一種射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油射孔行業(yè)預(yù)測理論與方法技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種射孔瞬時井 液壓力的預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在射孔作業(yè)過程中，當射孔槍點火后，經(jīng)常出現(xiàn)射孔槍炸裂變形、夾層槍擠扁變 形、輸送管柱中的工具非正常開啟或損壞、封隔器自動解封，負壓射孔工藝失敗，嚴重時還 會發(fā)生減震器或射孔槍串受沖擊斷裂，造成槍串或工具串落井等嚴重復(fù)雜工程事故。造成 這些工程事故的直接原因就是射孔彈爆轟后引起的能量變化，一部分能量傳遞給井液，弓丨 起井液劇烈運動，產(chǎn)生井液壓力變化，而井液壓力的波動又會對射孔管柱的物理狀態(tài)改變 產(chǎn)生作用，進而產(chǎn)生了不同現(xiàn)象的工程事故。因此，準確預(yù)測射孔瞬時井液壓力值，有利于 射孔作業(yè)提前設(shè)計，避免工程事故發(fā)生，確保射孔作業(yè)安全。然而，射孔作業(yè)是一項復(fù)雜的 工程系統(tǒng)，具有射孔彈種類多，槍串結(jié)構(gòu)多變，射孔槍起爆后物理和化學(xué)變化復(fù)雜等特征。 如何真實揭示射孔槍起爆后的物理變化，準確預(yù)測井筒中井液運動的壓力，一直是射孔行 業(yè)關(guān)注的焦點。
[0003] 目前國內(nèi)對射孔槍起爆后引起的井液壓力預(yù)測大致有兩種方法，一種是經(jīng)驗總結(jié) 法，也就是根據(jù)已射孔井的測試壓力數(shù)據(jù)來預(yù)測未施工井的井液壓力，這種方法當井況發(fā) 生變化時，預(yù)測的準確率極低;另一種方法是應(yīng)用商業(yè)軟件建模分析，這種方法其物理模型 不能根據(jù)需要的實際情況設(shè)計，同時整個過程缺乏能量守恒驗證，不能保證計算結(jié)果的準 確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種滿足實際情況需要，實現(xiàn)射孔瞬時井液壓力隨時間變 化規(guī)律的預(yù)測，保證井液壓力預(yù)測的準確性，為射孔作業(yè)設(shè)計決策提供理論依據(jù)的射孔瞬 時井液壓力的預(yù)測方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] -種射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法，包括如下具體步驟：
[0007] Sl、建立井液壓力運動數(shù)值計算物理模型為井液一維運動物理模型；
[0008] S2、建立井液壓力傳播的運動方程組:所述運動方程組包括公式（1):速度隨時間、 位置變化的方程、公式(2):壓力隨時間、位置變化的方程、公式(3):密度隨時間、位置變化 的方程以及公式(4):井液的狀態(tài)方程；
[0009] S3、建立壓力的傳播計算運用的介質(zhì)方程:所述介質(zhì)方程包括井液介質(zhì)狀態(tài)方程， 公式(5)或(6)所示和爆炸氣體介質(zhì)狀態(tài)方程，公式(7)所示；
[0010] S4、確定數(shù)值計算的初始條件和邊界條件:所述初始條件包括井液運動的有效能 量參數(shù)、爆炸氣體的初始狀態(tài)，如公式（8)~（11)所示和井筒內(nèi)井液的初始狀態(tài)，如公式 (12)~（14)所示;所述邊界條件包括上邊界條件和下邊界條件，所述上邊界條件為以井液 頂平面做自由面，如公式（15)所示或以封隔器反射面作固壁處理，如公式（16)所示，所述下 邊界條件為以井底固壁處理，如公式(17)所示；
[0011] S5、驗證隨時間變化各數(shù)值計算是否符合總能量守恒:Ek+Ei+W = E(21)，以保證該 測試方法的有效性其中，所述Ek為全系統(tǒng)運動中單位面積的動能，所述E1為內(nèi)能，所述W為克 服井液因自重產(chǎn)生的向下運動的做功，所述E為初始時刻氣體腔中單位面積的氣體總內(nèi)能。
[0012] 為了保證計算結(jié)果的準確性，該總能量守恒驗證步驟在每步網(wǎng)格計算都要進行能 量守恒檢驗，經(jīng)過一定時長計算后，實現(xiàn)井液壓力的準確預(yù)測。
[0013] 具體地，所述步驟Sl中，建立井液壓力運動為一維不定常平面運動模型的具體步 驟如下：
[0014] (1)確定假設(shè)條件:所述假設(shè)條件包括：（i )射孔彈射孔后槍管與井筒連通并形成 環(huán)形高壓氣體腔；（ii)腔內(nèi)氣體狀態(tài)均勻且各處壓力相同；（iii)氣體與井-液交界面為一 水平平面；（iv)油管壁及井壁作固壁處理；（V)井筒內(nèi)氣體與井液的運動是一維不定常平面 運動；
[0015] (2)建立柱坐標系:取油管對稱中心軸取為z軸，向上為正。
[0016] 所述步驟S2中，所述運動方程組為：
[0018]其中，t、z為時間、空間坐標，u為速度，P為密度，p為壓力，e為比內(nèi)能，g為重力加速 度，其中，式4隨井液介質(zhì)不同而異。
[0019]所述步驟S3中，所述井液介質(zhì)狀態(tài)方程為：
[0021] 其中，Co為井液的常態(tài)聲速，Po為常態(tài)密度，η為多方指數(shù)，A和B為常數(shù)；
[0022] 公式(5)為介質(zhì)狀態(tài)方程通用公式，公式(6)為針對具體井筒與井壁之間環(huán)空中的 井液介質(zhì)狀態(tài)，其中，S為環(huán)空面積;在實際計算時可選取公式(5)和公式(6)其一進行計算。 [0023]所述爆炸氣體介質(zhì)狀態(tài)方程為：
[0024] P = f(p,e) = (k~l )pe (7)，
[0025] 其中，k為多方指數(shù)且k值隨炸藥不同而不同。
[0026]所述步驟S4中，所述初始狀態(tài)包括：
[0027]所述爆炸氣體的初始狀態(tài)方程組U = OJ1 2 Z 2 Z2):
[0029] 其中，m為槍內(nèi)裝彈總數(shù)，mj為每發(fā)彈裝藥量，ζ為內(nèi)能比率，Tl為能量份額，Q為單位 質(zhì)量炸藥能量，P為爆炸氣體密度，V a為槍內(nèi)氣體體積，Vi為環(huán)空氣體體積；
[0030] 和所述井筒內(nèi)井液的初始狀態(tài)方程組U = OJ12 Z 2 Z2):
[0032] 其中，P為井液密度，Ho為井深，H1為射孔底界，H2為射孔頂界，Z1 = Ho-H1為槍串底坐 標，Z2 = Hq-H2為槍串頂坐標；
[0033] 所述邊界條件包括上邊界條件和下邊界條件，
[0034]所述下邊界條件為以井底固壁處理為下邊界條件：
[0035] 所述上邊界條件包括兩種情況，第一種情況是以井液頂平面做自由面為上邊界條 件，即2 = 213少^213) = 0(15);第二種情況是以封隔器反射面作固壁處理為上邊界條件，即 Z = Zb時，u(t，Zb) = 0( 16);
[0036] 所述下邊界條件為以井底固壁處理為下邊界條件：即井底Z = O是下邊界，作固壁 處理，u(t，0) =0(17)。
[0037] 所述步驟S5中，所述總能量守恒公式:Ek+Ei+W=E(21)中，
[0038]所述單位面積的氣體總內(nèi)能E:
[0040]所述全系統(tǒng)運動中單位面積的動能Ek和內(nèi)能Ei之和：
[0042]所述克服井液因自重產(chǎn)生的向下運動的做功W:
[0044] 其中，R為網(wǎng)格計算中的步長，單位:ms。
[0045] 該射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法采取理論推導(dǎo)、算法實現(xiàn)和案例分析相結(jié)合的方 法。具體地，該預(yù)測方法基于射孔時物理過程分析，進行條件假設(shè)，簡化物理過程，建立了射 孔時井筒壓力場的一維模型;根據(jù)井液壓力運動具有一維不定常平面運動規(guī)律，建立井液 運動方程組，并依據(jù)具體參數(shù)計算井液壓力;在井液運動過程中，考慮到井液的狀態(tài)和推動 井液運動的氣體狀態(tài)發(fā)生變化，進行數(shù)值計算時直接將井液狀態(tài)方程和爆炸氣體的狀態(tài)方 程帶入方程組進行計算；由于井液壓力的變化的起始點是在得到井液的初始壓力和爆炸氣 體的初始壓力之后，首先對井液和爆炸氣體的初始壓力確定后再進行數(shù)值計算;此外，為了 保證計算結(jié)果的準確性，每步網(wǎng)格計算都要進行能量守恒檢驗，經(jīng)過一定時長計算后實現(xiàn) 井液壓力預(yù)測。
[0046]采用該射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法對射孔瞬時井液壓力進行預(yù)測的有益效果 為：
[0047] (1)在假設(shè)條件下，將三維運動簡化為一維，建立了井液壓力運動的一維模型，能 夠準確刻畫井液壓力的運動規(guī)律，顯示出強大的功能；
[0048] (2)建立了壓力傳播運動方程組，解決了壓力預(yù)測的數(shù)值計算問題；
[0049] (3)首先計算爆炸氣體和井液壓力的初始狀態(tài)，解決了運動方程組起始點問題求 解難題；
[0050] (4)能量守恒檢驗，解決了計算結(jié)果的準確性問題；
[0051] (5)這種物理建模，數(shù)值計算，能量守恒檢驗的井液壓力預(yù)測方法，不僅能保證井 液壓力峰值預(yù)測精度，而且得到壓力隨時間變化規(guī)律，能夠提供更多有用信息，為科學(xué)進行 射孔設(shè)計提供理論依據(jù)。
【附圖說明】
[0052]圖1是本發(fā)明射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法的物理模型；
[0053]圖2是本發(fā)明射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法的物理模型中所建立的柱坐標系的示 意圖；
[0054] 圖3是本發(fā)明射孔瞬時井液壓力的預(yù)測方法的實施例1中帶入井液運動的有效參 數(shù)并使用該預(yù)測方法進行計算后得到的壓力預(yù)測結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步的詳細描述。但不應(yīng)將 此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況 下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。
[0056] 實施例1
[0057] 如圖1~3所示，對待射孔作業(yè)井的射孔瞬時井液壓力進行預(yù)測，所述預(yù)測方法包 括如下具體步驟：
[0058] Sl、建立井液壓力運動數(shù)值計算物理模型：由于射孔槍起爆后的物理變化是復(fù)雜 的三維運動，研究的主要目的是井液的壓力變化規(guī)律，因此根據(jù)該主要目的對物理現(xiàn)象在 假設(shè)條件下進行簡化處理，確定井液的運動是一維不定常平面運動；
[0059] 該模型建立的具體步驟為：
[0060] (1)設(shè)定簡化處理的假設(shè)條件為：
[0061] (i)射孔彈射孔后槍管與井筒連通并形成環(huán)形高壓氣體腔；
[0062] (ii)腔內(nèi)氣體狀態(tài)均勻且各處壓力相同；
[0063] (i i i)氣體與井-液交界面為一水平平面；
[0064] (iv)油管壁及井壁作固壁處理；
[00