套管射孔多目标优化设计方法

2022-06-29康鹏飞

装备维修技术 2022年6期

康鹏飞

摘要：射孔完井已成为目前国内外各油田所使用的一种最主要的完井方法，套管射孔参数优化设计对套管稳定性和提高采收率具有重要意义。射孔孔眼转变了套管构造，使套管抗挤强度降低。当射孔套管遭受外部作用力时，套管容易发生套损，确定各射孔参数对套管抗挤强度的影响十分必要，同时射孔完井参数对油气井产能也具有很大影响。利用ABAQUS软件建立套管-水泥环-地层三维空间模型，研究各射孔参数对套管抗挤强度的影响规律。通过三维模型的模拟分析计算，开展射孔套管的正交数值试验方差分析，确定各射孔参数包括相位角、孔眼直径、孔眼密度对套管抗挤强度的影响规律和显著性。通过MATLAB软件利用nlinfit拟合函数进行回归拟合，获得射孔套管抗挤强度与射孔参数的函数关系式。结合射孔井产能计算公式，分析射孔参数对射孔油气井产能的影响，确定各射孔参数优选区间，利用正交试验法，优选各套管射孔参数，达到多目标优化的目的。

关键词：射孔参数;套管抗挤强度;射孔井产能;正交试验法;多目标优化

孔眼相位角、孔眼直径、孔眼密度、射孔深度等为套管射孔相关主要参数。孔眼相位角、孔眼密度、孔眼直径、射孔深度等这些因素对套管强度有着重要的影响，这些影响将导致套管使用寿命和后期工作的复杂性。同时孔眼相位角、孔眼密度、孔眼直径、射孔深度等这些因素对油气井的产能和生产速率也有着重要的影响，如果射孔不当可能会造成地层的损坏，造成地层出砂，油气产率降低。

1射孔套管受力分析

1.1套管射孔后三维模型建立

利用ABAQUS软件建立套管射孔后三维模型。对三维模型施加外部地应力和内部套压。射孔套管受力后云图如下：

从图1.1中可以看出射孔套管上集中应力是分布在距离最近的射孔孔眼之间，且应力集中区域呈现椭圆状。

1.2 射孔套管抗挤强度系数与射孔参数的函数关系

（1） nlinfit拟合函数

本论文采用nlinfit函数实现数據的非线性拟合，充分考虑各参数的显著性的影响，和结合有效数据，综合拟合出合理的射孔套管抗挤强度降低系数与射孔参数的函数关系。

（2）射孔套管抗挤强度降低系数与射孔参数的函数关系的获取

综合射孔参数对套管抗挤强度的影响，通过回归拟合，回归拟合程序代码见附录A。进一步结合正交试验中的显著性排序，最终得射孔套管抗挤强度降低系数与射孔参数的函数关系式：

式中，K，套管抗挤强度系数;θ为孔眼相位角，º;n为孔眼密度，个·m-1;d为孔眼直径，mm。

2射孔油气井产能计算

射孔油气井油气产能与各射孔参数的函数关系式：

式中Qw，射孔井产量，t/d;Sp，射孔表皮系数;Sd，钻井伤害表皮系数;Sdp，孔眼周围压实表皮系数;

观察射孔油气井产能计算公式可知，各射孔参数通过影响总的表皮系数St，对射孔油气井产量产生影响。

3套管射孔多目标优化设计

正交设计方法的主要思路是优选各个射孔参数水平，进行正交设计试验。根据试验结果确定各个水平条件下影响油气井产能和套管抗挤强度改变程度的因子主次，对比分析，结合各射孔参数对套管抗挤强度系数和油气井产能、出砂量等影响的分析，在求得最优射孔参数组合附近调整各射孔参数取值水平，再次进行正交设计试验，对比分析，选取各射孔参数，达到各射孔参数取值最优化。该方法可以循环使用，并且逐渐接近最优情况。

正交试验的安排、分析均是借助于正交表进行的，利用正交表安排试验，一般可分以下几个步骤。

（1）确定试验因素和水平数。

我们利用正交试验法进行参数多目标优化时，首先要却确定影响目标的各个因素，我们本文讨论的是将射孔参数，孔眼相位角、孔眼直径、孔眼密度对提高套管抗挤强度和增加油气井产能的目标进行优化。

（2）选择合适的正交水平表

通过研究各射孔参数对套管抗挤强度系数影响的函数关系式和对油气井产能影响的函数关系式，对射孔参数进行正交水平设计。

（3）进行表头设计，列出试验方案，按照方案进行试验

通过套管抗挤强度函数关系式（1.1）和油气井产能公式（2.1），再综合分析其他条件对结果的影响，得出在各个正交实验设计下套管抗挤强度系数和油气井产能的大小，如表3.1所示：

（4）再次设计射孔参数取值水平进行正交设计试验

以初次优选结果最为基准，讨论各个射孔参数对优化目标的影响主次，在各个初次优化射孔参数数值附近再次选取各射孔参数正交试验水平组合，进行正交试验设计。

参考文献

[1]唐愉拉，潘迎徳.有限元方法在射孔完井中的应用[J].石油学报，1989，10（3）：48-58.

[2]张巧学，盛祝平，李晓，等.岩石泊松比与内摩擦角的关系研究[J].岩石力学与工程学报，2011，1.