CN113673126B - 一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法和装置。该方法包括：获取对几何模型的参数的设定，几何模型是多层套管的模型，多层套管之间存在多个环空腔体，该参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力，分析步用于指示多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体，流体压力用于指示施压的大小，增压幅度用于指示对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，作用点用于指示施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管，基于对参数的设定，对几何模型进行有限元计算，以得到几何模型在施压过程中的应力应变情况，模拟出了钻井用多层套管环空带压现象，为钻井用多层套管环空带压预防技术提供了理论依据。

Description

一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法和装置

技术领域

本申请涉及钻井及采油领域，并且更具体地，涉及一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法和装置。

背景技术

随着深水钻井开采的发展，钻井用多层套管被越来越多的应用到实际作业中。在多层套管的套管和套管之间形成有环形空间，该环形空间可称为环空腔体。

在进行深水钻井开采时，由于工程环境和作业条件的复杂性，环空带压问题较为突出，而较高的环空带压会造成管柱变形，使井筒的完整性失效。此外，在实验室条件下，需耗费大量的物力和财力，并且试验设备在加压条件下会发生不可控因素，易造成实验结果出现误差，加压过程也会增加实验危险系数。因此，如何模拟钻井用多层套管环空带压现象，为钻井用多层套管环空带压预防技术提供理论依据，成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法和装置，以期模拟出钻井用多层套管环空带压现象，从而为钻井用多层套管环空带压预防技术提供理论依据。

第一方面，本申请提供了一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法，该方法可以由有限元软件执行，或者，还可以由能够实现全部或部分有限元软件功能的逻辑模块或软件实现，本申请对此不作限定。

示例性地，该方法包括：获取对几何模型的参数的设定，所述几何模型是多层套管的模型，所述多层套管之间存在多个环空腔体，所述参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力，所述分析步用于指示所述多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体，所述目标环空腔体的数量至少为一个，所述流体压力用于指示施压的大小，所述增压幅度用于指示对所述目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，所述作用点用于指示施压过程中所述多层套管中受到作用力影响的套管；基于对所述参数的设定，对所述几何模型进行有限元计算，以得到所述几何模型在所述施压过程中的应力应变情况。

基于上述技术内容，通过在有限元软件中对钻井用多层套管的几何模型进行参数设定，设定出该多层套管的多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体、施压的大小、对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，以及施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管，从而有限元软件就可基于对参数的设定，对几何模型进行有限元计算，即模拟出钻井用多层套管的环空带压现象，以得到该几何模型在施压过程中的应变应力情况，从而为钻井用多层套管环空带压预防技术提供了理论依据。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括计算时长和迭代时长，所述迭代时长是指对所述第一目标环空腔体进行均匀增压时，每一个压力值施加至所述第一目标环空腔体的时间长度。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括应变输出参数和应力输出参数。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括种子点参数，所述种子点参数用于指示所述几何模型进行网格划分的粒度。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括气体密度，所述气体密度用于指示所述多个环空腔体中的气体的密度。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括边界参数，所述边界参数用于约束所述几何模型的轴向端的边界为固定边界，且轴向位移为零。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括初始形态参数，所述初始形态参数用于指示所述几何模型的初始形态为准静态。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括所述多层套管的管材的材料属性。

结合第一方面，在第一方面的某些可能的实现方式中，该参数还包括所述多层套管的各层套管的几何参数。

第二方面，本申请提供了一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置，包括用于实现第一方面中可能实现方式中的方法的模块或单元。应理解，各个模块或单元可通过执行计算机程序来实现相应的功能。

第三方面，本申请提供了一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置，包括处理器，所述处理器用于执行第一方面中任一种可能实现方式中所述的有限元计算方法。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机实现第一方面中任一种可能实现方式中的方法。

第五方面，本申请提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：计算机程序(也可以称为代码，或指令)，当所述计算机程序被运行时，使得计算机执行第一方面中任一种可能实现方式中的方法。

应当理解的是，本申请的第二方面至第五方面与本申请的第一方面的技术方案相对应，各方面及对应的可行实施方式所取得的有益效果相似，不再赘述。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法的示意性流程图；

图2是本申请实施例提供的几何模型的示意图；

图3是本申请实施例提供的几何模型的剖面示意图；

图4是本申请实施例提供的作用点设定示意图；

图5是本申请实施例提供的网格划分示意图；

图6是本申请实施例提供的一种实例运行结果示意图；

图7是本申请实施例提供的另一种实例运行结果示意图；

图8是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置的示意性框图；

图9是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置的另一示意图框图。

图中：

A：生产套管；B：技术套管；C：表层套管；D：导管；a：生产套管内的环空腔体；b：生产套管与技术套管之间的环空腔体；c：技术套管与表层套管之间的环空腔体；d：表层套管与导管之间的环空腔体；F1：生产套管上的作用点；F2：技术套管上的作用点；F3：表层套管上的作用点；F4：导管上的作用点。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

图1是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法的示意性流程图。图1所示的方法100包括步骤110至步骤120。下面详细说明图1所示的方法100中的各个步骤。应理解，本申请实施例中的方法100可以应用于有限元软件中。有限元软件是基于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法，是一种有效的数值分析方法。本申请技术人员还可根据实际需求将方法100应用于配置有有限元软件中的部件，或其能够实现全部或部分有限元软件功能的逻辑模块或软件中，本申请对此不加以限制。本申请实施例以应用于有限元软件中为例进行说明。

在步骤110中，获取对几何模型的参数的设定。

其中，该几何模型是多层套管的模型，该多层套管之间存在多个环空腔体。具体来说，每两个相邻的套管之间存在一个环空腔体，处于最内层的套管也形成一个环空腔体。

示例性地，该几何模型为钻井用多层套管的模型，该几何模型从里到外依次为生产套管、技术套管、表层套管和导管；其中，该生产套管内形成环空腔体，且每两个相邻的套管之间也存在一个环空腔体。

图2是本申请实施例提供的几何模型的示意图。如图2所示，示出了层数为4层的钻井用多层套管。为了更好的了解几何模型的结构，图3是本申请实施例提供的几何模型的剖面示意图。如图3所示，该钻井用多层套管从里至外依次为生产套管A、技术套管B、表层套管C和导管D，在生产套管A的内部具有环空腔体a，生产套管A和技术套管B之间具有环空腔体b，技术套管B和表层套管C之间具有环空腔体c，以及在表层套管C和导管D之间具有环空腔体d。

应理解，该几何模型的结构并不局限于上述示例性的层数为4的套管，还可以为其它任意层数的套管，本申请对此不加以限制，且对各层套管的名称不作限定。

在实际绘制几何模型时，用户可在有限元软件中分别绘制出生产套管A、技术套管B、表层套管C及导管D。再触发有限元软件中的装配控件，将分别绘制的生产套管A、技术套管B、表层套管C及导管D装配在一起，从而得到钻井用多层套管的几何模型。为了便于数值模拟分析，将该几何模型建立成为一个完全光滑的三维多层套管管柱模型。

在构建几何模型时，就可对该几何模型的进行一些基本的参数的设定，以下进行具体说明：

可选地，该参数包括该多层套管的各层套管的几何参数。

其中，该几何参数包括各层套管的外径大小、内径大小、壁厚及管柱长度。

用户在有限元软件绘制好各个套管后，可根据实际需求设定各个套管的几何参数。例如，可设定生产套管A的外径为60mm、内径为44mm、壁厚为16mm及管柱长度为2505mm，可设定技术套管B的外径为100mm、内径为84mm、壁厚为16mm及管柱长度为2078mm，可设定表层套管C的外径为140.1mm、内径为122.1mm、壁厚为18mm及管柱长度为1760mm，可设置导管D的外径为180mm、内径为160mm、壁厚为20mm及管柱长度为1374mm。

可选地，该参数包括多层套管的管材的材料属性。

其中，该材料属性包括：多层套管的弹性模量、泊松比及材料密度。

用户还可根据套管的材质去设置材料属性。例如，若用户采用的是碳钢材质的套管，则设置弹性模量，如2.06e¹¹ Pa；泊松比，如0.3；以及材料密度，如7.85g/cm³。若用户采用的是低合金钢材质，相应设置低合金钢材质对应的弹性模量、泊松比以及材料密度。不同的材料属性体现出不同材质的套管，使得有限元软件在模拟环空带压现象时，不同材质的套管产生的环空带压现象也可能不同。例如，碳钢材质的套管在受到235MPa左右的压力时，管柱发生变形，而低合金钢材质的套管在受到310～345MPa左右的压力时，管柱发生变形，从而在实际油气开采中，技术人员就可根据实际需求选择合适的套管材料。

应理解，可在有限元软件将各套管装配在一起之前设定各套管的几何参数、材料属性，也可在各套管装配在一起之后再设定各套管的几何参数、材料属性，本申请对此不加以限制。

在对几何模型的基本的参数进行设定后，就可继续设定以下参数：

该参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力。该分析步可用于指示多个环空腔体中进行施压的环空腔体，为便于区分，将进行施压的环空腔体记为目标环空腔体，目标环空腔体可以是多个环空腔体中的任意一个或多个。该流体压力用于指示施压的大小。该增压幅度用于指示对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，第一目标环空腔体可以是目标环空腔体中的任意一个或多个。该作用点用于指示施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管。

也就是说，可以对多个环空腔体中的一个或多个环空腔体(即，目标环空腔体)进行施压，且可以对该一个或多个环空腔体中的一个或多个环空腔体(即，第一目标环空腔体)施加可变压力，例如可逐步增大对第一目标环空腔体的压力。在绘制好几何模型的结构图后，用户就可对该几何模型进行相关参数的设定：

用户可在有限元软件中设定分析步，该分析步用于指示多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体。

示例性地，如图3，用户可在四个环空腔体中选定任意一个环空腔体作为目标环空腔体，如环空腔体a，也可在四个环空腔体中选定任意两个环空腔体作为目标环空腔体，如环空腔体a和环空腔体c，甚至可以在四个环空腔体中选定任意三个或四个环空腔体作为目标环空腔体，如环空腔体a、环空腔体c和环空腔体d，或所有的环空腔体均选定。有限元软件在模拟环空带压现象时，可对选定的目标环空腔体施加压力。受到压力的目标环空腔体会对多层套管产生作用力影响，该作用力可能会影响到套管的管柱的形变程度。

用户可在有限元软件中设定流体压力，该流体压力用于指示施压的大小。其中，在目标环空腔体的数量至少为两个时，为各环空腔体设定的流体压力的大小可以相同，也可以不同。

示例性地，用户在选定好目标环空腔体后，如环空腔体a和环空腔体c，可继续设定对目标环空腔体施加的压力的大小。可设置环空腔体a和环空腔体c受到的压力相同，如均为2Mpa，或，可设置环空腔体a和环空腔体c受到的压力不同，如环空腔体a受到的压力为2MPa，环空腔体c受到的压力为1MPa。有限元软件在模拟环空带压现象时，可为目标环空腔体施加压力，如为环空腔体a施加压力为2MPa，为环空腔体c施加压力为1MPa，再根据后续设定的增压幅度为第一目标环空腔体进行稳定增压，从而模拟环空带压现象。

用户可在有限元软件中设定增压幅度，该增压幅度用于指示对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度。其中，该第一目标环空腔体为该目标环空腔体中的任意环空腔体。如，第一目标环空腔体可以为目标环空腔体中的任意一个环空腔体，也可以为目标环空腔体中的任意多个环空腔体。

示例性地，用户在选定好目标环空腔体后，如环空腔体a和环空腔体c，且设定环空腔体a受到的压力为2MPa，环空腔体c受到的压力为1MPa，可继续设定第一目标环空腔体，该第一目标环空腔体可以仅设定为环空腔体a，也可以仅设定为环空腔体c，还可以设定为环空腔体a和c。同时，用户可设定第一目标环空腔体受到的压力的变化幅度，如2MPa。

有限元软件在模拟环空带压现象时，若用户选定的第一目标环空腔体为环空腔体a，增压幅度为2MPa，则有限元软件对环空腔体a进行均匀稳定的增压，环空腔体a就会受到如下压力：2MPa、4MPa、6Mpa、…,对环空腔体c保持稳定压力不变,环空腔体c受到持续稳定的压力为1MPa。若用户选定的第一目标环空腔体为环空腔体c，增压幅度为2MPa，则有限元软件对环空腔体c进行均匀稳定的增压，环空腔体c就会受到如下压力：1MPa、3MPa、5Mpa、…,对环空腔体a保持稳定压力不变,环空腔体a受到持续稳定的压力为2MPa。若用户选定的第一目标环空腔体为环空腔体a和环空腔体c，增压幅度为2MPa，则有限元软件对环空腔体a和环空腔体均进行均匀稳定的增压,环空腔体a就会受到如下压力：2MPa、4MPa、6Mpa、…，环空腔体c就会受到如下压力：1MPa、3MPa、5Mpa、…。

应理解，有限元软件中内嵌有幅值函数，在用户设定好第一目标环空腔体的增压幅度后，有限元软件依据该幅值函数为第一目标环空腔体稳定增压。

用户可在有限元软件中设定作用点，该作用点用于指示施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管。其中，各作用点位于同一水平线。

无论是目标环空腔体中受到稳定压力的环空腔体，还是会受到均匀稳定增压的第一目标环空腔体，只要该环空腔体被施加了压力，该压力就会与套管产生相互作用力而将作用力逐步传递并施加在层层套管上，各套管就会受到被施加了压力的环空腔体的作用力的影响，该作用力的大小对套管的管柱的变形程度有所影响，套管受到的作用力越大，管柱变形的可能性就越大。用户可通过设定作用点，来确定出自己想重点关注的套管所受到的作用力影响。用户可在所有的套管上均各设定一个作用点，则表示需要了解所有套管所受到的作用力影响及每个套管的管柱变形情况，即了解整个几何模型的环空带压现象。用户也可在部分的套管上各设定一个作用点，则表示需要仅了解该部分套管所受到的作用力影响及该部分套管中的每个套管的管柱变形情况，即了解几何模型中的部分管柱的环空带压现象。

示例性地，图4示出了作用点设定示意图。如图4所示，用户可在几何模型中设定四个作用点，即，在生产套管A的管体表面上设定作用点F1、在技术套管B的管体表面上设定作用点F2、在表层套管C的管体表面上设定作用点F3及在导管D的管体表面上设定作用点F4。作用点F1、F2、F3及F4位于沿X轴方向的同一水平线，其中，以多层套管的水平方向作为X轴方向，则，有限元软件在模拟环空带压现象时，就会将各套管在受到不同作用力影响下所产生的应变应力情况进行记录，从而为环空带压预防技术提供理论依据。例如，有限元软件在运行时间为0s时，为环空腔体a施加2MPa的压力，为环空腔体c施加1MPa的压力，则环空腔体a受到的压力会逐步向外将压力作用到生产套管A、技术套管B、表层套管C和导管D上。同时，环空腔体c受到的压力一方面会逐步向外作用到表层套管C和导管D上，另一方面也会逐步向内作用到技术套管B和生产套管A上。此时，各套管均会受到环空腔体a和环空腔体c的作用力的影响，有限元软件就可通过有限元计算来提取并记录下各套管的管柱应变应力情况。在运行时间为0.1s时，为环空腔体a施加4MPa的压力，为环空腔体c施加3MPa的压力，各腔体同样会受到与前述分析过程相同的作用力的影响，此时，有限元软件也可通过有限元计算提取并记录下各套管的管柱的应变应力情况。如此循环往复，直至有限元软件运行时间结束，即模拟出完整的环空带压现象。

除了对上述参数进行设定，用户还可在有限元软件中对几何模型设定如下参数：

可选地，该参数还包括计算时长和迭代时长，该迭代时长是指对第一目标环空腔体进行均匀增压时，每一个压力值施加至第一目标环空腔体的时间长度。

计算时长是指有限元软件在对几何模型模拟环空带压现象时，模拟运行的总时长，如可设定计算时长为1s。

例如，第一目标环空腔体为生产套管A，且对生产套管以2MPa、4MPa、6MPa、…进行均匀增压，则可以设定每一个压力值施加至生产套管A的时间长度，如0.1s，则在对生产套管A进行施压时，在施加的压力为2MPa维持0.1s后，施加的压力变化为4MPa，再将施压的压力为4MPa维持0.1s后，施加的压力变化为6MPa，继续将施压的压力为6MPa维持0.1s后，再将施加的压力变化为8MPa，如此循环往复，直至整个计算时长1s结束。

可选地，该参数还包括应变输出参数和应力输出参数。

用户还可在有限元软件的场输出管理器对应的输入控件中设定输出参数为应变参数和应力参数，在历程输出管理器对应的输入控件中设定输出参数为应变参数和应力参数。其中，场输出管理器输出的参数为有限元软件模拟环空带压现象的最终应变应力参数，历程输出管理器输出的参数为有限元软件模拟环空带压现象的过程中的应变应力参数。即，有限元软件会将模拟的整个环空带压现象的过程及结果数据均输出。例如，在环空腔体a在受到压力为2MPa时，有限元软件会输出生产套管A、技术套管B、表层套管C和导管D各自的管柱所受到的作用力的大小，及在此作用力下的变形情况，如变形程度。在环空腔体a在受到压力为4MPa时，有限元软件会输出生产套管A、技术套管B、表层套管C和导管D各自的管柱所受到的作用力的大小，及在此作用力下的变形情况。同样地，在环空腔体a在受到压力为6MPa、8MPa、…时，有限元软件会输出各套管的管柱所受到的作用力的大小，及在对应作用力下的变形情况，直至模拟的整个环空带压现象结束。

应理解，应变应力是应力与应变的统称。应力定义为“单位面积上所承受的附加内力”。物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。

可选地，该参数还包括种子点参数，该种子点参数用于指示几何模型进行网格划分的粒度。

用户还可以设定种子点参数，设定的种子点参数越小，有限元软件对几何模型进行网格划分的粒度也越小，对几何模型进行有限元计算的精度也就越高。如可设置近似全局尺寸为10，曲率控制为0.1，有限元软件就可根据设置的种子点参数对几何模型进行自动划分网格。图5是本申请实施例提供的网格划分示意图。如图5，有限元软件将几何模型划分为了无数个细小的网格。一般在壁厚方向上至少划分为3层网格，网格的形式为六面体单元。

可选地，该参数还包括气体密度，该气体密度用于指示多个环空腔体中的气体的密度。

用户还可在有限元软件中设置环空腔体a、环空腔体b、环空腔体c和环空腔体d中的气体的气体密度，如设置气体密度为1e^-9kg/m³。应理解，本领域技术人员还可根据实际需求设置其它数值的气体密度，本申请对此不加以限制。

可选地，该参数还包括边界参数，该边界参数用于约束几何模型的轴向端的边界为固定边界，且轴向位移为零。

如图2，将多层套管的水平方向作为X轴方向。在设定边界参数时，可在X轴方向上可分别设定生产套管的两端为固定边界，且沿X轴方向的位移为0，设定技术套管的两端为固定边界，且沿X轴方向的位移为0，设定表层导管的两端为固定边界，且沿X轴方向的位移为0，设定导管的两端为固定边界，且沿X轴方向的位移为0。如此，在有限元软件模拟多层套管的环空带压现象时，该几何模型就不会发生位置的移动以及各套管之间的位置的移动，保证模拟的准确性。

可选地，该参数还包括初始形态参数，该初始形态参数用于指示几何模型的初始形态为准静态。

在有限元软件模拟环空带压现象前，用户还可在有限元软件中设定几何模型的初始形态参数为准静态，即环空腔体在受到压力之前，几何模型的状态为静止不变的，且套管的管柱也未发生变形。

应理解，用户在有限元软件中对各参数进行设定，相应地，有限元软件也就能获取到用户对该几何模型参数的设定。

在步骤120中，基于对该参数的设定，对几何模型进行有限元计算，以得到该几何模型施压过程中的应力应变情况。

有限元计算是基于几何模型和设定的参数完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。有限元计算包括以下过程：将几何模型离散化，离散化是指将连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上。接着进行单元分析，了解一个单元节点力和节点位移的关系。单元分析的人物是通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系。最后是单元综合，即利用节点平衡方程式，在已知节点的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。

在本申请实施例中，通过有限元软件的求解器实现对建立的几何模型结合设定的参数进行求解，在求解时，将方程在空间上采用有限元方法离散后，变成常微分方程：

F＝M(u)+C(u)+K(u)

通过动态隐式分析所用的纽马克(NewMark)法求解该方程，任一时刻的位移、速度、加速度都相互关联，采用迭代和求解联立方程实现求解，计算的结果保存在后处理文件中。其中，NewMark法是一种将线性加速度方法普遍化的方法。NewMark法可认为是概括了平均常加速度和线性加速度算法的一种广义算法。NewMark法有拟静力增量方程形式和不同类型的拟静力全量方程形式。

有限元软件根据上述计算结果，从中提取出在施压过程中，当不同的压力作用于环空腔体时，该几何模型的各套管的管柱应变应力情况，即在不同作用力下管柱的变形情况。例如，在环空腔体a受到的压力分别为2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa，环空腔体c受到的压力为稳定压力1MPa时，根据计算结果，可提取并输出生产套管A受到的应力为1.5MPa，2.8MPa，3.6MPa，4.5MPa，5.1MPa，生产套管A对应的应变为：无变形、轻微变形、变形加重、严重变形、损坏失效。同样地，也可提取并输出技术套管B、表层套管C和导管D各自在受到不同作用力时的应变情况。本领域技术人员就可根据输出的应变应力情况定量分析出钻进用多层套管的力学行为特性及套管的管柱的变形规律，从而为研发钻井用多层套管环空带压预防技术提供理论依据。

图6是本申请实施例提供的一种实例运行结果示意图。如图6，应力的设置条件为：以刚性单元的底面作为参考面，默认平均阈值为75％，并且，给出了不同的应力取值，如，+3.561e+01、+3.264e+01等。可以看出，在有限元软件输出的最终结果中，表层套管受到的环空腔体的作用力最大，可能已经产生变形(图中未示出)。技术套管和导管受到的环空腔体的作用力中等，变形的可能性次之，生产套管受到的环空腔体的作用力最小，变形的可能性最小。图7是本申请实施例提供的另一种实例运行结果示意图。如图7，最大主平面应力的设置条件为：以刚性单元的底面作为参考面，默认平均阈值为75％，并且，给出了不同的最大主平面应力值，如，+1.716e-04、+1.573e-04等。可以看出，有限元软件输出的最终结果中，各套管所受到的环空腔体的作用力与图6中各套管所受到的环空腔体的作用力的大小不同，各套管产生变形的可能性也会相应改变。例如，图7中的表层套管所受到的环空腔体的作用力明显小于图6中的表层套管所受到的环空腔体的作用力，图7中的表层套管在该作用力下可能不会发生变形。应理解，套管受到环空腔体的作用力越大，在图6和图7中的颜色越深，代表形变的可能性越大。

应理解，图6和图7为有限元软件输出的最终结果的示意图。例如，有限元软件模拟环空带压现象的计算时间总长为1s，则图6和图7输出的就是在第1s时，各套管的应力应变情况，输出的并非整个过程的各套管的应力应变情况。本领域技术人员可根据实际需求让有限元软件输出应力应变曲线，以根据应力应变曲线来了解整个模拟过程中各套管的受力及变形情况。

基于上述方案，通过在有限元软件中对钻井用多层套管的几何模型进行参数设定，设定出该多层套管的多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体、施压的大小、对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，以及施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管，从而有限元软件就可基于对参数的设定，对几何模型进行有限元计算，即模拟出钻井用多层套管的环空带压现象，以得到该集合模型在施压过程中的应变应力情况，从而为钻井用多层套管环空带压预防技术提供了理论依据。同时，相比采用试验的方式来模拟钻钻井用多层套管的环空带压现象，本申请采用有限元软件就可实现对钻井用多层套管的环空带压现象的模拟，可以避免大量的物理和财力的耗费，避免加压条件下可能发生的不可控因素，更加便捷安全，同时有效控制了误差和危险系数，所获得的结果更为准确。

以上，结合图1至图7详细描述了本申请实施例提供的方法。以下，结合图8至图9详细说明本申请实施例提供的装置。

图8是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置的示意性框图。如图8所示，该装置800可以包括：获取单元810和处理单元820。该装置800中的各单元可用于实现图1所示的方法100中的相应流程。例如，获取单元810可用于执行方法100中的步骤110，处理单元820可用于执行方法100中的步骤120。

具体来说，该获取单元810，可用于获取对几何模型的参数的设定，该几何模型是多层套管的模型，该多层套管之间存在多个环空腔体，该参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力，该分析步用于指示多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体，目标环空腔体的数量至少为一个，该流体压力用于指示施压的大小，该增压幅度用于指示对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，该作用点用于指示施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管。该处理单元820，可用于基于对该参数的设定，对几何模型进行有限元计算，以得到该几何模型在施压过程中的应力应变情况。

可选地，该参数还包括计算时长和迭代时长，该迭代时长是指对第一目标环空腔体进行均匀增压时，每一个压力值施加至第一目标环空腔体的时间长度。

可选地，该参数还包括应变输出参数和应力输出参数。

可选地，该参数还包括种子点参数，该种子点参数用于指示几何模型进行网格划分的粒度。

可选地，该参数还包括气体密度，该气体密度用于指示多个环空腔体中的气体的密度。

可选地，该参数还包括边界参数，该边界参数用于约束该几何模型的轴向端的边界为固定边界，且轴向位移为零。

可选地，该参数还包括初始形态参数，该初始形态参数用于指示几何模型的初始形态为准静态。

可选地，该参数还包括多层套管的管材的材料属性。

可选地，该参数还包括多层套管的各层套管的几何参数。

应理解，本申请实施例中对单元的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

图9是本申请实施例提供的一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置的另一示意性框图。该有限元计算装置900可用于实现上述方法中有限元软件的功能。该有限元计算装置900可以为芯片系统。本申请实施例中，芯片系统可以由芯片构成，也可以包含芯片和其他分立器件。

如图9所示，该装置900可以包括至少一个处理器910，用于实现本申请实施例提供的方法中有限元软件的功能。

示例性地，当该装置900用于实现本申请实施例提供的方法中有限元软件的功能时，处理器910可用于获取对几何模型的参数的设定，该几何模型是多层套管的模型，该多层套管之间存在多个环空腔体，该参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力，该分析步用于指示多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体，目标环空腔体的数量至少为一个，该流体压力用于指示施压的大小，该增压幅度用于指示对目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，该作用点用于指示施压过程中多层套管中受到作用力影响的套管；基于对该参数的设定，对几何模型进行有限元计算，以得到该几何模型在施压过程中的应力应变情况。具体参见方法示例中的详细描述，此处不做赘述。

该装置900还可以包括至少一个存储器920，用于存储程序指令和/或数据。存储器920和处理器910耦合。本申请实施例中的耦合是装置、单元或模块之间的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式，用于装置、单元或模块之间的信息交互。处理器910可能和存储器920协同操作。处理器910可能执行存储器920中存储的程序指令。该至少一个存储器中的至少一个可以包括于处理器中。

该装置900还可以包括通信接口930，用于通过传输介质和其它设备进行通信，从而用于装置900可以和其它设备进行通信。该通信接口930例如可以是收发器、接口、总线、电路或者能够实现收发功能的装置。处理器910可利用通信接口930收发数据和/或信息，并用于实现图1对应的实施例中的有限元软件所执行的方法。

本申请实施例中不限定上述处理器910、存储器920以及通信接口930之间的具体连接介质。本申请实施例在图9中以处理器910、存储器920以及通信接口930之间通过总线连接。总线在图9中以粗线表示，其它部件之间的连接方式，仅是进行示意性说明，并不引以为限。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

应理解，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

还应理解，本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rateSDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(directrambus RAM，DR RAM)。应注意，本文描述的系统和方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

本申请还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括：计算机程序(也可以称为代码，或指令)，当该计算机程序被运行时，使得计算机执行图1所示实施例中有限元软件执行的方法。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序(也可以称为代码，或指令)。当该计算机程序被运行时，使得计算机执行图1所示实施例中有限元软件执行的方法。

本说明书中使用的术语“单元”、“模块”等，可用于表示计算机相关的实体、硬件、固件、硬件和软件的组合、软件、或执行中的软件。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)和步骤(step)，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，该单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

该作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

在上述实施例中，各功能单元的功能可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令(程序)。在计算机上加载和执行该计算机程序指令(程序)时，全部或部分地产生按照本申请实施例该的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如固态硬盘(solidstate disk，SSD))等。

该功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钻井用多层套管环空带压有限元计算方法，其特征在于，包括：

获取对几何模型的参数的设定，所述几何模型是多层套管的模型，所述几何模型从里到外依次为生产套管、技术套管、表层套管和导管；所述多层套管之间存在多个环空腔体，所述参数包括：分析步、增压幅度、作用点和流体压力，所述分析步用于指示所述多个环空腔体中进行施压的目标环空腔体，所述目标环空腔体的数量至少为一个，所述流体压力用于指示施压的大小，所述增压幅度用于指示对所述目标环空腔体中的第一目标环空腔体施压时压力的变化幅度，所述作用点用于指示施压过程中所述多层套管中受到作用力影响的套管；

基于对所述参数的设定，对所述几何模型进行有限元计算，以得到所述几何模型在所述施压过程中的应力应变情况；

所述基于对所述参数的设定，对所述几何模型进行有限元计算，包括：

将所述几何模型离散化，所述离散化是将连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；

进行单元分析，了解一个单元节点力和节点位移的关系；所述单元分析的任务是通过所述节点位移来表示所述单元内部任一点的位移，以建立所述节点力和所述节点位移之间的转换关系；

利用节点平衡方程式，基于已知节点和边界条件，确定节点位移，确定各单元应力或节点应力；

通过有限元软件的求解器实现对建立的几何模型结合设定的参数进行求解，在求解时，将方程在空间上采用有限元方法离散后，变成常微分方程：

F＝M(u)+C(u)+K(u)

其中，F为节点载荷向量，M为系统的质量矩阵与节点加速度的乘积，C为系统的阻尼矩阵与节点速度的乘积，K为系统的刚度矩阵与节点位移的乘积，u代表系统节点；

通过动态隐式分析所用的纽马克法求解。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括计算时长和迭代时长，所述迭代时长是指对所述第一目标环空腔体进行均匀增压时，每一个压力值施加至所述第一目标环空腔体的时间长度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括应变输出参数和应力输出参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括种子点参数，所述种子点参数用于指示所述几何模型进行网格划分的粒度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括气体密度，所述气体密度用于指示所述多个环空腔体中的气体的密度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括边界参数，所述边界参数用于约束所述几何模型的轴向端的边界为固定边界，且轴向位移为零。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括初始形态参数，所述初始形态参数用于指示所述几何模型的初始形态为准静态。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括所述多层套管的管材的材料属性。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数还包括所述多层套管的各层套管的几何参数。

10.一种钻井用多层套管环空带压有限元计算装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行程序代码，以使得所述装置实现如权利要求1至9中任一项所述的方法。