深部原位应力环境钻进过程中岩心饼化成因机制:数值模拟与室内试验

深部岩体原位应力赋存状态一直是"黑箱"问题,基于岩心的应力测试技术已成为有效的解决手段之一.在深部原位应力环境钻进过程中时常出现岩心饼化现象,为了探索其在砂岩中的形成机制,利用PFC2D研究了不同原位应力条件下钻进过程中的裂纹分布和能量演化,获得了易发生岩心饼化的特定原位应力条件.应用自主开发的测试系统验证了实验室环境内岩心饼化所需的应力条件,并分析了岩心破裂特征、断面形貌与原位应力之间的关系.结果表明,原位应力越高,在钻进过程中岩石产生的拉裂纹越多,尤其是在孔壁和岩心根部,而岩心处裂纹从外表面向内部发展.更高的原位应力水平同样会导致更强的能量转换,进而引发岩石破裂.岩心饼化的形成需满足特定的应力条件.当径向应力(σr)为最大主应力且保持45 MPa恒定、轴向应力(σa)为25 MPa或30 MPa时,岩心根部均会发生饼化现象.随着σr和σa之间差值或钻进深度的增加,岩心厚度减小,导致断面更光滑、分形维数更小,从而使岩心饼化现象更加显著.该研究可为科学阐明深部原位应力条件下岩心饼化的形成机制提供必要的技术和数据支持.