[发明专利]井周应力计算方法及计算装置

说明书

本发明公开了一种井周应力计算方法及计算装置，其中，方法包括：建立坐标系；分别选取物理场并确定相互间的耦合关系；建立同心空心圆柱；定义材料物性；选择线性单元划分网格；施加边界条件；在地应力坐标系中，定义初始物理场；选择瞬态分析类型，以得到输出结果；在井筒坐标系中更新输出结果，输出沿径向变化的地层压力和有效应力分量。该方法能在同时考虑任意地应力、各向异性地层和多物理场耦合的情况下，精确高效地计算斜井的井周应力，可用于井壁稳定性实时分析中的应力计算。

技术领域

本发明涉及井壁稳定性分析技术领域，特别涉及一种井周应力计算方法及计算装置。

背景技术

井壁稳定性是影响钻井效率和成本的关键因素之一。井壁稳定性破坏的两种主要形式是，钻井液密度过大时导致井壁在拉应力作用下破裂，或者钻井液密度过小时导致井壁在压应力作用下坍塌，因此井壁稳定性分析的核心任务之一是在确定的钻井液密度下计算井周应力。随着页岩油气等非常规资源开采力度的加大和水平钻井技术的应用日趋广泛，在井壁稳定性分析中需考虑的因素也越来越多，包括井筒方向的变化、地应力的各向异性、地层力学性能的各向异性和多物理场耦合(应力、渗流、化学和温度等)等。因此，在井周应力计算模型中考虑多因素的影响是目前井壁稳定性分析的工程需求和发展趋势。

相关技术中，井周应力计算的方法主要有解析法和有限元法。解析法的优势是计算效率高，但大多数实际问题不存在解析解，因此，解析法的应用范围非常有限，一般只在特定问题中用于验证数值模型。在有限元法方面，二维有限元模型采用平面应变或广义平面应变假设，不能考虑实际发生的面内翘曲变形，只适用于对部分问题做定性分析；三维有限元模型为减小地应力在井壁周围产生的边界效应，模型规模一般要做的很大，因此自由度多，求解时间长，无法满足实时化井壁稳定性分析的要求。井壁稳定性分析专业软件PBORE-3D等采用伪三维有限元模型计算井周应力，有较高的计算效率和精度，但受软件既定功能的限制，在多场耦合问题的模拟中缺乏灵活性，而且涉及知识产权问题，性价比较低。此外，一般的通用商业有限元软件中不提供多物理场耦合的伪三维单元，虽然理论上用户可通过自己编写单元来解决这一问题，但自定义单元功能要受商业软件中(如在ABAQUS中)可用自由度等诸多限制，往往难以实现，并且需要较高的专业技能，一般研究者难以胜任。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种井周应力计算方法，该方法可以精确高效地计算井周应力。

本发明的另一个目的在于提出一种井周应力计算装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种井周应力计算方法，其包括以下步骤：建立井筒坐标系、材料坐标系和地应力坐标系；分别选取物理场并确定相互间的耦合关系；建立同心空心圆柱，其中，所述同心空心圆柱的对称轴与所述井筒坐标系的轴线同向；在所述材料坐标系中定义材料物性；选择线性单元划分网格，使圆柱两个端面的面网格相同；施加边界条件，其中，在圆柱外表面为远场边界条件，且根据钻井液状态确定内表面边界条件，使两个端面对应节点的相应自由度相等；在所述地应力坐标系中，定义初始物理场；选择瞬态分析类型，以得到输出结果；在所述井筒坐标系中更新所述输出结果，输出沿径向变化的地层压力和有效应力分量。

本发明实施例的井周应力计算方法，可以在同时考虑井筒方向变化、地应力各向异性、地层力学性能各向异性和多物理场耦合四个因素的情况下，使用通用有限元平台COMSOL Multiphysics计算井周应力，且模型中对边界条件的描述准确，并因只采用单层六面体单元而具有自由度少的特征，模型求解时间短，计算结果精度高，满足对井壁稳定性做实时分析的要求，并且基于COMSOL Multiphysics的通用功能定义多物理场耦合关系，便于灵活地定义和修改耦合关系，以及基于通用有限元平台COMSOL Multiphysics的常用功能，操作简单，并可方便地实现参数化建模，便于工程技术人员掌握和使用。