真三轴应力条件下自旋转水射流钻孔的应力诱导孔洞变形机制及其在深层资源开发中的应用

针对深层地热和非常规天然气开发中水力喷射钻孔(HJD)技术面临的孔洞变形与坍塌风险，研究人员采用自旋转多喷嘴水射流(SMWJ)钻头开展真三轴应力条件下的钻孔实验，结合CT扫描分析孔洞几何特征。研究发现三轴应力使孔洞最小内接直径、可钻深度和侵蚀深度最大降低41.3%、51.6%和52.4%，揭示了垂直/水平应力差对孔洞形态的差异化影响，为深层资源开发提供了理论指导。

　　

随着全球能源结构转型，地热能和非常规天然气开发成为重要方向。水力喷射钻孔(HJD)技术因其灵活性能量传输和低成本优势，被广泛应用于多层薄储层开发。然而在深层储层中，高地应力导致的孔洞变形和坍塌问题严重制约该技术应用。传统机械钻头(如PDC钻头)的孔洞尺寸由钻头尺寸决定，而自旋转多喷嘴水射流(SMWJ)钻孔的形态却受地应力大小、喷嘴结构等多因素影响，现有研究多集中于大气环境，对真三轴应力条件下的钻孔机制认识不足。

为攻克这一难题，中国某高校团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，通过自主研发的真三轴应力加载系统（含BZW200/56高压泵等组件），结合计算机断层扫描(CT)技术，系统研究了砂岩中SMWJ钻孔特征。实验采用改进型小型SMWJ钻头，通过控制水平/垂直应力差(σ_H
-σ_h
与σ_V
-σ_h
)和射流方向变量，定量分析应力场对孔洞几何参数的影响规律。

实验系统与流程
研究团队构建的水射流系统包含最大压力56MPa的高压泵和真三轴应力加载装置。通过CT三维重建获取孔洞最小内接直径、可钻深度等参数，建立考虑应力集中的线性弹性力学模型，揭示SMWJ在应力场中的岩石破碎机制。

SMWJ破岩模型
理论分析表明，中心喷嘴因与钻头同轴而保持较高破岩能量，优先形成导向破碎坑；旋转侧喷嘴协同扩大孔洞。真三轴应力下孔洞截面呈现"应力差-椭圆度"正相关规律：当垂直应力差(σ_V
-σ_h
)达20MPa时，孔洞长轴方向出现显著崩落现象；水平应力差主要影响可钻深度，最大使侵蚀深度降低52.4%。

结论
研究首次量化了三轴应力对SMWJ钻孔的抑制效应：相较于无应力状态，孔洞几何参数最大降幅超40%。垂直应力差主导孔洞椭圆化变形，水平应力差制约钻孔深度。该成果为深层HJD工艺参数优化提供了关键理论依据，支撑了国家自然科学基金(52274112)资助的深层资源开发项目。

这项研究不仅填补了SMWJ在真三轴应力条件下钻孔机制的理论空白，其建立的"应力-孔形"预测模型更可直接指导现场施工。例如在树状钻孔技术中，通过预判应力集中区方向可有效规避孔洞失稳风险。团队提出的CT表征方法为类似研究提供了标准化分析框架，推动水力喷射技术向更深储层迈进。