试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响
井底应力场对气体钻井井斜的影响
第30卷第8期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 8 2009年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2009收稿日期：2009-03-12基金项目：国家863项目“超深井钻井技术”（No. 2006AA06A109）资助。
第一作者简介：王敏生，男，1973年生，博士研究生，高级工程师，主要从事油气井钻井工艺研究工作。
E-mail: wangms@文章编号：1000－7598 (2009) 08－2436－06井底应力场对气体钻井井斜的影响王敏生1, 2，唐 波2（1. 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 东营 257061；2. 胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 东营 257017）摘 要：建立了油气井钻井过程中的井底力学模型，该力学模型考虑了井眼内压力、岩石节理、井眼深度、地应力、岩石材料特性、井眼直径等影响因素，并讨论了各个因素对井底应力场的影响，阐明了气体钻井时井底应力场分布变化对井眼井斜的影响。
气体钻井时井眼内的压力远小于井眼周围的围压，井底会出现很大的拉应力，岩石容易破坏，因此，气体钻井时钻井速度远远大于钻井液钻井，但拉应力越大，井眼与岩石节理面交接处产生的应力集中越大，应力集中处岩石更容易破坏，也更易产生井斜。
气体钻井时井底的应力状态对地层倾角、材料特性、井眼直径、井眼深度及初始地应力的变化较钻井液钻井时更敏感。
关 键 词：气体钻井；井斜；井底；岩石；应力场；有限元法 中图分类号：TD 325 文献标识码：AEffects of stress field in bottom hole on borehole deviation during gas drillingWANG Min-sheng 1, 2，TANG Bo 2（1. College of Petroleum Engineering , China University of Petroleum, Dongying 257061, China;2. Research Institute of Drilling Technology, Shengli Petroleum Administrative Bureau, Dongying 257017, China ）Abstract: A mechanical model of bottom hole was set up, considering affecting factors such as subsurface pressure, joints, hole depth, geostress, material behavior, diameter of borehole and so on. The effects on stress field in bottom hole of those factors on the stress ficrd of bottom bole are discussed; and the effects on borehole deviation of stress field in bottom hole while gas drilling are also expounded. The Pressure in downhole is far less than ambient pressure while gas drilling. There will be large tensile stress at bottomhole; and the rock is easy to destroy, so, drilling speed of gas drilling is far more than that of fluid drilling; but while tensile stress is larger, the stress concentration at interface between downhole and joint plane is larger. The rock at stress concentration is easy to be destroyed and deviated. The stress status of gas drilling is more sensitive to the change of dip angle, material property, diameter, depth and original stress than that of fluid drilling.Key words: gas drilling; borehole deviation; bottom hole; rock; stress field; finite element method1 引 言油气井钻井过程中的防斜打直技术是困扰石油钻井界的一个非常重要的百年难题。
浅析钻井工程中井斜的原因及控制措施
浅析钻井工程中井斜的原因及控制措施作者：卢维虎来源：《中国新技术新产品》2013年第09期摘要：在钻井过程中，井斜给钻井工程带来一系列的危害，并造成巨大损失。
要想控制直井井眼绝对不斜，是不可能的。
问题在于能否控制井斜的度数或者井眼的曲率在一定范围之内。
本文主要探讨井斜的原因以及在现场中控制井斜的措施与方法，这对合理化的钻井有非常重要的意义。
关键词：钻井；井斜；防斜钻具；原因；措施中图分类号：TE20 文献标识码：A井斜是钻井工作中一个较为普遍的问题，它直接影响着钻井井身质量和钻井度。
钻井作业不但要求钻速快，而且要求井身质量好。
井身质量的好坏是油气井完井质量的前提和基础。
它直接关系到泊气田的勘探和开发工作是否成功。
直井防斜技术的研究已有80年的历史，对防斜打直起到了重要作用。
然而，传统的防斜技术多采用“轻压吊打”，以牺牲钻井速度为代价。
近年来发展起来的偏心钻具、偏轴钻具、柔性钻具等钻具组合，虽然有了明显的改进，但是对于高陡构造以及造斜能力强的地层，其井斜控制效果往往仍难以保证。
呈现这种局面不是偶然的，钻具组合的内在力学性质决定了目前的防斜技术是有局限性的。
现代防斜技术的核心是解决提高井身质量和钻井速度之间的矛盾，必须突破传统观念的束缚。
积极探索新的防斜技术，实现优质与高效的统一。
1 井斜的危害1.1 对勘探开发的影响井斜如果较大则会对勘探工作产生较大的影响，这就会导致勘探过程中对井深产生误差，这样所得出来的地质资料也不够真实的准确，另外，由于倾斜过大，则会导致井底远离设计的井位，这样对于地下的油气层可能出现偏离的情况，导致勘探工作的失败。
这对断块小油气田显得格外重要；如果井斜过大，也会打乱油气田开发的布井方案。
1.2 对钻井施工的影响如果井斜过大，恶化了钻柱工作条件，钻柱易发生疲劳破坏；易造成井壁坍塌及键槽卡钻等事故；井斜过大，造成下套管困难，套管下入后不易居中，会直接影响固井质量，往往造成面井窜槽和管外冒油、冒气。
空气钻井井斜问题与地层倾角的规律探讨
一
、
有 限 元模 型 的 建 立
ａ三维网格模型 ｂ模 型 Ａ— Ａ剖 面
钻 井工 程 的对象 是各 种岩 石 ， 对于 空气 钻井 ， 主 要 对象 是干 硬 岩石 。当 钻 头钻 开 地 层 后 ， 层 初 始 地 地 应力得 到 释放 ， 底 岩 石 在 液 柱 压力 的作 用 下 应 井 力 重新 分布 ， 其分 布 结果 对后 续钻 井有 一定 的影 响 。 本 文采 用有 限元 软件 模拟 分 析空气 钻井 和钻 井
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柱 压力 或者 气 体气柱 压 力来模 拟 钻井液 钻井 或者 空
实体模型中心取直径 ｄ＝ ． 高 ｈ： 的圆柱 ０ ３ｍ， ２ｍ 体模拟井眼。在模拟过程 中使用“ 单元生死 ” 技术 ， 使井眼区域单元死掉 ， 形成井筒。分别在井筒 内施
收稿 日期 ：２ ０ ０ ７—０ —２ ；修 回日期 ：２ ０ １ ２ ０ ７—０ 元分析 ；钻井
中 图分 类 号 ：Ｔ ４ ． Ｅ２ ２ ７ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ ７ ８ ２ ０ ）３— ０ ０ ０６— ６ Ｘ（ ０ ７ ０ ０ ７— ３
空 气钻 井技 术开 始 于 ２ ０世纪 ５ ０年代 的美 国犹 他 州 … ， 由于能 够 有 效 的保 护 储 层 、 止 井 漏 和 防 大 幅度 的提 高钻 井速 度 等优 点使得 空气 钻井 技术 得
井斜原凶及其危害浅谈
盆
并斜原 因及其危害Ｎｉ ｔ
新 疆煤 田地质 局 综合 地质勘 查 队 吴旭 东
【 摘 要 ］ 文结合 钻探 实践总结 了造成 井斜 的原因 ， 而 阐明 了因井斜 而造 成的危害。结合新疆倾斜地层较 多的特点 ， 出了一 些 本 进 提 防斜措施及 经验 ， 给以后 的施 工提供 了参考。 ［ 关键词● 井斜 危 害 防斜措施
社 ．９ ０ １ ９
图 ３岩性变 化对井 斜的影响
备商圊Ｉ 生岩若
蔷向异性塔若
图４钻头 牙齿两侧 的不均衡破碎 引起井斜 （） ４ 牙轮钻头在钻 进破 碎呈倾斜 的层状岩石 时， 齿在 地层上倾方 牙 向一侧形成较多 的岩屑量 （ ） 图４ 。由于两 侧破碎不均衡产生的增斜力 ，
ｌ 一缺ｐ开房 ２ ６ 一缺陷 闭台
力不 均 ， 使钻头 的钻进方 向向地层 上倾向方 向倾斜 ， 当钻头从硬地层进 入软 地层时 ， 由于类似前面所述 的小变向器作用 ， 迫使钻头沿地层上倾 方 向钻进 。
图 ５钻杆的疲劳 图 ６接头上的侧向力 （） ３ 钻杆接头在较大侧向力作用下靠着井壁旋转 ， 摩擦产生 的热会 使接 头温度升高到钢的临界温度之上 ， 加之钻井液的冷却作用 ， 接头交 替受 热和骤冷 ， 表面要产生热龟裂导致接头损坏 。 其 （） ４ 严重的狗腿有可能妨碍测井的进行和套管 的顺利下入 ， 并在 固 井时造成环 空水泥封 固不均 而影 响固井质量 。 （） ５ 在煤层气钻 孔施工 中， 井斜过大会造 成井深误差 ， 而不能 准 从
１ 井斜 原 因 、
井斜 的原因是 多方 面 的， 主要有两 个方面 ： 一 ， 但 第 是钻 头与岩石 的相互 作用方面 的原因 ， 即由于所钻地 层的倾斜 和非均质性使 钻头受 力不平衡 而造成井 斜 ； 第二 ， 钻柱力学 方面的原 因 ， 即下部钻具受 压发 生弯 曲变形使钻头偏斜并加剧钻 头受力不 平衡 而造成井 斜。
不同地应力场对大斜度井井壁稳定规律的影响
58 /Natural Gas Technology
总第 19 期
天然气技术·钻井工程
2010 年
3 不同地应力场中井壁稳定规律分析
3.1 垂向应力为最大主应力 （σν＞σH＞σh）
30°～45° 夹角。
θ＝０ θ＝60
θ＝15 θ＝75
θ＝30 θ＝90
θ＝45
σ ν = 76.44 MPa， σ H = 67.62 MPa， σ h = 49.98 MPa， C０ = 60 MPa， 有 效 应 力 系 数 η = 0.85， u = 0.6，孔隙压力 pp = 35.28 MPa，不同井斜角、钻井方
（资料来源： 博燃网）
60 /Natural Gas Technology
Study on Air-drilling Equipments
By YU Min, LIU Hui-xin, LIN Ming-yu, GONG Hong-ru, LONG Jin-guo ABSTRACT： Air-drilling equipments include the configuration and optimization of both gas-injection and clearance pipelines. In⁃ vestigating the existing equipments in China, combining with prac⁃ tical experiences of air drilling and utilizing theoretical analysis method, we illustrate the configuration and optimization of the pipelines in this study; calculate optimally the size of gas-injec⁃ tion pipeline, design its structure of both skid-mounted meter and skid-mounted pressure-relief manifold; meanwhile, calculate opti⁃ mally the size of clearance pipeline, design its structure of cuttings sampler, gas sampler, dust-falling water-injection short section. A plan of air-drilling equipments with better structure, perfect func⁃ tion and high integration has been formed. Key Words： gas drilling; drilling equipment; gas-injection pipeline; clearance pipeline
12、燕山大学]气体钻井轨道易斜原因及对策
![12、燕山大学]气体钻井轨道易斜原因及对策](https://img.taocdn.com/s3/m/1a0e4926af45b307e8719768.png)
气体钻井轨道易斜原因及对策气体钻井轨道易斜原因及对策李敬元1李子丰1赵金海2闫振来2（1 燕山大学 2 胜利石油管理局钻井院）【摘要】气体钻井能有效地保护低压油气层和能提高钻进速度，在地质条件适合的区域获得了比较广泛的应用。
实践中发现，钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时，效果不佳。
本文分析了钻井流体密度对钻具增斜能力的直接影响和间接影响。
认为，钻井流体密度降低使钻进速度增加，钻进速度增加使近钻头稳定器下沉量减小，近钻头稳定器下沉量减小导致增斜能力增强，是钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时效果不佳的主要原因。
提出了气体钻井的防斜措施。
【关键词】气体钻井井斜防斜下部钻具稳定器因为气体钻井能有效地保护低压油气层，同时能提高钻进速度，所以在地质条件适合的区域获得了比较广泛的应用。
但是，将钻井液钻井中的有效的防斜钻具组合和钻进参数直接用到气体钻井中发现：（1）气体钻井的钻进速度远高于钻井液钻井的钻进速度；（2）钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时，效果不佳。
因为国内气体钻井作业还较少，比较有效的防斜措施还没有总结出来，所以，从理论上研究气体钻井的防斜措施并指导现场作业显得尤为重要。
气体钻井与钻井液钻井相比，最明显的特点就是：（1）气体的密度比钻井液的密度低；（2）气体的粘度比钻井液的粘度低。
那么，是什么原因导致钻具的防斜能力降低？本文拟从钻具的静态增斜特性和破岩过程两个方面来分析。
钻井流体的粘度对钻具的增斜能力影响很小，略去不计。
仅讨论钻井流体的密度对钻具增斜能力的影响1-3。
1 钻具组合和钻进参数1.1 钻具组合为了表述方便，将实际钻具组合简化为数学模型采用的等效钻具组合：（1）φ215.9mm钻头+φ158.75mm钻铤×13m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤×10.3m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤（2）φ215.9mm钻头+φ158.75mm钻铤×13m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤×15m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤（3）φ215.9mm钻头+φ158.75mm钻铤×13m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤×6.3m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤×10.3m+φ215.9mm稳定器+φ158.75mm钻铤1.2 钻井流体密度（1）钻井液，1200kg/m3；（2）气体，12kg/m3。
气体钻井井底应力场数值模拟研究_黄志强
对该单元采用的积分求解方式为二次缩减积 ， 分 以提供应力梯度最精确的求解。由于材料模型 Coulomb 模型， 该模型采用非关联流动 采用 Moh 期
黄志强等： 气体钻井井底应力场数值模拟研究
— 13 —
法则，所以使用非对称方式求解。
将常规钻井与气体钻井情况进行对比可知 ，气 体钻井在井底的中心区域存在低应力区 ，致使岩体 产生应力释放效应， 有利于提高破岩工具机械钻 速，而常规钻井则是处于三向压应力状态 ，破岩难 度相对较大。
3
3. 1
结果分析
井眼轴线应力场分析
根据弹塑性力学的说明，正应力表示受拉，负 应力表示受压。如图 4 所示，不同井深 h' 时，随井 轴深度增加，最大主应力由拉应力转变为压应力， 应力呈先增后减的趋势。 在 1. 6 ～ 2. 8 倍井径距离 后，最大主应力逐渐低至水平地应力 ，且峰值位置 逐渐靠近井底面，说明随着井深的增加，破岩难度 增大。
conditions of bottom rock in gas drilling． The finite element method was used for solution． The numerical simulation and calculation of the stress field of bottomhole rock in the well depth of 1 000 ～ 3 000 m were conducted． A mechanical property analysis of borehole axis，hole undersurface and well wall was carried out． The findings show that the maximum principal stress of the axis gradually decreases to the horizontal ground stress when it is beyond 1. 6 ～ and the rockbreaking difficulty increases． There exists the lowstress zone in 2. 8 times the length of well diameter， the area of 0. 0 ～ 0. 8 times the length of well diameter in hole undersurface，which is favorable to rock breaking． The tensile stress increases on the well wall which is 0. 0 ～ 0. 2 m upward the hole undersurface and it is easy for well wall instability to take place here． Key words： gas drilling； rock mechanics； finite element method； bottomhole stress field； numerical simulation 于地质结构体，具有非均质、非线性及复杂的边界 条件，解析法求解困难。②深部岩石材料取材困难， 模拟井底井况对于试验设备要求高。因此，笔者利 用有限元方法建立轴对称井底岩石模型，并进行求 解分析，比较不同井深时气体钻井与常规钻井应力 场的差异，进而讨论应力场对井壁稳定性的影响。
浅谈井斜的原因与预防措施
延安职业技术学院毕业论文题目：浅谈井斜原因与预防措施所属系部：石油工程系专业：钻井技术年级/班级： 07(五)钻井班作者：白帆学号： 071395002023028指导教师：评阅人：2012年4月22日摘要：钻井孔内事故发生的原因大多与井孔斜度过大有关，造成井孔倾斜的因素比较复杂，前人总结了多年来发生的井内事故经验，并通过理论分析，认为发生井斜的主要因素可以归结为三个方面，即地质因素、钻压大小和设备安装三个方面。
本课题主要在充分学习掌握前人经验成果的基础上，简要分析介绍了井斜的危害，衡量井斜的因素，造成井斜的原因，以及如何针对不同原因来采取井斜预防措施。
另外，本课题还分析了气体钻井时造成井斜的原因，以及气体钻井与液体钻井时井斜原因的区别，并介绍了气体钻井应采取的预防井筒倾斜的措施。
关键字：钻井；井斜；防斜目录绪论 (1)第一章 (2)1.1 井斜的概念 (2)1.2 井斜的危害 (2)1.3 衡量井斜的因素 (2)第二章井斜原因分析 (4)2.1 地质因素对井斜的影响 (4)2.1.1 地层各向异性对井斜的影响 (4)2.1.2 倾斜层状地层对井斜的影响 (4)2.1.3 岩石软硬交错对井斜的影响 (4)2.1.3.1 钻井由软地层进入硬地层 (5)2.1.3.2 钻进由硬地层进入软地层 (6)2.1.4 其它因素 (6)2.1.5 小结 (7)2.2 钻压大小对井斜的影响 (7)2.3 设备安装对井斜的影响 (9)第三章预防和控制井斜的措施 (10)3.1 地质因素成的井斜预防措施 (10)3.2 钻压大小造成的井斜预防措施 (10)3.3 设备安装不当造成的井斜预防措施 (10)第四章气体钻井井斜的原因及预防措施 (12)4.1 气体钻井井斜概述 (12)4.2 气体钻井与液体钻井井斜的比较 (12)4.2.1 地层各向异性影响的不同 (12)4.2.2 地层倾角影响的不同 (12)4.3 气体钻井井斜控制措施 (13)4.3.1空气锤防斜 (13)4.3.2 钟摆钻具组合防斜 (13)4.3.3 螺杆钻具组合防斜 (13)4.4 小结 (13)第五章防斜及防斜技术现状 (15)致谢 (17)参考文献 (18)绪论在石油天然气勘探和油气田开发的各项任务中，钻井起着十分重要的作用。
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试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响【摘要】本文对气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响做简单分析。
【关键词】钻井施工气体钻井井斜
究气体钻井周围岩石具有的应力性应变场
当钻井的井眼构成完成之后,之前地下处于均衡状态的应力场开始以井眼为中心在其周围进行全新的应力场配置。
较之钻井前地下具有的应力场状况,有三个主要的应力场以井眼为中心呈集聚状态进行分布,当中一个引力场具有的应力方向几乎是垂直方向的,而其余的两个应力场的应力方向是处于水平方向的。
当钻成井眼之后, 距离井底稍远位置处上部井眼在手里上能够看做是一个简化平面内应力,若以底层当做弹性的基本前提,就可以按照弹性力学对井壁周围集聚的应力进行力学求解,上井部具有的应力示意图可见图1。
在某一假定的区域与假定的深度范围之中,其原地具有的应力方向与数量大小在整体上保持相对的稳定性,也即是不考虑应力方向和数量大小的变化的情况下,设钻井井眼具有的井眼半径是a,该区域原地具有的水平应力最大是σH,最小是σh,可以使用极坐标系的求解方式列出气体钻井井眼周围集中分布的应力函数表达式,其具体求解函数是:
（1）
（2）
（3）
表达式(1)、(2)、(3)之中,径向的应力用σr表示,切向的应力用σθ表示, 而剪切应力用τrθ表示。
使用表达式(1)、(2)、(3)对井筒附近所有单元体具有的应力状况进行求解,井筒附近单元体具有应力状况可见图2。
这时候,井壁岩石在径向的压力差(σr-Pw)与三向应力影响中。
因为气体钻井必须井壁稳定,其径向的压力差不能高于岩石剪切屈服或者内聚强度大的数值,从而保证井壁岩石的完整。
要直接对钻井的液钻井与气体钻井周边应力状况特征进行探究,需要通过一个假设,同时使用软件Ansys对钻井附近的岩石受力状况进行分析。
假定岩层是均质且宏观上不同方向头具有相同特性的弹性体,同时其具有的层理面处于水平方向上,钻井附近所有单元体仅接受上覆位置岩石给予的垂直应力与水平方向的应力影响,并将井眼作为圆形直井眼,且具有两个水平方向的主应力是σH与σh,而用Pp表示地层的孔隙压力是, Pw表示钻井液柱的压力,而对井附近应力存在的实际状况的分析模型实际上是对带圆孔无限平面内具有平面应变状况的求解,也就是井眼轴线垂直的平面受力情况的求解。
井深是三千五百米,井眼直径d是二百一十毫米,σH是六十兆帕,σh是五十兆帕, Pp是四十兆帕,静态的弹性模量E是4.3*104兆帕, 静态的泊松比K是0.2,Pw
是四十兆帕。
因为要保证钻井周围岩石受力情况模型具有良好的对称性特征,特意选取其四分之一来作为相关分。
分析过程中,使用软件Ansys构建气体钻井有限元的模型,并对单元类型与材料属性做出定义, 同时将几何模型分成有限个单元进行分析。
液钻井的环境中,径向的应力与三向的应力影响中下钻井附近具有的有效应力是二十兆帕与十兆帕。
气体钻井环境中,钻井位置原地承受的应力作用在钻井周围具有的有效应力是一百兆帕与九十兆帕。
通过软件Ansys的运算分析,地层的岩石具有的力学参数在类似的情况中,钻井液与气体钻井, 由于不平衡水平双向的压应力影响,受到应力大的侧井附近岩石承受的拉力较大,钻井时钻头应该对该方向的岩体进行优先破岩,钻井的井眼移动轨迹和钻井承受的最平用力的最大值存在方向具有一致性。
对比钻井的液与气体钻井,依据建立的分析模型可以明确反映,液钻井分析得出的主应力最大值与主应力最小值的差额要小于气体钻井,而气体式钻井在不同方向具有的异性各之数更为突出。
故而,使用钻头对岩石进行破碎的工作中,使用气体式钻井在破岩方向的确定上更加的困难。
气体式钻井周围存在的应力具有更为显著的不均衡性,更容易使钻井的井斜角发生变化与方位角存在漂移现象。
2 探究气体钻井的井底岩石具有的应力性应变场
假定距井筒稍远的应力场受到钻井介质干扰忽略不计,应力场分布具有均衡性,水平应力最大值和最小值分别用σH与σh表示,因为不存在液柱压力, 在井底的岩石承受地层孔隙的压力P0方向向上的拉应力影响,假定井底的岩石没有被拉伸力量损坏,从而构成井底周围岩石受力的力学模型,而井底周围的岩石承受着三个方向的应力影响。
通过弹性力学对井底周围岩石的受力状况进行求解十分困难,却可以通过软件Ansys做有效的运算研究,从而分析井底具有应力应变的状况。
使用软件Ansys运算研究气体式钻井中,顺着径向产生的应变现象较为剧烈。
井底都受拉应力影响, 顺着主应力最大值的方向井壁位置受到的拉应力最为突出,该处岩石极易破损。
井底受力的整体状况中,气体式钻井中井底岩石受到应力差值最大,地层在不同方向存在的差异较大的指数。
钻头在对井底岩石进行切削中,较大的应力差值会造成钻头偏向主应力最大值方向倾斜,从而造成气体式钻井相对液式钻井更易出现井斜状况。
参考文献:
[1]高如军,何世明,侯文波.气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响分析[A].钻井液与完井液,2008,25(06):1-3.
[2]闫铁,孙士慧,毕雪亮等.气体钻井上返岩屑对井斜影响的分析[J].科学技术与工程,2010,(24):71-73.。