CN111963143B - 井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，获取井下服役套管的形貌特征；获取未服役套管在不同大小的剪切载荷和非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征；将井下服役套管的形貌特征与未服役套管在不同大小的剪切载荷和非均匀外挤载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，选取形貌符合率大于等于预设形貌符合率阈值的未服役套管，则导致选取的未服役套管发生形变的剪切位移大小和剪切载荷大小或非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件。本发明能够准确量化复杂压裂工况下套管位移边界条件及载荷边界条件。
Description
技术领域
本发明属于钻井技术领域，具体涉及井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法。
背景技术
非常规油气井复杂压裂套管柱变形问题严重，例如，西南油气田长宁、威远区块页岩气井高参数分段压裂工况套变率为30％，新疆油田吉木萨尔页岩油区块复杂压裂套变率为50％，吉林油田长乾页岩油区块复杂压裂套变率为68％。现有研究结果表明，非常规油气井复杂压裂套管变形影响因素众多，包括：地层滑移、套管下入、储层裂缝分布、压裂工艺等，而高参数压裂工艺导致地层发生剪切滑移是套管变形的主控因素的观点得到了较多专家学者的认可。且根据现场套管变形统计规律，套变位置与储层裂缝分布正相关性较强，因此，一些学者将地球物理方法监测储层裂缝分布位置作为套变风险点，基于此，开展套变防治技术研究。但该方法存在两方问题：①套变风险点预测准确率较低；②套管服役边界条件无法确定，导致套变防治技术无据可依。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，能够准确量化复杂压裂工况下套管位移边界条件及载荷边界条件，为套变防治提供确定性、针对性的方向。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，包括：
获取井下服役套管的形貌特征；
获取未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的剪切位移大小和剪切载荷大小；
获取未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小；
将所述井下服役套管的形貌特征与所述未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，将所述井下服役套管的形貌特征与所述未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，选取形貌符合率大于等于预设形貌符合率阈值的未服役套管，则导致选取的未服役套管发生形变的剪切载荷大小和剪切位移大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件，或导致选取的未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件。
进一步地，述获取未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征的方法为：建立套管-水泥环-地层模型，对所述套管-水泥环-地层模型施加不同大小的剪切载荷，得到对应的形貌特征。
进一步地，所述套管-水泥环-地层模型为有限元模型。
进一步地，所述获取未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征的方法为：建立套管-水泥环-地层模型，对所述套管-水泥环-地层模型施加不同大小的非均匀外挤载荷，得到对应的形貌特征。
进一步地，所述套管-水泥环-地层模型为有限元模型。
进一步地，采用多臂井径仪获取井下服役套管的形貌特征。
进一步地，利用相似原理计算所述形貌符合率。
进一步地，所述形貌符合率阈值预设为95％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，将井下服役套管的形貌特征与未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，将井下服役套管的形貌特征与未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，选取形貌符合率大于等于预设形貌符合率阈值的未服役套管，则导致选取的未服役套管发生形变的剪切载荷大小和剪切位移大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件，或导致选取的未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件。可见，通过获取井下服役套管的实际形貌特征后，将获取的井下服役套管的实际形貌特征与未服役套管在载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比后，能够准确的反演出井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件，即能够准确量化复杂压裂工况下井下服役套管位移边界条件及载荷边界条件，为套变防治提供确定性、针对性的方向，本发明方法可行、方便。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1套管在剪切载荷工况下的典型形貌；
图2套管在非均匀外挤载荷工况下的典型形貌；
图3套变形貌分类及精细分级；
图4套管-水泥环-地层系统模型截面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
现有研究结果表明，结合图1和图2所示，非常规油气井复杂压裂套管变形主要分为两种：①剪切主导型；②非均匀外挤主导型。
作为本发明的某一具体实施方式，井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，包括：
采用多臂井径仪获取井下服役套管的形貌特征；具体的说，根据现场套管变形井，开展多臂井径仪测井试验，按照井下服役套管实际尺寸调整多臂井径仪的角度，确定单井不同套变位置处的三维测井形貌和形变尺寸。
获取未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的剪切位移大小和剪切载荷大小；具体的说，建立套管-水泥环-地层模型，优选的，该套管-水泥环-地层模型为有限元模型，对套管-水泥环-地层模型施加不同大小的剪切载荷，得到对应的形貌特征。
获取未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小；具体的说，建立套管-水泥环-地层模型，优选的，该套管-水泥环-地层模型为有限元模型，对套管-水泥环-地层模型施加不同大小的非均匀外挤载荷，得到对应的形貌特征。
上述的套管-水泥环-地层模型如图4所示，由内至外依次为套管1、水泥环2和地层3。
将井下服役套管的形貌特征与未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，将井下服役套管的形貌特征与未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，选取形貌符合率大于等于预设形貌符合率阈值的未服役套管，则导致选取的未服役套管发生形变的剪切载荷大小和剪切位移大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件，或导致选取的未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件。
本实施方式中，利用相似原理计算所述形貌符合率。
某一实施例中，通过数值仿真方法建立套管-水泥环-地层(含裂缝及层理参数)有限元模型，研究水力压裂工艺下地层运移工况套管变形情况，在确定已知变量的基础上，逐一改变不确定变量，对比套管变形图与测井三维形貌的异同。建立不确定变量与套管变形对应关系，研究其唯一性，当套管变形与测井形貌相同时，确定井下服役套管的载荷和位移边界条件。
当确定了井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件后，进行套变防治措施的制定，主要包括：
①根据套管边界条件优选套管钢级、壁厚、几何尺寸等，使得优化结果满足套管安全服役要求；
②根据套管边界条件优化水泥环力学性能和壁厚参数，确定水泥环力学性能和壁厚参数临界值，保证套管安全服役。
当然，套变防治措施的制定并不局限于上述两点，只要在确定了井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件后，关于套变防治措施的制定则为本领域技术人员所具备的常规技能。
实施例
①根据现场套管变形井测井数据，确定该井所有变形位置三维形貌和最大变形量ΔDimax(i＝1,2,3，…)，将该井所有套变点的三维形貌进行分类，确定属于剪切主导型F1(Dimax，zi)还是非均匀外挤主导型F2(Dimax，zi)；
②按照套管变形后内径改变大小，按照三维形貌类别分别确定变形量的精细分级，基于该分级可实现同类型套变井服役边界条件系统确定：
·一级变形：Dimax≤10mm
·二级变形：10<Dimax≤20mm
·三级变形：20<Dimax≤30mm
·四级变形：Dimax>30mm
③依托全尺寸模拟试验系统，确定套管-水泥环-地层模型在剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征F1(P1,D1,x1)
④依托全尺寸模拟试验系统，确定套管-水泥环-地层模型在非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征F2(P2,D2,x2)
⑤井下服役套管边界条件确定
形貌符合率95％作为临界阈值进行相似判断；
剪切载荷作用下套管变形形貌特征比对：
·g(F1(Dimax，zi),F1(P1,D1,x1))≥95％，则选取P1,D1作为zi位置处形变量为Dimax的载荷边界条件和位移边界条件；
·g(F1(Dimax，zi),F1(P1,D1,x1))<95％，则优化P1,D1,x1等参数，直到形貌符合率达到95％为止。
非均匀载荷作用下套管变形形貌特征比对：
·g(F2(Dimax，zi),F2(P2,D2,x2))≥95％，则选取P2,D2作为zi位置处形变量为Dimax的载荷边界条件和位移边界条件；
·g(F2(Dimax，zi),F2(P2,D2,x2))<95％，则优化P2,D2,x2等参数，直到形貌符合率达到95％为止。
该井服役套管边界条件确定：
·载荷边界条件：P＝max[P1,P2]
·位移边界条件：D＝max[D1,D2]
其中：Dimax为第i个变形点处套管内径最大变形量，mm；zi为套变位置井深信息，m；F1(Dimax，zi)为剪切主导型形貌控制函数，无量纲；F2(Dimax，zi)为非均匀外挤主导型形貌控制函数，无量纲；F1(P1,D1,x1)未服役套管剪切变形形貌控制函数，无量纲；F2(P2,D2,x2)未服役套管非均匀外挤变形形貌控制函数，无量纲；P1为剪切载荷，t；D1为剪切位移，mm；x1为全尺寸剪切模拟试验组合方式，无量纲；P2为非均匀载荷，t；D2为非均匀位移，mm；x2为全尺寸非均匀模拟试验组合方式，无量纲；g(F1(Dimax，zi),F1(P1,D1,x1))、g(F2(Dimax，zi),F2(P2,D2,x2))为相似度控制函数，无量纲。
套变防治措施的制定：按照套管变形防治即保证井下工具顺利通过的原则，单井套变防治的措施需要同时满足载荷边界条件和位移边界条件。根据②中的套管变形精细分级，形成整个区块统一性的套变防治措施，便于现场施工。
本发明能够准确量化复杂压裂工况套管位移及载荷边界条件，为套变防治提供确定性、针对性的方向，具体如下：
测井数据是唯一表征套管实际变形形貌的依据，基于测井数据反演确定套管服役边界的方法可行、方便；
非常规油气井复杂压裂套管服役边界条件在测井数据反演的基础上，再通过室内全尺寸模拟试验验证，确定的边界条件精度高、误差小，接近实际工况；
套管服役边界条件的确定为套变防治提供研究方向和精准控制的临界条件。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，包括：
获取井下服役套管的形貌特征；
获取未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的剪切位移大小和剪切载荷大小；
获取未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征，并记录导致未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小；
将所述井下服役套管的形貌特征与所述未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，将所述井下服役套管的形貌特征与所述未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下对应的形貌特征进行形貌对比，选取形貌符合率大于等于预设形貌符合率阈值的未服役套管，则导致选取的未服役套管发生形变的剪切载荷大小和剪切位移大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件，或导致选取的未服役套管发生形变的非均匀外挤位移大小和非均匀外挤载荷大小为井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件。
2.根据权利要求1所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，所述获取未服役套管在不同大小的剪切载荷作用下发生形变后对应的形貌特征的方法为：建立套管-水泥环-地层模型，对所述套管-水泥环-地层模型施加不同大小的剪切载荷，得到对应的形貌特征。
3.根据权利要求2所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，所述套管-水泥环-地层模型为有限元模型。
4.根据权利要求1所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，所述获取未服役套管在不同大小的非均匀外挤载荷作用下发生形变后对应的形貌特征的方法为：建立套管-水泥环-地层模型，对所述套管-水泥环-地层模型施加不同大小的非均匀外挤载荷，得到对应的形貌特征。
5.根据权利要求4所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，所述套管-水泥环-地层模型为有限元模型。
6.根据权利要求1所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，采用多臂井径仪获取井下服役套管的形貌特征。
7.根据权利要求1所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，利用相似原理计算所述形貌符合率。
8.根据权利要求1所述的井下服役套管的位移边界条件和载荷边界条件确定方法，其特征在于，所述形貌符合率阈值预设为95％。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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