一种尾管悬挂器定量安全评价方法与流程

本发明涉及高温高压深井生产，尤其涉及一种尾管悬挂器定量安全评价方法。

背景技术：

1、在井区作业时，井深对作业要求有较大影响，通常在深井作业中采用尾管悬挂固井工艺。通过尾管悬挂器实现尾管固井，减少深井一次下井的套管重量，改善下套管时钻机提升系统负荷，降低注替水泥浆流动阻力，有利于安全施工。通过尾管回接，可以解决因上层套管磨损而影响钻井作业的问题；使用尾管悬挂固井技术，还可减少套管用量，节约钻井成本。同时，对于地层压力超高(最高达153mpa)、关井压力高(最高达118mpa)的井区作业，根据高温高压井完整性设计、指南、管理规范要求，在开展试油、压裂改造等作业时，尾管悬挂器作为井屏障关键部件之一，对试油、压裂改造及井控安全具有重要影响。

2、尾管悬挂器在实际的深井、超深高温井实际井况的应用中，尤其是在复杂条件下超深尾管悬挂器固井后，其液缸实际的外壁压力问题以及其安全性分析与评价对安全生产至关重要。但目前，现场工程师或尾管悬挂器设计人员只能凭借经验估算固井后悬挂器外壁的压力，如按地层压力直接传递到液缸外壁，或者直接按盐水密度液柱压力计算其外压，导致压力计算不准确，安全性难以保证。目前尚无可借鉴的尾管悬挂器安全性评价方法，需要有针对性的开展相关研究。

3、对尾管悬挂器自身结构进行改进可以在一定程度上提高尾管悬挂器的安全性，但是由于改进的尾管悬挂器缺乏实际应用的验证，更由于缺乏对尾管悬挂器安全性的准确评价，其无法及时预测和发现尾管悬挂器的不安全状态。

4、现有技术具有如下不足之处：

5、1.技术人员凭借经验估算，缺乏尾管悬挂器安全性评价方法；

6、2.尾管悬挂器自身结构的改进无法避免缺乏尾管悬挂器安全性评价的问题，无法及时预测和发现尾管悬挂器的不安全状态。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种尾管悬挂器定量安全评价方法，包括如下步骤：建立尾管悬挂器所处位置的有限元力学实体模型，所述有限元力学实体模型从尾管悬挂器所处剖面开始向内依次为剖面地层、水泥环、技术套管、液体、液缸和中心管；技术套管包括：位于中部的液缸、液缸上部外接的回接筒以及液缸下部外接的尾管；将尾管悬挂器所处位置的有限元力学实体模型转换为有限元力学网格模型；对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度进行有限元仿真模拟；建立管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型；建立技术套管的三轴应力校核模型；采用管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型和技术套管的三轴应力校核模型对尾管悬挂器进行安全评价。本发明突破性地实现了根据地应力、井筒内压力及时定量评价尾管悬挂器的安全性，对实际生产具有指导意义。

2、本发明提供了一种尾管悬挂器定量安全评价方法，包括如下步骤：

3、建立尾管悬挂器所处位置的有限元力学实体模型，所述有限元力学实体模型从尾管悬挂器所处剖面开始向内依次为剖面地层、水泥环、技术套管、液体、液缸和中心管；技术套管包括：位于中部的液缸、液缸上部外接的回接筒以及液缸下部外接的尾管；

4、将尾管悬挂器所处位置的有限元力学实体模型转换为有限元力学网格模型；

5、在有限元力学网格模型中，对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度进行有限元仿真模拟；

6、建立有限元力学网格模型中管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型；

7、建立技术套管的三轴应力校核模型；

8、采用管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型和技术套管的三轴应力校核模型对尾管悬挂器进行安全评价。

9、优选地，对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度进行有限元仿真模拟具体包括：采用平面应变建立悬挂器液缸或回接筒外部地应力的有限元模拟计算模型，将地层最大地应力和最小地应力施加在悬挂器液缸或回接筒外部地应力的有限元模拟计算模型上。

10、优选地，对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度进行有限元仿真模拟还包括：采用平面应变建立尾管外部地应力的有限元模拟计算模型，地层最大地应力和最小地应力施加在尾管外部地应力的有限元模拟计算模型上。

11、优选地，对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度进行有限元仿真模拟还包括：计算并保存各接触界面压力分布，将最内层液缸或回接筒外壁接触面上的压力除以井深获得压力梯度数据。

12、优选地，基于建立的有限元力学网格模型，结合地应力与岩石力学参数、地层岩石、水泥环和技术套管力学参数，以及计算位置的地应力及井筒内压，得到各接触界面压力分布。

13、优选地，建立管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型，具体包括：

14、根据尾管悬挂器所处位置、地层压力、最大水平地应力梯度、最小水平地应力梯度、极限工况下管内压裂液密度和压裂破裂盘需要的油管背压，获得悬挂器所处位置的地应力及井筒和液缸内压pi；

15、在有限元力学实体模型的网格模型中对井筒和液缸内施加内压pi和地层压力pout，pout取最大水平地应力；

16、根据如下公式计算出尾管在水泥浆中的悬重t：

17、t＝(ρs-ρm)asl

18、其中，

19、ρs为钢材密度；

20、ρm为固井泥浆密度；

21、as为尾管横截面积；

22、l为尾管长度；

23、在中心管上施加相应的预拉力，预拉力根据悬重确定；

24、不断改变井筒内压力pi获得各路径上对应的接触压力；

25、获得不同工况环境下液缸外壁压力随内压变化关系以及中心管外壁压力随内压变化关系。

26、优选地，在获得不同工况环境下液缸外壁压力随内压变化关系以及中心管外壁压力随内压变化关系后，还包括如下步骤：

27、将液缸壁厚最薄的环节路径上的随内压变化的外压力求取平均值作为液缸外壁压力，得到井筒内压与液缸外壁压力po之间的关系式如下：

28、po＝0.618pi+30.5

29、得到井筒内压pi与中心管外壁压力poc之间的关系式如下：

30、poc＝0.322pi+43.6

31、在计算过程中，采用drucker-prager破坏准则判断水泥环和剖面地层岩石是否失效，表达式如下：

32、

33、式中，

34、α和k均为材料参数；

35、f为剖面地层岩石的微元强度，mpa；

36、

37、

38、i1＝σ1+σ2+σ3

39、

40、式中，

41、为材料的摩擦角；

42、c为材料的内聚力；

43、σ1、σ2、σ3分别为最大主应力、中间主应力、最小主应力；

44、i1为应力的第一不变量；

45、j2为应力偏量的第二不变量。

46、优选地，所述建立技术套管的三轴应力校核模型具体包括：

47、三轴包括：z轴、r轴和周向；z轴正向沿井筒中心向下，r轴正向沿井筒径向向外，周向为θ；

48、根据弹性力学理论中的管柱体的lame公式，建立技术套管轴向应力σz、径向应力σr和周向应力σθ计算模型如下：

49、

50、

51、

52、其中，

53、po为技术套管的外挤力(mpa)；

54、pi为技术套管的内压力(mpa)；

55、ro为技术套管外半径(mm)；

56、ri为技术套管内半径(mm)；

57、r为技术套管的任意半径(mm)；

58、δθ为技术套管任意半径r处的周向应力(mpa)；

59、δz为技术套管任意半径r处的轴向应力(mpa)；

60、δr为技术套管任意半径r处的径向应力(mpa)；

61、fa为轴向载荷(n)。

62、优选地，采用管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型和技术套管的三轴应力校核模型对尾管悬挂器进行安全评价具体包括：

63、根据管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型计算出液缸外壁压力及中心管外壁压力；

64、根据计算得到的液缸外壁压力及中心管外壁压力，采用套管任意半径r处的轴向应力σz、径向应力σr和周向应力σθ计算模型计算出技术套管的三轴应力；

65、根据三轴应力及三轴应力安全系数对尾管悬挂器进行安全性评价。

66、优选地，采用管柱外壁压力梯度随内压变化的预测模型和技术套管的三轴应力校核模型对尾管悬挂器进行安全评价具体包括：

67、根据井筒内压与液缸外壁压力po之间的关系式，计算任意给定井筒内压pi时的液缸外壁压力po；

68、根据井筒内压pi与中心管外壁压力poc之间的关系式，计算任意给定井筒内压pi时的中心管外壁压力poc；

69、采用技术套管轴向应力σz、径向应力σr和周向应力σθ计算模型计算技术套管的径向应力、周向应力和轴向应力；

70、根据第四强度理论von-mises屈服强度准则式，判断技术套管的三轴应力是否满足下式且三轴应力的安全系数s3≥1.25，如果全部满足，则尾管悬挂器处于安全状态，否则尾管悬挂器处于危险状态：

71、

72、

73、式中，

74、σvme为技术套管的三轴应力(mpa)；

75、yp为技术套管的管材屈服强度(mpa)；

76、s3为三轴应力的安全系数。

77、优选地，所述将尾管悬挂器所处位置的有限元力学实体模型转换为有限元力学网格模型，具体包括：

78、有限元力学实体模型采用8节点的单元划分结构网格，不同材料界面之间采用接触有限单元，建立5组接触对单元模型。

79、与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

80、(1)本发明采用弹塑性接触问题的有限元法理论以及其非连续介质的非线性接触问题的原理及方法，建立了超深高温高压井尾管悬挂器位置的有限元力学实体模型，并在此基础上建立了管柱外壁压力梯度随内压变化的通用预测模型，实现了根据地应力、井筒内压力及时定量评价悬挂器的安全性问题。

81、(2)本发明通过对尾管悬挂器及其回接筒外壁的压力梯度有限元仿真模拟，建立管柱外壁压力梯度随内压变化的通用预测模型，形成一套突破技术瓶颈的计算公式，方便对悬挂器液缸、回接筒及尾管进行三轴应力校核并进行安全性评价，也方便井口极限压力进行制定，为超深井尾管悬挂器规范评价提供了可靠的指导方法。