[發明專利]一種套管井口環空帶壓預防工具的設計方法及裝置

有效

• 申請號: 201710934679.5
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN109657253B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 侯樹剛;蘭凱;李幫民;楊玄;王旭明;龔媛
• 申請（專利權）人: 中石化石油工程技術服務有限公司;中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王寶筠

本發明公開了一種套管井口環空帶壓預防工具的設計方法及裝置，該方法包括：建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環和地層所構成的有限元分析模型；對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關的參數進行分析，計算得到材料參數設計范圍，其中，所述材料參數設計范圍滿足氣井試壓和壓裂保持所述水泥環密封性的參數范圍；在所述材料參數設計范圍內，設計得到套管井口環空帶壓預防工具。本發明是通過保持水泥環密封完整性，降低微環隙，實現了抑制氣井井口環空帶壓的目的。

技術領域

本發明涉及石油天然氣勘探開發技術領域，特別是涉及一種一種套管井口環空帶壓預防工具的設計方法及裝置。

背景技術

在石油天然氣勘探開發過程中，套管之間的井口環空帶壓問題日益突出。產生環空帶壓的因素較多，如固井膠結質量差、壓力變化或溫度變化等，而水泥環結構破壞或出現間隙是引起環空帶壓的關鍵因素之一。當氣井有大型壓裂生產施工時，高壓會造成水泥環產生不可恢復的徑向塑性形變，即壓力卸載后，套管與水泥環的第一膠結面會出現環隙，從而導致氣竄和環空帶壓問題，對于高含硫氣井還可能導致嚴重的人員傷亡、環境污染和經濟損失。

目前，國內外針對預防環空帶壓的主要研究一般可以分為兩類：一是持續改進水泥漿配方，增強彈性變形能力；二是利用以哈利伯頓WellLock樹脂材料為代表的環空封隔塞，阻止氣體上竄通道。雖然國內學者也試圖通過有限元的方法解決上述問題，但是現有的研究在對套管與水泥環之間的應變協調力方面的研究進展較少，無法滿足解決井口環空帶壓問題的需求。

發明內容

針對于上述問題，本發明提供一種套管井口環空帶壓預防工具的設計方法及裝置，通過保持水泥環密封完整性，降低微環隙，實現了抑制氣井井口環空帶壓的目的。

為了實現上述目的，根據本發明的第一方面，提供了一種套管井口環空帶壓預防工具的設計方法，該方法包括：

建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環和地層所構成的有限元分析模型，其中，在所述氣井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥環之間，所述水泥環位于所述涂覆材料和所述地層之間；

對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關的參數進行分析，計算得到材料參數設計范圍，其中，所述材料參數設計范圍滿足氣井試壓和壓裂保持所述水泥環密封性的參數范圍；

在所述材料參數設計范圍內，設計得到套管井口環空帶壓預防工具。

優選地，所述建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環和地層所構成的有限元分析模型，包括：

根據實際采用的套管尺寸與實測井徑擴大率，建立由套管、涂覆材料、水泥環和地層所構成的三維幾何模型；

定義所述三維幾何模型各部件的物性參數；

分別建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環以及所述水泥環和所述地層之間的接觸屬性關系，并分別確定所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環以及所述水泥環和所述地層之間的界面的初始應力；

對所述三維幾何模型進行網格劃分，獲得有限元網格模型；

根據所述物性參數和所述初始應力，設定所述有限元網格模型的邊界條件，建立所述有限元分析模型。

優選地，所述對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關的參數進行分析，計算得到材料參數設計范圍，包括：

在所述有限元分析模型中對所述套管內壁施加一預設內壓，分別建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環以及所述水泥環和所述地層之間的接觸關系；

在所述有限元分析模型中分析所述涂覆材料的相關參數對壓裂過程中的所述套管、所述涂覆材料和所述水泥環的應力應變狀態的影響規律；