不同軟弱夾層對地質鉆探孔壁圍巖的穩定性影響分析

閆曉龍

摘要：含軟弱夾層的鉆孔孔壁穩定性是制約鉆探的關鍵問題，其穩定性的制約因素眾多。在分析圓孔彈塑性理論的基礎上，建立軟弱夾層三維鉆孔模型，采用摩爾-庫倫判別準則，研究不同地質鉆孔孔徑、軟弱夾層傾角、厚度以及其彈性模量、內聚力和泊松比條件下，孔周的圍巖穩定性系數變化規律。結果表明：（1）完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩定性系數;（2）孔壁的穩定性隨孔徑大小增加而降低，隨軟弱夾層傾角和厚度的增加而降低;（3）孔壁的穩定性隨泊松比的增加而降低，隨彈性模量和內聚力的增加，變化規律則相反，穩定性系數對泊松比、內聚力、彈性模量的靈敏性依次降低。

關鍵詞：地質鉆探;軟弱夾層;孔壁;圍巖穩定性

中圖分類號：TD262

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0176-06

Analysis of different weak interlayers on the stability influence of geological drilling hole

YAN Xiaolong

（Shaanxi Railway Engineering Survey Co.， Ltd.， Xi'an 710014， China

）

Abstract：The stability of drilling holes wall with weak interlayers is the key issue to restrict geological drilling， and the stability is restricted by many factors. Based on the analysis of the elastic-plastic theory of circular hole， this paper establishes a three-dimensional borehole model of weak intercalation， and uses the Moore-Coulomb criterion to study the variation law of stability coefficient of surrounding rock under the conditions of different geological borehole diameter， dip angle and thickness of weak intercalation， as well as its elastic modulus， cohesion and Poisson's ratio. The research results show that （1） the stability coefficient of the intact surrounding rock （the thickness of weak interlayer is 0 m） is significantly higher than that of the hole wall with weak interlayer; （2） the stability of the hole wall decreases with the increase of the diameter of the hole， and decreases with the increase of the dip angle and thickness of the weak interlayer; （3） the stability of the hole wall decreases with the increase of Poissons ratio， and the change law is opposite with the increase of the elastic modulus and cohesion. The sensitivity of stability coefficient to Poissons ratio， cohesive force and elastic modulus decreased successively.

Key words：geological drilling; weak interlayer; hole wall; surrounding rock stability

在工程地質鉆探過程中，鉆孔的穩定性問題是巖土工程中關注的問題之一，直接關系到鉆探精度和取芯質量。在天然狀態下，自然巖土層的初始應力和孔隙壓力的共同作用下，處于平衡狀態;而鉆孔取樣對土層的卸荷作用，使得鉆孔壁失去原有的支持，取而代之的是孔內泥漿靜水原理，孔壁的應力發生重新分布。在圍巖作用下，孔壁的應力短時間內無法達到平衡狀態，當孔壁的巖土體的強度不足以抵抗集中的應力，將出現孔壁失穩現象，使得孔內巖土固體顆粒被擾動和懸浮移位，造成擴孔、卡孔、埋鉆等危害，為孔內測試工作帶來不利影響，甚至廢孔，使得鉆孔周期增長、鉆探成本增加。

有學者對破碎地層的鉆探施工進行研究，提出采用LBM沖洗液體系提高孔壁穩定性的措施[1];研究直井和斜井兩種工況條件下巖石軟弱面產狀對井壁穩定性的影響，并給出相應的研究成果[2];采用數值模擬的手段對鉆孔周圍的應力應變進行分析，并考慮鉆孔暴露時間和上覆土壓力等因素的影響[3];研究了軟弱巖層的流變性對鉆孔孔壁的穩定性的影響，指出軟弱巖層的埋深和厚度會加劇孔壁的失穩[4-11]。由此可知，現階段對鉆孔壁穩定性研究主要集中在處理手段、軟弱圍巖的工程性質方面，而對于地質鉆孔大小、軟弱圍巖傾角、厚度以及其力學性質對孔壁穩定的系統定量研究有待深入。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

本文在分析圓孔彈塑性理論的基礎上，建立軟弱夾層三維鉆孔模型，采用摩爾-庫倫判別準則，研究在不同地質鉆孔孔徑、軟弱夾層傾角、厚度以及其彈性模量、內聚力和泊松比條件下，孔周的圍巖穩定性系數變化規律，以期為含有軟弱夾層轉孔的穩定性、安全性評價和地質鉆孔防縮孔、擴孔、塌孔方案的確定提供參考。

1軟弱夾層對孔壁穩定性影響的彈塑性理論

鉆孔彈性力學分析模型，具體如圖1所示。

如圖1所示，假設地層為彈性半無限空間體，且各向同性;忽略地下水和孔內泥漿的滲透作用;鉆孔為垂直、圓形孔洞，其深度遠大于孔徑;認為初始應力分布均勻，圍巖體內任意一點側向應力系數均相等。根據彈性理論可以求解鉆孔壁應力分布：

2數值模型的建立

為研究軟弱夾層圍巖體的力學行為，將軟弱圍巖的力學參數與周圍正常硬質圍巖區分開，巖體的力學參數的選取參考文獻[10]、文獻[11]，結果如表1所示。

考慮模擬的可操作性和含夾層地層“上下硬、中間軟”的特性，采用巖土有限元分析軟件MIDAS GTS建立鉆孔和地層三維數值模型，具體如圖2所示。為避免邊界效應和反映模型的變形和受力規律，整體模型選取為150 m×50 m×50 m，其中軟弱夾層為水平分布，厚度為2.0 m，位于這個模型的最中間位置;地質鉆孔位于模型最中心，為絕對垂直和絕對圓形轉孔，孔徑為91 mm。除孔口表面為自由表面外，其余表面約束條件均為固定約束。模擬時，忽略暴露時間、地下水和泥漿液滲流、水溫度等因素對分析的影響。

3數值模擬成果分析

3.1孔徑大小對孔壁穩定性的影響

為考慮鉆孔孔徑對軟弱夾層孔壁穩定性的影響，僅改變鉆孔孔徑參數，軟弱夾層傾角為0°（軟弱夾層傾角定義如圖7所示），地層特征參數保持不變，分別設置《建筑工程地質勘探與取樣技術規程》（JGJT 87—2012）[12]中常用的地質鉆孔孔徑，即91、110、130、150 mm，模擬結果如圖3所示。

從圖3可以看出，無論何種鉆孔直徑，由于模擬力學參數和幾何參數的對稱性，導致其孔周不同位置處的穩定性系數呈現軸對稱的規律。隨著孔徑的增加，軟弱夾層孔壁的穩定性系數也逐漸降低，這是由于孔直徑的增加，加大了土體的取出量和對原位土體的擾動程度，因此軟弱夾層土體的受到擾動后的塑性區范圍變大，抗剪強度變低。最后使得其穩定性系數降低。

由于孔周穩定系數的軸對稱性，因此選取孔周角分別為0°、30°、60°、90°的穩定系數分析，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，在孔周角0°～90°內，隨著鉆孔孔徑和孔周角的增加，軟弱夾層孔壁的穩定性系數呈擬線性下降規律。

3.2軟弱夾層厚度對孔壁穩定性的影響

為考慮軟弱夾層厚度對孔壁穩定性的影響，僅通過軟弱夾層的厚度，分別設置為0（完整圍巖）、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 m，軟弱夾層傾角為0°，地層其余特征參數保持不變，模擬結果如圖5、圖6所示。

從圖5可以看到，完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩定性系數。隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩定性系數均呈現軸對稱規律，但前者的變化幅度顯著大于后者。隨著軟弱夾層厚度的變大，鉆孔孔壁的穩定性逐漸降低，甚至在軟弱夾層厚度等于10.0 m時，孔壁的穩定系數小于1.0，孔壁出現坍塌，鉆孔孔周不同位置的穩定性系數也逐漸趨于一致; 在圖6中可以得到相同結論。

3.3軟弱夾層傾角對孔壁穩定性的影響

為考慮軟弱夾層傾角對孔壁穩定性的影響，設置軟弱夾層厚度為2.0 m，傾角分別設置為0°、30°、60°、90°，結果如圖7所示。地層其余特征參數保持不變，并采用完整圍巖（軟弱夾層厚度為0 m）的計算結果進行對比，模擬結果如圖8、圖9所示。

由圖8可知，與圖5類似，完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩定性系數，隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩定性系數均呈現軸對稱變化，但前者的變化幅度顯著大于后者。隨著軟弱夾層傾角的變大，鉆孔孔壁的穩定性逐漸降低，當軟弱面傾角增加到某個數值時，分布于最小水平主應力方向的軟弱面的穩定性逐漸增強，表現為孔周的最小穩定性系數出現“拔尖”情況。

從圖9中也可以看到，在孔周角為90°、軟弱夾層傾角為60°時，孔壁的穩定系數開始增加。綜上所述，孔壁的穩定性與軟弱夾層的傾角密切相關，對于小傾角的孔壁穩定性系數甚至可以達到高傾角的2.0倍以上。

3.4軟弱夾層力學參數對孔壁穩定性的影響

軟弱夾層的力學參數與孔壁的穩定性息息相關，對影響其力學性質最為重要的3個指標：內聚力c、彈性模量E、泊松比μ進行控制指標的方法進行研究。指標控制結果如表2所示，地層其余特征參數和鉆孔參數保持不變。

軟弱夾層孔壁穩定系數模擬結果如圖10所示。從圖10可看出，隨著泊松比的增加，軟弱夾層孔壁穩定系數最大值和最小值都呈下降趨勢;而隨著彈性模量和內聚力的增加，則恰好相反。

4結語

（1）完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩定性系數，隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩定性系數均呈現軸對稱的變化規律，但前者的變化幅度顯著大于后者;

（2）孔壁的穩定性與孔徑大小和軟弱夾層傾角、厚度緊密相關，隨孔徑大小增加而降低，隨軟弱夾層傾角和厚度的增加而降低，當軟弱面傾角增加到某個數值時，分布于最小水平主應力方向的軟弱面的穩定性逐漸增強;

（3）力學參數是影響孔壁穩定的最主要因素，孔壁的穩定性隨泊松比的增加而降低，隨彈性模量和內聚力的增加，變化規律則相反，穩定性系數對泊松比、內聚力、彈性模量的靈敏性依次降低。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

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