高密度钻井液致地层坍塌机理分析

为研究高密度钻井液导致井壁坍塌的机理,分析了直井的井周应力分布规律,以及径向、周向和垂向应力随钻井液液柱压力的变化规律,得出当提高钻井液密度时,井壁沿水平最大地应力方位易发生剪切破坏;基于井周应力分布特点和Mohr-Coulumb强度准则获得了井壁最大、最小主应力分别是径向、周向应力和垂向、周向应力两种情况下的坍塌压力解析表达式,并通过一口高压井实例分析了井壁坍塌压力随井深的变化规律,证明钻井液密度过高时会导致井壁坍塌.研究结果可为钻井液密度安全窗口的设计提供理论依据.     

出砂水平井近井塑性区出砂半径预测研究

基于地层岩石弹塑性变形理论,建立出砂水平井近井塑性区应力分布模型.根据弹性区与塑性区边界应力连续的原理,提出水平井弹塑性区边界即塑性出砂半径的预测模型与方法,分析了出砂水平井近井塑性区应力分布规律及出砂半径的敏感性因素.结果表明:水平井塑性应力分布及出砂半径与原始主应力关系、井周角、井斜方位角、流压等参数有直接关系;塑性出砂半径随井周角的变化规律与原始垂向主应力和最大水平主应力的大小关系有关,当最大水平主应力较大时,井周铅垂方向的出砂半径大于水平方向的出砂半径,即铅垂方向更容易出砂,当垂向主应力较大时则相反;随着井斜方位角变化出砂半径呈周期性变化,在原始水平最大主应力σH大于垂向主应力σv的情况下,井斜方位角为0°和180°时,水平方向出砂半径较大,更容易出砂;井斜方位角为90°和270°时,铅垂方向更容易出砂;由于岩石力学参数及地应力的非均质性分布,水平井出砂半径沿着井身轨迹方向也表现出明显的非均质性.     

红砂岩真三轴压力试验与岩石强度极限统计

为探讨岩石的强度理论和中间主应力效应,进行了红砂岩真三轴压力试验。获得了不同应力状态下的岩石强度极限值和岩石的三向全应力应变曲线。根据本文和收集到的真三轴压力试验资料,探讨了岩石的中间主应力效应问题。统计分析表明:中间主应力一般可使最大主应力的强度极限增大30%。     

考虑中间主应力影响的主动土压力计算

在平面应变条件下,分别推导了松冈元-中井照夫破坏准则、Lade-Duncan破坏准则和俞茂宏双剪统一强度准则的表达形式,并将平面应变条件下和常规三轴压缩条件下的土体抗剪强度指标联系起来.在此基础上,得到了考虑中间主应力影响的主动土压力计算公式.计算表明,只要填土的内摩擦角大于0,考虑中间主应力影响的主动土压力值都小于Rankine主动土压力值,但不同的破坏准则,其计算结果相差较大.     

砂岩储层裂缝在水力压裂作用下扩展准则及其应用

为研究不同储层裂缝方向以及井网布置下的油田合理注水压力,基于多孔介质力学以及断裂力学理论建立了含共线裂缝岩体储层裂缝的扩展模型,以及注水压力的计算模型。文章结合头台油田扶余储层参数探讨了储层裂缝方位,注采井方位以及裂缝距注水井距离对注水压力的影响规律。研究结果表明：在给定的注采井方位下,当裂缝与最大主应力方向平行时,注水压力最小,随着裂缝与最大主应力夹角的增大,注水压力也逐渐增大,当裂缝与最小主应力方向平行时压力最大;注水压力随注采井方位以及裂缝距注水井距离增大而增大。为避免油井出现暴性水淹以及提高油田采收率,针对扶余储层给出了一个合理的注水压力范围值。本文研究结果与实际工程测井数据较吻合,因此对同类油田开发具有指导意义。     

压实粘性土三轴拉伸试验研究

对于岩土材料而言,在相同的压力下(应力张量第一不变量I1)的三轴拉伸强度与三轴压缩强度相比,在较低的偏应力下发生破坏,这说明岩土材料的强度明显依赖于偏应力张量第三不变量J3,而常用莫尔-库仑准则虽然能够反映在相同的压力下三轴拉伸与压缩强度的差异性,但其比值Q2与压力无关.通过三轴压缩和三轴拉伸试验,对主应力差和比值Q2随压力的变化进行了研究,结果表明:在一定压力范围内,主应力差与围压的关系为线性关系;在低围压(指使试样发生剪切破坏的最小围压),测试获得的主应力差值与摩尔-库伦公式计算值相当,但随着围压的增加,两者差值增加,且计算所得的主应力差均大于测试值;在一定范围内,比值Q2随压力(应力张量第一不变量I1)呈线性指数递减变化;同时在较低压力下,三轴拉压强度比值与利用莫尔-库仑准则计算的数值相当.     

π平面上冻结黏土破坏函数适用性试验研究

为了研究冻土在π平面上的强度特征,利用冻土空心圆柱仪对冻结黏土开展了-6.0℃条件下4个平均主应力p(1.0,3.0,4.5和10.0MPa)和5个应力Lode角θσ(-30.0°,-16.1°,0°,16.1°和30.0°)的定向剪切试验.结果表明:定向剪切路径下冻结黏土的应力-应变曲线均呈现应变硬化特征;随着中主应力系数b值的增加,轴向强度逐渐降低;随着平均主应力p值的增大,中主应力系数b值对广义剪应力-剪应变曲线的影响逐渐减弱;在平均主应力p值较小时,中主应力系数b值的变化对破坏应力比的影响较大,而在平均主应力p值较大时,这一影响则较小;在相同中主应力系数b值下,破坏应力比随着平均主应力的增大而减小.随着平均主应力的增加,π平面上冻结黏土的破坏曲线形状从光滑外凸三角形渐变为圆形,非线性广义强度理论能较好描述这种演化规律.     

考虑渗流效应的盾构始发井土压力研究

采用统一强度理论推导出极限状态条件下考虑渗流效应的土压力计算公式,引入了中主应力对土压力的影响参数b,提出了与各土层物理力学参数相关的系数ξ,研究了某盾构始发井围护工程土压力的分布特征.结果表明:影响参数b不同,中主应力对土压力的计算结果影响程度不同,b值愈大,主动土压力pa愈小,引起土压力值的最大差异可达18%;渗流效应对地下连续墙侧的水土压力影响较大,与未考虑渗流的计算结果相比,最大差异可达20%;系数ξ与土层的水力梯度相关,其计算多层土时的水压力分布呈非线性,得到的总压力值更接近实际情况.     

四川省大凉山腹地当前地应力状态分析

在四川省大凉山腹地深度分别为190.15 m和364.10 m的两个钻孔中进行水压致裂地应力测量,以获得当前浅部地壳应力的状态.测量结果表明,在测试段深度内,实测最大水平主应力最高值为14.68MPa,与该区域内已有近似深度地应力测量结果(20 MPa)相比,此次测值有所降低;3个主应力之间的关系为:最大水平主应力最小水平主应力垂直应力,表明大凉山地区地壳浅部构造应力场以水平应力为主导;最大水平主应力方向为北西至北西西向,与区域活动构造的性质和震源机制解得出的主压应力方向基本符合;最后,利用库伦摩擦滑动准则,讨论了当断层摩擦因数μ为0.6~1.0时,测区内主要断裂在该应力状态下的稳定性,认为测区内现今最大水平主应力值暂时没有达到使区域逆断层发生瞬间摩擦滑动的临界值.     

预应力锚索对大跨度扁平地下洞库开挖稳定的影响研究

为研究预应力锚索对大跨地下工程开挖稳定的影响,以大跨度扁平地下洞库开挖稳定为例,采用数值模拟的方法对锚索预应力值和间距两个因素进行分析研究,获得不同锚索预应力值和间距下地下工程的拱顶位移、衬砌最大主应力的分布规律,结果表明:随着锚索预应力值的增加,拱顶位移、衬砌最大主应力在逐渐降低,而锚索最大应力呈现先增加后减小的趋势;随着锚索间距的增加,拱顶位移、衬砌最大主应力在逐渐升高,而锚索最大应力同样呈现先增加后减小的趋势;建议锚索预应力值取200 t、间距取5 m较为适宜。