本發(fā)明公開了一種套管井口環(huán)空帶壓預防工具的設計方法及裝置，該方法包括：建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環(huán)和地層所構(gòu)成的有限元分析模型；對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關(guān)的參數(shù)進行分析，計算得到材料參數(shù)設計范圍，其中，所述材料參數(shù)設計范圍滿足氣井試壓和壓裂保持所述水泥環(huán)密封性的參數(shù)范圍；在所述材料參數(shù)設計范圍內(nèi)，設計得到套管井口環(huán)空帶壓預防工具。本發(fā)明是通過保持水泥環(huán)密封完整性，降低微環(huán)隙，實現(xiàn)了抑制氣井井口環(huán)空帶壓的目的。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及石油天然氣勘探開發(fā)技術(shù)領域，特別是涉及一種一種套管井口環(huán)空帶壓預防工具的設計方法及裝置。

背景技術(shù)

在石油天然氣勘探開發(fā)過程中，套管之間的井口環(huán)空帶壓問題日益突出。產(chǎn)生環(huán)空帶壓的因素較多，如固井膠結(jié)質(zhì)量差、壓力變化或溫度變化等，而水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞或出現(xiàn)間隙是引起環(huán)空帶壓的關(guān)鍵因素之一。當氣井有大型壓裂生產(chǎn)施工時，高壓會造成水泥環(huán)產(chǎn)生不可恢復的徑向塑性形變，即壓力卸載后，套管與水泥環(huán)的第一膠結(jié)面會出現(xiàn)環(huán)隙，從而導致氣竄和環(huán)空帶壓問題，對于高含硫氣井還可能導致嚴重的人員傷亡、環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。

目前，國內(nèi)外針對預防環(huán)空帶壓的主要研究一般可以分為兩類：一是持續(xù)改進水泥漿配方，增強彈性變形能力；二是利用以哈利伯頓WellLock樹脂材料為代表的環(huán)空封隔塞，阻止氣體上竄通道。雖然國內(nèi)學者也試圖通過有限元的方法解決上述問題，但是現(xiàn)有的研究在對套管與水泥環(huán)之間的應變協(xié)調(diào)力方面的研究進展較少，無法滿足解決井口環(huán)空帶壓問題的需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對于上述問題，本發(fā)明提供一種套管井口環(huán)空帶壓預防工具的設計方法及裝置，通過保持水泥環(huán)密封完整性，降低微環(huán)隙，實現(xiàn)了抑制氣井井口環(huán)空帶壓的目的。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種套管井口環(huán)空帶壓預防工具的設計方法，該方法包括：

建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環(huán)和地層所構(gòu)成的有限元分析模型，其中，在所述氣井中，所述涂覆材料位于所述套管和所述水泥環(huán)之間，所述水泥環(huán)位于所述涂覆材料和所述地層之間；

對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關(guān)的參數(shù)進行分析，計算得到材料參數(shù)設計范圍，其中，所述材料參數(shù)設計范圍滿足氣井試壓和壓裂保持所述水泥環(huán)密封性的參數(shù)范圍；

在所述材料參數(shù)設計范圍內(nèi)，設計得到套管井口環(huán)空帶壓預防工具。

優(yōu)選地，所述建立氣井井下的由套管、涂覆材料、水泥環(huán)和地層所構(gòu)成的有限元分析模型，包括：

根據(jù)實際采用的套管尺寸與實測井徑擴大率，建立由套管、涂覆材料、水泥環(huán)和地層所構(gòu)成的三維幾何模型；

定義所述三維幾何模型各部件的物性參數(shù)；

分別建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環(huán)以及所述水泥環(huán)和所述地層之間的接觸屬性關(guān)系，并分別確定所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環(huán)以及所述水泥環(huán)和所述地層之間的界面的初始應力；

對所述三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，獲得有限元網(wǎng)格模型；

根據(jù)所述物性參數(shù)和所述初始應力，設定所述有限元網(wǎng)格模型的邊界條件，建立所述有限元分析模型。

優(yōu)選地，所述對所述有限元分析模型中的與所述涂覆材料性能相關(guān)的參數(shù)進行分析，計算得到材料參數(shù)設計范圍，包括：

在所述有限元分析模型中對所述套管內(nèi)壁施加一預設內(nèi)壓，分別建立所述套管和所述涂覆材料、所述涂覆材料和所述水泥環(huán)以及所述水泥環(huán)和所述地層之間的接觸關(guān)系；

在所述有限元分析模型中分析所述涂覆材料的相關(guān)參數(shù)對壓裂過程中的所述套管、所述涂覆材料和所述水泥環(huán)的應力應變狀態(tài)的影響規(guī)律；