不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法及装置与流程

本发明涉及油气井工程射孔
技术领域：
，特别涉及一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法及装置。
背景技术：
：射孔作业的目的在于使井筒与油气层之间形成通路，是油气田开采的关键环节。近些年来，射孔测试联作广泛应用于油气井完井试油过程中，作业时射孔枪常常结合封隔器进行联合作业，其中，封隔器连接在管柱上，在封隔器完全坐封后，射孔枪起爆时产生巨大爆轰波，有部分爆轰波会向井筒狭长空间内释放形成动态冲击载荷，一方面直接作用在枪管上，并通过枪管将这部分载荷传递给与之相连的减震器、油管、筛管、封隔器等其他管柱结构，引起管柱系统强烈冲击振动；另一方面冲击载荷会造成管柱外环液体压力在短时间内发生剧烈的变化，以冲击波形式在射孔液中传播，瞬间造成井内液体大变形、高速剧烈运动，影响整个管柱系统的结构稳定性以及局部结构强度。而封隔器作为连接在管柱上的重要部件，在这种复杂的环境很容易自动解封，导致射孔工艺失败，直接影响了射孔作业的安全性。因此，有必要针对不同射孔工况下封隔器的安全性展开研究工作。早期射孔技术研究多集中在射孔参数方面，而针对射孔爆炸冲击问题研究相对较少，随着射孔强度和井深的增加，射孔工程问题越来越多，射孔爆轰压力及其对管柱及封隔器安全影响问题逐渐引起人们的重视，但针对不同射孔工况下封隔器的安全性尚无详细的研究。技术实现要素：本发明实施例提供了一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法及装置，可以评估不同射孔工况下封隔器的安全性。本发明实施例提供了一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法，该方法包括：获取不同射孔工况下的射孔数据，所述射孔数据包括射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力和井筒压力；根据所述不同射孔工况下的射孔数据，确定射孔爆炸载荷计算模型；获取不同射孔工况下的封隔器处峰值压力；将不同射孔工况下的射孔爆炸载荷和不同射孔工况下的封隔器处峰值压力进行拟合，确定射孔冲击波衰减模型；基于射孔爆炸载荷计算模型、射孔冲击波衰减模型和射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程，确定封隔器所受冲击压力计算模型；获取实际射孔工况下的实际射孔数据，基于所述封隔器所受冲击压力计算模型，确定实际射孔工况下封隔器所受冲击压力。本发明实施例还提供了一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测装置，该装置包括：射孔数据获取模块，用于获取不同射孔工况下的射孔数据，所述射孔数据包括射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力和井筒压力；射孔爆炸载荷计算模型确定模块，用于根据所述不同射孔工况下的射孔数据，确定射孔爆炸载荷计算模型；封隔器处峰值压力获取模块，用于获取不同射孔工况下的封隔器处峰值压力；射孔冲击波衰减模型确定模块，用于将不同射孔工况下的射孔爆炸载荷和不同射孔工况下的封隔器处峰值压力进行拟合，确定射孔冲击波衰减模型；封隔器所受冲击压力计算模型确定模块，用于基于射孔爆炸载荷计算模型、射孔冲击波衰减模型和射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程，确定封隔器所受冲击压力计算模型；封隔器所受冲击压力计算模块，用于获取实际射孔工况下的实际射孔数据，基于所述封隔器所受冲击压力计算模型，确定实际射孔工况下封隔器所受冲击压力。本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法。本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法的计算机程序。在本发明实施例中，从压力变化的角度，根据冲击波衰减规律，从理论上提出了预测不同工况下射孔对封隔器冲击压力大小的方法，最终建立了可应用于现场评估不同射孔工况下封隔器安全性的计算模型。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法流程图；图2是本发明实施例提供的一种射孔管柱系统模型示意图；图3是本发明实施例提供的一种射孔管柱系统模型网格划分示意图；图4是本发明实施例提供的一种射孔冲击波在封隔器不同面的反射和折射示意图；图5是本发明实施例提供的一种不同封隔器设置距离下压力随时间变化示意图；图6是本发明实施例提供的一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测装置框图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。在本发明实施例中，提供了一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法，如图1所示，该方法包括：步骤101：获取不同射孔工况下的射孔数据，所述射孔数据包括射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力和井筒压力；步骤102：根据所述不同射孔工况下的射孔数据，确定射孔爆炸载荷计算模型；步骤103：获取不同射孔工况下的封隔器处峰值压力；步骤104：将不同射孔工况下的射孔爆炸载荷和不同射孔工况下的封隔器处峰值压力进行拟合，确定射孔冲击波衰减模型；步骤105：基于射孔爆炸载荷计算模型、射孔冲击波衰减模型和射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程，确定封隔器所受冲击压力计算模型；步骤106：获取实际射孔工况下的实际射孔数据，基于所述封隔器所受冲击压力计算模型，确定实际射孔工况下封隔器所受冲击压力。在本发明实施例中，在执行步骤101之前，还需要基于实际射孔情况，针对射孔管柱系统进行合理的简化。(1)简化原因：在实际射孔作业中，不同的井况条件下射孔管柱长度不同，可能数十米到上千米不等，射孔管柱系统上有着不同的组件(比如，点火头、接头、减震器、油管、筛管、封隔器等)，在对射孔管柱系统进行数值分析时必须进行简化。(2)简化依据：根据现场射孔工艺及配套工具的规范，射孔作业过程中对整个封隔器以下管柱系统动态响应过程进行分析并提取关键环节作为模型。由于点火头、接头和减震器等壁厚较大，屈服强度较高，简化时可以忽略，而油管柱及封隔器中心杆等屈服强度要低些，最容易出现整体屈曲和断裂，需要重点考虑，不能忽略；(3)简化模型：在不影响仿真结果的前提下，对管柱系统结构进行合理的简化(包括射孔弹、射孔枪、筛管、减震器、油管、封隔器、套管等)，模型简化后主要包括射孔枪、油管和套管，射孔枪内除弹药外剩余空间充满空气，油管内、环空内则充满射孔液。井筒内射孔管柱上端受到封隔器约束，周围受到套管的限制。另外，还要对地层条件进行简化，简化为只考虑地层压力。在本发明实施例中，步骤102按照如下方式实现：(1)基于上述简化的测试管柱系统，在建立多套有限元仿真模型时，对不同参数的选择采用控制变量法，即针对某个参数研究时，其他参数保持不变。以钢级n80油管进行建模，屈服强度为552mpa，杨氏模量206gpa，剪切模量79.4gpa，泊松比0.3，密度7846kg/m3；变量参数主要为：射孔枪型号、射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力和井筒压力等，其中5"(5寸)射孔枪模型中，射孔弹数量120、150、180、210、234变化，单发装药量25、30、37、45g变化，油管长度6、10、14、20米变化，井筒压力58、54、50、46、42mpa，地层压力40、50、60、70mpa，射孔枪长度、井底口袋长度、射孔相位等参数保持不变；7"(7寸)射孔枪模型中，射孔弹数量162、198、234、276变化，单发装药量37、45、53、61g变化，油管长度6、10、14、20米变化，井筒压力58、54、50、46、42mpa，地层压力40、50、60、70mpa，射孔枪长度、井底口袋长度、射孔相位等参数保持不变。有限元仿真的射孔管柱系统模型示意图如图2所示。(2)采用hypermesh对有限元仿真的射孔管柱系统模型进行了网格划分，如图3所示。为了节省仿真计算时间，在保证计算精度的前提下，增大了网格尺度，使网格平均间距在4～5mm之间。同时，为保证流体物质流动及能量在各部分网格之间有效传递，则必须保证各部分材料在相接界面上的网格共节点，并且又要保证各部分材料结构自身的界面形状，整个计算模型共1162724个节点、1050895个单元。最终完整的仿真模型是以k文件的形式输入到ls-dyna程序中进行计算的。(3)针对上述建立的多套仿真模型，利用ansys/ls-dyna模块展开大量数值模拟计算，而后利用高级有限元前后处理软件ls-prepost提取不同射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力及井筒压力的射孔爆炸载荷数据并建立相应的数据库，利用matlab软件针对建立的数据库进行多元非线性回归，拟合得到不同射孔工况下爆炸载荷输出大小经验公式(即射孔爆炸载荷计算模型)：其中，pl为射孔爆炸载荷峰值压力(未经过反射和投射的)，mpa；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，mpa；x4为井筒压力，mpa；x5为油管长度，m；k、a、b、c为拟合相关系数。其中，针对5in(英寸)及7in射孔枪，k、a、b、c的数值如下表1所示：表1kabc5in1.820.1850.130.147in1.870.2120.1340.165上述数学模型仅作为预测方法的一种举例，本方法不仅限于该表达式。因此该数学模型不应视为本发明的限制。在本发明实施例中，步骤103按照如下方式实现：(1)针对某一射孔工况，设置封隔器到射孔枪顶部的距离分别为10，15…30…55，60米；(2)基于数值模拟结果，利用高级有限元前后处理软件ls-prepost提取该射孔工况下压力随时间变化数据，如图4所示。从图4中可以得到压力峰值点，进而得到封隔器处峰值压力；(3)然后针对不同的射孔工况，同样设置封隔器到射孔枪顶部的距离分别为10，15…30…55，60米，然后基于数值模拟结果，利用高级有限元前后处理软件ls-prepost提取不同射孔工况压力随时间变化数据，然后找出峰值点，进而得到不同射孔工况下的封隔器处峰值压力(有多个数值)。在本发明实施例中，步骤104按照如下方式实现：(1)基于水下爆炸试验，当装药在水介质中发生爆炸时，装药本身体积内形成高温高压的爆轰产物,其压力远大于周围介质的静压力，产生水中冲击波和气泡脉动。在通常情况下，水中的冲击波和反射波的传播可以近似看作符合声学理论的规律，即冲击波传播的衰减服从于指数衰减。(2)借鉴水下爆炸模型，将不同射孔工况下的射孔爆炸载荷和不同射孔工况下的封隔器处峰值压力进行拟合，可以拟合得到射孔冲击波衰减公式(即射孔冲击波衰减模型)：pr＝pl×e-αr；其中，pr为封隔器处峰值压力，mpa；pl为射孔爆炸载荷峰值压力，mpa；α为拟合所得的衰减系数；r是封隔器安全设置距离，m。在本发明实施例中，步骤105按照如下方式实现：(1)由于封隔器置于液体介质中，因此存在两个界面(如图5所示，接触面ⅰ和接触面ⅱ)，而射孔冲击波在井筒液体中传播时，遇到封隔器会发生反射和透射，封隔器所受冲击压力会发生变化。(2)根据射孔冲击波反射和透射定律，可以确定射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程：其中，p为反射及透射后射孔冲击波对封隔器冲击压力；pf为反射压力；pt为透射压力；(ρc)p为常态下橡胶制封隔器的冲击阻抗；(ρc)f为常态下水介质的冲击阻抗；pr为封隔器处峰值压力，mpa。由此可得，封隔器对压力的反射会使压力增加。(3)基于射孔爆炸载荷计算模型、射孔冲击波衰减模型和射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程，确定封隔器所受冲击压力计算模型：其中，pr为封隔器处峰值压力，mpa；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，mpa；x4为井筒压力，mpa；x5为油管长度，m；r是封隔器安全设置距离，m；a、a、b、c为拟合相关系数；α为拟合所得的衰减系数。结合现场实际射孔情况，根据上述建立的不同射孔工况下封隔器所受冲击压力计算模型，即可简单快速地计算预测不同射孔工况下封隔器所受射孔冲击力大小。基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测装置，如下面的实施例所述。由于不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测装置解决问题的原理与不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法相似，因此…装置的实施可以参见不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图6是本发明实施例的不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测装置结构框图，如图6所示，包括：射孔数据获取模块601，用于获取不同射孔工况下的射孔数据，所述射孔数据包括射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力和井筒压力；射孔爆炸载荷计算模型确定模块602，用于根据所述不同射孔工况下的射孔数据，确定射孔爆炸载荷计算模型；封隔器处峰值压力获取模块603，用于获取不同射孔工况下的封隔器处峰值压力；射孔冲击波衰减模型确定模块604，用于将不同射孔工况下的射孔爆炸载荷和不同射孔工况下的封隔器处峰值压力进行拟合，确定射孔冲击波衰减模型；封隔器所受冲击压力计算模型确定模块605，用于基于射孔爆炸载荷计算模型、射孔冲击波衰减模型和射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程，确定封隔器所受冲击压力计算模型；封隔器所受冲击压力计算模块606，用于获取实际射孔工况下的实际射孔数据，基于所述封隔器所受冲击压力计算模型，确定实际射孔工况下封隔器所受冲击压力。下面对该结构进行说明。在本发明实施例中，所述射孔爆炸载荷计算模型如下：其中，pl为射孔爆炸载荷峰值压力，mpa；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，mpa；x4为井筒压力，mpa；x5为油管长度，m；k、a、b、c为拟合相关系数。在本发明实施例中，所述射孔冲击波衰减模型如下：pr＝pl×e-αr；其中，pr为封隔器处峰值压力，mpa；pl为射孔爆炸载荷峰值压力，mpa；α为拟合所得的衰减系数；r是封隔器安全设置距离，m。在本发明实施例中，所述射孔冲击波对封隔器冲击压力变化方程如下：其中，p为反射及透射后射孔冲击波对封隔器冲击压力；pf为反射压力；pt为透射压力；(ρc)p为常态下橡胶制封隔器的冲击阻抗；(ρc)f为常态下水介质的冲击阻抗；pr为封隔器处峰值压力，mpa。在本发明实施例中，所述封隔器所受冲击压力计算模型如下：其中，pr为封隔器处峰值压力，mpa；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，mpa；x4为井筒压力，mpa；x5为油管长度，m；r是封隔器安全设置距离，m；a、a、b、c为拟合相关系数；α为拟合所得的衰减系数。本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法。本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述所述不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法的计算机程序。综上所述，本发明提出的不同工况下射孔对封隔器冲击压力预测方法及装置，从压力变化的角度，根据冲击波衰减规律，从理论上提出了预测不同工况下射孔对封隔器冲击压力大小的方法，最终建立了可应用于现场评估不同射孔工况下封隔器安全性的计算模型。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。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，本发明实施例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，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12