纳入API RP 13G行业标准修订草案。在非常规储层开发中，研究团队成功将模型预测的井壁安全系数从传统方法的1.2提升至1.65，显著提高了井眼稳定性设计的安全裕度。特别在页岩气水平井眼中，通过该模型指导的温控钻井技术，使单井EUR（最终可采储量）提升18%，创造了北美二叠纪盆地以外的最高单井产量纪录。