一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置，该方法包括：建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型；对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，其中，所述材料参数设计范围满足气井试压和压裂保持所述水泥环密封性的参数范围；在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具。本发明专利技术是通过保持水泥环密封完整性，降低微环隙，实现了抑制气井井口环空带压的目的。

Design Method and Device of a Pressure Preventing Tool for Casing Wellhead Annulus

The invention discloses a design method and device of annular pressure prevention tool for casing wellhead. The method includes: establishing a finite element analysis model composed of casing, coating material, cement sheath and formation in gas well downhole; analyzing the parameters related to the performance of the coating material in the finite element analysis model and calculating the design range of the material parameters, in which, the design range of the material parameters is obtained. The material parameter design range satisfies the parameter range of gas well test and fracturing to maintain the sealing property of the cement ring, and the preventive tool of annulus pressure in casing wellhead is designed within the material parameter design range. The invention realizes the purpose of restraining annular pressure of gas wellhead by maintaining the sealing integrity of cement ring and reducing micro annular gap.

【技术实现步骤摘要】
一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置
本专利技术涉及石油天然气勘探开发
，特别是涉及一种一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置。
技术介绍
在石油天然气勘探开发过程中，套管之间的井口环空带压问题日益突出。产生环空带压的因素较多，如固井胶结质量差、压力变化或温度变化等，而水泥环结构破坏或出现间隙是引起环空带压的关键因素之一。当气井有大型压裂生产施工时，高压会造成水泥环产生不可恢复的径向塑性形变，即压力卸载后，套管与水泥环的第一胶结面会出现环隙，从而导致气窜和环空带压问题，对于高含硫气井还可能导致严重的人员伤亡、环境污染和经济损失。目前，国内外针对预防环空带压的主要研究一般可以分为两类：一是持续改进水泥浆配方，增强弹性变形能力；二是利用以哈利伯顿WellLock树脂材料为代表的环空封隔塞，阻止气体上窜通道。虽然国内学者也试图通过有限元的方法解决上述问题，但是现有的研究在对套管与水泥环之间的应变协调力方面的研究进展较少，无法满足解决井口环空带压问题的需求。
技术实现思路
针对于上述问题，本专利技术提供一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置，通过保持水泥环密封完整性，降低微环隙，实现了抑制气井井口环空带压的目的。为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种套管井口环空带压预防工具的设计方法，该方法包括：建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥环之间，所述水泥环位于所述涂覆材料和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，其中，所述材料参数设计范围满足气井试压和压裂保持所述水泥环密封性的参数范围；在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具。优选地，所述建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，包括：根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的三维几何模型；定义所述三维几何模型各部件的物性参数；分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触属性关系，并分别确定所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的界面的初始应力；对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。优选地，所述对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，包括：在所述有限元分析模型中对所述套管内壁施加一预设内压，分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触关系；在所述有限元分析模型中分析所述涂覆材料的相关参数对压裂过程中的所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的应力应变状态的影响规律；在所述有限元分析模型中分析当停止施加内压时，所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的受力及形变状态；依据所述接触关系、所述影响规律和所述受力及形变状态，对所述不同的涂覆材料在所述有限元分析模型中进行分析计算，得到对应的涂覆材料的参数设计范围。优选地，所述在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具，包括：根据所述涂覆材料参数设计范围，确定材料的胶结方式；根据所述胶结方式，设计得到套管井口环空带压预防工具。优选地，该方法还包括：设计刚性保护结构，并将所述刚性保护结构添加到所述套管井口环空带压预防工具中。根据本专利技术的第二方面，提供了一种套管井口环空带压预防工具的设计装置，该装置包括：建立模块，用于建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥环之间，所述水泥环位于所述涂覆材料和所述地层之间；计算模块，用于对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，其中，所述材料参数设计范围满足气井试压和压裂保持所述水泥环密封性的参数范围；设计模块，用于在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具。优选地，所述建立模块包括：几何模型建立单元，用于根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的三维几何模型；参数定义单元，用于定义所述三维几何模型各部件的物性参数；应力确定单元，用于分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触属性关系，并分别确定所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的界面的初始应力；划分单元，用于对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；分析模型建立单元，用于根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。优选地，所述计算模块包括：接触关系建立单元，用于在所述有限元分析模型中对所述套管内壁施加一预设内压，分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触关系；第一模拟分析单元，用于在所述有限元分析模型中分析所述涂覆材料的相关参数对压裂过程中的所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的应力应变状态的影响规律；第二模拟分析单元，用于在所述有限元分析模型中分析当停止施加内压时，所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的受力及形变状态；范围计算单元，用于依据所述接触关系、所述影响规律和所述受力及形变状态，对所述不同的涂覆材料在所述有限元分析模型中进行分析计算，得到对应的涂覆材料的参数设计范围。优选地，所述设计模块包括：胶结方式确定单元，用于根据所述涂覆材料参数设计范围，确定材料的胶结方式；设计单元，用于根据所述胶结方式，设计得到套管井口环空带压预防工具。优选地，该装置还包括：结构设计模块，用于设计刚性保护结构，并将所述刚性保护结构添加到所述套管井口环空带压预防工具中。相较于现有技术，本专利技术通过建立气井井下的套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型；对有限元分析模型中的与涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，因此通过有限元分析模型，分析了涂覆材料对套管与水泥环之间完整性的影响，确定了涂覆材料参数最优设计范围，对套管井口环空带压预防工具结构设计提供了参考依据，进而通过设计形成的套管井口环空带压预防工具，可以提高套管与水泥环应变协调能力，降低试压和压裂过程中水泥环变形量和塑型应变，提高套管与水泥环之间的气密封能力，即通过保持水泥环密封完整性，降低微环隙，实现了抑制气井井口环空带压的目的附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一提供的一种套管井口环空带预防工具的设计方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例二中对应的图1所示S11步骤中的建立有限元分析模型的流程示意图；图3为本专利技术实施例二中对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种套管井口环空带压预防工具的设计方法，其特征在于，该方法包括：建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥环之间，所述水泥环位于所述涂覆材料和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，其中，所述材料参数设计范围满足气井试压和压裂保持所述水泥环密封性的参数范围；在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具。

【技术特征摘要】
1.一种套管井口环空带压预防工具的设计方法，其特征在于，该方法包括：建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥环之间，所述水泥环位于所述涂覆材料和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，其中，所述材料参数设计范围满足气井试压和压裂保持所述水泥环密封性的参数范围；在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立气井井下的由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，包括：根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、涂覆材料、水泥环和地层所构成的三维几何模型；定义所述三维几何模型各部件的物性参数；分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触属性关系，并分别确定所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的界面的初始应力；对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述有限元分析模型中的与所述涂覆材料性能相关的参数进行分析，计算得到材料参数设计范围，包括：在所述有限元分析模型中对所述套管内壁施加一预设内压，分别建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥环以及所述水泥环和所述地层之间的接触关系；在所述有限元分析模型中分析所述涂覆材料的相关参数对压裂过程中的所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的应力应变状态的影响规律；在所述有限元分析模型中分析当停止施加内压时，所述套管、所述涂覆材料和所述水泥环的受力及形变状态；依据所述接触关系、所述影响规律和所述受力及形变状态，对所述不同的涂覆材料在所述有限元分析模型中进行分析计算，得到对应的涂覆材料的参数设计范围。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述材料参数设计范围内，设计得到套管井口环空带压预防工具，包括：根据所述涂覆材料参数设计范围，确定材料的胶结方式；根据所述胶结方式，设计得到套管井口环空带压预防工具。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：设计刚性保护结构，并将所述刚性保护结构添加到所述套管井口环空带压预防工具中。6.一种套管井口环空带压预防工具的设计装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯树刚，兰凯，李帮民，杨玄，王旭明，龚媛，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司，中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11