试析气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响

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。

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。

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。

井斜形成原因以及对油井的影响和对策摘要：本文立足胜利油田油气开发现状，结合油田实际，通过对胜利采油厂采油四矿176口油井的生产数据、井史资料、作业资料等油气地质资料的采集和汇总，着重分析了有杆泵井的钻井资料以及坨胜永断裂带的构造和岩性特点，分析研究井斜形成的原因和在油井生产中造成的影响，结合现场应用情况，提出相应的治理措施。

关键词：井斜偏磨对策一、井斜形成的原因1.钻井在石油和天然气钻探过程中，井斜是不可避免的，所有的常规钻井都造成了程度不同的井斜问题，因此，井斜起源于钻井。

钻井造成井斜的原因主要是受地层自然造斜规律影响。

胜利采油厂采油四矿的176口油井全部位于济阳坳陷东营凹陷坨胜永断裂带，属于复杂断块油藏。

由于地层具有倾斜性和成层性特点，因此在钻井过程中，钻头端部不能同时接触下伏岩层界面，当位于地层上倾方向一侧钻头端部接触到下伏界面时，位于下倾方向一侧的的钻头端部还在上伏岩层中，这时，钻头端部所接触到的岩石明显存在力学性质上的差异。

岩层界面处岩性相对致密、坚硬，抗钻压能力强，钻速慢；上伏层内岩性相对松软，抗钻压能力差，钻速快，形成不均衡钻进，导致钻具及钻头由钻速快的一侧向钻速慢的一侧弯曲和偏转，使井眼轨迹弯曲，形成井斜。

2.老井井眼轨迹的变化随着油井投入生产，由于多种原因造成套管变形，使井身出现弯曲变形，井眼轨迹变化，形成井斜。

由于套管变形造成的井斜，主要有套管弯曲和套管缩径两个方面。

套管弯曲和套管缩径的原因主要有以下三个方面：2.1泥岩吸水蠕变在高压注水时，砂岩层发生垂向膨胀，使套管承受附加拉应力，套管抗挤强度降低，易受挤压变形，同时，注入水进入泥页岩夹层，导致泥页岩吸水软化，抗剪切强度降低，产生蠕动，造成套管弯曲或缩径，形成井斜。

2.2断层附近地应力不平衡由于断层发育区域裂缝发育，断层面、地层界面因钻井或油水井投产投注后形成应力变化，造成岩块活动，在不平衡压力作用下，使塑性泥岩、盐岩沿断层面单向蠕动，造成套管弯曲或缩径，形成井斜。

中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题目：气体钻井井斜机理与控制技术年级专业层次：2010春油气储运技术高起专学生姓名：学号：0860316105中国石油大学应用技术学院论文完成时间：年月日气体钻井是指钻进过程中循环介质为气体。

它包括空气钻井、天然气钻井、惰性气体钻井等。

近年来，对常用的气体钻井井斜控制技术做了初步总结，分析了常用的气体钻井井斜控制技术在气体钻井过程中的优势和不足，…………………为改进气体钻井设计和施工提供了一定的基础及依据。

关键词：气体钻井；井斜；井斜机理；井斜控制第1章前言 (1)1.1研究的意义 (1)1.2国内外研究的历程.................................................................... 错误！未定义书签。

第2章气体钻井的特征........................................................................ 错误！未定义书签。

2.1气体钻井概述............................................................................ 错误！未定义书签。

2.2气体钻井特征............................................................................ 错误！未定义书签。

2.2.1优越性............................................................................. 错误！未定义书签。

2.2.2局限性............................................................................. 错误！未定义书签。

气体钻井井斜机理分析杨刚伊明王新杨万和西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院【摘要】随着气体钻井技术的广泛应用，气体钻井过程中的井斜问题日益受到关注，但其机理研究还有所欠缺。

本文结合气体钻井井斜的特殊性，从破岩机理、温度、地层因素、井径扩大、下部钻具组合运动状态等方面分析了气体钻井的井斜机理。

分析结果表明：与钻井液钻井相比，井底岩石应力状态变化导致地层各向异性指数显著增加，是气体钻井容易井斜的根本原因；井径扩大以及整体钻柱所受摩阻变化影响下部钻具的运动特性，是气体钻井易井斜的重要原因。

为此，提出了几点解决气体钻井井斜问题的技术思路，供气体钻井防斜进行参考。

【关键词】气体钻井井斜影响因素井斜机理气体钻井在提高机械钻速、缩短钻井周期、降低钻井成本、保护和发现油气田等方面有着巨大优势。

近年来，国内气体钻井技术迅速发展，但应用中多次出现突出的井斜问题，例如2007年新疆油田滴北1井，气体钻井井斜由2°上升到11.5°，井斜导致钻具摩阻与扭矩增大，井身质量严重超标。

气体钻井井斜控制难度大，目前的井斜机理研究不成熟，井斜控制技术在国内外尚未有较深入的研究。

一、气体钻井井斜的特殊性气体钻井与常规钻井相比，有许多特殊之处：1 动态造斜力规律的不同气体钻井与常规泥浆钻井的根本区别在于钻井液介质的不同，造成钻柱在井眼内遇到的阻力、钻柱与井壁的碰摩系数和频率、钻柱的偏心质量等多种因素发生变化，从而影响下部钻具组合在井眼中的运动规律，由正向涡动状态过渡到反向涡动状态，形成气体钻井特有的动态造斜力规律。

表1 钻压对动态造斜力的影响规律钻压/KN 100 120 140 150 160 170 气体降斜力/N -21.1 -73.8 -76 -11.3 105 118 泥浆降斜/N -130 -135 -125 -118 -135 108如表1所示，气体钻井和常规泥浆钻井中钻压对动态造斜力的影响规律不同。

气体钻井条件下，钻压增加至150kN时开始转换为增斜力，而泥浆钻井条件下仍然保持一定的降斜力，在钻压增加至170kN时才转换为增斜力。

气体钻井中温度对致密砂岩破碎影响机理研究仉洪云;高德利;郭柏云;乔文孝【摘要】针对气体钻井条件下钻遇致密砂岩时的力学特性,考虑井底气体温度的影响,通过理论模型及有限元数值模拟进行井底岩石受力情况分析.结果表明,热应力在井壁附近表现为拉应力,随着地层温度与井底温度之间温度差增大,切向和径向热应力都随之增大.相比较不考虑温度的井底岩石应力分布而言,在井底低温产生的热应力的影响下,井底岩石各向应力减小,温差越大热应力对井底岩石的影响也就越大,井壁发生破坏的可能性也就越大,低温产生的热应力对致密砂岩破坏产生的影响不可忽视.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P107-111)【关键词】气体钻井;致密砂岩;温度场;热应力【作者】仉洪云;高德利;郭柏云;乔文孝【作者单位】中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE21致密砂岩气藏的特点是储集层致密，固相和液相侵入损害低。

由于其存在裂缝，且具有强亲水性和低原始水饱和度的特点，在接触外来水相时具有强的毛细管自吸势能，钻完井后容易受到储层损害[1]，且储层损害一般是不可逆的[2]。

对于钻遇致密砂岩这种岩屑颗粒致密、低渗透率和低含水饱和度的岩石而言，在常规钻井条件下机械钻速受到影响。

气体钻井技术采用气体作为循环介质，可以很好地保护储层，提高机械钻速，并且在四川盆地和苏里格气田[3]得到了成功应用。

由于气体钻井可以高效开发致密砂岩气藏，因此应关注大幅度提高机械钻速的机理，以便为气体钻致密砂岩气藏提供理论指导。

在气体钻井过程中，温度可对钻头破岩过程产生影响。

井底发生焦耳-汤姆逊冷却效应后，井底气体的温度低于地层岩石温度，低温作用在井底岩石上改变了井底岩石的应力状态。

气体钻井井底岩石热应力分析仉洪云;高德利;郭柏云【摘要】Heat transfer phenomena between low temperature gas causedby Joule-Thomson cooling effect and formation were studied. The bottom hole temperature was calculated by heat conduction and thermoelasticity theory method. A steady state temperature and thermal stress distribution model of bottom hole rock was developed, and the distribution laws of bottom hole rock temperature and thermal stress under steady and unsteady state were analyzed. The results show that a low temperature zone exists near bottom hole, the radial thermal stress together with the tensile stress generated by negative pressure difference enhances the bottom hole rock deformation to the wellbore and leads to rock breaking. The bottom hole rock thermal stress increases with bottom hole gas temperature decreasing, and maintaining certain bottom hole temperature helps rock breaking and the penetration rate increase. Time has a major influence on bottom hole rock thermal stress, and the effect of time can't be ignored when the low temperature bottom hole problems are studied.%为研究焦耳-汤姆逊冷却效应产生的低温气体与地层的传热现象,采用热传导和热弹性理论方法求得井底温度,建立井底岩石稳态温度和热应力分布模型,并分析井底岩石稳态和非稳态情况下温度和热应力的分布规律.结果表明:井底附近岩石存在低温区,径向热应力和由负压差产生的“拉应力”叠加之后加强了井底岩石向井眼变形的趋势,促使井底岩石破裂；井底岩石热应力随井底气体温度降低而增大,保持适当的井底温度有利于钻头破碎岩石及机械钻速提高；时间对于井底岩石热应力的影响较大,在研究井底低温问题时不可忽略其影响.【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(037)001【总页数】5页(P70-74)【关键词】钻井;焦耳-汤姆逊冷却效应;温度;热应力【作者】仉洪云;高德利;郭柏云【作者单位】中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京102249;中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE21钻井过程中，温度的影响研究主要集中在井筒流体和地层传热方面［1-3］，也有研究井壁围岩温度变化引起的热应力对井壁周围应力分布的改变［4-6］，气体自钻头喷嘴喷出后发生焦耳－汤姆逊冷却效应，井底低温气体与地层岩石发生热传导，由于岩石变形受到限制而产生的热应力并没有引起足够的重视。