【摘要】：層理性地層中進(jìn)行大斜度井施工的井壁失穩(wěn)問題較為突出,在傳統(tǒng)井壁穩(wěn)定模型基礎(chǔ)上,以弱面對巖石強(qiáng)度的弱化作用實驗為依據(jù),引入歐拉變換充分考慮三維地應(yīng)力方向的任意性,利用Mogi-Coulomb準(zhǔn)則強(qiáng)化中主應(yīng)力對圍巖本體強(qiáng)度的影響,結(jié)合單弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則建立分析層理性地層斜井井壁穩(wěn)定問題的模型,并進(jìn)一步給出計算斜井坍塌壓力與破裂壓力的方法與公式。實驗與計算結(jié)果表明:當(dāng)加載方向與弱面夾角為30°時巖石強(qiáng)度最低;Mogi-Coulomb準(zhǔn)則因考慮了中主應(yīng)力的影響而對圍巖本體強(qiáng)度的估計更為有效;考慮層理弱面影響的井壁坍塌破壞區(qū)域明顯增大,破壞位置也發(fā)生改變;取得最小坍塌壓力值的鉆井方向在空間中與層理面并非簡單的垂直關(guān)系;空間中關(guān)于地應(yīng)力主平面對稱的井孔破裂壓力相同。利用所建模型進(jìn)行安全泥漿壓力窗口的計算可為安全鉆井以及斜井軌跡設(shè)計提供理論依據(jù)。
【圖文】：

用實驗為依據(jù)，引入歐拉變換充分考慮三維地應(yīng)力方向的任意性，利用Mogi-Coulomb準(zhǔn)則強(qiáng)化中主應(yīng)力對圍巖本體強(qiáng)度的影響，結(jié)合單弱面強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了分析層理性地層斜井井壁穩(wěn)定性的模型，并進(jìn)一步給出了計算斜井坍塌壓力與破裂壓力的方法與公式。本文關(guān)于斜井安全泥漿密度選取以及合理軌跡規(guī)劃的結(jié)論與建議可為安全鉆井施工提供理論指導(dǎo)。2井壁圍巖應(yīng)力分析2.1地應(yīng)力坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系與井筒坐標(biāo)系地下原巖的應(yīng)力狀態(tài)由巖體本身受荷狀態(tài)和其經(jīng)歷的地質(zhì)歷史應(yīng)力路徑?jīng)Q定，因而大孝方向具有隨機(jī)性和區(qū)域差異性。在圖1中，假設(shè)地下實測地應(yīng)力主方向與坐標(biāo)系(OXYZ)3個主軸方向一致，即地應(yīng)力坐標(biāo)系下應(yīng)力水平s[]為1s2300[]0000(1)(a)(b)圖1地應(yīng)力坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系Fig.1In-situandgeographiccoordinatesystem為不失一般性，引進(jìn)3個歐拉角(，，，)[15]來實現(xiàn)地理坐標(biāo)系與地應(yīng)力坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，過程如下：坐標(biāo)系OXYZ先繞Z軸旋轉(zhuǎn)角，再繞自身Y軸旋轉(zhuǎn)角得到坐標(biāo)系OXYZ(見圖1(a))；最

3132332122231112131[]rrrrrrrrrR(2)其中，11rcoscos12rsincos13rsin21rcossinsinsincos22rsinsinsincoscos23rcossin31rcossincossinsin32rsinsincoscossin33rcoscos因此，地應(yīng)力張量在不同坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Ts1e1[][R][][R](3)式中：s[]為地應(yīng)力坐標(biāo)系下主地應(yīng)力張量，e[]為地理坐標(biāo)系下地應(yīng)力張量，T1[R]為1[R]的轉(zhuǎn)置矩陣。為方便描述斜井圍巖應(yīng)力狀態(tài)及其井眼穩(wěn)定性，須引進(jìn)井筒坐標(biāo)系(oxyz)與地理坐標(biāo)系(OXYZ)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示，此時只需要2個方位角(傾向/傾角)就可唯一確定斜井井筒的位置(對于水平井，傾角90°)。井筒坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間應(yīng)力張量轉(zhuǎn)換矩陣為2coscossincossin[]sincos0cossinsinsincosR(4)圖2井筒坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系Fig.2Boreholeandgeographiccoordinatesystem因此，地應(yīng)力在井筒坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Tb2e2[][R][][R](5)式中：b[]為井筒坐標(biāo)系下的地應(yīng)力張量。2.2井壁圍巖應(yīng)力計算在線彈性假定下，W.B.Bradley[16]建立了不考慮流體滲透影響的井壁圍巖應(yīng)力集中方程(見圖3)：bbbb224224242bmp242114322cos(2)143sin(2)xyxyrxyaaarrraaaPPrrr(6a)bbbb2424113cos(2)22xyxyaarr42bmp4213sin(2)xyaaPPrr(6b)22bbbb222()cos(2)4zzxyxyaarrpsin(2)P(6c)bb24b24sin(2)cos(2)1232xyrxyaarr(6d)2bb2(cossin)1rzxzyzar(6e)2bb2(sincos)1zxzyzar
【作者單位】： 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院;建設(shè)綜合勘查研究設(shè)計院有限公司;
【基金】：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金項目(2652015080) 國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目(201411054) 國家自然科學(xué)基金面上項目(11472249)~~
【分類號】：TE28

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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【二級參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2520448