井下工具弯曲模拟方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及石油测井领域，具体涉及一种井下工具弯曲模拟方法及装置。

背景技术

石油井在大于一定深度后其轨迹通常是弯曲的，某一段井的曲率较大时，井下工具在通过曲率井段时会受到来自井壁的强制弯曲。如图1所示，110为井下工具，120为弯曲井壁。当井段曲率较大时，且井下工具外径接近井眼直径时，井下工具会受到较大的弯曲。

在实际操作时，应考虑这一工况对井下工具强度的影响，在此工况下应该计算井下工具的最大应力值，考虑井下工具在受到弯曲时会不会被破坏而失去服役能力等。但现有技术中大多仅进行类比设计，并未对井下工具进行弯曲时的应力值、强度等计算。因此，需要一种井下工具弯曲模拟方法，以获取井下工具在弯曲井壁下的应力值。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的井下工具弯曲模拟方法及装置。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种井下工具弯曲模拟方法，方法包括：

根据预设井眼曲率以及井下工具的预设长度，计算得到弯曲井壁的半径及挠度；

根据弯曲井壁的半径、挠度以及井下工具的预设长度构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型；其中，井下工具模型与弯曲井壁模型相切构成接触面；

根据模拟模型，确定对应的模型参数，并根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，得到模拟模型的接触面的接触间隙；其中，接触间隙符合预设接触条件；模型参数包括模拟模型的过盈偏移值；其中，根据挠度设置过盈偏移值；

确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种井下工具弯曲模拟装置，其包括：

计算模块，适于根据预设井眼曲率以及井下工具的预设长度，计算得到弯曲井壁的半径及挠度；

构建模块，适于根据弯曲井壁的半径、挠度以及井下工具的预设长度构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型；其中，井下工具模型与弯曲井壁模型相切构成接触面；

静力分析模块，适于根据模拟模型，确定对应的模型参数，并根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，得到模拟模型的接触面的接触间隙；其中，接触间隙符合预设接触条件；模型参数包括模拟模型的过盈偏移值；其中，根据挠度设置过盈偏移值；

应力值模块，适于确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值。

根据本发明实施例的又一方面，提供了一种计算设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述井下工具弯曲模拟方法对应的操作。

根据本发明实施例的再一方面，提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如上述井下工具弯曲模拟方法对应的操作。

根据本发明实施例的提供的井下工具弯曲模拟方法及装置，构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型。确定模拟模型对应的模型参数，将过盈偏移量设置为挠度，根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，可以得到模拟模型的接触面的接触间隙，使得到的接触间隙符合预设接触条件，确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值，可以模拟真实的井下工具弯曲情况，得到井下工具真实情况下的等效应力值，从而可以用于对井下工具的强度校核。

上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明实施例的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明实施例的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了井下工具及弯曲井壁的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的井下工具弯曲模拟方法的流程图；

图3示出了弯曲井壁的半径及挠度示意图；

图4示出了模拟模型的示意图；

图5示出了模拟模型中各边界点位示意图；

图6示出了不同接触间隙的颜色示意图；

图7示出了不同等效应力值的颜色示意图；

图8示出了根据本发明一个实施例的井下工具弯曲模拟装置的结构示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例的一种计算设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2示出了根据本发明一个实施例的井下工具弯曲模拟方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S201，根据预设井眼曲率以及井下工具的预设长度，计算得到弯曲井壁的半径及挠度。

井眼曲率可以采用如全角变化率表示，如起点和终点每30米距离的切线夹角的变化值，采用度/30米来表示。本实施例中可以预设不同的井眼曲率，来对应不同的井中情况，根据预设井眼曲率来模拟井下工具的弯曲情况。预设井眼曲率根据可以根据预设距离的切线夹角确定，如预设距离选取30米，预设井眼曲率可以为井内30米距离时弯曲的角度。

具体的，如图3所示，其中，310为预设井眼曲率，对应预设距离的切线夹角，可以以θ表示，320为井下工具的预设长度，可以以L表示。根据预设井眼曲率θ以及井下工具的预设长度L可以计算得到弯曲井壁的半径，半径即图3中330的范围，可以以R表示，计算时可以采用如下公式：R=(360×L)/2πθ。

在计算得到弯曲井壁的半径R后，根据弯曲井壁的半径R以及预设井眼曲率θ可以计算得到挠度。如图3所示，挠度即340所指的位移，可以以ω表示，计算时可以采用如下公式：ω=R×(1-cos(θ/2))。

以上为举例说明，也可以采用其他方式计算得到，此处不做限定。

步骤S202，根据弯曲井壁的半径、挠度以及井下工具的预设长度构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型。

根据弯曲井壁的半径R、挠度ω以及井下工具的预设长度L来构建弯曲井壁模型以及井下工具模型。构建时，按照预设截面尺寸，利用如3D建模工具等构建弯曲井壁模型以及井下工具模型。预设截面尺寸可以根据实施情况设置，此处不做限定。

利用如3D建模工具将构建得到的井下工具模型与弯曲井壁模型装配在一起，使弯曲井壁模型的上侧弧面与井下工具模型的下侧相切，井下工具模型与弯曲井壁模型相切构成接触面，从而得到模拟模型。模拟模型如图4所示，410为井下工具模型，420为弯曲井壁模型。

步骤S203，根据模拟模型，确定对应的模型参数，并根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，得到模拟模型的接触面的接触间隙。

对模拟模型进行静力分析处理时，可以采用如将模拟模型导入至有限元软件中，利用如静力分析模块进行静力分析处理。在静力分析处理前，先根据模拟模型，确定其对应的各个模型参数。根据确定的模型参数进行静力分析处理，确定模拟模型的接触面的接触间隙，即确定弯曲井壁模型与井下工具模型的接触间隙。

对于模型参数，设置模拟模型的过盈偏移值，将过盈偏移值设置为挠度ω，驱动模拟模型的弯曲井壁模型向上运动，使井下工具模型弯曲，与弯曲井壁模型贴合。模型参数还可以包括一项或者多项，如模拟模型中各边界点位的位移约束参数、模拟模型的接触面的网格划分参数、模拟模型的材料参数等。具体的，位移约束参数可以根据各边界点位设置，确定模拟模型中各边界点位的位移约束参数及接触属性参数，如图5所示，包括井下工具模型的多个边界点位510、520、530、540、550，以及坐标轴，图5中示出了Y向和Z向坐标轴，X向坐标轴（图中未示出）为与Y向和Z向均垂直方向的坐标轴，坐标轴采用如笛卡尔坐标系，坐标轴两两正交。自由度包括围绕三个坐标轴的位移，包括移动位移和转动位移，即3个坐标轴的移动位移、3个坐标轴的转动位移，共6个。对各个边界点位，确定对应的远程位移、作用点、约束方向位移等，可以设置如在井下工具模型的两端，510和530设置为远程位移，510和530的作用点设置在端部截面圆心处，对于510约束如图5中Y向和Z向的位移均为0，释放其余自由度。对于530约束Z向的位移为0，释放其余自由度。对于520，设置对称面上X向的位移为0，释放其余自由度。对于540，为弯曲井壁模式的上侧，进行远程位移约束，6个自由度可以均设置为0。对于550，设置弯曲井壁模型对称面上X向的位移为0。以上为举例说明，具体根据实施情况设置，此处不做限定。进一步，还确定模拟模型的接触面的接触类型等，如弯曲井壁模型与井下工具模型的接触面为接触，接触类型为无摩擦，可以允许接触面在Y向和Z向存在较小滑动位移（较小滑动位移可以根据实施情况设置）等。模拟模型的接触面的网格划分参数用于将模拟模型的接触面进行网格划分，得到接触面的多个网格。网格尺寸大小影响最终的计算精度，若网格过小，计算时会消耗过多资源，若网格过大，可能导致静力分析失败等。网格划分可以采用多次划分，如一次网格划分后得到接触间隙若不符合预设接触条件，可以重新进行网格划分，如将网络尺寸变小，重新进行静力分析处理，以使最终得到的接触间隙符合预设接触条件。对于模拟模型的材料参数，如确定井下工具模型的材料属性参数以及弯曲井壁模型的刚度行为参数等，井下工具模型可以根据实际情况设置材料属性参数，如井下工具采用合金钢、无磁不锈钢等材料，对应的设置相关的材料属性参数，以达到井下工具模型更准确模拟井下工具的效果，弯曲井壁模型的材料可以设置为如结构钢，刚度行为设置为刚性等，以达到弯曲井壁模型更准确模拟井壁的效果。

在确定以上各个模拟参数后，对模拟模型进行静力分析处理，如由有限元软件的静力分析模块进行计算，得到模拟模型的接触面的接触间隙。判断接触间隙是否符合预设接触条件，预设接触条件包括如接触间隙与挠度的比值小于预设阈值，可以选取接触间隙的最大值，计算接触间隙的最大值与挠度ω的比值，预设阈值可以设置为如3%，若接触间隙的最大值与挠度ω的比值小于3%，则确定接触间隙符合预设接触条件，若否，则调整模型参数重新对模拟模型进行静力分析处理，直至得到模拟模型的接触面的接触间隙符合预设接触条件。调整模型参数包括如缩小网格划分参数，以缩小接触面的网格尺寸。在根据缩小的网格划分参数对网格划分，得到缩小的网格尺寸后，重新进行静力分析处理。或者，还可以修改在静力分析处理时使用的接触算法、渗透容差等，以使最终得到的接触间隙符合预设接触条件。在判断接触间隙是否符合预设接触条件时，针对井下工具模型全长来进行判断，因此，此处使用接触间隙的最大值进行计算，以保障整个井下工具模型的接触间隙符合预设接触条件。

对模拟模型进行静力分析处理，得到的接触间隙可以以第一预设颜色展示，如图6所示，不同第一预设颜色表示不同的接触间隙的数值。图6上部分使用不同第一预设颜色展示模拟模型接触面的各个接触间隙，图6下部分使用不同数值表示各个不同第一预设颜色对应不同接触间隙的数值，从左至右，不同颜色的起点对应的接触间隙的数值分别为0、-0.2、-2.1275、-4.055、-5.9825、-7.91、-9.8375、-11.765、-13.692、-15.62。其中，负数表示井下工具模型和弯曲井壁模型的接触表面远离，以上为举例说明，也可采用其他方式、数值表示，此处不做限定。

步骤S204，确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值。

在计算得到预设接触条件的接触间隙后，根据接触间隙确定对应的井下工具模型的等效应力值。等效应力值是模拟真实的井下工具弯曲情况，得到的井下工具真实情况下的等效应力值。

等效应力值以不同第二预设颜色表示，如图7所示，图7上部分展示了井下工具模型弯曲与弯曲井壁模型接触，不同第二预设颜色展示的等效应力值，图7下部分展示了不同第二预设颜色对应不同等效应力值的数值，从左至右，不同颜色的起点对应的等效应力值的数值分别为74.635、66.342、58.05、49.757、41.465、33.172、24.88、16.588、8.2951、0.002646。以上为举例说明，也可采用其他方式、数值表示，此处不做限定。

根据井下工具模型的模拟弯曲，可以对井下工具进行强度校核，查看井下工具在弯曲时是否会被破坏、失去服役能力等。井下工具受到的最大等效应力值与井下工具的材料允许的应力值进行比较，可以判断井下工具是否被破坏、或者确定井下工具的安全系数等。

根据本发明实施例提供的井下工具弯曲模拟方法，构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型。确定模拟模型对应的模型参数，将过盈偏移量设置为挠度，根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，可以得到模拟模型的接触面的接触间隙，使得到的接触间隙符合预设接触条件，确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值，可以模拟真实的井下工具弯曲情况，得到井下工具真实情况下的等效应力值，从而可以用于对井下工具的强度校核。

图8示出了本发明实施例提供的井下工具弯曲模拟装置的结构示意图。如图8所示，该装置包括：

计算模块810，适于根据预设井眼曲率以及井下工具的预设长度，计算得到弯曲井壁的半径及挠度；

构建模块820，适于根据弯曲井壁的半径、挠度以及井下工具的预设长度构建弯曲井壁模型以及井下工具模型，将井下工具模型与弯曲井壁模型装配得到模拟模型；其中，井下工具模型与弯曲井壁模型相切构成接触面；

静力分析模块830，适于根据模拟模型，确定对应的模型参数，并根据模型参数对模拟模型进行静力分析处理，得到模拟模型的接触面的接触间隙；其中，接触间隙符合预设接触条件；模型参数包括模拟模型的过盈偏移值；其中，根据挠度设置过盈偏移值；

应力值模块840，适于确定接触间隙对应的井下工具模型的等效应力值。

可选地，预设井眼曲率根据预设距离的切线夹角确定；

计算模块810进一步适于：

根据预设井眼曲率以及井下工具的预设长度计算得到弯曲井壁的半径；根据弯曲井壁的半径以及预设井眼曲率计算得到挠度。

可选地，构建模块820进一步适于：

根据弯曲井壁的半径、挠度以及井下工具的预设长度，按照预设截面尺寸，构建弯曲井壁模型以及井下工具模型。

可选地，弯曲井壁模型的上侧弧面与井下工具模型的下侧相切。

可选地，模型参数还包括以下一项或者多项：模拟模型中各边界点位的位移约束参数、模拟模型的接触面的网格划分参数、模拟模型的材料参数；

静力分析模块830进一步适于：

确定模拟模型中各边界点位的位移约束参数及接触属性参数；

根据网格划分参数将模拟模型的接触面进行网格划分，得到接触面的多个网格；

确定井下工具模型的材料属性参数以及弯曲井壁模型的刚度行为参数；

将模拟模型的过盈偏移值设置为挠度；

对模拟模型进行静力分析处理，得到模拟模型的接触面的接触间隙；

判断接触间隙是否符合预设接触条件；其中，预设接触条件包括接触间隙与挠度的比值小于预设阈值；

若否，调整模型参数重新对模拟模型进行静力分析处理，直至得到模拟模型的接触面的接触间隙符合预设接触条件；其中，调整模型参数包括缩小网格划分参数，以缩小接触面的网格尺寸。

可选地，静力分析模块830进一步适于：

确定模拟模型中边界点位的远程位移、作用点和/或约束方向位移，以及确定模拟模型的接触面的接触类型和/或过盈偏移值。

可选地，接触间隙以不同第一预设颜色表示，不同第一预设颜色对应不同接触间隙的数值；等效应力值以不同第二预设颜色表示，不同第二预设颜色对应不同等效应力值的数值。

以上各模块的描述参照方法实施例中对应的描述，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有至少一可执行指令，可执行指令可执行上述任意方法实施例中的井下工具弯曲模拟方法。

图9示出了根据本发明实施例的一种计算设备的结构示意图，本发明实施例的具体实施例并不对计算设备的具体实现做限定。

如图9所示，该计算设备可以包括：处理器902、通信接口904、存储器906、以及通信总线908。

处理器902、通信接口904、以及存储器906通过通信总线908完成相互间的通信。

通信接口904，用于与其它设备比如客户端或其它服务器等的网元通信。

处理器902，用于执行程序910，具体可以执行上述井下工具弯曲模拟方法实施例中的相关步骤。

具体地，程序910可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。

处理器902可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。计算设备包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个ASIC。

存储器906，用于存放程序910。存储器906可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatilememory），例如至少一个磁盘存储器。

程序910具体可以用于使得处理器902执行上述任意方法实施例中的井下工具弯曲模拟方法。程序910中各步骤的具体实现可以参见上述井下工具弯曲模拟实施例中的相应步骤和单元中对应的描述，在此不赘述。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程描述，在此不再赘述。

在此提供的算法或显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明实施例也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明实施例的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明实施例的较佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明实施例并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其特征在于每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器（DSP）来实现根据本发明实施例的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明实施例还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序（例如，计算机程序和计算机程序产品）。这样的实现本发明实施例的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明实施例进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明实施例可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。