地应力最早应用于石油工业就是利用地应力研究钻井工程问题。地应力在钻井工程中的应用主要体现在以下几个方面：①不同类型井的井壁稳定性的基本特征，即油气藏的直井、定向井和水平井的井壁稳定性的基本特征。根据岩石的弹性参数与地应力可以选择钻头类型、预测钻速、建立地层破裂压力剖面和地层孔隙压力剖面，进一步可预测钻井过程中井眼稳定性。②优化钻井液密度。采用力学模型，根据地应力与井孔崩落和井漏力学关系确定各种类型井的稳定钻井液密度；在页岩及膏盐层等蠕变性岩石中通过地应力可计算出井眼形成后的蠕变速率，从而预防卡钻杆、卡套管事故的发生，合理设计套管柱及分析套管变形机理。③优化钻井井眼轨迹。根据地应力特征，分析确定最稳定的钻井井眼轨迹，根据需要选择合适的井眼位移方向。④优选丛式井平台。根据钻井目标位置，结合井眼轨迹的稳定特征，使丛式井平台中的所有井均具有较好的井壁稳定性。
钻孔的形成导致地应力在井壁上产生应力集中，这是导致井孔不稳定和产生钻井工程问题的根本原因。钻孔工程中最典型的井壁崩落与井漏，均与地应力有着内在联系。目前，国内外学者对钻井井壁力学稳定性进行了深入研究。
钻井井壁的力学稳定性分析具有一定的模式，即根据井眼周围的地应力状态、岩石力学性质，应用岩石强度理论确定钻井井壁介于剪切破坏和张性破坏之间的力学稳定区域，并由力学稳定区域所需的井孔液体压力确定钻井液密度。尽管现在已提出了弹性、非弹性，甚至力学与化学结合的多种研究模型，但目前广泛采用孔弹性力学模型和摩尔-库仑岩石强度准则研究钻井井壁的力学稳定性特征。其主要优点为岩石力学参数可靠、力学模型简单、研究结果与实际吻合较好。
在竖直孔中，垂向主应力沿着钻孔轴，在钻孔截面上作用着两个水平主应力。在空孔条件下，其最大、最小周向应力分别为3σmax-σmin和3σmin-σmax，只要3σmax-σmin小于岩石的抗压强度，3σmin-σmax大于岩石的抗张强度，即只要符合下式钻孔就是稳定的：
油气藏现今地应力场评价方法及应用
式中：σmax——水平最大主应力，MPa；σmin——水平最小主应力，MPa；σ0——岩石的单轴抗压强度，MPa；σt——岩石抗张强度的绝对值，MPa。
由式（4-1）可以看出，两个水平主应力的差别越大，钻孔的稳定性也越差。
空井是一种特殊情况，一般来说，井壁稳定性取决于井孔液柱压力PW与井壁周向应力的联合作用。稳定条件可以表示为：
油气藏现今地应力场评价方法及应用
PW=ρgh （4-3）
式中：PW——静液柱压力，MPa；μ——岩石的内摩擦系数；ρ——液柱密度，g/cm3；g——重力加速度，m/s2；h——液柱高度，m。
选取适当密度的钻孔泥浆，可使式（4-2）的二式同时成立，泥浆密度应为：
油气藏现今地应力场评价方法及应用
在PW为零，即空井条件下，（4-2）式可以简化为
油气藏现今地应力场评价方法及应用
式中：τ0——岩石初始剪应力，MPa。
该式右端即是单轴抗压强度和抗拉强度的表达式，式（4-5）与式（4-1）有相同的物理意义，空孔时的稳定条件是钻孔稳定性分析时的一个特殊情况。
对于倾斜孔和水平孔，作用在钻孔截面上的周向应力是由三向主应力和垂向主应力与钻孔轴的夹角φ，钻孔轴倾斜方向与最大水平主应力方向的夹角β决定。虽然三向主应力的大小是确定的，但是，φ、β角可以人为选择。选择合适的φ、β角，就可以使作用在钻孔截面上的最大、最小井壁周向应力分别满足式（4-2），使钻孔稳定。一般来说，对于均匀各向同性，而又有一定强度的岩石，垂向主应力是中间主应力的地区，斜孔和水平孔的稳定性总大于竖直孔的稳定性。这是因为，作用在钻孔截面上的两个截面内主应力分别是三个主应力矢量的合矢量。在一点上，所有方向的应力矢量总要大于最小主应力，而又小于最大主应力。两个截面上的主应力应介于最大、最小水平主应力之间，其差值要小于最大、最小主应力的差值，而使钻孔趋于稳定。我国大多数油田垂向主应力是中间主应力，这些油田的斜孔、水平孔的稳定性都要大于竖直孔。对于垂直主应力是最大主应力的地区，如果钻孔的倾斜方向平行于最大水平主应力方向，稳定性要变差，平行于最大水平主应力方向的水平孔的稳定性最差。对于垂直主应力是最小主应力的地区，如果钻孔的倾斜方向平行于最小水平主应力方向，稳定性也要变差，水平孔的稳定性也最差。图4-1形象地图示出σv是中间主应力、最大主应力、最小主应力三种应力条件，钻孔轴与垂直主应力的夹角是0°、30°、60°、90°，倾斜方向与最大水平主应力方向的夹角为0°、30°、60°、90°时的钻孔受力情况。椭圆的短轴是最大受压方向，短轴、长轴的差别越大，钻孔受力越不均匀，稳定性也越差。图4-1的纵轴是钻孔与垂向主应力的夹角，标在弧线旁的角度是钻孔倾斜方向与最大水平主应力方向的夹角。可以看出，倾斜钻孔的最大压缩方向并不沿最大水平主应力方向，截面内的最大主应力方向与原地最大水平主应力方向是存在着某些偏差的，由倾斜孔测得了截面内的最大水平主应力方向并不等于真实最大水平主应力方向。
图4-1 各种应力条件下钻孔倾角和钻孔方位与井孔稳定性的关系
（据张景和等，1991）
研究倾斜钻孔、水平钻孔的稳定性与应力条件的关系，首先要确定钻孔穿过哪些地层，然后测定这些地层的应力方向和应力值。岩石的抗张强度、抗压强度和聚集力可由室内岩石实验确定，再计算出φ、β角在什么范围、孔壁的应力集中可以满足式（4-2）。应注意的是，岩石的抗压强度、抗张强度、聚集力是比较离散的，现场实际数值又常常小于室内实验结果。因此，设定φ、β角时，要留有充分余地。最小周向应力要尽可能地不要小于零，长时间的张应力作用，孔壁可能变得不稳定。应用岩石强度理论确定钻井井孔的力学稳定区域后，可由力学稳定区域所需的井孔液体压力确定钻井泥浆密度，其中由张性破坏条件确定最大的钻井泥浆密度，而剪切破坏确定最小钻井泥浆密度。
总之，地应力、天然裂缝研究成果是水平井设计的重要依据。在具有天然裂缝的油藏水平井的井眼方向应尽可能与天然裂缝正交以取得最高的裂缝钻遇率，获得高产油气流。在低渗透油藏钻水平井需压裂人工改造时，应使井眼方向平行最小水平主应力方向，使得压裂改造可以形成垂直井筒的多条人工裂缝，提高压裂增产效果。在压裂油层改造时，可以充分利用地应力的研究成果，优化施工设计取得最佳的裂缝长度，并优化设计防止裂缝的垂向延伸和优化合理的施工规模。