CN116011270B - 一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，属于石油与天然气开采技术领域。本发明分析在大规模加砂压裂下冲蚀作用对射孔套管的影响，规则化孔眼冲蚀形貌，计算孔眼冲蚀量，确定在套管壁厚与孔眼冲蚀量影响下使射孔套管安全服役的最小壁厚与最大孔眼冲蚀量，绘制在对应非均匀外挤压力工况下的等效应力图版，可预测临界壁厚与临界孔眼冲蚀量区间内射孔套管的等效应力，通过与套管屈服强度对比以判断套管是否安全。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气开采技术领域，尤其涉及一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法。
背景技术
压裂是有效开发非常规油气藏的一项关键技术，由于其压裂体积大、改造段数多、排量大等特点，固液两相对套管冲蚀剧烈，在恶劣的受载情况下，射孔套管孔眼扩径、局部壁厚减薄等冲蚀作用下套管强度大幅降低，影响后续工作开展。调研显示，压裂导致射孔套管套损严重，以玛湖地区为例，在射孔套管孔眼为10mm的初始条件下，压裂和生产过程中均发现最大直径可达30mm的砾石，利用井下检测装置对比孔眼压裂前后形貌，孔眼冲蚀面积增加，孔眼冲蚀形貌复杂，冲蚀规律不明确。
大规模加砂压裂下射孔套管的安全性能与工况是具有动态特征。一方面是套管内壁和孔眼系统受冲蚀作用随时间变化，二者冲蚀程度增加都会导致射孔套管安全性能衰弱。另一方面，压裂过程中地层应力重分布、岩石性能下降等因素也在不断变化，套管受载特征更加复杂。目前井下套管柱冲蚀研究多基于完整套管，射孔破坏了套管的完整性，其剩余强度已经发生了下降，在同时考虑冲蚀作用下的射孔套管安全评价具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，分析在大规模加砂压裂下冲蚀作用对射孔套管的影响，规则化孔眼冲蚀形貌，计算孔眼冲蚀量，确定在套管壁厚与孔眼冲蚀量影响下使射孔套管安全服役的最小壁厚与最大孔眼冲蚀量，绘制在对应非均匀外挤压力工况下的等效应力图版，可预测临界壁厚与临界孔眼冲蚀量区间内射孔套管的等效应力，通过与套管屈服强度对比以判断套管是否安全。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
优选地，所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力。
优选地，所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比。
优选地，所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度。
优选地，所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
优选地，步骤二所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同。
优选地，长方体沿轴向的长l为1.5～2m，正方形的边长w为10～20m。
优选地，所述射孔参数包括：孔数、孔距、相位角和孔径。
优选地，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力。
优选地，地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型的建模过程还包括材料设置、网格划分、约束和载荷设定。
优选地，地层-水泥环-套管三维有限元模型的接触力P0计算过程中，载荷设定为当前垂深对应地应力，作为外载施加到地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界，当套管轴线方向与垂深方向相同时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和最小主应力；当套管轴线方向与垂深方向垂直时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和垂直主应力，轴线方向施加水平最小主应力方向。
优选地，射孔套管有限元模型模型等效应力计算过程中载荷设定为接触力P0，作为射孔套管非均匀外挤压力。
优选地，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
优选地，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版时依据如下规则，确定临界壁厚和临界孔眼冲蚀量：
压裂后，若射孔套管壁厚越小或孔眼冲蚀量越大，则射孔套管越容易处于风险状态；
设定孔眼冲蚀量为0，在射孔套管壁厚区间[0,D]内运用二分法寻找使得射孔套管处于安全状态的最小壁厚，此时最小壁厚为临界壁厚；
设定射孔套管壁厚为初始厚度，在孔眼冲蚀量区间[0,mmax]内运用二分法寻找使得射孔套管仍处于安全状态的最大孔眼冲蚀量，此时最大孔眼冲蚀量为临界孔眼冲蚀量，当R＝r+D时，孔眼冲蚀量达到最大；
其中，
D为套管初始厚度，m；
R为冲蚀后孔眼半径，m；
r为初始孔眼半径，m；
mmax为最大孔眼冲蚀量；
优选地，每个孔眼冲蚀形貌完全相同，孔眼冲蚀量包括孔眼扩径冲蚀量以及局部壁厚冲蚀量，局部壁厚冲蚀量与孔径增加量有关计算公式如下：
m＝m1+m2
其中：
式中：
m为孔眼冲蚀量，kg；
m1为孔眼扩径冲蚀量，kg；
m2为局部壁厚冲蚀量，kg；
ρ为套管材料密度kg/m3。
优选地，所述孔眼冲蚀量为单个孔眼冲蚀量，并且每个孔眼冲蚀形貌相同。
优选地，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版具体包括：
以壁厚冲蚀损伤和孔眼冲蚀损伤为影响套管强度的主要因素，通过离散的数据点(a,b,c)对等效应力求解，在a和b的取值区间内均匀取离散值，建立射孔套管安全评价图版；
其中，
a为壁厚，mm，取值区间为[h,D]；
b为孔眼冲蚀量，g，取值区间为[0,m0]；
c为在a和b的影响下求得的等效应力，MPa；
h为临界壁厚，mm；
m0为临界孔眼冲蚀量，g；
优选地，在a和b的取值区间内均匀取5-10个；组合后离散的数据点(a,b)有25～100个；
套管屈服强度将图版进行区分，小于屈服强度部分的投影在壁厚-孔眼冲蚀量坐标面形成包络区间，在该区间内的射孔套管壁厚与孔眼冲蚀量为安全范围，说明射孔套管安全，否则说明射孔套管已经损坏。
优选地，建立有限元模型、求解接触力和求解等效应力是利用有限元软件ANSYSWorkbench或ABAQUS实现。
本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
(1)本发明对孔眼冲蚀量进行数学表达，并在套管内壁冲蚀和孔眼冲蚀的基础上建立了射孔套管冲蚀几何模型，结合实际现场数据，对非均匀外挤压力下套管强度进行数值模拟，得到的套管等效应力更准确，进而得到更准确的安全评估；
(2)本发明以套管壁厚和孔眼冲蚀量为影响因素，以临界壁厚和临界孔眼冲蚀量为套管安全性参考值，用离散点建立了射孔套管安全评价图版，得到套管壁厚和孔眼冲蚀量坐标平面下使得套管安全的包络区间，实现了考虑冲蚀的射孔套管安全性的准确、直观的评价。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法流程图；
图2是本发明的一个实施例的套管-水泥环-地层有限元模型示意图；
图3是本发明的一个实施例的射孔套管有限元模型示意图；
图4是本发明的一个实施例的孔眼冲蚀形貌几何模型示意图；
图5是本发明的一个实施例的接触力曲线示意图；
图6是本发明的一个实施例的射孔套管安全评价图版。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
根据本发明的一个具体实施方案，所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力。
根据本发明的一个具体实施方案，所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比。
根据本发明的一个具体实施方案，所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度。
根据本发明的一个具体实施方案，所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤二所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同。
根据本发明的一个具体实施方案，长方体沿轴向的长l为1.5～2m，正方形的边长w为10～20m。
根据本发明的一个具体实施方案，所述射孔参数包括：孔数、孔距、相位角和孔径。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力。
根据本发明的一个具体实施方案，地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型的建模过程还包括材料设置、网格划分、约束和载荷设定。
根据本发明的一个具体实施方案，地层-水泥环-套管三维有限元模型的接触力P0计算过程中，载荷设定为当前垂深对应地应力，作为外载施加到地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界，当套管轴线方向与垂深方向相同时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和最小主应力；当套管轴线方向与垂深方向垂直时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和垂直主应力，轴线方向施加水平最小主应力方向。
根据本发明的一个具体实施方案，射孔套管有限元模型模型等效应力计算过程中载荷设定为接触力P0，作为射孔套管非均匀外挤压力。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版时依据如下规则，确定临界壁厚和临界孔眼冲蚀量：
压裂后，若射孔套管壁厚越小或孔眼冲蚀量越大，则射孔套管越容易处于风险状态；
设定孔眼冲蚀量为0，在射孔套管壁厚区间[0,D]内运用二分法寻找使得射孔套管处于安全状态的最小壁厚，此时最小壁厚为临界壁厚；
设定射孔套管壁厚为初始厚度，在孔眼冲蚀量区间[0,mmax]内运用二分法寻找使得射孔套管仍处于安全状态的最大孔眼冲蚀量，此时最大孔眼冲蚀量为临界孔眼冲蚀量，当R＝r+D时，孔眼冲蚀量达到最大；
其中，
D为套管初始厚度，m；
R为冲蚀后孔眼半径，m；
r为初始孔眼半径，m；
mmax为最大孔眼冲蚀量；
根据本发明的一个具体实施方案，每个孔眼冲蚀形貌完全相同，孔眼冲蚀量包括孔眼扩径冲蚀量以及局部壁厚冲蚀量，局部壁厚冲蚀量与孔径增加量有关计算公式如下：
m＝m1+m2
其中：
式中：
m为孔眼冲蚀量，kg；
m1为孔眼扩径冲蚀量，kg；
m2为局部壁厚冲蚀量，kg；
ρ为套管材料密度kg/m3。
根据本发明的一个具体实施方案，所述孔眼冲蚀量为单个孔眼冲蚀量，并且每个孔眼冲蚀形貌相同。
根据本发明的一个具体实施方案，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版具体包括：
以壁厚冲蚀损伤和孔眼冲蚀损伤为影响套管强度的主要因素，通过离散的数据点(a,b,c)对等效应力求解，在a和b的取值区间内均匀取离散值，建立射孔套管安全评价图版；
其中，
a为壁厚，mm，取值区间为[h,D]；
b为孔眼冲蚀量，g，取值区间为[0,m0]；
c为在a和b的影响下求得的等效应力，MPa；
h为临界壁厚，mm；
m0为临界孔眼冲蚀量，g；
根据本发明的一个具体实施方案，在a和b的取值区间内均匀取5-10个；组合后离散的数据点(a,b)有25～100个；
套管屈服强度将图版进行区分，小于屈服强度部分的投影在壁厚-孔眼冲蚀量坐标面形成包络区间，在该区间内的射孔套管壁厚与孔眼冲蚀量为安全范围，说明射孔套管安全，否则说明射孔套管已经损坏。
根据本发明的一个具体实施方案，建立有限元模型、求解接触力和求解等效应力是利用有限元软件ANSYS Workbench或ABAQUS实现。
实施例1
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
实施例2
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
其中，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；
其中，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
实施例3
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力；所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比；所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度；所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
其中，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；
其中，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
实施例4
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力；所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比；所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度；所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同；所述射孔参数包括：孔数、孔距、相位角和孔径；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
其中，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型的建模过程还包括材料设置、网格划分、约束和载荷设定；
地层-水泥环-套管三维有限元模型的接触力P0计算过程中，载荷设定为当前垂深对应地应力，作为外载施加到地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界，当套管轴线方向与垂深方向相同时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和最小主应力；当套管轴线方向与垂深方向垂直时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和垂直主应力，轴线方向施加水平最小主应力方向；
射孔套管有限元模型模型等效应力计算过程中载荷设定为接触力P0，作为射孔套管非均匀外挤压力；
其中，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
实施例5
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力；所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比；所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度；所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
其中，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；
其中，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
其中，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版时依据如下规则，确定临界壁厚和临界孔眼冲蚀量：
压裂后，若射孔套管壁厚越小或孔眼冲蚀量越大，则射孔套管越容易处于风险状态；
设定孔眼冲蚀量为0，在射孔套管壁厚区间[0,D]内运用二分法寻找使得射孔套管处于安全状态的最小壁厚，此时最小壁厚为临界壁厚；
设定射孔套管壁厚为初始厚度，在孔眼冲蚀量区间[0,mmax]内运用二分法寻找使得射孔套管仍处于安全状态的最大孔眼冲蚀量，此时最大孔眼冲蚀量为临界孔眼冲蚀量，当R＝r+D时，孔眼冲蚀量达到最大；
其中，
D为射孔套管初始厚度，m；
R为冲蚀后孔眼半径，m；
r为初始孔眼半径，m；
mmax为最大孔眼冲蚀量。
其中，每个孔眼冲蚀形貌完全相同，孔眼冲蚀量包括孔眼扩径冲蚀量以及局部壁厚冲蚀量，局部壁厚冲蚀量与孔径增加量有关计算公式如下：
m＝m1+m2
其中：
式中：
m为孔眼冲蚀量，kg；
m1为孔眼扩径冲蚀量，kg；
m2为局部壁厚冲蚀量，kg；
ρ为套管材料密度kg/m3。
实施例6
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力；所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比；所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度；所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同；所述射孔参数包括：孔数、孔距、相位角和孔径；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版。
其中，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型的建模过程还包括材料设置、网格划分、约束和载荷设定；
地层-水泥环-套管三维有限元模型的接触力P0计算过程中，载荷设定为当前垂深对应地应力，作为外载施加到地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界，当套管轴线方向与垂深方向相同时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和最小主应力；当套管轴线方向与垂深方向垂直时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和垂直主应力，轴线方向施加水平最小主应力方向；
射孔套管有限元模型模型等效应力计算过程中载荷设定为接触力P0，作为射孔套管非均匀外挤压力；
其中，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
其中，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版时依据如下规则，确定临界壁厚和临界孔眼冲蚀量：
压裂后，若射孔套管壁厚越小或孔眼冲蚀量越大，则射孔套管越容易处于风险状态；
设定孔眼冲蚀量为0，在射孔套管壁厚区间[0,D]内运用二分法寻找使得射孔套管处于安全状态的最小壁厚，此时最小壁厚为临界壁厚；
设定射孔套管壁厚为初始厚度，在孔眼冲蚀量区间[0,mmax]内运用二分法寻找使得射孔套管仍处于安全状态的最大孔眼冲蚀量，此时最大孔眼冲蚀量为临界孔眼冲蚀量，当R＝r+D时，孔眼冲蚀量达到最大；
其中，
D为射孔套管初始厚度，m；
R为冲蚀后孔眼半径，m；
r为初始孔眼半径，m；
mmax为最大孔眼冲蚀量。
其中，每个孔眼冲蚀形貌完全相同，孔眼冲蚀量包括孔眼扩径冲蚀量以及局部壁厚冲蚀量，局部壁厚冲蚀量与孔径增加量有关计算公式如下：
m＝m1+m2
其中：
/>
式中：
m为孔眼冲蚀量，kg；
m1为孔眼扩径冲蚀量，kg；
m2为局部壁厚冲蚀量，kg；
ρ为套管材料密度kg/m3。
其中，所述孔眼冲蚀量为单个孔眼冲蚀量，并且每个孔眼冲蚀形貌相同。
其中，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版具体包括：
以壁厚冲蚀损伤和孔眼冲蚀损伤为影响射孔套管强度的主要因素，通过离散的数据点(a,b,c)对等效应力求解，在a和b的取值区间内均匀取离散值，建立射孔套管安全评价图版；
其中，
a为壁厚，mm，取值区间为[h,D]；
b为孔眼冲蚀量，g，取值区间为[0,m0]；
c为在a和b的影响下求得的等效应力，MPa；
h为临界壁厚，mm；
m0为临界孔眼冲蚀量，g；
在a和b的取值区间内均匀取5-10个；组合后离散的数据点(a,b)有25～100个；
套管屈服强度将图版进行区分，小于屈服强度部分的投影在壁厚-孔眼冲蚀量坐标面形成包络区间，在该区间内的射孔套管壁厚与孔眼冲蚀量为安全范围，说明射孔套管安全，否则说明射孔套管已经损坏。
实施例7
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法进行详细说明。
本发明提供了一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，包括如下步骤：
步骤一：获取某区块地质参数包括：岩石弹性模量30GPa，岩石泊松比0.27，岩石内摩擦角30°，岩石内聚力420MPa，水平最小主应力47MPa、水平最大主应力70MPa、垂直主应力87MPa；固井参数包括:水泥环厚度30mm，水泥环弹性模量5GPa，水泥环泊松比0.5；套管尺寸包括：套管外径127mm，套管厚度11.1mm，套管力学性能参数包括：套管弹性模量206GPa，套管泊松比0.3，套管屈服强度950MPa；垂深3889～3914m
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型，长方体沿轴向的长l取1.5m，正方形边长w取10m，建立射孔套管有限元模型，射孔套管有限元模型中的射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型中的套管的长度、内外径尺寸相同，射孔参数相同，射孔参数：孔数6、孔距62mm、相位角60°、孔径10mm；
步骤三：该射孔套管处于水平井段，计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力P0(如图5)，得到接触力P0后导入射孔套管有限元模型中的射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力；
步骤四：确定射孔套管状态检测模型，当存在两处和两处以上孔眼附近的最大等效应力超过材料屈服强度或相邻孔眼中点附近最大等效应力超过材料屈服强度时，则判定套管处于风险状态，并记为风险点；否则套管处于安全状态
步骤五：套管材料密度为7850kg/m3，设定孔眼冲蚀量为0，壁厚区间[0,0.0111]内最小壁厚为0.0101m时仍处于安全状态，即临界壁厚0.0101m；设定壁厚维持初始状态，孔眼冲蚀量区间[0,0.3618]内最大孔眼冲蚀量为0.0543kg时仍处于安全状态，临界孔眼冲蚀量0.0543kg；在壁厚区间[0.0101,0.0111]、孔眼冲蚀量区间[0,0.0543]内建立安全评价图版(如图6)，将图版中套管强度950MPa以下部分投影，阴影部分为套管安全包络区间，即在阴影区间内套管能够安全服役。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：获取地质参数和固井参数，确定下入的套管尺寸、套管力学性能参数及垂深；
步骤二：建立地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型；
步骤三：计算所述地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环-套管部分的接触力，结合射孔套管有限元模型计算射孔套管孔眼等效应力；
步骤四：建立射孔套管状态检测模型；
步骤五：绘制压裂后射孔套管安全评价图版；
步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版时依据如下规则，确定临界壁厚和临界孔眼冲蚀量：
压裂后，若射孔套管壁厚越小或孔眼冲蚀量越大，则射孔套管越容易处于风险状态；
设定孔眼冲蚀量为0，在射孔套管壁厚区间[0,D]内运用二分法寻找使得射孔套管处于安全状态的最小壁厚，此时最小壁厚为临界壁厚；
设定射孔套管壁厚为初始厚度，在孔眼冲蚀量区间[0,mmax]内运用二分法寻找使得射孔套管仍处于安全状态的最大孔眼冲蚀量，此时最大孔眼冲蚀量为临界孔眼冲蚀量，当R＝r+D时，孔眼冲蚀量达到最大；
其中，
D为射孔套管初始厚度，m；
R为冲蚀后孔眼半径，m；
r为初始孔眼半径，m；
mmax为最大孔眼冲蚀量；
每个孔眼冲蚀形貌完全相同，孔眼冲蚀量包括孔眼扩径冲蚀量以及局部壁厚冲蚀量，局部壁厚冲蚀量与孔径增加量有关计算公式如下：
m＝m1+m2
其中：
m1＝Dπ(R2-r2)ρ(R≤r+D)
式中：
m为孔眼冲蚀量，kg；
m1为孔眼扩径冲蚀量，kg；
m2为局部壁厚冲蚀量，kg；
ρ为套管材料密度kg/m3。
2.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述地质参数包括：岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石内摩擦角、岩石内聚力、水平最小主应力、水平最大主应力和垂直主应力。
3.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述固井参数包括：水泥环厚度、水泥环弹性模量和水泥环泊松比。
4.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述套管尺寸包括套管外径和套管厚度。
5.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述套管力学性能参数包括：套管弹性模量、套管泊松比和套管屈服强度。
6.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，步骤二所述地层-水泥环-套管三维有限元模型几何参数为：以套管为轴建立长方体区域，其中与套管垂直的两个对面为正方形，确定长方体沿轴向的长和正方形的边长，由外向内依次为地层、水泥环和套管，射孔套管有限元模型射孔套管与地层-水泥环-套管三维有限元模型的套管的长度、内外径尺寸和射孔参数相同。
7.根据权利要求6所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，长方体沿轴向的长为1.5～2m，正方形的边长为10～20m。
8.根据权利要求6所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述射孔参数包括：孔数、孔距、相位角和孔径。
9.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，步骤三计算地层-水泥环-套管三维有限元模型中水泥环与套管之间的接触力P0；得到接触力P0后，导入射孔套管有限元模型射孔套管外壁面作为非均匀外挤压力，进一步计算得到射孔套管有限元模型等效应力。
10.根据权利要求9所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，地层-水泥环-套管三维有限元模型和射孔套管有限元模型的建模过程还包括材料设置、网格划分、约束和载荷设定。
11.根据权利要求10所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，地层-水泥环-套管三维有限元模型的接触力P0计算过程中，载荷设定为当前垂深对应地应力，作为外载施加到地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界，当套管轴线方向与垂深方向相同时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和最小主应力；当套管轴线方向与垂深方向垂直时，在地层-水泥环-套管三维有限元模型中的地层边界施加水平最大主应力和垂直主应力，轴线方向施加水平最小主应力方向。
12.根据权利要求9所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，射孔套管有限元模型等效应力计算过程中载荷设定为接触力P0，作为射孔套管非均匀外挤压力。
13.根据权利要求1所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，步骤四中所述建立射孔套管状态检测模型包括：以孔眼处等效应力为检测依据，以套管屈服强度为检测标准建立射孔套管状态检测模型，具体如下：
当存在两处和两处以上孔眼处的最大等效应力超过材料屈服强度，
或，相邻孔眼中点处最大等效应力超过材料屈服强度时，
则判定射孔套管处于风险状态，并记为风险点；
否则射孔套管处于安全状态。
14.根据权利要求13所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，所述孔眼冲蚀量为单个孔眼冲蚀量，并且每个孔眼冲蚀形貌相同。
15.根据权利要求14所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，步骤五中绘制压裂后射孔套管安全评价图版具体包括：
以壁厚冲蚀损伤和孔眼冲蚀损伤为影响射孔套管强度的主要因素，通过离散的数据点(a,b,c)对等效应力求解，在a和b的取值区间内均匀取离散值，建立射孔套管安全评价图版；
其中，
a为壁厚，mm，取值区间为[h,D]；
b为孔眼冲蚀量，g，取值区间为[0,m0]；
c为在a和b的影响下求得的等效应力，MPa；
h为临界壁厚，mm；
m0为临界孔眼冲蚀量，g；
套管屈服强度将图版进行区分，小于屈服强度部分的投影在壁厚-孔眼冲蚀量坐标面形成包络区间，在该区间内的射孔套管壁厚与孔眼冲蚀量为安全范围，说明射孔套管安全，否则说明射孔套管已经损坏。
16.根据权利要求1-14任一项所述的考虑冲蚀的射孔套管安全性评价方法，其特征在于，建立有限元模型、求解接触力和求解等效应力是利用有限元软件ANSYS Workbench或ABAQUS实现。
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