一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，在粗网格模拟中，选取井筒所在的单元作为母单元，进行局部化的子结构建模并求解，推导了子结构的刚度矩阵和荷载列阵，并将子结构的刚度矩阵根据单元连接性进行了子块划分，使子结构既能与母单元完全衔接，又能体现套管、水泥环等精细结构。本发明专利技术能够在粗网格模拟的基础上精细的反应套管、水泥环处的应力，用较低的计算量实现了较高的计算精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法


[0001]本专利技术属于油气藏数值模拟领域，涉及一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法。

技术介绍

[0002]根据近30年来国内外的文献研究和近10年来的动态跟踪研究，发现井筒损坏是国内外长期存在的问题，而且一直没有得到解决。对于长期开采的油气田而言，长期的注采改变了油气藏初始地质环境，造成地层压力的不平衡，同时注入流体于原有油气在油气藏孔隙中渗流动态过程中，对地层地应力场和变形场会产生影响，注入流体对储层力学特性产生影响；注入流体进入断层，对断层滑移的诱发作用等，都使得油气藏地质条件变的更加复杂，油气井井筒的受力情况更为复杂。
[0003]井筒破裂的形态可以分为错断、裂开、腐蚀穿孔等。错断是最严重的一种井筒变形形态，井筒在水平方向错断开，断开处附近伴随弯曲，这种形式的变形主要由于井筒受强大的剪应力造成；井筒裂开是由于射孔或井筒钢材本身缺陷造成，油田浅层水酸性较高时也会造成井筒腐蚀破裂。井筒密封性破坏主要表现在井筒连接处，由于拉伸造成脱扣及井筒丝扣质量原因导致套外返油、气、水。井筒变形的检测技术与方法为掌握井下井筒变形的形态，更好的研究井筒变形损坏机理，并且为套损防控、气井耐压力评价提供了可靠的技术资料。
[0004]鉴于用物理模型实验，很难模拟复杂地层井筒受力和变形过程，因此，用计算机数值模拟技术为主要手段及现代地应力场的研究是今后复杂地层井筒损坏机理与预防措施研究发展方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，解决了目前物理模型实验，很难模拟复杂地层井筒受力和变形过程的问题。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：在油藏数值模拟的粗网格中，提取油气井筒所在的单元作为母体单元；
[0008]步骤2：对母体单元进行精细划分，生成由套管、水泥环逐步过渡到母单元的精细网格，形成含套管
‑
水泥环系统的子结构；
[0009]步骤3：建立子结构系统的单元刚度矩阵和荷载列向量；
[0010]步骤4：提取粗网中数值模拟的结果，采用形函数插值法对子结构精细网格内的各单元进行初始化；
[0011]步骤5：对子结构开展有限元计算，获取精细网格内的应力、变形及结点位移数据；
[0012]步骤1包含以下步骤：
[0013]步骤101：根据油气井的中心坐标(x
w
,y
w
),在粗网格中查找平面坐标包含点(x
w
,
y
w
)的单元作为母单元；
[0014]步骤102：提取母单元的8个节点坐标(x
i
,y
i
,z
i
)i＝1,...,8；
[0015]步骤103：计算母单元各个边的边长l
i i＝1,...,8，取单元的特征长度
[0016]步骤2包含以下步骤：
[0017]步骤201：设置套管的壁厚h
c
和套管层的单元数n
c
，计算套管层的单元厚度t
c
＝h
c
/n
c
。设置水泥环的壁厚h
f
和水泥环层t
f
的单元数n
f
，计算水泥环层的单元厚度t
f
＝h
f
/n
f
；
[0018]步骤202：设定子结构内径向单元尺寸的增长系数k，设定环向单元划分数m；
[0019]步骤203：计算子结构径向划分的层数N：
[0020][0021]步骤204：计算自套管向外第i层单元的径向尺寸t
i
和环向尺寸r
i
:
[0022][0023]步骤205：根据各层单元的径向尺寸t
i
和环向尺寸r
i
形成子结构平面各层的精细网格；
[0024]子结构内的单元为自套管向外的辐射状网格，内层网格较为精细可以反应套管、水泥环系统；外层网格较大，可以和粗网格衔接。
[0025]步骤3包含以下步骤：
[0026]步骤301：计算子结构内各单元的刚度矩阵[h
i
]；
[0027]步骤302：根据子结构内各单元的连接关系，将各单元的刚度矩阵[h
i
]组装，集成为子结构的总体刚度矩阵[H]；
[0028]步骤303：分析子结构内节点的连接关系，将节点划分为与母单元共享节点、与母单元不直接相连的内部节点以及连接共享节点与内部节点的过渡节点3部分；
[0029]步骤304：采用高斯
‑
约当消去法，对总体刚度矩阵[H]进行矩阵运算，得到刚度矩阵[H]分块表达式：
[0030][0031]式中第1列的子块与共享节点相对应，称为出口刚度矩阵；第2列与内部节点相对应，称为内部刚度矩阵；第3列与连接节点相对应你，称为连接刚度矩阵。
[0032]步骤4包含以下步骤：
[0033]步骤401：对子结构中的单元E
i
，计算出其第j个积分点的坐标J(i,j)；
[0034]步骤402：在母单元中，根据坐标J(i,j)，插值计算该点处的应力σ(i,j)，压强p(i,j)，温度T(i,j)；
[0035]步骤403：将插值得到的应力σ(i,j)，压强p(i,j)，温度T(i,j)赋给单元E
i
的第j个积分点。
[0036]步骤5包含以下步骤：
[0037]步骤501：结合步骤304中的刚度矩阵[H]，分析单元荷载，形成有限元方程组：
[0038][H]{φ}＝{R}
[0039]其中{φ}为待求的位移组成的向量；
[0040]步骤502：求解有限元方程组，得到各节点的位移；
[0041]步骤503：计算子结构内各单元的应力。
[0042]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法。传统的粗网格模拟中，由于单元尺寸过大，导致套管、水泥环等细微结构被忽略而难以精确的模拟的套管、水泥环等井身结构的应力；传统的细网格模拟中，由于要体现套管、水泥环等井身结构，单元尺寸较小导致单元数量巨大而难以计算。本专利技术提供的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，在粗网格模拟的中，选取井筒所在的单元作为母单元，进行局部化的子结构建模并求解，能够在粗网格的基础上精细的反应套管、水泥环处的应力，用较低的计算量实现了较高的计算精度。有效的解决了传统粗网格模拟中套管、水泥环等井身结构被忽略的问题和传统细网格模拟中单元数量巨大难以计算的问题。
附图说明：
[0043]图1示出了根据本专利技术的一个实施例的基于子结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：在油藏数值模拟的粗网格中，提取油气井筒所在的单元作为母体单元；步骤2：对母体单元进行精细划分，生成由套管、水泥环逐步过渡到母单元的精细网格，形成含套管
‑
水泥环系统的子结构；步骤3：建立子结构系统的单元刚度矩阵和荷载列向量；步骤4：提取粗网中数值模拟的结果，采用形函数插值法对子结构精细网格内的各单元进行初始化；步骤5：对子结构开展有限元计算，获取精细网格内的应力、变形及结点位移数据；2.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，其特征是：步骤1包含以下步骤：步骤101：根据油气井的中心坐标(x
w
,y
w
),在粗网格中查找平面坐标包含点(x
w
,y
w
)的单元作为母单元；步骤102：提取母单元的8个节点坐标(x
i
,y
i
,z
i
)i＝1,...,8；步骤103：计算母单元各个边的边长l
i
i＝1,...,8，取单元的特征长度i＝1,...,8。3.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法，其特征是：步骤2包含以下步骤：步骤201：设置套管的壁厚h
c
和套管层的单元数n
c
，计算套管层的单元厚度t
c
＝h
c
/n
c
。设置水泥环的壁厚h
f
和水泥环层t
f
的单元数n
f
，计算水泥环层的单元厚度t
f
＝h
f
/n
f
；步骤202：设定子结构内径向单元尺寸的增长系数k，设定环向单元划分数m；步骤203：计算子结构径向划分的层数N：步骤204：计算自套管向外第i层单元的径向尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙军昌，贾善坡，孟令东，钟荣，屠坤，郑少婧，刘斌，胡冰洁，沈润亚，
申请(专利权)人：黑龙江省飞谱思能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：