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第25卷第6期

钻井液与完井液

Vol.25No.6

2008年11月

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Nov.2008

文章编号：1001-5620(2008)06-0001-03

气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响分析

高如军1何世明2侯文波3张永磊?邹长虹?

(1.川庆钻探钻采工艺研究院，四川广汉；2.西南石油大学石油工程学院，四川成都；

3.中石化西北油田分公司，新疆库尔勒；4.西部钻探国际钻井公司，新疆乌鲁木齐；5.吐哈油田井下技术作业公司，新疆部善)

摘要井斜问题是气体钻井技术应用过程中的主要技术瓶颈，因为井底负压差条件使地层岩石的视强度显著降低，一方面有利于地层岩石破碎与提高机械钻速，另一方面也容易在较短的时间内形成较大的井斜角。目前对气体钻井过程中的岩石力学特性研究甚少。以传统的井周应力模型为基础，考虑地层孔隙压力和原始地应力的作用，利用Ansys软件分析了气体钻井井周与井底岩石应力应变场分布。分析结果认为，气体钻井井底岩石应力分布的差异是造成井斜的主要原因，井眼轨迹有向最大水平主应力方向漂移的趋势。

关键词气体钻井井斜岩石力学有限元分析

中图分类号：TE262TE242.7文献标识码：A

对于气体钻井的井斜问题，很多研究者在钻柱力学分析、破岩机理等方面取得了一定的成果，但是很少有研究者从井周和井底岩石受力状态分析方面进行研究。

1气体钻井井周岩石应力应变场分析

钻井井眼形成后，地下原本均匀分布的地应力场在井眼附近重新分布。与钻井前的应力状态相比，3个主应力在井口附近均产生了明显的集中现象[1],其中一个应力方向近于垂直，其它2个应力近于水平。在井眼钻成后，离开井底较远处的上部井眼的受力可以简化为平面应力，在假定地层为弹性体的前提下，井壁附近的应力集中可以用弹性力学的知识求解。

在一定区块和一定深度范围内，原地应力的大小和方向具有一定的稳定性，变化不大。如果设井眼半径为a,原地水平最大、最小主应力分别为OH和σn,如图1所示，采用极坐标系即可求得气体钻井井周应力分布表达式。

(1)

(2)(3)

式中，σ:为径向应力，σg为切向应力，tr为剪切应力。利用上述公式可分析井筒周围任一单元体的应力分布情况，如图2所示。

图2井壁岩石在极坐标系图

图2井壁岩石在极坐标系

中的应力分布情况

此时，井壁岩石将处于径向压力差(g,-Pw)和三向应力作用下。由于气体钻井考虑了井壁稳定性问题，径向压力差未超过岩石的内聚强度或剪切屈服强度，井壁岩石不发生破坏。

基金项目：受国家自然科学基金项目和“863”计划项目(2006AA09Z312)资助。

第一作者简介：高如军，1975年生，硕士，从事欠平衡钻井现场技术服务和理论研究工作。地址：四川省广汉市中山大道南二段钻采工艺研究院灭火/欠平衡公司；邮政编码618300;电话(0838)5151960;E-mail:grj376@。

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2钻井液与完井液2008年11月

为了直观分析钻井液钻井和气体钻井井周应力分布的特点，做一定假设，并借助Ansys软件分析井周岩石的受力状态。假设岩层为一均质的宏观各向同性的弹性体，且层理面是水平的，井周任一单元体只受到上覆岩石应力和水平应力的作用，同时设井眼是一个圆形的直井眼，2个水平主应力为oH和oh,地层孔隙压力为Pp,钻井液液柱压力为Pw,则求解井周应力分布模型相当于求解一个带圆孔的无限平面的平面应变问题，即垂直于井眼轴线的某一平面的受力状态，在钻井液钻井和气体钻井条件下的这一模型如图3和图4所示。

图4气体钻井条件下井眼受力模型图3

图4气体钻井条件下井眼受力模型

取井深为3500m,井眼直径d为210mm,oH为60MPa,oh为50MPa,P,为40MPa,静态弹性模量E为4.3×10?MPa,静态泊松比λ为0.2,Pw为40MPa。考虑到井周岩石受力模型的对称性，取其中的四分之一进行研究。研究时，利用Ansys软件创建气体钻井条件下的有限元模