【井周地层剪切破坏准则分析2400字】

井周地层剪切破坏准则分析目录TOC\o"1-3"\h\u4824井周地层剪切破坏准则分析 1168911.1Mohr-Coulomb准则 1203021.3ExtendMogi-Coulomb准则 3108341.4岩石强度准则分析 4222021.4.1强度准则的数学形式 61.1Mohr-Coulomb准则Jaeger等人对层状岩体弹性参数各向异性的试验结果和理论进行分析，建立了横观各向同性岩体的破坏准则，描述了具有一条或一组平行弱面各向同性岩体的剪切破坏，由于这是对Mohr-Coulomb准则的推广，称为Mohr-Coulomb弱面强度理论。岩体中发育一组弱面AB，假定AB面（法线）与最大水平主应力方向夹角为β,（见下图）。图Mohr-Coulomb弱面强度理论关系根据Mohr应力圆理论和Coulomb准则，沿弱面剪切滑移的破坏准则为：（10）式中：为弱面上的最大剪应力，Ｍpa；为弱面上的法向应力，Mpa；为弱面内聚力，Mpa；为弱面内摩擦角，（°）。为了对弱面的强度进行判别，可以将CCS中的应力张量转换至WCS坐标，其转换关系为：（11）其中（12）则弱面上的法向应力和最大剪应力为：（13）式中：σＣＣＳＷＣＳ为WCS坐标系中的应力张量，MPa；σｎｗ为弱面上的法向应力，MPa；τｗ为弱面上的最大剪应力，MPa。岩体沿弱面剪切滑移的破坏准则可改写，并据此定义一个判别井周岩石剪切破坏的指数，附加内聚力指数，其表达式为：（14）式中：：为弱面附加内聚力指数，MPa；，和为WCS中的应力分量，MPa。从式（14）可以看出，指的是弱面上的剪应力超过弱面本身能够承受的最大剪切力的数值，即维持弱面稳定所需的附加内聚力数值，越大则井眼稳定性越差，越小则井眼越稳定。1.2Mogi-Coulomb准则若不考虑弱面强度对井眼稳定的影响，一般可以采用Mogi-Coulomb准则进行判别，Mogi-Coulomb准则认为：岩石的强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力，即：（15）式中：为剪应力，MPa；为法向应力，MPa；为岩石内聚力，MPa；为岩石内摩擦角，（°）。为了便于计算，将Mogi-Coulomb准则改写成最大主应力和最小主应力表达的形式：（16）式中：为最大主应力，MPa；为最小主应力，MPa。而井眼圆柱坐标系CCS中的最大、最小主应力为：（17）其中（18）式中：I1为应力张量的第一不变量；J2为应力偏量的第二不变量；为了与弱面强度准则判别形成对比，定义附加内聚力指数，判别井周岩石的剪切破坏情况，其表达式为：（19）式中：为岩石本体附加内聚力指数，MPa。从式（19）可以看出，指的是岩石本体上的剪应力超过岩石本身能够承受的最大剪切力的数值，即维持井周页岩稳定所需的附加内聚力数值，越大井眼稳定性越差，越小井眼越稳定。1.3ExtendMogi-Coulomb准则国内外学者大都认为非线性强度准则更能准确描述岩石的破坏机理。Al-Ajmi等在考虑岩石强度非线性包络线和MG-C准则基础上提出了EMG-C准则：参数a2，b2与岩石的内聚力、内摩擦角有关，1.4岩石强度准则分析岩石强度准则又称岩石破坏判据，是研究岩石在不同应力或应变状态条件下产生破坏的判据。岩石强度准则可以分为两大类：一类是不考虑中间主应力对岩石强度影响的准则，例如Mogi-Coulomb准则和Hoek-Brown准则；另一类为考虑中间主应力的强度准则，例如Drucker-Prager准则、改进的Lade准则和Mogi-Coulomb准则。Jeager［９Ｃ）］基于Mogi-Coulomb准则建立了岩体不连续面的强度准则。Jeager最初提出的弱面强度准则包含４个参数，并且认为岩体是沿着不连续面滑动的各向同性体。Jeager提出的强度准则认为，当最大主应力垂直或平行于弱面时，岩体具有相同的抗压强度。近几年来，国内外学者又对岩石强度准则进行了进一步地改进与完善。为分析M-C，MG-C及EMG-C准则在井壁稳定分析中的适用性，将这3种准则展示在(,)空间内，研究3种准则在主应力空间内的分布特征及第2主应力对岩石强度特征的影响。因岩石真三轴力学实验开展较为困难，本文以KTBamphibolite真三轴实验数据对3种准则拟合结果进行了验证。结果如下图所示。3种准则主应力空间分布特征如图所示可以发现：1）M-C准则与σ2无关，且与岩石实际三轴强度实验数据相比，该准则预测结果偏大，若将其应用于井壁稳定分析，得到的安全钻井液密度窗口下限偏大。钻井过程中，若井底液柱压力偏大，在压力差的作用下，钻井液更易侵入井周岩石裂缝中，可能会加剧井壁坍塌。2）根据MG-C准则在在（σ2，σ11.4.1强度准则的数学形式Coulomb强度准则评价的物理背景是岩石破坏时具有粘结性和摩擦特性，试样的轴向抗压强度与围压成线性关系：（１）式中：Ｑ为单轴压缩强度；Ｋ为围压对强度的影响系数。但岩石的矿物组成是非均质的，试样在破坏面上不会同时达到极限破坏强度，故实际实验数据并不是线性关系。Hoek-Brown强度准则是抛物线，其对称轴只是与平行，即：（２）式中：ｍ为材料的参数；为岩石单轴抗压强度。把Hoek-Brown强度准则推广成完整的广义Hoek-Brown强度准则：（３）当参数n=1时简化成为Coulomb准则，在n=1/2时则为Hoek-Brown强度准则。基于组成岩石矿物成分的非均质性及粘结、摩擦力在局部范围内不能同时存在的理论，随着岩石内部最小主应力的增加，岩石内部最大剪切力或主应力差趋于常数，构成如下指数强度准则：式中：为极限主应力差；为单轴压缩强度；为围压为零时对强度的影响系数。1.4.２强度准则