CN109657253A - 一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种套管井口环空带压预防工具的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

针对于上述问题，本发明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，根据本发明的第一方面，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。

根据本发明的第二方面，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，本发明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发明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发明的实施例，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为本发明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为本发明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为本发明实施例二中对应的图1所示S12步骤中的计算材料参数设计范围的流程示意图；

图4为本发明实施例二中对应的图1所示S13步骤中的设计预防工具的流程示意图；

图5为本发明实施例三中提供的一种套管井口环空带预防工具的设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权力要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

实施例一

参见图1为本发明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，该方法包括以下步骤：

S11、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。

需要说明的是，气井固井注水泥作业主要目的就是对套管外环空进行有效封隔，防止气井钻井、增产作业和生产过程中的地层流体窜流；并形成完整的水泥环，有效支撑和保护套管。在气井钻井开发过程中，固井水泥环要受到诸如套管内压力、地层岩石围压、温度应力等作用，这些载荷常常会造成套管与水泥环应变不协调，从而对水泥环的密封作用产生不利影响。为了能够提高套管-水泥环应变的协调性，在本发明中通过设计套管外壁涂覆材料参数，形成井口环空带压预防工具，改善水泥石应变状态，提高其密封完整性。

此处的涂覆材料指的是不同类型、不同性能参数的涂覆材料，也就是，建立有限元分析模型的主要目的是分析不同类型、不同性能参数的涂覆材料对套管和水泥环应力应变及界面密封性的影响，确定涂覆材料弹性模量、厚度等参数最佳范围，最后设计形成进口环空带压预防工具。具体的，涂覆材料优选包括但不限于橡胶、树脂等高弹性材料类型，同时考虑每种类型材料的不同硬度、弹性模量、泊松比等性能参数。

S12、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；

具体的，涂覆材料弹性模量和泊松比依据材料本身参数范围进行分析计算，以橡胶材料为例，其弹性模量取值范围应介于0.1～0.2GPa。厚度和长度依据套管变形量与接箍外径进行分析计算，以139.7mm套管为例，110MPa压裂过程中其最大变形量不超过0.3mm，根据橡胶压缩变形率计算厚度需大于2mm，同时套管接箍超出本体6.9mm，因此弹性材料取值范围应介于2～6mm。

S13、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。

根据本发明实施例一公开的技术方案，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。

实施例二

参照本发明实施例一和图1中所描述的S11到S13步骤的具体过程，参见图2为本发明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，具体包括：

S111、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；

S112、定义所述三维几何模型各部件的物性参数；

具体的，根据现场钻井实际井下工况，定义所建立的三维集合模型中各部件的物理属性参数及水泥环破坏准则。其中，涂覆材料参数范围包括但不限于弹性模量、泊松比、厚度、长度等参数有效范围。涂覆材料弹性模量和泊松比依据材料本身参数范围进行分析计算，以橡胶材料为例，其弹性模量取值范围应介于0.1～0.2GPa。厚度和长度依据套管变形量与接箍外径进行分析计算，以139.7mm套管为例，110MPa压裂过程中其最大变形量不超过0.3mm，根据橡胶压缩变形率计算厚度需大于2mm，同时套管接箍超出本体6.9mm，因此弹性材料(5)取值范围应介于2～6mm。

Mohr-Coulimb准则作为水泥环的塑性屈服准则，假定作用在某一点的剪应力等于该店的抗剪强度时，该点发生破坏，剪切强度与作用在该面的正应力成线性关系。在油井水泥环中，Mohr-Coulimb准则本构方程可写为：

其中，σ_r和σ_θ分别为水泥环受到的径向应力和周向应力，c为材料的粘聚力，φ为材料的内摩擦角。

S113、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；

具体的，分别定义套管和涂覆材料、涂覆材料和水泥环、水泥环与地层界面接触，采用径向硬接触(罚函数)、切向粗糙(无滑移)的接触方式，其中，套管和涂覆材料界面不允许脱离，涂覆材料和水泥环、水泥环和地层界面允许脱离。同时，根据室内实验、现场经验等得到的水泥浆凝固后的界面实际胶结强度，分别定义所述各界面的初始接触应力。

S114、对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；

优选的，对所述三维几何模型进行网格划分，可以采用结构方法、减缩积分、八结点线性六面体单元、不同结点数为各部件分别划分有限元网格，当然上述列举的属于软件中划分网格的常用方法及类型范围，在实际情况中需要结合具体场景选择合适的方法、单元类型和结点数即可。

S115、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。

需要说明的，设置所述有限元网格模型的边界条件，还需要考虑其载荷，载荷主要包括套管内壁压力和地应力两部分。其中，套管内压采用压裂过程中产生的最大压力110MPa；地应力采用该井段实际测得的最大主应力。边界条件主要包括对称边界与位移约束边界两部分，其中，模型外侧分别施加X和Y方向对称边界条件，模型上下表面施加Z方向轴向位置约束条件。设置边界条件的主要目的是尽可能模拟真实井下工况，如施加应力，同时考察涂覆材料对水泥环受力及形变状态的影响。

优选的，有限元模型中的地层尺寸为井眼尺寸的12倍，有效消除了井眼应力对远场应力的影响，模型高度为井眼半径的6％，消除了端部效应；所述有限元模型中的物理属性视为弹塑性材料，考虑不同部件的塑形屈服强度与应力-应变曲线；所述有限元模型中的接触关系为不考虑切向摩擦，法向为采用罚函数法的硬接触关系；所述有限元模型为原始模型的1/4，在X-Y方向上施加对称边界条件。

参见图3为本发明实施例二中对应的图1所示S12步骤中的计算材料参数设计范围的流程示意图，具体包括：

S121、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；

S122、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；

S123、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；

S124、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。

需要说明的是，为了得到材料参数的设计范围，就要保证有限元分析模型计算的成功率和准确率。即通过施加很小的内压，确保建立界面之间良好的接触关系；根据压裂时最大压力施加110MPa内压，考察压力加载阶段的影响；去掉内压，考察压力卸载阶段的影响。最终依据所述接触关系、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。

参见图4为本发明实施例二中对应的图1所示S13步骤中的设计预防工具的流程示意图，具体包括：

S131、根据所述涂覆材料参数设计范围，确定材料的胶结方式；

S132、根据所述胶结方式，设计得到套管井口环空带压预防工具。

需要说明的是，采用所述涂覆材料参数设计范围，即所述涂覆材料弹性模量及厚度等参数设计范围，对材料胶结方式及工具结构进行设计。其中，材料胶结方式包括但不限于液态直接喷涂或固态套装后采用粘结剂粘结。

然后对套管井口环空带压预防工具进行后续处理，包括但不限于涂覆后对材料表面粗糙处理或在材料外壁加入钢板衬套保护，从而提高界面胶结强度，实现试压和压裂过程中对井口环空带压的预防。

根据本发明实施例二公开的技术方案，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。

实施例三

与本发明实施例一和实施例二所公开的套管井口环空带预防工具的设计方法相对应，本发明的实施例三还提供了一种套管井口环空带预防工具的设计装置，参见图5为本发明实施例三中提供的一种套管井口环空带预防工具的设计装置的结构示意图，该装置包括：

建立模块1，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2，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3，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。

具体的，所述建立模块1包括：

几何模型建立单元11，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12，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13，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14，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15，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。

相应的，所述计算模块2包括：

接触关系建立单元21，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22，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23，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24，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。

相应的，所述设计模块3包括：

胶结方式确定单元31，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32，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。

对应的，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。

在本发明实施例三中，通过建立有限元分析模型，进行有限元分析计算得到最佳的材料参数范围，设计形成的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及塑性应变，提高套管与水泥环之间的气密封能力，预防气井井口环空带压。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

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，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。