本發(fā)明涉及油氣勘探開發(fā)，是一種射孔段管柱強度安全性分析方法。

背景技術：

1、深層及超深油氣資源已成為國內油氣勘探開發(fā)增儲上產的重要接替領域，試油是石油勘探開發(fā)過程中的“臨門一腳”，超7000m深井完井試油逐漸成為新常態(tài)。射孔測試聯(lián)作是高壓超深井提高測試效率最常見的工藝，但是在高爆壓、高靜液柱壓力、高圍壓、狹長邊界下，射孔測試聯(lián)作時易發(fā)生射孔段管柱斷脫、卡鉆等事故復雜，例如新疆油田tw1、西南油氣田jt1、塔里木油田dn2-27等井在射孔時發(fā)生封隔器芯軸斷落、油管斷裂，造成嚴重的經濟損失。射孔爆轟下的射孔段管柱力學分析評價，涉及爆炸力學、流體動力學、水下爆炸理論、相變理論、流固耦合等復雜過程，國內相關學者針對射孔段管柱爆炸沖擊動態(tài)響應問題，研發(fā)了模擬測試實驗裝置，建立了射孔壓力脈動及動態(tài)沖擊載荷的理論預測方法，但在算法和設計上存在近似和假設，分析預測精度較低。

2、公開號為cn115324538a的中國專利文獻中，給出了一種油氣勘探的射孔管柱動力學系統(tǒng)與分析方法，系統(tǒng)包括油管掛、雙公短節(jié)、伸縮接頭、油管、安全接頭、封隔器、篩管、射孔槍，用來模擬與分析不同因素對射孔管柱的安全性能造成的影響。由于該系統(tǒng)是按照尺寸比例建立的相似性實驗系統(tǒng)，不能真實模擬井下高溫高壓工況，無法獲取真實的實驗數(shù)據。

3、公開號為cn116411931的中國專利文獻中，給出了測試完井管柱的射孔爆轟分析方法及裝置，由測試完井管柱幾何生成模塊、射孔爆轟分析任務創(chuàng)建模塊、射孔爆轟分析模塊、射孔爆轟分析結構模塊四部分組成。由于該裝置是按照尺寸比例進行的相似性實驗系統(tǒng)，同時分析方法中未考慮射孔爆轟瞬時射孔液回落等因素對管柱載荷的影響，也未見該成果在實際生產中使用。

4、因此，在射孔段管柱強度安全分析中，還需要研究新的方法解決傳統(tǒng)算法和設計上存在近似和假設而導致分析結果誤差大的問題，提高分析計算精度。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種射孔段管柱強度安全性分析方法，克服了上述現(xiàn)有技術之不足，其能有效解決石油勘探開發(fā)時，射孔段管柱強度安全分析現(xiàn)有傳統(tǒng)算法和設計上存在近似和假設而導致分析結果誤差大、分析計算精度不高的問題。

2、本發(fā)明的技術方案之一是通過以下措施來實現(xiàn)的：一種射孔段管柱強度安全性分析方法，按照下述方法進行：

3、首先，利用管柱動態(tài)響應模型，得到相應時間點的管柱動態(tài)響應結果，其中，管柱動態(tài)響應結果包括管柱底端軸向位移變化曲線、管柱底端軸向速度變化曲線、管柱底端軸向加速度變化和軸向載荷下封隔器處管柱等效應力變化曲線，管柱動態(tài)響應模型如下所示：

4、位移：

5、速度：

6、加速度：

7、應力：

8、其中，e為彈性模量，mpa；v為射孔液速度，m/s；c為粘滯摩阻，m2/s；1為射孔段長度，m；x為管柱某點坐標，m；t為某時刻，s；λ和β是計算常數(shù)，無量綱；

9、然后，對管柱動態(tài)響應結果進行曲線分析，結合射孔段管柱強度安全性評價標準，得到射孔段管柱強度安全性評價結果，其中，射孔段管柱強度安全性評價標準包括在軸向載荷下封隔器處管柱等效應力變化曲線中，找到最大射孔段管柱峰值應力點，則該點為距離封隔器最近的點，該點處的射孔段管柱易發(fā)生管柱振彎、振斷現(xiàn)象；

10、下面是對上述發(fā)明技術方案之一的進一步優(yōu)化或/和改進：

11、上述構建管柱動態(tài)響應模型，包括：

12、第一步，應用米海爾里遜方程和平均比熱容法，引入最大爆熱實現(xiàn)程度系數(shù)，修正爆容、爆熱和爆溫計算公式，應用最大釋能原理和kamelet法分析計算爆轟壓力和爆轟速度；

13、第二步，基于相變界面沖擊波連續(xù)性中的爆轟波參數(shù)和tait方程，建立初始沖擊波壓力分析模型，結合爆轟壓力和爆轟速度，基于初始沖擊波壓力分析模型、反射原理和經典爆炸實驗數(shù)據，分析得到直達波和反射波疊加的不同脈動階段下沖擊波壓力計算模型，如下所示：

14、

15、

16、

17、

18、

19、p(t)＝p0(t0)+p1(t1)+p2(t2)+p3(t3)+p4(t4)

20、其中，pro為0號彈反射壓力，mpa；θ為時間衰減常數(shù)，θ＝12，3μs；pai為第i號彈的反射波壓力值，mpa；

21、第三步，基于不同脈動階段下沖擊波壓力計算模型，應用振動力學懸臂梁理論，結合管柱軸向、橫向、扭動三種沖擊載荷下振動微分方程，并求各階導數(shù)后，得到管柱動態(tài)響應模型，如下所示：

22、位移：

23、速度：

24、加速度：

25、應力：

26、其中，e為彈性模量，mpa；v為射孔液速度，m/s；c為粘滯摩阻，m2/s；1為射孔段長度，m；x為管柱某點坐標，m；t為某時刻，s；λ和β是計算常數(shù)，無量綱。

27、上述第一步中，爆轟波參數(shù)的計算方法，如下所示：

28、d＝a(1+bρ)ψ1/2

29、p＝i.558ρ2ψ

30、

31、其中，p為爆轟壓力，gpa；d為爆轟速度，km/s，a＝1.01、b＝1.3；n為1kg炸藥的氣體產物摩爾數(shù)，mol/kg；ρ為炸藥密度，g/cm3；為氣體組份摩爾平均質量；qmax為最大可能爆熱值，kcal/kg。

32、上述第二步中，構建不同脈動階段下沖擊波壓力計算模型，包括：

33、s1，基于相變界面沖擊波連續(xù)性和tait方程，得到射孔液中初始沖擊波壓力計算模型，如下所示：

34、

35、其中，p為射孔液中初始沖擊波壓力，gpa；ρc為爆轟產物密度，g/cm3；為ρoc為沖擊波陣面前射孔液的密度，g/cm3；a為實驗測定參數(shù)，a＝307.7mpa；m為實驗測定參數(shù)，m＝7.15；

36、s2，依據ls-dyna分析沿軸向的爆轟壓力衰減規(guī)律，得到沖擊波壓力峰值隨爆距變化的解析表達式，如下所示：

37、pm＝p0+pxe-0.031(r-1/3r)

38、其中，pm為爆距r處的壓力峰值，gpa；px為沖擊波初始壓力，gpa；p0為射孔液的初始靜液柱壓力，mpa；r為爆距，m；r為比例距離，無綱量；

39、s3，基于反射原理，結合射孔液沖擊波在套管界面反射規(guī)律，得到射孔液中反向傳播的沖擊波壓力計算公式，如下所示：

40、pr＝pa-pb

41、其中，pr為反射沖擊波壓力，gpa；pa為某點初始沖擊波壓力，gpa；pb為反射波壓力，gpa；

42、s4，基于爆轟沖擊波會在相鄰兩彈中點附近產生傾斜碰撞并相互疊加，得到彈間沖擊波疊加壓力計算公式，如下所示：

43、pa＝0.6×2pr＝1.2pr

44、其中，pa為疊加后的沖擊波壓力，gpa；pr為單顆射孔彈爆炸產生的沖擊波壓力，gpa；

45、s5，根據爆炸沖擊波壓力脈動特征和界面反射規(guī)律，結合射孔液中初始沖擊波壓力計算模型、沖擊波壓力峰值隨爆距變化的解析表達式、射孔液中反向傳播的沖擊波壓力計算公式、彈間沖擊波疊加壓力計算公式，得到不同脈動階段下沖擊波壓力計算模型，如下所示：

46、

47、

48、

49、

50、

51、p(t)＝p0(t0)+p1(t1)+p2(t2)+p3(t3)+p4(t4)

52、其中，pro為0號彈反射壓力，mpa；θ為時間衰減常數(shù)，θ＝12.3μs；pai為第i號彈的反射波壓力值，mpa。

53、上述第三步中，構建管柱動態(tài)響應模型，包括：

54、s1，基于現(xiàn)場射孔-測試聯(lián)作管柱系統(tǒng)，結合射孔段管柱受到的軸向、橫向和扭轉三種沖擊載荷，并將封隔器處視為管柱的固定端，管柱底端自由，射孔段管柱為懸臂梁，分別建立三種載荷下動力學模型；

55、s2，由達朗貝爾原理，得到射孔段管柱軸向振動方程式，如下所示：

56、振動平衡方程：

57、振動微元方程：

58、邊界條件：

59、初始條件：

60、位移響應方程：

61、其中，為微元上的慣性力，n；為橫截面內力，n；e為管柱材料彈性模量，pa；ρ為管材密度，kg/m3；fn是橫截面的軸向力，n；a為橫截面積，m2；i為正整數(shù)；τ為時間積分變量；

62、s3，由達朗貝爾慣性原理，得到射孔段管柱橫向振動方程式，如下所示：

63、

64、其中，e為彈性模量，pa；i為慣性矩，mm4；ρ為管材密度，kg/m3；a為橫截面積/m2；y(x，t)為距原點x處截面在t時刻的橫向位移，m；f(x，t)為單位橫向載荷/n/m；

65、s4，由達朗貝爾原理，得到射孔段管柱扭矩振動方程式，如下所示：

66、

67、其中，為t時刻距原點x處管柱截面的角位移，°；g為剪切彈性模量，pa；ρ為管材密度，kg/m3；ip為截面極慣性矩，mm4；f(x，t)為單位扭轉載荷/n/m；

68、s5，對射孔段管柱軸向振動求各階導數(shù)后，得到管柱動態(tài)響應模型，如下所示：

69、位移：

70、速度：

71、加速度：

72、應力：

73、其中，e為彈性模量，mpa；v為射孔液速度，m/s；c為粘滯摩阻，m2/s；l為射孔段長度，m；x為管柱某點坐標，m；t為某時刻，s；λ和β是計算常數(shù)，無量綱。

74、本發(fā)明的技術方案之二是通過以下措施來實現(xiàn)的：一種應用射孔段管柱強度安全性分析方法的裝置，包括：

75、評價數(shù)據獲得單元，利用管柱動態(tài)響應模型，得到相應時間點的管柱動態(tài)響應結果，其中，管柱動態(tài)響應結果包括管柱底端軸向位移變化曲線、管柱底端軸向速度變化曲線、管柱底端軸向加速度變化和軸向載荷下封隔器處管柱等效應力變化曲線，管柱動態(tài)響應模型如下所示：

76、位移；

77、加速度：

78、加速度：

79、應力：

80、其中，e為彈性模量，mpa；v為射孔液速度，m/s；c為粘滯摩阻，m2/s；l為射孔段長度，m；x為管柱某點坐標，m；t為某時刻，s；λ和β是計算常數(shù)，無量綱；

81、安全性評價單元，對管柱動態(tài)響應結果進行曲線分析，結合射孔段管柱強度安全性評價標準，得到射孔段管柱強度安全性評價結果，其中，射孔段管柱強度安全性評價標準包括在軸向載荷下封隔器處管柱等效應力變化曲線中，找到最大射孔段管柱峰值應力點，，則該點為距離封隔器最近的點，該點處的管柱段易發(fā)生管柱振彎、振斷現(xiàn)象。

82、本發(fā)明在準確分析爆轟參數(shù)基礎上，基于反射原理，完善套管和射孔液界面反射參數(shù)分析方法，并通過壓力脈動計算模型,解決了現(xiàn)有淺層、低初壓、自由邊界水下爆炸理論難以解決深井、高初壓、狹長邊界下射孔液壓力脈動及油套管柱損傷問題；同時，根據管柱動態(tài)響應模型形成射孔段管柱強度安全性分析方法，提高了求解射孔爆轟問題的適應性和精度。