基于透明土的钻井过程土体位移变形实验研究

摘要

钻井（孔）工程在施工中易引起井（孔）壁坍塌、缩径等失稳破坏事故，同时受钻体影响而产生的地下土体变形对地下工程环境与自然环境的影响更为广泛。为了研究在钻井（孔）过程中土体的位移变形规律，本文使用透明土试验技术原理，采用熔融石英砂和矿物油配制出性质与天然砂体近似的透明土试样，根据钻井（孔）工程特点，简化了综合地质条件，利用自行设计制作的钻井（孔）模型系统获取了不同试验条件下的土体变形激光散斑图像。结合数字图像处理技术，采用PIV软件对土体变形情况进行了实时分析,据此对不同区域的土颗粒运移特点、土体位移场形态以及相对位移场阶段特点进行了研究，并对比分析了砂颗粒粒径、钻进压力、转速三个因素对土体变形的影响。本文获得的主要成果有：
　　（1）根据试验观测了钻井（孔）过程中土颗粒的运移特点，并据此将土体变形区域划分为钻头影响区、钻杆影响区以及外围扩展区。在钻头影响区，土颗粒运移呈现三种状态：在钻头底面下方，土颗粒主要向斜向下移动，以压缩变形为主。在与钻头底面平行和底面上方，土颗粒主要沿着斜向上方移动。在钻杆影响区，土颗粒主要向斜上方运移。在外围扩展区，土颗粒运移形态有两种，一种是围绕钻头中心径向运移，与钻头影响区相似，另一种是以钻杆为对称轴向斜向上方运移，与钻杆影响区相似。
　　（2）试验表明，受钻进参数以及工程地质条件影响，在钻井（孔）过程中存在着两种不同的土体位移场型式，即抛物线包络型位移场和整体柱状型位移场。抛物线包络型位移场特点表现为受钻体影响的土颗粒在位移过程中形成抛物线式的场形态，位移场影响范围较大。土体速度表现出层状的分布特点，在水平方向距离钻体中轴线越远，速度越小，在垂向方向深度越大速度越小，且垂向速度大于水平速度；整体柱状型位移场表现为垂向发展的柱状场形态，位移场影响范围较小，主要以钻杆影响区为主。在水平方向距离钻体中轴线越远，速度越小，垂向方向受柱状场形态影响，速度基本没有变化。
　　（3）试验表明，在垂向方向上土体前后时刻的相对位移场发展可划分成两个阶段。在变形增加阶段，随着钻进深度增加，相对位移场逐渐增大，最终达到区域极大值。此后随着钻进深度增加，位移场区域将逐渐减小，进入变形减小阶段。增大阶段的深度范围略小于减小阶段，且位移场区域变化速率大致相同。
　　（4）试验表明，颗粒粒径、钻压和转速对土体位移场形态和速度分布形式存在影响。随着颗粒粒径、钻压增大，土体位移场影响范围会减小，位移场形态从抛物线型向整体柱状型转变。随着转速增大，钻体影响区位移场会增大，土体运移速率会增加，在整体位移场影响范围不变的情况下，钻体影响区位移场所占面积比例逐渐扩大，位移场形态从整体柱状型向抛物线型转变。
　　（5）对抛物线包络型位移场速度分布进行了描述和拟合分析，获得了该类变形区域的速度分布表达式。

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变量注释表

1绪论

1.1选题依据与研究意义(The Basis Significance of Selected Topic)

1.2土体模型实验研究现状(Research Status of Soil Model Test)

1.3透明土实验技术研究现状(Research Status of Transparent Soil)

1.4数字量测技术模型实验研究现状(Research Status of Digital Measurement Technology Model Test)

1.5论文主要研究内容(The Main Research Contents of Paper)

1.6研究方法与技术路线(Research Method and Routine)

2透明土材料特性及试样制备

2.1透明土的基本原理(Principle of Transparent Soil Modeling)

2.2材料的特性描述(Characterization of Materials)

2.3透明土的制备(Preparation of Transparent Soil)

2.4本章小结(Summary)

3钻井（孔）模型系统

3.1模型实验相似原理(Similarity Principle of Model Test)

3.2钻井（孔）模型设计概述(Outline of Drilling Model Design)

3.3 钻井（孔）模型系统(Drilling (bore) Model System)

3.4 数字图像观测系统(Digital Image Observation System)

3.5实验方案(Test Scheme)

3.6实验步骤(Test Procedure)

3.7数字图像的处理(Digital Image Processing)

3.8本章小结(Summary)

4钻井（孔）过程土体位移场变形研究

4.1土颗粒运移形态特征(Morphological Characteristics of Soil Particle Migration)

4.2土体位移场形态特点(Morphological Characteristics of Soil Displacement Field)

4.3颗粒粒径对土体变形的影响(Effect of Size on Deformation of Soil Mass)

4.4钻压对土体变形的影响(Effect of Drilling Pressure on Soil Deformation)

4.5转速对土体变形的影响(Effect of Rotational Speed on Soil Deformation)

4.6 抛物线包络型位移场速度形式描述(Parabolic Envelope Displacement Field Velocity Form Description)

4.7对比分析与讨论（Comparative Analysis and Discussion）

4.8本章小结（Summary）

5 结论与展望

5.1 结论(Conclusion)

5.2展望 (Expectation)

参考文献

作者简历

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