ABSTRACT:

Three possible mechanisms of borehole failure in laminated, strength anizotropic rocks are considered:

  1. two tensile cracks propagating from the borehole in radial directions;

  2. multiple slip distributed over oriented sets of parallel fractures, or rock foliation planes; and

  3. propagation of pre-existing randomly oriented micro-fractures that result in spalling or borehole breakout.

For each of these failure types, 2-D models of the of borehole instability mechanisms have been developed. In laminated rock, where strength anisotropy exists, inelastic zones in the anisotropic material are qualitatively different from those appearing in isotropic rock. The energies released during the instability development for two first mechanisms that can lead to the borehole collapse are compared. Combinations of loading parameters are evaluated for both mechanisms. Whenever the previous two mechanisms cannot be invoked, extensive unstable growth of preexisting micro-cracks in compression parallel to the borehole surface takes place. This growth is followed by buckling of the thin rock plates separated by the growing fractures.

RESUME:

Trois mecanismes de rupture de forage dans les roches stratifiees peuvent être envisages:

  1. deux fissures en traction se propageant depuis Ie contour du forage vers l'exterieur dans une direction radiale;

  2. de multiples fissures nees d'un système de joints parallèles, de fissures ou de feuillets; et

  3. la propagation de micro-fissures existantes et orientees de manière aleatoire resultant d'un effritement ou d'un effondrement de forage.

Pour chacun de ces types de ruptures, des modèles 2D de la mecanique de l'instabilite des forages ont ete developpes, Dans les roches stratifiees, où règne une importante anisotropie, les zones inelastiques sont qualitativement differentes de celles observables dans les roches isotropes. Les energies relachees pendant Ie developpement des deux premiers types de mecanismes qui peuvent mener à l'effondrement du forage sont comparees. Les paramètres de chargement sont combines pour les deux mecanismes. Si jamais les deux mecanismes precedents ne peuvent être invoques, le developpement intensif et instable de micro-fissures existantes en compression parallèle au forage a lieu. Cette fissuration est suivie de l'effondrement des fines parois rocheuses separees par les fissures en cours de croissance.

ZISAMMENFASSUNG:

Drei mögliche Mechanismen fuer Bohrlochversagen in geschichtetem Fels werden betrachtet:

  1. zwei Zugrisse breiten sich vom Bohrlochrand in radialer Richtung aus;

  2. Mehrfachgleiten ueber orientierte Systeme paralleler Zwischenschichten, Risse oder Felsschichten;

  3. Ausbreitung existierender, zufallig orientierter Mikro-Risse, die in Spalten oder Bohrlochabschalungen resultieren.

Fuer jeden dieser Versagensmechanismen wurden zweidimensionale Modelle entwickelt. Bei geschichtetem Fels, wo Festigkeits- Anisotropie existiert, sind die inelastischen Zonen im anisotropen Material qualitativ von denen im isotropen Fels verschieden. Diejenige Energie, die wahrend der Entwicklung der Instabilitat fuer die zwei ersten Mechanismen freigesetzt werden kann, und die zu Bohrlochkollaps fuehrt, wird verglichen, und Kombinationen der Last-Parameter werden ermittelt fuer die einer der beiden Mechanismen vorherrscht. Schließlich, wenn die vorangegangenen zwei Mechanismen nicht angenommen werden können, findet extensives instabiles Wachstum existierender, druckhafter Mikro-Risse statt, gefolgt von Knicken der duennen Felsplatten zwischen den wachsenden Rissen.

1. INTRODUCTION

When drilling circular openings (tunnels or boreholes) in rock, different types of instabilities can occur near the borehole wall due to stress concentrations (Figure 1). The petroleum industry experiences large financial losses because of borehole breakouts. Therefore a better understanding of the instabilities that cause breakouts may decrease such losses. Furthermore, in mining and tunneling similar phenomena lead not only to financial losses but, also, to human casualties. There have been many attempts in the past to use borehole breakouts as indicators of in situ stress (e.g., Bell and Gough, 1983; Shamir and Zoback, 1992). Although the orientation of breakouts can, in some cases, indicate the principal directions of the in situ stress tensor (e.g., Mastin, 1988), any attempt to correlate area, or volume, of broken rock to stress magnitude will require an understanding of the failure mechanism(s) of breakouts (e.g., Detournay and Roegiers, 1986).

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