井底温度对机械钻速影响数值模拟探究

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1、井底温度对机械钻速影响数值模拟探究摘要：近年来，气体钻井在国内外的应用越来越广泛，其机械钻速高于钻井液钻井，气体钻井提高机械钻速的机理有待进一步研究。本文在弹性力学、热弹性理论的基础上建立气体钻井井底岩石物理模型，考虑温度和初始地应力对井底岩石应力场的影响，采用有限元软件对井底温度场和应力场进行数值模拟。结果表明，井底钻头前方待破碎岩石存在一个低应力区域，考虑温度后的低应力区域大于不考虑温度的低应力区；不考虑温度情况下井底、井壁局部岩石受拉应力作用，考虑温度情况下井底、井壁岩石均受到拉应力作用；由于拉应力的作用降低了钻头破岩难度，有利于提高机械钻速；温度对井底应力状态的影响是显著的，在井

2、底应力场研究中应作为一个不可忽略的因素。Abstract：Inrecentyears,gasdrillingisappliedwiderandwiderathomeandabroad,anditsrateofpenetrationishigherthanthatofmuddrilling；However,themechanismtoimproverateofpenetrationforgasdrillingneedstobefurtherstudied.Inthispaper,thedownholerockphysicsmodelofgasdrillingisestablishedbas

3、edonthetheoryofelasticmechanicsandthermalelasticitytheory；bottomholetemperatureandstressfieldareSimulatednumericallywiththesoftwareconsideringimpactofthetemperatureandinitialgroundstressonbottomholerockstressfield・TheresuItshowsthatthereisalowstressareaattheready-to-breakrock,whichisbiggerwhenthe

4、temperatureisconsideredthanwhenitisn，t.whentemperatureisignored,thebottomholerockandlocalrockatthesidewallaresubjecttotensilestress；andwhentemperatureisconsidered,boththebottomholerockandthewallrockaresubjecttotensilestresstemperatureeffectafterthebottomandsidewallrockaresubjecttotensilestresseff

5、ect.Difficultyofrockbreakingisreducedundertheeffectoftensilestress,whichhelpstoimprovetherateofpenetration.Impactoftemperatureonbottomholestressstateissignificantanditshouldnotbeignoredinstudyingbottomholestressfield.关键词：气体钻井；温度；拉应力；数值模拟Keywords:gasdrilling；temperature；tensilestress；numericalSimu

6、lation中图分类号：TE2文献标识码：A文章编号：1006-4311(2013)06-0021-030引言气体钻井是钻井过程中以空气、天然气、尾气等气体作为循环介质来实现钻进的技术。以其高钻速、低成本、可以克服井漏、卡钻等钻井困难等优势被广泛采用。近年来在四川、新疆等地应用取得成功[1],与同井段钻井液钻井相比机械钻速大大提高，经济效益显著[2]。由于焦耳-汤姆逊冷却效应的存在，使得井底温度较低[3]o岩石是一种热胀冷缩的材料，温度变化必然会对井底岩石应力状态产生影响。大量研究和实践表明，岩石内部温度场和应力场之间存在耦合作用。因此，有必要进行考虑低温效应的井底岩石温度场和应力场数值

7、模拟，弄清井底温度场和应力场的分布，从而了解气体钻井机械钻速高的机理。本文通过有限元软件对井底应力场进行分析，考虑温度对气体钻井中井底岩石应力的影响，为更加直观了解井底应力场的分布，对比不考虑温度和考虑温度两种情况下应力云图，阐述气体钻井机械钻速提高机理。1井底岩石应力场分析钻头破岩改变了井底岩石原始应力状态，应力在井壁附近重新分布。井壁围岩应力受到原始地应力、地层孔隙压力、井内液柱压力、井筒温度等因素的影响。井眼形成后井底岩石在地