基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究

黃志強，白登文

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

張強，陳治

基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究

黃志強，白登文

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

張強，陳治

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

[摘要]地錨是稠油熱采井實施預應力固井技術的必備工具，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軟件分析了地層應力分布，認識到井眼內壁等效應力最大，且隨徑向方向從內到外等效應力逐漸減小；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后處理軟件對結果進行了分析，當吃入角為36～42°之間時最有利于錨爪吃入地層。該研究結論對于地錨結構設計和現場施工具有重要的實際意義。

[關鍵詞]固井；地錨；地層；LS-DYNA；仿真模擬；吃入分析

預應力固井技術是指在套管下入井底后對套管施加預拉力，然后注水泥固井[1]。地錨作為實施預應力固井技術的必備工具，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際意義。實踐證明，地錨錨固效果與錨爪能否順利吃入井壁有直接關系，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[2]。筆者主要通過ANSYS/LS-DYNA軟件對錨爪吃入井壁的過程進行仿真研究，選用?244mm地錨作為研究對象，分析了地層應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，假設井眼最大擴大率為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。將模型導入ANSYS分析軟件，劃分網格，施加載荷。井壁模型側表面施加對稱約束，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，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地層應力分析

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

圖1　等效應力云圖　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　X方向上的應力云圖

圖3　Y方向上的應力云圖　　　　　　　　　　　　　　　圖4　Z方向上的應力云圖

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

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，導入ANSYS/LS-DYNA軟件模擬提拉套管時錨爪吃入井壁的過程，并作如下假設：①井眼內壁光滑；②地層巖體連續、各向同性；③地錨6個爪子受力情況一致，僅對某一個錨爪進行仿真模擬。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，換算成當量力矩186N·m，并給錨爪施加100mm的強制位移[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]。運用LS-Prepost后處理軟件對求解結果進行分析，提取所需要的數據，如圖6所示。

圖6　錨爪吃入地層的等效應力云圖

2.3結果分析

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

圖7　井眼直徑340mm，錨爪吃入角30°時的模擬曲線

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速度變化幅度最大，說明大角度吃入地層時錨爪受到的地層阻力較大，導致吃入深度較小，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°時的地層最大接觸反力大于吃入角為36°和42°時的地層最大接觸反力，說明小角度吃入地層時受到的抗力較大；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，達到最大值后急速下降，說明井壁巖塊有崩落現象，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°時的模擬曲線

圖9　井眼直徑340mm，錨爪吃入角42°時的模擬曲線

3結論

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

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

[參考文獻]

[1]張桂林.可復位式預應力固井地錨的設計與應用[D].北京：中國石油大學，2007.

[2]張強,董小虎,李丁,等.新型單元式固井地錨的結構設計及仿真研究[J].石油機械，2013,41(10):5～8.

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

[編輯]帥群

[引著格式]黃志強，白登文，張強，等.基于ANSYS/LS-DYNA的地錨吃入地層仿真研究[J].長江大學學報(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，現主要從事油田開發工程研究，shishuyou2011@163.com。

[基金項目]海洋石油高效開發國家重點實驗室開放基金課題(CRI2012RCPS0154)。

[收稿日期]2014-06-30

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)17-0058-04

[中圖分類號]TE256.1；TE925.2