一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法及装置

摘要

本发明涉及一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法及装置，该方法包括：获取井下射孔系统的实际射孔工况；根据实际射孔工况，简化井下射孔系统；根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型；根据模型参数，确定三维计算模型的至少一个材料区域，并确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型；根据网格计算模型，针对至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应；根据完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析。本发明能够将油气井实际射孔动态冲击过程呈现出来，可以方便灵活地获取在井下不同位置处局部或者整体的动力学数据。

说明书

技术领域

本发明涉及石油行业射孔技术领域，尤其涉及一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法及装置。

背景技术

射孔技术是石油开采过程中的关键步骤之一，而油气井射孔领域又属于多学科交叉。射孔冲击载荷是一个多形式动态载荷的耦合体，包含周期载荷、阶跃载荷、随机载荷等，形成过程还会涉及到复杂的叠加耦合效应。目前而言，想要准确求取射孔工况下动态载荷的理论解析解是非常困难的，采用相关的理论方法展开研究具有很大的局限性。因此，目前采用理论方法很难全面分析井下射孔动态冲击过程。同时，采用实验方法分析此类问题也不易实现，室内采用真实射孔弹药的实验方法会消耗大量人力物力，且存在较高安全风险，而且现有的测量技术难以捕捉到真实物理现象及全面采集动态数据。现有技术是利用非线性动力学有限元仿真计算，借助有限元仿真手段研究井下射孔问题是众多研究人员的首选方案。

然而，井下射孔爆炸冲击涉及多方面物理化学过程，数值建模及网格划分极为复杂。一方面，在此过程中存在较大的工作量和计算量，但如果进行较大的简化无法全面准确反映井下真实的射孔冲击动态过程；另一方面，类似的冲击动态问题求解难度较大，数值模拟过程面临如何多方面数据求解的难题。因此，有必要综合运用多学科知识，针对井下实际射孔条件，形成一套有效、合理、准确的油气井射孔动态冲击过程的数值模拟方法。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法，用以解决如何合理高效地模拟油气井射孔动态冲击过程的问题。

本发明提供一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法，包括：

获取井下射孔系统的实际射孔工况；

根据所述实际射孔工况，简化所述井下射孔系统；

根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型；

根据所述模型参数，确定所述三维计算模型的至少一个材料区域，并根据所述至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型；

根据所述网格计算模型，针对所述至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应，形成完整仿真模型；

根据所述完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析。

进一步地，所述根据所述实际射孔工况，简化所述井下射孔系统包括：

根据所述实际射孔工况，建立射孔物理过程；

根据所述射孔物理过程和预设的关注重点条件，选取建模出发点和材料分类。

进一步地，所述根据所述射孔物理过程和预设的关注重点条件，选取建模出发点和材料分类包括：

根据所述射孔物理过程和所述关注重点条件，选取所述井下射孔系统的射孔管柱、封隔器作为所述建模出发点；

根据所述射孔物理过程和所述关注重点条件，将所述井下射孔系统的管柱结构及管柱部件作为各向同性管柱材料，将所述井下射孔系统的水泥或储层作为各向同性材料。

进一步地，所述三维计算模型包括油管段、射孔段以及井底口袋段，所述模型参数包括器材参数、管柱尺寸、作业环境参数以及建模材料参数，所述根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型包括：

根据所述简化后的井下射孔系统及实际作业现场，确定所述射孔段的所述器材参数、所述油管段的所述管柱尺寸和所述作业环境参数；

根据所述简化后的井下射孔系统及所述实际作业现场，确定所述油管段和所述射孔段的所述建模材料参数。

进一步地，所述至少一个材料区域包括射枪孔、套管、油管、射孔液体、射孔弹药、空气、水泥环和地层岩石，其中，所述油管段包括所述套管、所述油管，所述射孔段包括所述射枪孔、所述射孔液体以及所述射孔弹药，所述井底口袋段包括水泥环和地层岩石。

进一步地，所述根据所述至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型包括：

针对所述射孔枪、所述油管及所述套管，采用拉格朗日算法建立网格模型；

针对所述射孔弹药、所述空气以及所述射孔液体，采用欧拉算法建立网格模型；

其中，所述三维计算模型采用六面体网格，并对所述射孔弹药对应的区域进行网格加密。

进一步地，所述根据所述至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型还包括：采用ALE算法描述射孔爆炸过程中的大变形问题，准确描述计算过程中的流固耦合现象。

进一步地，所述根据所述网格计算模型，针对所述至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应，形成完整仿真模型包括：

所述射孔炸药采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，应用JWL状态方程描述对应的动态响应过程；

所述射孔流体采用MAT_NULL材料模型，应用Gruneisen状态方程描述对应的动态响应过程；

所述射孔枪、所述油管及所述套管采用Cowper-Symonds材料模型；

所述水泥环和地层岩石采用Holmquist-Johnson-Cook材料模型。

进一步地，所述根据所述完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析包括：

根据k文件形式的所述有限元模型，分别采用关键字进行定义炸药起爆点和炸药起爆时间、流固耦合、网格单元算法、计算时间和时间步，以进行模拟运算；

根据所述模拟运算结果，绘制对应于不同时刻、不同位置处的射孔动态压力分布云图；

根据设置的结构块、单元或节点，提取对应的动态力学数据，结合所述射孔动态压力分布云图，综合模拟分析油气井射孔动态冲击过程。

本发明还提供一种油气井射孔动态冲击过程的模拟装置，包括：

获取单元，用于获取井下射孔系统的实际射孔工况；

处理单元，用于根据所述实际射孔工况，简化所述井下射孔系统；还用于根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型；

还用于根据所述模型参数，确定所述三维计算模型的至少一个材料区域，并根据所述至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型；还用于根据所述网格计算模型，针对所述至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应，形成完整仿真模型；

分析单元，用于根据所述完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，根据油气井实际射孔作业工况，全面正确认识射孔物理过程，做出合理假设用以简化复杂多变的射孔动态爆炸问题；然后，基于简化后的井下射孔系统，根据现场实际工作场景设置对应的模型参数(如射孔器材参数、管柱尺寸及作业环境参数)，有效创建三维计算模型；接着，基于建立的三维计算模型，对于不同的材料区域，采用不同的算法建立射孔过程对应的网格模型，确保计算的速度和精度，同时选用不同的响应模型方程进行动态响应，保证对动态响应过程的模拟准确性；进而，对于完整仿真模型，通过导入有限元分析软件展开数值模拟计算，并针对求解过程进行定义，从而根据仿真结果进行综合分析，有效完成井下射孔动态冲击过程的数值模拟分析。综上，本发明依据实际作业过程，对模型的数据进行了合理的简化，并针对不同的材料区域选取不同的网格划分和材料参数，以此形成不同位置的局部或整体的动力学数据，结合有限元分析，能够高效地将油气井实际射孔动态冲击过程呈现出来，为深入研究油气井射孔动态问题提供了有效的研究手段，节约了实验成本。

附图说明

图1为本发明提供的油气井射孔动态冲击过程的模拟方法的流程示意图；

图2为本发明提供的简化井下射孔系统的流程示意图；

图3为本发明提供的选取建模出发点和材料分类的流程示意图；

图4为本发明提供的建立三维计算模型的流程示意图；

图5为本发明提供的简化后的井下射孔系统的结构示意图；

图6为本发明提供的建立网格计算模型的流程示意图；

图7为本发明提供的网格计算模型网格的横截面示意图；

图8为本发明提供的综合分析的流程示意图；

图9为本发明提供的射孔动态压力分布云图的示意图；

图10为本发明提供的结合动态力学数据和射孔动态压力分布云图的分析数据示意图；

图11为本发明提供的油气井射孔动态冲击过程的模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法，结合图1来看，图1为本发明提供的油气井射孔动态冲击过程的模拟方法的流程示意图，上述油气井射孔动态冲击过程的模拟方法包括步骤S1至步骤S6，其中：

在步骤S1中，获取井下射孔系统的实际射孔工况；

在步骤S2中，根据实际射孔工况，简化井下射孔系统；

在步骤S3中，根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型；

在步骤S4中，根据模型参数，确定三维计算模型的至少一个材料区域，并根据至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型；

在步骤S5中，根据网格计算模型，针对至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应，形成完整仿真模型；

在步骤S6中，根据完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析。

在本发明实施例中，首先，根据油气井实际射孔作业工况，全面正确认识射孔物理过程，做出合理假设用以简化复杂多变的射孔动态爆炸问题；然后，基于简化后的井下射孔系统，根据现场实际工作场景设置对应的模型参数(如射孔器材参数、管柱尺寸及作业环境参数)，有效创建三维计算模型；接着，基于建立的三维计算模型，对于不同的材料区域，采用不同的算法建立射孔过程对应的网格模型，确保计算的速度和精度，同时选用不同的响应模型方程进行动态响应，保证对动态响应过程的模拟准确性；进而，对于完整仿真模型，通过导入有限元分析软件展开数值模拟计算，并针对求解过程进行定义，从而根据仿真结果进行综合分析，有效完成井下射孔动态冲击过程的数值模拟分析。

优选地，结合图2来看，图2为本发明提供的简化井下射孔系统的流程示意图，上述步骤S2包括步骤S21至步骤S22，其中：

在步骤S21中，根据实际射孔工况，建立射孔物理过程；

在步骤S22中，根据射孔物理过程和预设的关注重点条件，选取建模出发点和材料分类。

作为具体实施例，本发明实施例根据实际射孔工况，充分了解整个现象发生过程，做出合理的假设及适当简化问题，以此建立模拟现场的射孔物理过程，针对性的提取井下射孔系统中的关注重点条件(现场作业过程中关注的重点)，以便简化模型，进行下一步模拟计算分析。

需要说明的是，油气井射孔问题往往复杂多变，现场实际射孔过程包含多种复杂物理和化学变化，在分析此类工程问题时，需要充分了解整个现象发生过程，做出合理的假设、判断作业过程的关注重点及适当简化问题，保证仿真的快速和准确。

优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的选取建模出发点和材料分类的流程示意图，上述步骤S22包括步骤S221至步骤S222，其中：

在步骤S221中，根据射孔物理过程和关注重点条件，选取井下射孔系统的射孔管柱、封隔器作为建模出发点；

在步骤S222中，根据射孔物理过程和关注重点条件，将井下射孔系统的管柱结构及管柱部件作为各向同性管柱材料，将井下射孔系统的水泥或储层作为各向同性材料。

作为具体实施例，本发明实施例基于射孔物理过程和关注重点条件，确定建模出发点，以便后续模型建立的准确性，同时，基于不同部位的材质特性，区分各向同性管柱材料和各向同性材料，以此有效反馈材料的不同构成。

需要说明的是，井下射孔系统由众多部件构成，包括射孔枪、安全枪、点火头、油管、各种接头、减震器以及封隔器等组成。相对而言，接头及减震器壁厚较大，屈服强度较高，而油管、封隔器材料屈服强度较低，易出现安全问题，同时，基于现场关注的重点，射孔爆炸冲击作用下管柱及封隔器的响应是数值建模的出发点。井下射孔系统虽然结构复杂，但各部件之间通过接头等连接件串联为一个整体，可视为完整的射孔管柱结构体。假设射孔系统上的管柱结构及部件为各向同性管柱材料，忽略水泥或储层的非均质性，将其视为各向同性材料。

优选地，三维计算模型包括油管段、射孔段以及井底口袋段，模型参数包括器材参数、管柱尺寸、作业环境参数以及建模材料参数，结合图4来看，图4为本发明提供的建立三维计算模型的流程示意图，上述步骤S3包括步骤S31至步骤S32，其中：

在步骤S31中，根据简化后的井下射孔系统及实际作业现场，确定射孔段的器材参数、油管段的管柱尺寸和作业环境参数；

在步骤S32中，根据简化后的井下射孔系统及实际作业现场，确定油管段和射孔段的建模材料参数。

作为具体实施例，本发明实施例根据简化后的井下射孔系统确定不同的模型参数，结合了器材、尺寸、环境、材料等多方面因素，以便完整仿真模型的有效建立。

优选地，结合图5来看，图5为本发明提供的简化后的井下射孔系统的结构示意图，上述至少一个材料区域包括射枪孔、套管、油管、射孔液体、射孔弹药、空气、水泥环和地层岩石，其中，油管段包括套管、油管，射孔段包括射枪孔、射孔液体以及射孔弹药，井底口袋段包括水泥环和地层岩石。作为具体实施例，本发明实施例提供的简化后的井下射孔系统，充分对整个射孔工况进行了模拟，并进行了合理的简化，保证了仿真分析的快速性和高效性。

需要说明的是，基于现场油管输送射孔工艺及配套标准，针对井下射孔系统进行合理简化，分为油管段、射孔段及井底口袋段三部分，由射孔枪、油管、井筒液体、套管以及储层构成。多发射孔装药以一定相位分布在射孔枪内，枪内剩余空间充满空气，油套环空空间和管内填满井筒液体。射孔管柱顶部以封隔器为约束、底部以井底为约束、四周以套管为约束。基于上述简化的井下射孔系统，根据现场实际射孔器材参数、管柱尺寸及作业环境参数，采用建模软件创建井下射孔三维计算模型。

在本发明一个具体的实施例中，针对射枪孔、套管、油管，射孔枪的钢材采用32CrMo4、油管及套管的钢材采用钢级N80，参考API标准，具体建模参数如下表1所示：

表1

优选地，结合图6来看，图6为本发明提供的建立网格计算模型的流程示意图，上述步骤S4包括步骤S41至步骤S42，其中：

在步骤S41中，针对射孔枪、油管及套管，采用拉格朗日算法建立网格模型；

在步骤S42中，针对射孔弹药、空气以及射孔液体，采用欧拉算法建立网格模型；其中，三维计算模型采用六面体网格，并对射孔弹药对应的区域进行网格加密。

作为具体实施例，本发明实施例采用自适应网格方法，在不同材料区域不断自动调整计算过程中的网格，结合不同材料区域的特征，以此形成完整仿真模型，实现计算的高精度和高效率。

需要说明的是，井下射孔爆炸过程属于流体动力学问题，采用自适应网格方法，在不同区域不断自动调整计算过程中的网格，如大变形区域细化、平缓区域变得稀疏等，以期保证计算的高精度和高效率。

在本发明一个具体的实施例中，建模材料包括射孔弹、空气、射孔枪、射孔液、油管、套管以及地层，其中射孔枪、油管及套管采用拉格朗日算法建立网格模型；射孔弹药、空气以及液体采用欧拉算法建立网格模型。由于射孔爆炸具有高度非线性的性质，模型整体采用六面体网格，并对装药区域进行网格加密。模型网格划分时的关键点在流体区域网格的建立，在不同区域界面上需要采用共节点保证计算过程的有效传递。

在本发明一个具体的实施例中，结合图7来看，图7为本发明提供的网格计算模型网格的横截面示意图，网格尺寸大小直接影响着数值模拟计算速度和精度，经过多次试算，模型网格平均间距在2.5mm-3.5mm之间，模型一共包含约160万个节点，150万个单元。

优选地，上述步骤S4还包括：采用ALE算法描述射孔爆炸过程中的大变形问题，准确描述计算过程中的流固耦合现象。作为具体实施例，本发明实施例通过采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法来描述射孔爆炸过程中的大变形问题，可以准确描述计算过程中的流固耦合现象。

优选地，上述步骤S5具体包括：

射孔炸药采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，应用JWL状态方程描述对应的动态响应过程；

射孔流体采用MAT_NULL材料模型，应用Gruneisen状态方程描述对应的动态响应过程；

射孔枪、油管及套管采用Cowper-Symonds材料模型；

水泥环和地层岩石采用Holmquist-Johnson-Cook材料模型。

作为具体实施例，本发明实施例对于不同的材料区域，选取不同的材料模型建立，同时利用不同的状态方程，准确描述不同材料区域的动态响应过程，达到高效准确的仿真目的。

需要说明的是，HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、MAT_NULL材料模型、Cowper-Symonds材料模型以及Holmquist-Johnson-Cook材料模型均属于最优选择，结合了不同材料区域的特征。射孔炸药和射孔流体存在动态响应过程，因而也结合两者的动力学特征，选择不同的状态方程进行描述。

优选地，结合图8来看，图8为本发明提供的综合分析的流程示意图，上述步骤S6包括步骤S61至步骤S63，其中：

在步骤S61中，根据k文件形式的有限元模型，分别采用关键字进行定义炸药起爆点和炸药起爆时间、流固耦合、网格单元算法、计算时间和时间步，以进行模拟运算；

在步骤S62中，根据模拟运算结果，绘制对应于不同时刻、不同位置处的射孔动态压力分布云图；

在步骤S63中，根据设置的结构块、单元或节点，提取对应的动态力学数据，结合射孔动态压力分布云图，综合模拟分析油气井射孔动态冲击过程。

作为具体实施例，本发明实施例利用有限元分析软件，定义了炸药的起爆点和起爆时间、流体区域材料网格之间相互流动、流固耦合接触、网格单元算法、计算时间和时间步，以此对整个油气井射孔动态冲击过程进行仿真，并利用仿真结果，结合动态力学数据和射孔动态压力分布云图，详细完备地分析油气井射孔动态冲击过程，大大减小了实验成本。

在本发明一个具体的实施例中，结合图9来看，图9为本发明提供的射孔动态压力分布云图的示意图，其中，射孔过程中井筒内环空液体压力形成分布云图，单位制为cm-g-μs，压力单位制为105Mpa。

在本发明一个具体的实施例中，结合图10来看，图10为本发明提供的结合动态力学数据和射孔动态压力分布云图的分析数据示意图，其中，按照结构块、单元或节点可以提取动态力学数据，结合射孔动态压力分布云图，形成完整的分析数据，完成模拟分析油气井射孔动态冲击过程。

实施例2

本发明实施例提供了一种油气井射孔动态冲击过程的模拟装置，结合图11来看，图11为本发明提供的油气井射孔动态冲击过程的模拟装置的结构示意图，上述油气井射孔动态冲击过程的模拟装置1100包括：

获取单元1101，用于获取井下射孔系统的实际射孔工况；

处理单元1102，用于根据实际射孔工况，简化井下射孔系统；还用于根据简化后的井下射孔系统，设置射孔过程中的模型参数，建立三维计算模型；还用于根据模型参数，确定三维计算模型的至少一个材料区域，并根据至少一个材料区域，确定对应的描述算法进行网格划分，形成网格计算模型；还用于根据网格计算模型，针对至少一个材料区域，选用不同的响应模型方程进行动态响应，形成完整仿真模型；

分析单元1103，用于根据完整仿真模型，导入有限元分析模型中的数值以进行模拟运算，并针对模拟运算结果进行综合分析。

本发明公开了一种油气井射孔动态冲击过程的模拟方法及装置，首先，根据油气井实际射孔作业工况，全面正确认识射孔物理过程，做出合理假设用以简化复杂多变的射孔动态爆炸问题；然后，基于简化后的井下射孔系统，根据现场实际工作场景设置对应的模型参数(如射孔器材参数、管柱尺寸及作业环境参数)，有效创建三维计算模型；接着，基于建立的三维计算模型，对于不同的材料区域，采用不同的算法建立射孔过程对应的网格模型，确保计算的速度和精度，同时选用不同的响应模型方程进行动态响应，保证对动态响应过程的模拟准确性；进而，对于完整仿真模型，通过导入有限元分析软件展开数值模拟计算，并针对求解过程进行定义，从而根据仿真结果进行综合分析，有效完成井下射孔动态冲击过程的数值模拟分析。

本发明技术方案，对模型的数据进行了合理的简化，并针对不同的材料区域选取不同的网格划分和材料参数，以此形成不同位置的局部或整体的动力学数据，结合有限元分析，能够高效地将油气井实际射孔动态冲击过程呈现出来，为深入研究油气井射孔动态问题提供了有效的研究手段，节约了实验成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。