ABSTRACT:

A suite of thick-walled hollow cylinder tests was conducted on a smectite mudrock to investigate borehole instability mechanisms in soft rock formations during or shortly after drilling. The tests followed realistic stress paths in which external lateral stresses were maintained constant, conditions of axial plane-strain were maintained, and borehole pressure was reduced under undrained conditions until the samples yielded and collapsed. Failure was characterized by pairs of conjugate shear surfaces in between which there were large wedges of intact material. The thick-walled hollow cylinder tests on the mudrock were also modelled numerically using parameters derived from consolidated-undrained (CU) triaxial tests, assuming linear elasticity, pressure dependent elasticity and linear elasticity/plasticity, of which only the latter model yielded predictions of strengths and deformations close to the measured values.

RESUME:

Une serie d'essais sur cylindres creux a paroi epaisse a ete realisee à partir d'une argile smectique afin de reconnaître les causes d'instabilite des trous de forage dans les formations de roches tend res durant les sondages ou peu après, On a simule les phenomènes de pression en maintenant constantes les pressions laterales externes, en maintenant les conditions de deformation au plan axial et en reduisant la pression au trou de sondage non-draine jusqu' à ce que les echantillons cèdent et se desintègrent. La rupture etait caracterisee par des paires de surface de cisaillement entre lesquelles se trouvaient intercales des pans de materiau intacts. Les experimentations de cylindres creux à paroi epaisse en argile smectique ont ete traduites en modèles numeriques en utilisant des paramètres derives de tests triaxiaux consolides et non-draines (CU) en supposant alternativement une elasticite lineaire, une elasticite dependante de la pression, et une elasticite lineaire/plasticite; seul ce dernier modèle a permis d'obtenir des prefigurations de forces et de deformations proches des valeurs reelles mesurees.

ZUSAMMENFASSUNG:

Zur Erforschung von Bohrlochinstabilitat in unverfestigten Gesteinen wahrend oder kurz nach dem Bohrprozess wurden eine Reihe von Experimenten mit Hohlzylindern bestehend aus Tonstein (Smektit) durchgefuehrt. Das Spannungsverhalten in den Hohlzylindern wahrend der Experimenten folgte realistischen Bedingunen d.h. die externe, seitliche Spannung wurde konstant gehalten und der Bohrlochdruck wurde unter vollstandiger axialer Dehnungsbehinderung reduziert bis er unter undrainierten Bedingungen zur Verformung bzw. zum Bruch in den Hohlzylindern kam. Bruchverhalten wurde durch Paare von konjugierenden Scheroberflachen charakterisiert welche Keile von intakten Material begrenzten. Die hier beschriebenen Experimente mit Holyzylindern wurden ebenfalls numerisch modelliert. Die dafuer verwendeten Parameter wurden in konsolidierten-undraiierten dreiaxialen Versuchen gewonnen. Dabei wurden entweder lineare Elastizitat, druckabhangige Elastizitat oder lineare Elastizitat/ Plastizitat angenommen. Die hier gewonnen Vorhersagen bezueglich Bruchstarke und Deformationsverhalten kamen ausschließlich im letzten Modell (lineare Elastizitatl Plastizitat) den im Experiment gemessen Werten bzw. gemachten Beobachtungen nahe.

1 INTRODUCTION

As a borehole is drilled, the in situ stresses and pore pressure in its vicinity are redistributed and the support previously provided by the excavated rock is partly replaced by the mud pressure. If the redistributed effective stresses exceed the load bearing capacity of the surrounding rock in compression the borehole may fail either by: 1. Hole size reduction due to large deformations and plastic flow of the rock into the borehole, without the rock losing all of its strength (e.g. mobile mudrocks and salts). 2. Hole enlargement due to brittle failure (e.g. sloughing shales and borehole breakouts). Such instabilities lead to a number of operational problems, ranging from complete or partial collapse of the well and loss of equipment, casing damage during the operational life of the well, fill on trips, poor directional control, and poor primary cementing.

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