【本站讯】随着能源资源开发不断向地球深部拓展，深层超深层岩体普遍处于高温、高地应力等复杂赋存环境，其强度、变形及破坏行为与浅部岩石存在显著差异，并直接影响深部工程的安全性与稳定性。尤其对于万米级油气钻井，高温高地应力条件下储层岩石力学参数演化、破坏机制及井壁失稳规律仍缺乏系统认识，因此，开展极端环境条件下岩石力学行为及井壁稳定研究，对于深层超深层油气资源安全高效开发具有重要意义。

图1 岩石力学特性随地层深度的变化

针对深层超深层储层取芯成本高、样品获取困难、高温条件下岩石矿物微观力学响应机制难以通过常规试验直接表征的问题，我校杨文东研究团队基于分子动力学，建立了考虑温度效应的岩石纳米压痕数值分析方法。研究从纳米压痕荷载-位移响应、原子位移和应变三方面阐明了温度对方解石微观变形机制的影响。研究进一步分析了压痕深度、压头半径及加载速率等参数对不同晶面力学响应的影响规律，发现改变压痕深度及压头半径能反映出晶面不同的弹性响应，加载速率升高使得方解石强度升高并使塑性变形减小。该研究有助于进一步了解深部岩石微观变形机理，并为深层岩石开展纳米压痕试验提供理论指导。

图2 不同温度条件下方解石不同晶面的原子位移响应

研究团队通过自主研制的多场耦合实验系统，开展了温度20℃~200℃，围压0~180 MPa条件下的深部储层碳酸盐岩三轴压缩实验。研究结果表明：围压增大到一定阈值（60MPa）后，储层岩石的力学参数、峰值强度随围压的增大呈现非线性变化。岩石破坏模式由单轴条件下的轴向劈裂破坏逐渐向剪切破坏、复合破坏以及高围压条件下的鼓胀破坏转变。随围压增大，岩石的破坏角减小，岩石的破坏从局部转向整体，伴随着更多的塑性变形。随着温度升高，岩石破裂角、黏聚力、内摩擦角逐渐减小。基于此，研究团队通过将温度引入黏聚力和内摩擦角的演化关系，提出了具有温度依赖的幂函数Mohr-Coulomb准则，更为准确地描述深部储层岩石在极端环境下的强度变化。

图3 具有温度依赖的M-C强度准则包络面

研究团队还引入并改进Newton–Raphson方法，显著提升了非线性本构方程的收敛效率与计算精度。通过三轴压缩数值模拟，对所建立的温度依赖的非线性幂函数强度准则及算法进行了系统验证，结果表明该方法具有良好的适用性与可靠性。团队进一步将该强度准则应用于深层超深层井筒稳定性分析。研究结果表明：相较于温度依赖的非线性幂函数强度，传统的M-C准则倾向于高估岩体强度，从而低估井周损伤范围。这意味着基于M-C准则确定的安全钻井液密度窗口偏宽，在实际工程中可能增加井筒坍塌及围岩破裂风险。研究发现，不同工程阶段井周岩体的损伤演化程度存在显著差异，其本质受控于围岩强度特性。损伤沿最小主应力方向的扩展幅度明显大于最大主应力方向，反映出应力非均匀分布对裂纹扩展路径及损伤演化过程具有重要控制作用。

图4 不同钻井液密度下的围岩损伤区域

相关成果以“The effects of temperature and indentation parameters on mechanical properties of calcite through molecular dynamics simulation”、“Mechanical behaviors of carbonate rocks in ultra-deep reservoirs under real-time high-temperature and high-stress conditions”以及“Strength characteristics of ultra-deep carbonate rocks: Implications for hydrocarbon extraction in deep reservoirs”为题，分别发表于《Computers and Geotechnics》（IF=7.1）、《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》（IF=10.8）和《Rock Mechanics and Rock Engineering》（IF=7.1）。博士研究生王柄淇、博士研究生张祥分别为第一作者，中国石油大学（华东）杨文东教授为通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106835

https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2025.07.036

https://doi.org/10.1007/s00603-026-05334-0