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钻孔过程对地应力测量精度影响的数值模拟研究

孙礼健  
【摘要】: 初始地应力在许多领域具有重要的作用,获得初始地应力最直接最有效的方法就是进行地应力测量,但在打钻的过程中,由于钻头和钻杆在钻进中强烈的机械振动和高载荷的撞击,使孔壁处应力发生变化,从而影响地应力测量的精度。所以本文应用有限元方法对地应力测量钻孔过程进行模拟,重点研究岩体的力学性质、边界应力、断裂等在钻孔过程中对孔壁处应力变化的影响,总结影响地应力测量精度的敏感因素。 对地应力测量钻孔过程进行模拟,结果表明岩体节点y方向的位移较大,x方向的位移较y方向位移小一个量级。最大峰值应力与打钻速度和到孔壁的距离有关。打钻速度0.5cm/s时最大峰值应力传递速度为2cm/s。 岩石的力学性质、边界应力、断裂等对打钻前后孔壁处应力变化有不同程度的影响。岩体的密度、泊松比对孔壁处应力变化影响很小,不是影响地应力测量精度的敏感因素。岩体的弹性模量、屈服强度、边界应力、断裂是影响地应力测量精度的敏感因素。岩体的含水状态影响岩石的弹性模量和屈服强度,从而影响打钻前后孔壁处应力的变化,因此岩体的不同含水状态对地应力测量精度有明显的影响。 断裂的力学性质、边界应力、断裂到钻孔距离、复合断裂对打钻前后孔壁处应力变化有不同程度的影响。断裂的泊松比的影响很小,不是影响地应力测量精度的敏感因素。断裂的弹性模量、断裂到钻孔距离、边界应力、复合断裂是影响地应力测量精度的敏感因素。上述研究结果可为钻孔地应力测量研究提供参考价值。 考虑地应力测量与地质构造的关系,分析断裂端部与附近地应力分布规律,综合研究断裂的规模、岩体与断裂的弹性模量、岩体与断裂的泊松比、断裂走向与最大主应力的夹角、复合断裂、断裂几何形态、边界应力等因素对断裂端部与附近地应力分布的影响。模拟结果表明,断裂的规模,岩体、断裂的弹性模量,断裂走向与区域最大水平主应力的夹角,边界应力比,断裂几何形态等是影响断裂端部以及附近应力场分布的主要因素。


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