基于统一强度理论的钻孔孔壁稳定性分析

发布时间：2017-03-28 13:03

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【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。
【关键词】：统一强度理论 钻孔稳定 泥浆压力 UMAT
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P634.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-13
• 1.1. 钻孔稳定性问题概述9-10
• 1.2. 钻孔稳定性问题岩石力学方面研究现状10-12
• 1.3. 本文研究内容12-13
• 2 岩石类材料强度准则和强度理论回顾13-20
• 2.1. 概述13-15
• 2.1.1 Mohr-Coulomb强度理论13
• 2.1.2 Drucker-Prager准则13-14
• 2.1.3 Hoek-Brown准则14-15
• 2.1.4 Mogi-Coulomb准则15
• 2.2. 统一强度理论15-20
• 2.2.1 对中间主应力效应的研究历史15-16
• 2.2.2 统一强度理论的理论表达式16-20
• 3 基于统一强度理论的钻孔破坏理论分析20-36
• 3.1. 原始地应力数据获取的基本方法20-21
• 3.1.1 竖直原始地应力获取方法20
• 3.1.2 水平原始地应力获取方法20-21
• 3.2. 任意方向钻孔孔周应力推导21-24
• 3.3. 基于统一强度理论垂直钻孔破坏分析24-27
• 3.3.1 垂直孔孔壁应力24-25
• 3.3.2 垂直孔拉裂破坏泥浆压力解析解(稳定泥浆压力上限)25-26
• 3.3.3 垂直孔坍塌破坏泥浆压力解析解(稳定泥浆压力下限)26-27
• 3.4. 基于统一强度理论倾斜钻孔破坏分析27-28
• 3.4.1 倾斜孔孔壁应力27-28
• 3.4.2 倾斜孔孔壁坍塌泥浆压力半解析解计算流程28
• 3.5. 参数分析28-34
• 3.6. 工程实例分析34-35
• 3.7. 本章小结35-36
• 4 统一强度理论的ABAQUS二次开发36-55
• 4.1. 基于统一强度理论的ABAQUS二次开发36-47
• 4.1.1 弹塑性状态的确定38-39
• 4.1.2 本构积分算法39-42
• 4.1.3 一致切线模量的计算42-43
• 4.1.4 统一强度理论屈服函数和势函数求导43-47
• 4.2. UMAT正确性验证47-49
• 4.2.1 验证模型47-48
• 4.2.2 验证结果48-49
• 4.3. 钻孔稳定数值模拟49-50
• 4.4. 模拟结果50-55
• 5 结论与建议55-57
• 5.1. 结论55
• 5.2. 建议55-57
• 参考文献57-60
• 作者简历60

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本文编号：272301