基于ANSYS/LS-DYNA的地锚吃入地层仿真研究

黄志强，白登文

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

张强，陈治

基于ANSYS/LS-DYNA的地锚吃入地层仿真研究

黄志强，白登文

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

张强，陈治

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]地锚是稠油热采井实施预应力固井技术的必备工具，研究地锚能否顺利吃入井壁、吃入难易程度以及最佳吃入角度对于地层锚固意义重大。选用∅244mm地锚作为研究对象，利用ANSYS/LS-DYNA软件分析了地层应力分布，认识到井眼内壁等效应力最大，且随径向方向从内到外等效应力逐渐减小；模拟了不同锚爪吃入角度条件下的地层锚固情况，并通过LS-Prepost后处理软件对结果进行了分析，当吃入角为36～42°之间时最有利于锚爪吃入地层。该研究结论对于地锚结构设计和现场施工具有重要的实际意义。

[关键词]固井；地锚；地层；LS-DYNA；仿真模拟；吃入分析

预应力固井技术是指在套管下入井底后对套管施加预拉力，然后注水泥固井[1]。地锚作为实施预应力固井技术的必备工具，研究地锚能否顺利吃入井壁、吃入的难易程度以及最佳吃入角度对于地层锚固具有重要的实际意义。实践证明，地锚锚固效果与锚爪能否顺利吃入井壁有直接关系，而锚爪吃入井壁的难易程度又与井壁地层情况和锚爪吃入角度密切相关[2]。笔者主要通过ANSYS/LS-DYNA软件对锚爪吃入井壁的过程进行仿真研究，选用∅244mm地锚作为研究对象，分析了地层应力分布和不同锚爪吃入角度条件下的地层锚固情况。

1地层应力分布

1.1井壁模型的建立

考虑到地锚本体的最大外径为295mm，假设井眼最大扩大率为20%，则最大井径为413mm。利用solidworks软件建立井壁模型，井壁取1/4圆周，厚度为80mm，高度为200mm，井眼直径分别取340、350、380mm。将模型导入ANSYS分析软件，划分网格，施加载荷。井壁模型侧表面施加对称约束，井壁模型底部施加竖直方向约束，在井壁模型的上表面施加均布压强，即上覆岩压p：

p=0.00981ρh=33.8445(MPa)

式中：ρ为岩层的平均密度，近似取2.3g/cm3；h为计算处距地面的垂直高度，取1500m。

井壁模型施加围压p0：

p0=λp=23.69115(MPa)

1.2地层应力分析

无锚爪吃入地层时，井眼直径为340mm、高度为200mm的地层应力分布情况如图1～4所示。

图1　等效应力云图　　　　　　　　　　　　　　　　图2　X方向上的应力云图

图3　Y方向上的应力云图　　　　　　　　　　　　　　　图4　Z方向上的应力云图

综合不同井眼直径模型静力学分析，无锚爪吃入井壁时井壁地层的应力分布呈如下规律：①井眼内壁等效应力最大，随径向方向从内到外等效应力逐渐减小；②井眼直径对井眼内壁的应力值基本无影响；③模型高度对应力分布无影响。

2不同吃入角度对锚爪吃入地层的影响

2.1建立模型

图5　锚爪吃入地层有限元分析模型

利用solidworks软件建立锚爪吃入井壁地层的三维模型，导入ANSYS/LS-DYNA软件模拟提拉套管时锚爪吃入井壁的过程，并作如下假设：①井眼内壁光滑；②地层岩体连续、各向同性；③地锚6个爪子受力情况一致，仅对某一个锚爪进行仿真模拟。建立的模型如图5所示。

2.2仿真过程

对井壁模型施加全约束，锚爪模型受到连杆的推力作用，换算成当量力矩186N·m，并给锚爪施加100mm的强制位移[2]，假定仿真过程中锚爪和井壁之间的接触类型为侵蚀接触，以确保在模型外部的单元失效被删除后，剩下的单元依然可以考虑接触[3]。运用LS-Prepost后处理软件对求解结果进行分析，提取所需要的数据，如图6所示。

图6　锚爪吃入地层的等效应力云图

2.3结果分析

在LS-Prepost中分别提取锚爪吃入地层速度随时间变化曲线、锚爪与地层的接触反力随时间变化曲线，分别如图7～9所示。图中时间量为锚爪吃入岩石的相对时间尺度，与地锚的整体位移相对应，并不代表真正的时间[2]。

图7　井眼直径340mm，锚爪吃入角30°时的模拟曲线

对比图7(a)、图8(a)、图9(a)曲线可知，在同一井眼条件下，采用42°的锚爪初始吃入角吃入地层时速度变化幅度最大，说明大角度吃入地层时锚爪受到的地层阻力较大，导致吃入深度较小，不利于吃入地层。

对比图7(b)、图8(b)、图9(b)曲线可知，在同一井眼条件下，锚爪在吃入角为30°时的地层最大接触反力大于吃入角为36°和42°时的地层最大接触反力，说明小角度吃入地层时受到的抗力较大；另外从图线延伸趋势可以看出，在较小的吃入角度下锚爪与地层的接触反力增加较快，达到最大值后急速下降，说明井壁岩块有崩落现象，初始吃入角过小反而不利于锚固。

图8　井眼直径340mm，锚爪吃入角36°时的模拟曲线

图9　井眼直径340mm，锚爪吃入角42°时的模拟曲线

3结论

1)井眼静力学分析过程中，井眼内壁受到的等效应力最大，随径向方向从内到外等效应力逐渐减小。

2)在锚爪吃入地层的过程中，当初始吃入角较大时锚爪受到的地层阻力较大，不利于锚爪吃入地层；当初始吃入角过小时井壁岩块又容易出现崩落，经仿真分析可得当初始吃入角度为36～42°时有利于锚爪吃入地层。

[参考文献]

[1]张桂林.可复位式预应力固井地锚的设计与应用[D].北京：中国石油大学，2007.

[2]张强,董小虎,李丁,等.新型单元式固井地锚的结构设计及仿真研究[J].石油机械，2013,41(10):5～8.

[3]周波,樊啟洲,陈宝龙,等.基于ANSYS/LS-DYNA的果树剪枝动力学仿真分析[J].湖北农业科学，2012,51(13):2842～2845.

[编辑]帅群

[引著格式]黄志强，白登文，张强，等.基于ANSYS/LS-DYNA的地锚吃入地层仿真研究[J].长江大学学报(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

[作者简介]史树有(1988-)，男，硕士，工程师，现主要从事油田开发工程研究，shishuyou2011@163.com。

[基金项目]海洋石油高效开发国家重点实验室开放基金课题(CRI2012RCPS0154)。

[收稿日期]2014-06-30

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)17-0058-04

[中图分类号]TE256.1；TE925.2