(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211113151.9 (22)申请日 2022.09.14 (71)申请人 东北石油大 学 地址 163000 黑龙江省大庆市高新 技术产 业开发区学府街9 9号 申请人 黑龙江省飞谱 思能源科技有限公司 (72)发明人 孙军昌　贾善坡　孟令东　钟荣　 屠坤　郑少婧　刘斌　胡冰洁　 沈润亚　 (74)专利代理 机构 黑龙江省百盾知识产权代理 事务所(普通 合伙) 23218 专利代理师 门雨晴 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于子结构的油气田井筒结构应力精 细模拟方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于子结构的油气田井 筒结构应力精细模拟方法， 在粗网格模拟中， 选 取井筒所在的单元作为母单元， 进行局部化的子 结构建模并求解， 推导了子结构的刚度矩阵和荷 载列阵， 并将子结构的刚度矩阵根据单元连接性 进行了子块划分， 使子结构既能与母 单元完全 衔 接， 又能体 现套管、 水泥环等精细结构。 本发明能 够在粗网格模拟的基础上精细的反应套管、 水泥 环处的应力， 用较低的计算量实现了较高的计算 精度。 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 CN 115455770 A 2022.12.09 CN 115455770 A 1.一种基于 子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特 征是： 包括以下步骤： 步骤1： 在油藏数值模拟的粗网格中， 提取油气井筒所在的单 元作为母体单 元； 步骤2： 对母体单元进行精细划分， 生成由套管、 水泥环逐步过渡到母单元的精细网格， 形成含套管 ‑水泥环系统的子结构； 步骤3： 建立子结构系统的单 元刚度矩阵和荷载列向量； 步骤4： 提取粗网中数值模拟的结果， 采用形函数插值法对子结构精细网格内的各单元 进行初始化； 步骤5： 对子结构开展 有限元计算， 获取精细网格内的应力、 变形及结点 位移数据； 2.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特征是： 步骤1包含以下步骤： 步骤101： 根据油气井的中心坐标(xw,yw),在粗网格中查找平面坐标包含 点(xw,yw)的单 元作为母单 元； 步骤102： 提取母单 元的8个节点 坐标(xi,yi,zi)i＝1,...,8； 步骤103： 计算母单元各个边的边长lii＝1,...,8， 取单元的特征长度 i＝ 1,...,8。 3.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特征是： 步骤2包含以下步骤： 步骤201： 设置套管的壁厚hc和套管层的单元数nc， 计算套管层的单元厚度tc＝hc/nc。 设 置水泥环的壁厚hf和水泥环层tf的单元数nf， 计算水泥环层的单 元厚度tf＝hf/nf； 步骤202： 设定 子结构内径向单 元尺寸的增长系数k， 设定环向单 元划分数m； 步骤203： 计算子结构径向划分的层数N： 步骤204： 计算自套管向外第i层单 元的径向尺寸ti和环向尺寸ri: 步骤205： 根据各层单 元的径向尺寸ti和环向尺寸ri形成子结构平面各层的精细网格； 子结构内的单元为自套管向外的辐射状网格， 内层网格较为精细可以反应套管、 水泥 环系统； 外层网格 较大， 可以和粗网格衔接 。 4.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特征是： 步骤3包含以下步骤： 步骤301： 计算子结构内各 单元的刚度矩阵[hi]； 步骤302： 根据子 结构内各单元的连接关系， 将各单元的刚度矩阵[hi]组装， 集成为子 结 构的总体刚度矩阵[H]； 步骤303： 分析子结构内节点的连接关系， 将节点划分为与母单元共享节点、 与母单元 不直接相连的内部节点以及连接共享节点与内部节点的过渡节点3 部分； 步骤304： 采用高斯 ‑约当消去法， 对总体刚度矩阵[H]进行矩阵运算， 得到刚度矩阵[H]权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115455770 A 2分块表达式： 式中第1列的子块与共享节点相对应， 称为出口刚度矩阵； 第2列与内部节点相对应， 称 为内部刚度矩阵； 第3列 与连接节点相对应你， 称为连接刚度矩阵。 5.根据权利要求1所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特征是： 步骤4包含以下步骤： 步骤401： 对子结构中的单 元Ei， 计算出其第j个积分点的坐标J(i,j)； 步骤402： 在母单元中， 根据坐标J(i,j)， 插值计算该点处的应力σ(i,j)， 压强p(i,j)， 温度T(i,j)； 步骤403： 将插值得到的应力σ(i,j)， 压强p(i,j)， 温度T(i,j)赋给单元Ei的第j个积分 点。 6.根据权利要求5所述的基于子结构的油气田井筒结构应力精细模拟方法， 其特征是： 步骤5包含以下步骤： 步骤501： 结合步骤304中的刚度矩阵[H]， 分析 单元荷载， 形成有限元 方程组： [H]{φ}＝{R} 其中{φ}为待求的位移组成的向量； 步骤502： 求解有限元 方程组， 得到各节点的位移； 步骤503： 计算子结构内各 单元的应力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115455770 A 3