基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究

黃志強(qiáng)，白登文

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

張強(qiáng)，陳治

基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究

黃志強(qiáng)，白登文

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

張強(qiáng)，陳治

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]地錨是稠油熱采井實(shí)施預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)的必備工具，研究地錨能否順利吃入井壁、吃入難易程度以及最佳吃入角度對于地層錨固意義重大。選用?244mm地錨作為研究對象，利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析了地層應(yīng)力分布，認(rèn)識到井眼內(nèi)壁等效應(yīng)力最大，且隨徑向方向從內(nèi)到外等效應(yīng)力逐漸減小；模擬了不同錨爪吃入角度條件下的地層錨固情況，并通過LS-Prepost后處理軟件對結(jié)果進(jìn)行了分析，當(dāng)吃入角為36～42°之間時(shí)最有利于錨爪吃入地層。該研究結(jié)論對于地錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工具有重要的實(shí)際意義。

[關(guān)鍵詞]固井；地錨；地層；LS-DYNA；仿真模擬；吃入分析

預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)是指在套管下入井底后對套管施加預(yù)拉力，然后注水泥固井[1]。地錨作為實(shí)施預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)的必備工具，研究地錨能否順利吃入井壁、吃入的難易程度以及最佳吃入角度對于地層錨固具有重要的實(shí)際意義。實(shí)踐證明，地錨錨固效果與錨爪能否順利吃入井壁有直接關(guān)系，而錨爪吃入井壁的難易程度又與井壁地層情況和錨爪吃入角度密切相關(guān)[2]。筆者主要通過ANSYS/LS-DYNA軟件對錨爪吃入井壁的過程進(jìn)行仿真研究，選用?244mm地錨作為研究對象，分析了地層應(yīng)力分布和不同錨爪吃入角度條件下的地層錨固情況。

1地層應(yīng)力分布

1.1井壁模型的建立

考慮到地錨本體的最大外徑為295mm，假設(shè)井眼最大擴(kuò)大率為20%，則最大井徑為413mm。利用solidworks軟件建立井壁模型，井壁取1/4圓周，厚度為80mm，高度為200mm，井眼直徑分別取340、350、380mm。將模型導(dǎo)入ANSYS分析軟件，劃分網(wǎng)格，施加載荷。井壁模型側(cè)表面施加對稱約束，井壁模型底部施加豎直方向約束，在井壁模型的上表面施加均布壓強(qiáng)，即上覆巖壓p：

p=0.00981ρh=33.8445(MPa)

式中：ρ為巖層的平均密度，近似取2.3g/cm3；h為計(jì)算處距地面的垂直高度，取1500m。

井壁模型施加圍壓p0：

p0=λp=23.69115(MPa)

1.2地層應(yīng)力分析

無錨爪吃入地層時(shí)，井眼直徑為340mm、高度為200mm的地層應(yīng)力分布情況如圖1～4所示。

圖1　等效應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　X方向上的應(yīng)力云圖

圖3　Y方向上的應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　　　　圖4　Z方向上的應(yīng)力云圖

綜合不同井眼直徑模型靜力學(xué)分析，無錨爪吃入井壁時(shí)井壁地層的應(yīng)力分布呈如下規(guī)律：①井眼內(nèi)壁等效應(yīng)力最大，隨徑向方向從內(nèi)到外等效應(yīng)力逐漸減小；②井眼直徑對井眼內(nèi)壁的應(yīng)力值基本無影響；③模型高度對應(yīng)力分布無影響。

2不同吃入角度對錨爪吃入地層的影響

2.1建立模型

圖5　錨爪吃入地層有限元分析模型

利用solidworks軟件建立錨爪吃入井壁地層的三維模型，導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA軟件模擬提拉套管時(shí)錨爪吃入井壁的過程，并作如下假設(shè)：①井眼內(nèi)壁光滑；②地層巖體連續(xù)、各向同性；③地錨6個(gè)爪子受力情況一致，僅對某一個(gè)錨爪進(jìn)行仿真模擬。建立的模型如圖5所示。

2.2仿真過程

對井壁模型施加全約束，錨爪模型受到連桿的推力作用，換算成當(dāng)量力矩186N·m，并給錨爪施加100mm的強(qiáng)制位移[2]，假定仿真過程中錨爪和井壁之間的接觸類型為侵蝕接觸，以確保在模型外部的單元失效被刪除后，剩下的單元依然可以考慮接觸[3]。運(yùn)用LS-Prepost后處理軟件對求解結(jié)果進(jìn)行分析，提取所需要的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6　錨爪吃入地層的等效應(yīng)力云圖

2.3結(jié)果分析

在LS-Prepost中分別提取錨爪吃入地層速度隨時(shí)間變化曲線、錨爪與地層的接觸反力隨時(shí)間變化曲線，分別如圖7～9所示。圖中時(shí)間量為錨爪吃入巖石的相對時(shí)間尺度，與地錨的整體位移相對應(yīng)，并不代表真正的時(shí)間[2]。

圖7　井眼直徑340mm，錨爪吃入角30°時(shí)的模擬曲線

對比圖7(a)、圖8(a)、圖9(a)曲線可知，在同一井眼條件下，采用42°的錨爪初始吃入角吃入地層時(shí)速度變化幅度最大，說明大角度吃入地層時(shí)錨爪受到的地層阻力較大，導(dǎo)致吃入深度較小，不利于吃入地層。

對比圖7(b)、圖8(b)、圖9(b)曲線可知，在同一井眼條件下，錨爪在吃入角為30°時(shí)的地層最大接觸反力大于吃入角為36°和42°時(shí)的地層最大接觸反力，說明小角度吃入地層時(shí)受到的抗力較大；另外從圖線延伸趨勢可以看出，在較小的吃入角度下錨爪與地層的接觸反力增加較快，達(dá)到最大值后急速下降，說明井壁巖塊有崩落現(xiàn)象，初始吃入角過小反而不利于錨固。

圖8　井眼直徑340mm，錨爪吃入角36°時(shí)的模擬曲線

圖9　井眼直徑340mm，錨爪吃入角42°時(shí)的模擬曲線

3結(jié)論

1)井眼靜力學(xué)分析過程中，井眼內(nèi)壁受到的等效應(yīng)力最大，隨徑向方向從內(nèi)到外等效應(yīng)力逐漸減小。

2)在錨爪吃入地層的過程中，當(dāng)初始吃入角較大時(shí)錨爪受到的地層阻力較大，不利于錨爪吃入地層；當(dāng)初始吃入角過小時(shí)井壁巖塊又容易出現(xiàn)崩落，經(jīng)仿真分析可得當(dāng)初始吃入角度為36～42°時(shí)有利于錨爪吃入地層。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張桂林.可復(fù)位式預(yù)應(yīng)力固井地錨的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].北京：中國石油大學(xué)，2007.

[2]張強(qiáng),董小虎,李丁,等.新型單元式固井地錨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究[J].石油機(jī)械，2013,41(10):5～8.

[3]周波,樊啟洲,陳寶龍,等.基于ANSYS/LS-DYNA的果樹剪枝動力學(xué)仿真分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012,51(13):2842～2845.

[編輯]帥群

[引著格式]黃志強(qiáng)，白登文，張強(qiáng)，等.基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ,2015,12(17):58～61.

54 Application of Cementing Technology of Horizontal Wells with Lost Circulation in Well JY33HF

Wu Xueping(Author’sAddress:No.1DrillingCompany,JianghanPetroleumEngineeringCompany，SINOPEC,Qianjiang433121,Hubei,China)

Abstract:With the continuous deepening of shale gas exploration and development in Fuling Area, complex well conditions often appeared, especially the malignant lost circulation was caused in drilling the horizontal sections.At present, the application of oil-base mud plugging method has been relative less, a serious shortage of pressure-bearing ability in formation during cementation and a great challenge were induced in the cementing operation.By analyzing the technical problem in the cementation of the leaking wells, a corresponding solution to the problem was proposed.By using a new cementing tool, optimizing field operation technology and the formula of slurry, a set of technologies for cementing the horizontal wells with lost circulation were summed up.The technology is successfully used in Well JY33HF with severe lost circulation, its operation is smoothing, obvious result is obtained in application, it is indicated that the technology can be further popularized in oilfields.

Key words:shale gas; complex well; lost circulation; cementing technology; horizontal well; cementing quality

[作者簡介]史樹有(1988-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事油田開發(fā)工程研究，shishuyou2011@163.com。

[基金項(xiàng)目]海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(CRI2012RCPS0154)。

[收稿日期]2014-06-30

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)17-0058-04

[中圖分類號]TE256.1；TE925.2