基于统一强度理论的钻孔孔壁稳定性分析

摘要

钻孔是岩土、勘探及油气藏开发等工程领域中常用的一种技术手段。在钻孔过程中，应力集中造成的孔壁稳定性问题尤其受到工程师关注。钻孔孔壁失稳会造成资源浪费和环境污染，所以有必要对钻孔孔壁的稳定性进行深入研究。
　　 孔壁稳定性分析中的一个重要方面是选择合适的破坏准则。最常用的岩土材料破坏准则为Mohr-Coulomb准则，然而Mohr-Coulomb准则仅考虑了第一主应力和第三主应力，却忽略了中间主应力。实验证明，中间主应力对材料的屈服和破坏有较大影响。在钻孔工程中应用Mohr-Coulomb准则并不能充分发挥岩土材料的强度潜能。
　　 统一强度理论克服了Mohr-Coulomb准则的这一不足。统一强度理论同时考虑了三个主应力的影响，并能够通过中间主应力系数反映中间主应力对材料强度的影响程度。Mohr-Coulomb准则可以看作统一强度理论在中间主应力系数为零时的一个特例。因此应用统一强度理论分析钻孔的稳定性更具有普遍性和合理性。
　　 基于以上背景，本文主要做了以下工作：
　　 (1)建立了真三轴应力状态下任意方向钻孔的三维解析模型，利用统一强度理论给出了竖直钻孔坍塌泥浆压力和拉裂泥浆压力的闭合形式解，以及倾斜钻孔坍塌泥浆压力的数值计算流程。
　　 (2)对所得统一解进行参数分析，研究了不同地应力状态下中间主应力系数、方位角、倾斜角对泥浆压力的影响。并将统一解应用到具体的工程实例中，发现相对于Mohr-Coulomb解，统一解与实际数据符合更好，验证了本文提出模型的合理性。
　　 (3)采用完全隐式向后欧拉回映算法，推导了统一强度理论弹塑性本构关系的张量表达式，编制了相应的ABAQUS子程序，并验证了子程序的正确性。利用开发的子程序对钻孔实例进行了数值模拟，并对比分析了Mohr-Coulomb准则和统一强度理论下主应力大小和塑形区分布的差异。