CN108625828B - 预测射孔***载荷输出大小的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种预测射孔***载荷输出大小的方法及装置，该方法包括：确定影响射孔***载荷的因素；建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。该方法能够提供一种满足实际情况需要，预测不同射孔工况下射孔***载荷输出大小，大幅度提升了射孔***载荷预测的准确性，可以有效的为射孔作业设计决策提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程射孔技术领域，特别是涉及一种预测射孔***载荷输出大小的方法及装置。
背景技术
射孔是采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行***开孔让井下地层内流体进入孔眼的作业活动，普遍应用于油气田和煤田。射孔作业的目的在于使井筒与油气层之间形成通路，是油气田开采的关键环节，在射孔弹***形成射流的同时，有部分爆轰波会向井筒狭长空间内释放形成动态冲击载荷，一方面直接作用在枪管上，并通过枪管将这部分载荷传递给与之相连的减震器、油管、筛管、封隔器等其他管柱结构，引起管柱***强烈冲击振动；另一方面冲击载荷会造成管柱外环液体压力在短时间内发生剧烈的变化，以冲击波形式在射孔液中传播，瞬间造成井内液体大变形、高速剧烈运动，影响整个管柱***的结构稳定性以及局部结构强度。近年来，随着高孔密射孔器及大威力射孔弹在现场射孔中得到广泛应用，射孔段管柱受到的***载荷大幅增加，容易造成管柱失稳、屈曲断裂、封隔器解封等事故的发生，特别是对于近些年发展起来的射孔测试联作技术，使得这些问题更为突出。因此，如何准确预测不同射孔工况下***载荷输出大小，一直是射孔行业关注的焦点，对保障现场射孔作业的安全性具有重要意义。
目前国内对射孔***载荷输出大小的预测大致有两种方法，一种是经验总结法，也就是根据已射孔井的测试数据来预测未来射孔作业时***载荷输出大小的方法，这种方法当射孔工况发生变化时，预测的准确率极低；另一种方法是应用理论公式进行分析，这种方法其物理模型不能根据需要的实际情况设计，过于简单，不能保证计算结果的准确性。
发明内容
本发明实施例提供了一种预测射孔***载荷输出大小的方法，用以提升***载荷输出大小预测的精确性，该方法包括：
确定影响射孔***载荷的因素；
建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；
根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
本发明实施例还提供了一种预测射孔***载荷输出大小的装置，用以提升***载荷输出大小预测的精确性，该装置包括：
因素确定模块，用于确定影响射孔***载荷的因素；
源头确定模块，用于建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；
载荷输出计算模块，用于根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
模型建立模块，用于根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
载荷预测模块，用于根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现预测射孔***载荷输出大小的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行预测射孔***载荷输出大小的方法的计算机程序。
本发明实施例中，首先确定影响射孔***载荷的因素和射孔***载荷输出源头，然后计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，最后根据不同工况下***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷大小预测模型，并根据射孔***载荷大小预测模型预测不同射孔工况下射孔***载荷输出的大小。本发明实施例能够结合实际情况需要，预测不同射孔工况下***载荷输出大小，大幅度提升了射孔***载荷输出大小预测的准确性，进而为射孔作业设计决策提供了坚实的理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中管柱***的物理模型示意图；
图2为本发明实施例中预测射孔***载荷输出大小的方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中确定射孔***载荷输出源头的流程示意图；
图4为本发明实施例中建立射孔***载荷输出大小预测模型的流程示意图；
图5为本发明实施例中预测射孔***载荷输出大小的装置的结构示意图；
图6为本发明实施例中源头确定模块的结构示意图；
图7为本发明实施例中模型建立模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在对射孔***载荷输出大小进行预测前，首先要基于射孔的实际情况，对射孔的管柱***进行合理简化，然后根据简化后的管柱***进行预测。管柱***的简化方法如下：
现场射孔测试联作时，如图1所示，一般是采用压力起爆测试管柱，该管柱由放射性接头、测试阀、环空加压装置(包括旁通接头、传压中心管、筛管接头组成)、封隔器、减震器、油管、防沉砂缓冲装置、压力延时点火头、射孔枪等组成。其中点火头、接头和减震器等壁厚较大，屈服强度较高，而油管柱及封隔器中心杆等屈服强度要低些，最容易出现整体屈曲和断裂。在实际射孔作业中，不同的井况条件下射孔管柱长度就不同，可能数十米到上千米不等，射孔管柱上有着不同的组件，需对射孔管柱进行数值分析时必须进行简化。根据现场射孔测试联作工艺及配套工具的规范，在不影响仿真结果的前提下，对深水测试管柱结构进行合理的简化(包括射孔弹、射孔枪、筛管、减震器、油管、封隔器、套管等)，模型简化后主要包括射孔枪、油管和套管，射孔枪内除射孔弹外剩余空间充满空气，油管内、套管环空内则充满射孔液。井筒***孔管柱上端受到封隔器约束，周围受到套管的限制。
如图2所示，本发明实施例提供了一种预测射孔***载荷输出大小的方法，用以提升***载荷输出大小预测的精确性，该方法包括：
101：确定影响射孔***载荷的因素；
102：建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；
103：根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
104：根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
105：根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
一个实施例中，上述步骤101中，确定影响射孔***载荷的因素可以有多种实施方案。例如，可以根据射孔弹***经验模型确定影响射孔***载荷的因素。实施中，可以按照如下公式确定影响射孔***载荷的因素：
其中：ΔP为射孔***导致的井液变化压力；P+为射孔***后的井液压力；P0为射孔***前的初始井液压力；ρ为射孔密度，孔/m；L为射孔枪长度，m；V为射孔段有效容积，m3；n为单发装药量，g；N为***摩尔质量，g/mol；H为爆热，kJ/mol；δ为井液的气体比热率；
表示射孔***后留在井液中的能量的比例系数。
实施中，通过对上述公式展开计算，分析各个因素的影响规律，根据分析结果可知：射孔弹数量、单发装药量、管柱长度及井筒压力是影响射孔***载荷输出大小的因素。
一个实施例中，上述步骤102中，确定射孔***载荷输出源头可以有多种实施方案。例如，如图3所示，可以按如下方法确定射孔***载荷输出源头：
201：建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行六面体网格划分；
202：根据管柱***的关键位置载荷特征，在三维物理模型内选取多个参考点；
203：在划分后的三维物理模型内对多个参考点进行数值模拟计算；
204：根据数值模拟计算结果在多个参考点中确定射孔***载荷输出源头。
实施中，应当着重模型网格的细化(流体区域共节点)、材料参数的设置及状态方程的选择，同时考虑准确施加边界约束条件及采用流固耦合设定，共同保证模拟计算精确度及合理性。
一个实施例中，上述步骤201中，可以基于简化后的管柱***，应用ANSYSWORKBENCH初步建立三维物理模型，然后使用HYPERMESH对初步建立的三维物理模型进行六面体网格划分。
一个实施例中，上述步骤204中，基于数值模拟计算结果，可以确定射孔枪底部为射孔***载荷输出源头。
一个实施例中，上述步骤103中，根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，可以有多种实施方案。例如，可以根据影响射孔***载荷的因素，建立多套有限元仿真模型；对多套有限元仿真模型进行数值模拟计算，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小。实施中，可以采用控制变量法，针对5in和7in射孔枪分别建立多套不同射孔弹数量的有限元仿真模型。进行数值模拟计算时，可以使用ANSYS/LS-DYNA展开大量数值模拟计算。
一个实施例中，上述步骤104中，建立射孔***载荷输出大小预测模型，可以有多种实施方案。例如，如图4所示，可以按如下方法建立射孔***载荷输出大小预测模型：
301：根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据；
302：对不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据进行多元非线性回归，拟合得到射孔***载荷输出源头的峰值压力经验模型；
303：将射孔***载荷输出源头的峰值压力经验模型确定为射孔***载荷输出大小预测模型。
一个实施例中，上述步骤301中，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据，可以有多种实施方案。例如，可以基于不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小数据，利用后处理软件LS-PERPOST提取不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据，并建立数据库。
一个实施例中，上述步骤302中，对不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据进行多元非线性回归，拟合得到射孔***载荷输出源头的峰值压力经验模型可以有多种实施方案。例如，可以利用MATLAB软件对数据进行多元非线性回归。实施中，针对5in和7in射孔***型，基于不同工况，如射孔弹数量、单发装药量、油管长度、地层压力及井筒压力等的峰值压力数据库，分析该经验模型可以是一个包含五个未知数的非线性方程，那么影响载荷输出函数的射孔相关参数可以包括：射孔弹数量、单发装药量、油管长度、井筒压力及地层压力，该非线性方程的基本表达式形式如下：
P＝f(x1,x2,x3,x4,x5)；
其中，P为射孔***载荷输出源头的峰值压力；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m。
一个实施例中，上述步骤105中，根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同射孔工况下射孔***载荷输出的大小可以有多种实施方案。例如，可以按照如下公式进行计算：
其中，PL为射孔***载荷输出大小；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m；k、a、b、c为相关系数。
一个实施中，如表1所示，根据射孔枪(7in或者5in)的不同，k、a、b、c相关系数取值也不相同：
| k | a | b | c | |
| 5in | 1.82 | 0.185 | 0.13 | 0.14 |
| 7in | 1.87 | 0.212 | 0.134 | 0.165 |
表1
实施中，由于相关系数k、a、b、c的取值不同，5in射孔枪射孔***载荷输出大小预测模型可以为：
其中，PL'为使用5in射孔枪时射孔***载荷输出大小；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m。
7in射孔枪***载荷输出大小预测模型可以为：
其中，PL”为使用7in射孔枪时射孔***载荷输出大小；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种预测射孔***载荷输出大小的装置，如下面的实施例所述。由于预测射孔***载荷输出大小的装置解决问题的原理与预测射孔***载荷输出大小的方法相似，因此预测射孔***载荷输出大小的装置的实施可以参见预测射孔***载荷输出大小的方法的实施，重复之处不再赘述。
图5为本发明实施例中的预测射孔***载荷输出大小的装置。如图5所示，本发明实施例中的预测射孔***载荷输出大小的装置包括：
因素确定模块401，用于确定影响射孔***载荷的因素；
源头确定模块402，用于建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据分析结果确定射孔***载荷输出源头；
载荷输出计算模块403，用于根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
模型建立模块404，用于根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
载荷预测模块405，用于根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
一个实施例中，因素确定模块401进一步用于按如下公式确定影响射孔***载荷的因素：
其中：ΔP为射孔***导致的井液变化压力；P+为射孔***后的井液压力；P0为射孔***前的初始井液压力；ρ为射孔密度，孔/m；L为射孔枪长度，m；V为射孔段有效容积，m3；n为单发装药量，g；N为***摩尔质量，g/mol；H为爆热，kJ/mol；δ为井液的气体比热率；
表示射孔***后留在井液中的能量的比例系数。
一个实施例中，如图6所示，源头确定模块402包括：
划分模块501，用于建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行六面体网格划分；
参考点选取模块502，用于根据管柱***的关键位置载荷特征，在三维物理模型内选取多个参考点；
分析模块503，用于在划分后的三维物理模型内对多个参考点进行数值模拟计算；
确定模块504，用于根据数值模拟计算结果在多个参考点中确定射孔***载荷输出源头。
一个实施例中，载荷输出计算模块403进一步用于：
根据影响射孔***载荷的因素，建立多套有限元仿真模型；
对多套有限元仿真模型进行数值模拟计算，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出。
一个实施例中，如图7所示，模型建立模块404包括：
峰值压力获取模块601，用于根据不同工况下***载荷输出源头的***载荷输出，获得不同工况下***载荷输出源头的峰值压力数据；
经验模型拟合模块602，用于对不同工况下***载荷输出源头的峰值压力数据进行多元非线性回归，拟合得到***载荷输出源头的峰值压力经验模型；
预测模型确定模块603，用于将***载荷输出源头的峰值压力经验模型确定为***载荷大小预测模型。
一个实施例中，载荷预测模块403，按照如下公式进行计算：
其中，PL为射孔***载荷输出大小；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m；k、a、b、c为相关系数。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现预测射孔***载荷输出大小的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行预测射孔***载荷输出大小的方法的计算机程序。
综上所述，本发明实施例中，首先确定影响射孔***载荷的因素和射孔***载荷输出源头，然后计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，最后根据不同工况下***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷大小预测模型，并根据射孔***载荷大小预测模型预测不同射孔工况下射孔***载荷输出的大小。本发明实施例能够结合实际情况需要，预测不同射孔工况下***载荷输出大小，大幅度提升了射孔***载荷输出大小预测的准确性，进而为射孔作业设计决策提供了坚实的理论依据。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，包括：
确定影响射孔***载荷的因素；
建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；
根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
2.如权利要求1所述的预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，按如下公式确定影响射孔***载荷的因素：
其中：ΔP为射孔***导致的井液变化压力；P+为射孔***后的井液压力；P0为射孔***前的初始井液压力；ρ为射孔密度，孔/m；L为射孔枪长度，m；V为射孔段有效容积，m3；n为单发装药量，g；N为***摩尔质量，g/mol；H为爆热，kJ/mol；δ为井液的气体比热率；
表示射孔***后留在井液中的能量的比例系数。
3.如权利要求2所述的预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，所述建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头，包括：
建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行六面体网格划分；
根据管柱***的关键位置载荷特征，在三维物理模型内选取多个参考点；
在划分后的三维物理模型内对多个参考点进行数值模拟计算；
根据数值模拟计算结果在多个参考点中确定射孔***载荷输出源头。
4.如权利要求3所述的预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，所述根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，包括：
根据影响射孔***载荷的因素，建立多套有限元仿真模型；
对多套有限元仿真模型进行数值模拟计算，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小。
5.如权利要求4所述的预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，所述根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型，包括：
根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据；
对不同工况下射孔***载荷输出源头的峰值压力数据进行多元非线性回归，拟合得到射孔***载荷输出源头的峰值压力经验模型；
将射孔***载荷输出源头的峰值压力经验模型确定为射孔***载荷输出大小预测模型。
6.如权利要求1至5任一项所述的预测射孔***载荷输出大小的方法，其特征在于，所述根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同射孔工况下射孔***载荷输出的大小，按照如下公式进行计算：
其中，PL为射孔***载荷输出大小；x1为射孔弹数量，枚；x2为单发装药量，g；x3为地层压力，MPa；x4为井筒压力，MPa；x5为油管长度，m；k、a、b、c为相关系数。
7.一种预测射孔***载荷输出大小的装置，其特征在于，包括：
因素确定模块，用于确定影响射孔***载荷的因素；
源头确定模块，用于建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行数值模拟计算，根据计算结果确定射孔***载荷输出源头；
载荷输出计算模块，用于根据影响射孔***载荷的因素，计算不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小；
模型建立模块，用于根据不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出大小，建立射孔***载荷输出大小预测模型；
载荷预测模块，用于根据射孔***载荷输出大小预测模型，预测不同工况下射孔***载荷输出大小。
8.如权利要求7所述的预测射孔***载荷输出大小的装置，其特征在于，所述源头确定模块包括：
划分模块，用于建立管柱***的三维物理模型，对三维物理模型进行六面体网格划分；
参考点选取模块，用于根据管柱***的关键位置载荷特征，在三维物理模型内选取多个参考点；
分析模块，用于在划分后的三维物理模型内对多个参考点进行数值模拟计算；
确定模块，用于根据数值模拟计算结果在多个参考点中确定射孔***载荷输出源头；
所述载荷输出计算模块进一步用于：
根据影响射孔***载荷的因素，建立多套有限元仿真模型；
对多套有限元仿真模型进行数值模拟计算，获得不同工况下射孔***载荷输出源头的***载荷输出；
所述模型建立模块包括：
峰值压力获取模块，用于根据不同工况下***载荷输出源头的***载荷输出，获得不同工况下***载荷输出源头的峰值压力数据；
经验模型拟合模块，用于对不同工况下***载荷输出源头的峰值压力数据进行多元非线性回归，拟合得到***载荷输出源头的峰值压力经验模型；
预测模型确定模块，用于将***载荷输出源头的峰值压力经验模型确定为***载荷大小预测模型。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至6任一所述方法的计算机程序。
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