论文摘要
钻孔技术广泛应用于地质勘察、钻探工程、油气开发、隧道超前探测、管棚支护、瓦斯抽放和非开挖铺设等工程领域。钻孔在钻进及使用过程中孔壁稳定性问题是钻孔工程技术人员最关注的问题之一。钻孔失稳会阻碍钻孔施工的正常进行,延长施工周期,增加工程成本。严重的孔内事故往往会造成严重的后果:一方面钻孔失稳将被迫报废钻孔和钻具,造成人力、物力和时间的极大浪费;另一方面钻孔失稳会导致无法获得地下蕴藏的真实地质资料,也会导致油气资源泄漏而造成资源浪费和环境污染。目前,绝大多数钻孔稳定性研究以钻探工程和油气开发工程中的竖直钻孔为研究对象,许多专家学者在竖直钻孔稳定性方面进行深入研究,得到大量有价值的研究成果。然而,随着水平定向钻进技术在隧道超前探测、瓦斯抽放和非开挖铺设等工程领域的应用日益增多,使水平钻孔稳定性问题成为当前亟待研究的课题。本文以水平定向钻孔稳定性问题为主要研究对象,主要完成以下研究工作:⑴根据弹性理论建立原始地应力和钻孔液压力共同作用下水平定向钻孔稳定性问题的力学模型;⑵分析钻孔液压力、钻孔埋深和侧压力系数对水平定向钻孔孔壁应力场的影响;⑶应用库仑准则和最大拉应力理论推导出不同侧压力系数下地层坍塌压力和地层破裂压力的计算公式;⑷由地层坍塌压力和地层破裂压力确定钻孔液压力范围,进一步提出最优钻孔液压力概念,研究最优钻孔液压力的确定方法并推导出计算公式;⑸将以上研究成果应用于明垭子特长隧道超前探测和乌兰煤矿瓦斯抽放工程中,通过计算分析确定最优钻孔液压力。本文的研究成果为水平定向钻进工程中选择钻孔液压力提供了科学的参考。
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摘要ABSTRACT1 绪论1.1 钻孔稳定性问题概述1.2 钻孔稳定性问题国内外研究现状1.2.1 岩石力学方面研究现状1.2.2 物化耦合方面研究现状1.2.3 软件开发方面研究现状1.3 水平定向钻孔稳定性研究意义1.4 本文的主要研究内容和工作2 水平定向钻孔稳定性问题的影响因素2.1 地质影响因素2.2 钻孔液影响因素2.2.1 钻孔液的水化作用2.2.2 钻孔液的直接冲刷作用2.3 钻孔工艺影响因素2.3.1 钻孔技术影响因素2.3.2 压力激动影响因素2.4 各种扰动影响因素2.5 小结3 水平定向钻孔孔壁应力场分析3.1 建立水平定向钻孔力学模型3.1.1 原始地应力作用下水平定向钻孔力学模型3.1.2 钻孔液压力作用下水平定向钻孔力学模型3.1.3 原始地应力和钻孔液压力共同作用下力学模型3.2 求解水平定向钻孔孔壁应力场3.2.1 求解原始地应力作用下水平定向钻孔孔壁应力场3.2.2 求解钻孔液压力作用下水平定向钻孔孔壁应力场3.2.3 求解原始地应力和钻孔液压力共同作用下孔壁应力场3.3 分析水平定向钻孔孔壁应力场3.3.1 分析钻孔液压力对水平定向钻孔孔壁应力场的影响3.3.2 分析钻孔埋深对水平定向钻孔孔壁应力场的影响3.3.3 分析侧压力系数对水平定向钻孔孔壁应力场的影响3.4 小结4 水平定向钻孔孔壁稳定性判据研究4.1 选择合适的强度准则4.1.1 库仑强度准则4.1.2 格里菲斯强度准则4.1.3 统一强度理论4.1.4 最大拉应力理论4.2 推导水平定向钻孔孔壁稳定性判据4.3 岩石抗拉强度试验误差修正4.3.1 岩石抗拉强度试验4.3.2 莫尔强度准则基本理论4.4 应用双参数抛物型莫尔强度准则进行误差分析和修正4.4.1 双参数抛物型莫尔强度准则基本理论4.4.2 双参数抛物型莫尔强度准则误差修正4.5 应用双参数双曲型莫尔强度准则进行误差分析和修正4.5.1 双参数双曲型莫尔强度准则基本理论4.5.2 双参数双曲型莫尔强度准则误差修正4.6 小结5 水平定向钻孔孔壁稳定性分析5.1 分析水平定向钻孔孔壁失稳的类型和原因5.2 确定地层坍塌压力和地层破裂压力5.2.1 确定地层坍塌压力5.2.2 确定地层破裂压力5.3 钻孔液压力范围的确定方法和影响因素5.3.1 钻孔液压力范围的确定方法5.3.2 钻孔液压力范围的影响因素5.4 最优钻孔液压力的确定方法及影响因素5.4.1 最优钻孔液压力的概念及工程意义5.4.2 最优钻孔液压力的确定方法5.4.3 最优钻孔液压力的影响因素5.5 小结6 工程实例应用6.1 明垭子特长隧道工程概况6.2 确定明垭子隧道水平定向钻进最优钻孔液压力6.2.1 计算地层坍塌压力和地层破裂压力6.2.2 计算最优钻孔液压力6.3 乌兰煤矿瓦斯抽放工程概况6.4 确定乌兰矿瓦斯抽放钻孔最优钻孔液压力6.4.1 计算地层坍塌压力和地层破裂压力6.4.2 计算最优钻孔液压力6.5 小结7 结论7.1 主要结论7.2 建议致谢参考文献附录
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