综述：以花岗岩为主的深部地热钻井中的地球力学动力学：从矿物尺度的热损伤到宏观力学响应

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Geomechanical dynamics in granite-dominated deep geothermal drilling: From mineral-scale thermal damage to macroscopic mechanical responses

　　

摘要
深地热能是一种稳定、清洁且可再生的资源，对于向可持续能源系统转型至关重要。然而，深部储层中的极端温度和坚硬岩层对高效安全钻井构成了地质力学挑战。本文回顾了深部地热储层钻井地质力学研究的进展，定量处理主要集中在花岗岩和其他结晶基底储层，因为针对这些储层的证据基础最为完整。首先，它考察了高温机制，包括岩石矿物中的热膨胀各向异性和与石英相变相关的微裂纹发展。它详细说明了由此导致的岩石强度退化、脆韧转换以及渗透率和导热系数的分阶段非线性演化。其次，针对高围压导致的裂纹扩展抑制和高温下延性增强引起的低破岩效率，综述总结了从常规机械破岩到轴向 - 扭转冲击、热应力辅助和定向能量方法等先进技术的演变。它对比了基于物理和基于数据的钻井性能评估和参数预测模型，评估了它们对地热钻井条件的适用性。从热 - 流 - 力（THM）多场耦合的角度，综述分析了钻井液冷却引起的瞬态热应力如何导致井壁拉伸失效，从而引发漏失、冷却和裂纹扩展的反馈循环。它还评估了针对复杂条件的井筒稳定性破坏准则和优化后的动态漏失控制策略。最后，综述确定了深部地热钻井中的关键地质力学挑战并概述了未来方向，包括智能评估系统、动态多场耦合模型和综合工程效率优化。

引言
化石燃料如煤和油的持续大量消耗推动了大气中二氧化碳浓度的不断上升，导致全球变暖，这是全世界共同面临的挑战 [1,2]。为应对这一危机，各国正在积极寻求能源转型，并在《巴黎协定》下承诺将全球平均气温升幅控制在远低于工业化前水平 2°C 的目标。实现这一目标被广泛认为需要协调的战略：通过碳捕获、利用与封存（CCUS）减少现有排放，同时大力发展可再生能源以替代化石燃料，从而逐步实现能源系统的深度脱碳 [[3], [4], [5]]。在此框架下，政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐地热能作为推进能源转型和减缓气候变化的重要选项之一。凭借巨大的储量、高稳定性和低环境影响，地热能正在构建多元化绿色能源系统中发挥关键作用 [6,7]。全球地热开发正从浅层热液系统转向深层干热岩（HDR）和增强型地热系统（EGS），目标深度通常在 3 公里至 6 公里或更大。典型的 HDR 储层温度超过 150°C，而在冰岛 Krafla 等极端矿区，遇到的温度可能超过 900°C [8,9]。尽管深部地热资源拥有巨大的发电和供热潜力，但在极端条件下高效安全钻井的技术瓶颈阻碍了满足全球气候目标所需的大规模利用。

尽管深部地热钻井部分借鉴了常规油气钻井的技术方法，但遇到的地质力学响应要复杂得多。这种复杂性源于地热储层与沉积油气储层在岩性特征、主导物理场机制和工程目标上的根本差异。深部地热开发通常针对高磨蚀性的结晶基底岩石。这些岩石的力学行为不再仅由孔隙压力主导，而是强烈受到极端温度场引起的热应力和脆韧转换的影响。此外，地热井建设必须考虑到后续高压储层压裂对井筒完整性的极高要求。虽然地热钻井也考虑储层损伤，但其核心工程目标已从保护常规油气井的基质孔隙率转变为保持和预压裂天然及人工裂缝网络。为清晰阐明深部地热钻井的独特特征及其面临的科学挑战，表 1 提供了深部地热钻井与常规油气钻井在目标地层、主导物理场特征和关键地质力学响应方面的系统对比。

由于地热储层具有这些独特特征，常规油气钻井的研究进展并不能完全移植。深部地热井的极端条件经常触发超出通常预期的工程事故 [10]。关于井筒稳定性 [11,12]，肯尼亚 Olkaria 地热田频繁发生因井筒坍塌和岩屑堆积导致的卡钻事故，其中 OWGBDV 井因此被迫停工 109 天 [13]。同样，中国天津 SR-28 地热井也经历了由复杂地层坍塌引起的严重工具卡死 [14,15]。在井底压力平衡和完井安全方面，遇到极端高温高压储层极易引发井喷风险 [16,17]。在新西兰 Wairakei 油田，WK204 钻井穿透了高温高压裂缝带且压力控制不足，导致持续 13 年的大规模井喷，并形成了一个直径 70 米的坑洞 [18]。夏威夷地热项目钻井期间的井喷严重破坏了该地区的地热开发前景，凸显了高温地热作业中压力管理的重要性 [19,20]。2017 年韩国浦项 5.4 级地震是 EGS 历史上最大的诱发地震事件；它是由储层水力压裂激活临界应力断层引起的，造成了重大人员伤亡和经济损失，并导致浦项 EGS 项目永久关闭 [21,22]。钻井也可能直接诱发地震活动。在瑞士圣加伦地热井中，高浓度甲烷涌入后，为控制气涌进行了大量钻井液的高压注入，扰动了原地应力并触发了地震，该事件最终导致项目终止 [23,24]。除了这些事故外，钻井过程中的漏失会直接损害储层性质，导致生产能力不可逆转地下降 [25,26]。中国河南省深部地热勘探调查显示，在 1200 至 3800 米深度区间内，超过 70% 的井因储层损伤未能实现预期的出水产量，导致高弃井率 [27]。新墨西哥州巴卡地热田的储层表现出明显的欠压，导致钻井过程中出现严重的漏失问题，钻井液和岩屑侵入生产裂缝并显著损害了井的性能 [28,29]。

这些代表性工程事故清晰地凸显了深部地热井钻井期间地质力学响应研究的迫切需求。深部钻井不仅仅是机械破岩过程，而是一个受热 - 流 - 力（THM）相互作用耦合控制的动态过程。尽管现有研究已对地热开发中的机械钻速提高和漏失控制进行了广泛的工程调查，且相关进展已在几篇综述中整理，但这些综述往往侧重于特定主题。例如，Song 等人 [30] 系统整理了地热钻井和完井工具、钻井液及破岩技术；Kumari 和 Ranjith [7] 综述了 EGS 中储层尺度的 THMC 耦合和裂缝管理；Isania 和 Elahifar [31] 总结了机器学习方法在机械钻速（ROP）和井筒稳定性预测方面的进展。然而，这些工作大多是关于工艺优化、储层管理或算法预测的单一主题综述，仍然缺乏对地热钻井中从矿物尺度热损伤到井筒和钻头响应的机械演化路径的系统综述。深部地热钻井的本质在于岩石矿物骨架在极端条件下对能量扰动的非线性机械响应。此外，地质力学问题不仅表现为孤立的突发风险，更关键的是演化中的岩石性质与工程灾害之间存在强烈的反馈循环（图 1）。例如，高温引起的非线性岩石损伤和塑性蠕变是井径缩小和卡钻的根本原因 [32,33]，而钻井液冷却引起的瞬态热应力是驱动拉伸裂缝扩展和失控漏失的核心机械机制 [34,35]。从矿物组分之间的热力学失配到宏观工程响应的演化机制仍未得到充分理解，导致复杂条件下的风险预测缺乏坚实的物理基础。因此，深入分析高温引起的非线性岩石损伤机制并开发考虑多场耦合的动态评估系统至关重要。利用这些见解优化钻头破岩方法和钻井液循环模式，对于确保深部地热作业中的井筒完整性和开采效率至关重要。从经济角度看，钻井成本是制约深部地热能商业化的核心瓶颈。在地热项目中，钻井和完井支出通常占总投资的 30%-60% [36,37]。此外，在同一深度，地热井的钻井成本通常远高于油气井，并随深度非线性增加 [38,39]。这使得本文综述的地质力学问题（破岩效率、井筒稳定性和漏失控制）不仅是工程安全问题，也是直接决定项目经济可行性的核心问题。

基于此，本文系统回顾了深部地热储层岩石微观热损伤演化、宏观破岩机制和井筒稳定性研究的进展。旨在建立地热钻井中从矿物尺度热损伤到宏观机械响应的概念联系，从而为深部地热能源的高效安全开发提供地质力学支持。首先，它考察了深部地热储层岩石在高温下机械、水力及热学性质的演化。其次，它详细说明了深部地热储层的破岩机制和高效钻井技术。第三，它回顾了钻井液的热演化、漏失机制及相应的控制策略，这些共同定义了作用于井筒的热和水力边界条件。第四，在此基础上，它总结了冷却循环和多场耦合作用下井筒的地质力学响应，涵盖破坏准则和不稳定性演化机制。最后，它确定了深部地热钻井地质力学研究的关键挑战并概述了未来的研究方向和前景。在此基础上，此处建立的跨尺度综述框架包含四个层级（矿物、微观结构、岩石样品测试和井筒/钻井系统）及其传递机制，详见附录 A1。钻井后的储层压裂涉及储层尺度的地质力学问题，如裂缝扩展和裂缝间应力干扰；此类研究已有其他综述涉及，且与本文明钻井力学关注的重点不同。第二个边界源于证据基础而非学科主题：下文汇编的定量结果主要来自花岗岩，而对于碳酸盐岩、玄武岩和安山岩储层，仅在存在定量结果时予以涵盖，其余空白则予以识别而非通过外推填补。

章节片段
方法论
为提高本综述的可复现性和科学严谨性，采用了基于 PRISMA 框架的系统检索工作流程。文献检索覆盖了三个广泛涵盖地热和地质力学研究的数据库：科学引文索引（WoS）、Scopus 和工程索引（EI）。检索窗口主要为 2010-2026 年以反映最新进展，同时保留了一些早期的经典参考文献。检索词围绕三个主题组织。

地热储层岩石的物理和力学性质
地热资源主要赋存于深部地层，并根据地质特征分为几种类型，包括热液、HDR、超压和岩浆系统 [40]。本综述中“深部地热钻井”一词指代深度大于 3 公里且储层温度不低于 150°C 的高温地热系统，涵盖深部热液资源和 HDR/EGS。典型的 HDR 储层位于 3 公里至 6 公里的深度

钻井破岩过程中的机械响应和能效演化
在深部高温地热井钻井中，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头和滚动锥钻头是两种主要工具，每种在热硬岩环境中各有优缺点 [31,[162], [163], [164]]。PDC 钻头没有活动部件，消除了高温下轴承和密封失效的风险。它们在均质地层中也提供更高的机械钻速（ROP）和更长的使用寿命 [30,165]。然而，常规 PDC 钻头易于在...中发生切削齿崩碎

钻井液热演化及漏失控制
在深部地热钻井中，井筒不仅仅是机械开挖边界。

一旦地层原位地质力学平衡被破坏，它便成为由钻井液侵入、热交换和化学相互作用驱动的多物理场协同演化的动态界面。井壁失稳并非孤立的力学事件。它沿着由两个驱动环节和一个响应环节组成的因果链发展。首先，钻井液的冷却循环。多场耦合下的井壁失稳特征与演化规律。第 5 节中综述的井壁温度场、渗流场和漏失行为定义了作用于井壁的热荷载和水力荷载；本节分析了由此产生的地质力学响应。深部地热钻井中的钻井液漏失和井壁失稳并非独立的工程问题。相反，它们通过复杂的热 - 流-固（THM）耦合机制相互诱导和强化 [283,284]。如前所述，漏失并未

综合与讨论。附录 A1 中提出的多尺度框架表明，前面章节中分别综述的温度阈值并非相互独立，而是同一热损伤演化过程在不同尺度上的表现。以目前研究最为透彻的地热储层岩石——花岗岩储层为例：石英和钾长石之间约三倍的熱膨胀系数差异驱动晶界失配应力至

结论与展望。本文系统综述了深部地热储层岩石物理力学性质演化、深部地热井钻井破岩机理与技术以及钻井过程中井壁稳定性方面的进展。主要结论如下：（1）深部地热井钻井通常面临高温高压环境。在加热过程中，矿物组分之间显著的热膨胀系数差异（其中

作者贡献。陆帅义：概念化、方法论、调查、写作 - 初稿。马银龙：监督、经费获取、项目管理、写作 - 审阅与编辑。余子旺：资源。丛良涵：数据整理、验证、形式分析。曾凌涛：可视化。

利益冲突声明。作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢。本研究得到了吉林省自然科学基金（编号：20260102076JC）的支持。

陆帅义 | 马银龙 | 余子旺 | 丛良涵 | 曾凌涛
深部地球探测与成像国家重点实验室，吉林大学建设工程学院，中国吉林长春，130026