一种基于能量理论的体积压裂过程套管变形预测方法及系统与流程

本发明属于石油钻采工程，涉及一种基于能量理论的体积压裂过程套管变形预测方法及系统。

背景技术：

1、压裂技术广泛的应用于低渗透、非常规及页岩储集层的激化以提高油气采收率，其通过压裂井向地层注入高压流体诱发水力裂缝将地表与深部地层联系起来，并形成复杂的裂缝网络以极大提高储层的整体渗透率。我国现已大规模勘探开发的页岩气资源依赖水平井和体积压裂两大核心工程技术。非常规及页岩气井套管柱构成压裂和求产过程的介质输送通道，其完整性是完成储层改造过程和实现产量目标的基础保障。以我国西南部页岩气开发为例，压裂暨求产井的套管服役工况具有长水平段、大狗腿度、分段体积压裂、完井长效求产的典型苛刻服役条件特征，对套管柱完整性提出较高要求。为了保证压裂工程的储层改造效果，压裂工况不断优化，主要表现为：水平井段更长(平均长度达2000米以上)，压裂分段更多(30段左右)、分段长度更短(30-60米)、加砂强度更大(每米加砂量达到3吨)。高强度的水平井体积压裂驱动天然裂缝或层理弱面的地层滑移，加剧了以剪切和非均匀外压为主的套管变形问题。体积压裂过程套管变形控制是世界级难题，不仅困扰着我国页岩气开发(2019年某区块的页岩气井套管变形率在20％以上)，而且在国外页岩气开发中也大量存在。

2、据调研，阿根廷内乌肯盆地页岩气井套管变形率25％，加拿大duvernay页岩气井套管变形率达47％。套管的变形原因错综复杂，地质、工程和管材因素交织，受地应力、储层厚度、压裂工况、固井质量、及管材抗力等多因素耦合影响。基于地质和工程一体化的套管变形实物模拟试验方法实现难度很大，加载模式、试验载荷等不明确且不易实现，鲜有的模拟试验方法难以回答套管在井下的复杂变形问题。

3、目前套管变形预测主要通过考虑地质、固井水泥环和套管柱多物理场展开非线性力学计算，涉及岩土、水泥及钢铁多种材料，大位移大应变几何条件及多交界面复杂边界条件的多重非线性因素，其中套管变形的载荷或位移边界等条件难以定量获取，造成求解非常困难，必须采用大量简化与近似假设从而不可避免牺牲了变形预测的精度，以致于套管变形机理至今未探明，无法对套管变形进行精准预测，对套管变形机理的认识所限严重影响了对套管变形的预防与治理效果。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于能量理论的体积压裂过程套管变形预测方法及系统，对于体积压裂过程中的水利裂缝扩展和井筒变形可视为一准静态过程，通过考虑包括裂缝内流体的压力能、裂缝内流体的动能、岩石弹性变形能与表面能、裂缝内流体流动消耗摩擦能、裂缝内流体滤失消耗压力能、固井水泥环变形能与套管变形能等在内的各种能量耗散，可以计算压裂过程注入总的有效能量在产生套管变形中的消耗，然后通过金属变形过程极值功原理，计算套管不同可能变形模式下的变形程度。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种基于能量理论的体积压裂过程套管变形预测方法，包括，

4、s1.获取压裂工况参数、地质参数、水泥环参数和套管参数；

5、s2.根据s1中的地质参数、水泥环参数和套管参数预测套管变形的初始应变场，计算得到套管变形的非线性应力，从而建立套管变形的消耗能量泛函；

6、s3.根据s1中压裂工况参数计算得到体积压裂过程中的输入能量和消耗能量，建立非线性平衡方程；

7、s4.根据s2中初始应变场设置套管变形边界约束条件；

8、s5.根据s3中非线性平衡方程和s4中套管变形边界约束条件，运用n-r迭代求解，实现对套管变形预测。

9、优选的，s2中套管变形的消耗能量泛函，具体计算方法为：

10、

11、其中，为塑性变形功项，∫v(εv)2dv为罚函数项；v为套管变形体的体积；为套管变形等效应力和为套管变形等效应变；α为惩罚因子；εv为体积应变。

12、优选的，s3中输入能量包括裂缝内流体的压力能和裂缝内流体的动能。

13、优选的，s3中消耗能量包括岩石弹性变形能、岩石变形的表面能、裂缝内流体流动消耗摩擦能、裂缝内流体滤失消耗压力能和固井水泥环变形能。

14、优选的，s4中根据压裂工况参数计算得到体积压裂过程中的输入能量和消耗能量具体方法为：

15、根据压裂工况参数计算体积压裂过程中注入的总能量，根据压裂过程中注入的总能量计算输入能量和消耗能量。

16、优选的，根据压裂工况参数计算体积压裂过程中注入的总能量，具体计算方法为：

17、ein＝pinqint

18、其中，ein为压裂注入地层的总能量；pin为注入压力；qin为注入排量；t为注入时间。

19、优选的，s3中根据压裂工况参数计算得到体积压裂过程中的输入能量和消耗能量，建立非线性平衡方程，具体方法为：

20、根据得到的输入能量和消耗能量与s2中得到套管变形的消耗能量泛函，建立体积压裂过程总体能量函数；根据体积压裂过程总体能量函数建立非线性平衡方程。

21、优选的，所述s4中体积压裂过程总体能量函数，具体计算方法为：

22、l＝ep+ek-es-ef-e1-ec-π

23、其中，l为体积压裂过程总体能量函数，ep为裂缝内流体的压力能，ek为裂缝内流体具有的动能，ee为岩石弹性变形能，es岩石变形的表面能；e1裂缝内流体滤失消耗压力能，ec固井水泥环变形能，π为套管变形的消耗能量泛函。

24、优选的，s8中运用n-r迭代求解，实现对套管变形预测，具体方法为：

25、运用n-r迭代计算得到套管变形值，建立的收敛判据，对每次得到的套管变形值进行迭代收敛，输出套管变形应变场，实现对套管变形预测。

26、一种基于能量理论的体积压裂过程套管变形预测系统，包括：

27、信息获取模块，用于获取获取压裂工况参数、地质参数、水泥环参数和套管参数；

28、建立模块，用于根据地质参数、水泥环参数和套管参数预测套管变形的初始应变场，计算得到套管变形的非线性应力，从而建立套管变形的消耗能量泛函和根据压裂工况参数计算得到体积压裂过程中的输入能量和消耗能量，建立非线性平衡方程；

29、条件设置模块，用于根据初始应变场设置套管变形边界约束条件；

30、运算模块，用于根据非线性平衡方程和套管变形边界约束条件，运用n-r迭代求解，实现对套管变形预测。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

32、本发明采用基于能量理论的套管变形预测方法，将高压力、大排量的压裂液输入总能量分别归为地层、水泥环和套管各部分的能量耗散，将复杂的多物理场统筹为能量平衡系统予以考虑，避免了多界面的复杂边界条件处理。通常将压裂改造体积、裂缝网络导流能力和裂缝密度等参量用以评估体积压裂工程的改造效果，是油气建产、增产指标的重要评估依据，在本发明中将如上这些参量用以计算压裂过程中地层系统的能量耗散。通常将水泥固井质量及抗变形能力用以评估井筒完整性，在本发明中将预置及迭代边界条件下的水泥环断裂破坏演变用以计算水泥环的压缩变形吸收能量。在全局系统能量守恒的框架下，根据套管变形塑性功计算应变真实值，并得到套管变形抗力和套变最终构型。本发明通过新的途径提高对套管变形程度的预测精度，为压裂设计的优化、套管损坏预防与治理提供基本的依据。