ABAQUS软件在油气井工程中的应用及分析

不管是在油气的勘探阶段，还是在开发阶段，油气井工程都是其中不可或缺的一个重要环节。油气井工程的投资花费巨大，钻完井工程所占的投资费用也往往超过油田总投资费用的一半以上。如何有效降低投资成本，减少安全事故的发生，提高设备及工具的可靠性，已经成为油气井工程研究的重要课题。随着计算机技术的飞速发展，以及有限元方法的广泛运用，通用有限元软件ABAQUS已广泛运用于各种复杂工况和问题的分析。油气井工程所面临的实际工况通常十分复杂，其非线性问题的求解往往依赖于ABAQUS这样的大型工程模拟软件。

不论是地质探井，还是生产井，钻井、固井、完井都是油气井工程的3个主要流程。近年来，随着非常规油气资源以及海上油气资源的大量开发，钻完井工程所面临的作业条件更加恶劣，只通过现场试验来解决工程问题已经远远不够。有限元仿真作为一种虚拟实验方式，能够针对油气井工程的各个环节进行模拟，为工程建设提供有益的指导。同时，计算机仿真硬件成本较低，且具有灵活便捷的特点，能够进行许多根本无法开展的现场试验研究，在油气井工程的分析和评价中具有不可替代的作用。

ABAQUS作为非线性领域功能最强的商用有限元软件之一，近20a来已经广泛应用于油气井工程分析的各个环节中：地面以上有井架与钻井动力系统、循环净化系统、后勤安全保障系统等，地面以下有钻头、钻柱、下部钻具组合、导向系统以及套管等。针对地层结构的各向异性和钻柱结构的受力复杂性，以及井身结构和钻进方式的多样性，ABAQUS软件均可以进行单个零部件或者系统级的模拟分析。

1 油气井工程仿真流程及特点

应用ABAQUS软件进行建模及分析的基本流程如图1所示。图中白色矩形框为建模求解的基本流程，按黑色箭头方向建模进行常规分析或优化分析。绿色矩形框为软件自带功能模块，能够实现与虚线相连矩形框中的操作，其中几何模型的建立、材料属性的赋值、边界条件及载荷的加载、模型网格的划分是比较核心的操作步骤。黄色矩形框为第三方软件的接入，这些第三方软件不仅包括CAD软件和网格划分软件，还包括Python，Fortran等功能强大的编程语言。该流程适用于后面介绍的所有油气井工程建模分析案列。作为一款优秀的通用有限元软件，ABAQUS为模型的二次开发预留了巨大的操作空间，为算法的优选以及求解器的编写提供了巨大便利。油气井工程中所有的计算模型理论上都可以通过子程序或二次开发集成于ABAQUS软件的建模分析过程中去。

运用ABAQUS对单个部件或系统进行模拟的过程，也是ABAQUS软件不断完善和发展的过程。发展至今，高版本的ABAQUS软件已经具有了以下特点：

1）软件的前处理能力比较强大，几何模型接口丰富，基本支持所有主流CAD软件模型的导入。

2）软件的多物理场耦合功能强大，能够采用直接耦合、间接耦合、顺序耦合等方式进行流固耦合、热固耦合、热电耦合等多物理场分析。

3）软件独具优化设计模块和敏感性分析模块，包括拓扑优化以及形状优化2种优化方式，能够极大提高工具或设备的设计效率。

4）软件所提供的子程序接口丰富，二次开发功能强大，可以作为理论研究，特别是各类计算模型研究的重要平台。

2 陆地钻井工程中的应用

钻井工程不仅包括通过压力使钻头牙齿吃入岩石中的钻进过程，还包括上部钻柱以及钻具组合的运动及受力，当然也包括井架、底座等地面设备的结构响应。陆地钻井工程所涉及的工况种类繁多，这里主要选取代表性的工况进行软件应用的分析。海洋钻井、固井、完井工程同上。

2.1 钻进过程

要对钻头旋转破岩的钻进过程进行准确模拟，首先必须建立合理的地层有限元模型。依托ABAQUS强大的多物理场耦合能力，地层模型不仅可以有效模拟各种原始地应力场分布，还能模拟地层温度场和渗流场的分布，这些功能在完井工程的地层建模中也有用到。目标地层中如果要采用其他数学模型，可通过MATLAB等平台建模，再调用ABAQUS内核进行迭代计算。这和ABAQUS采用Fortran，C语言编写用户子程序是一个相反的调用关系。

ABAQUS中有着丰富的强度破坏准则和屈服准则作为选择，Mohr-Coulomb剪切破坏准则和Hill屈服准则是破岩仿真中比较常用的2种准则。通过合理的简化（忽略循环介质影响）和假设（假设地层为干硬地层），不管是PDC钻头还是牙轮钻头，不管是全尺寸钻头模型，还是单个或者多个钻头切削齿，都能求解得到钻头与地层作用的一般规律，图2为PDC钻头破岩的全尺寸有限元网格模型。在钻头破岩模型的基础上，还可以扩展为钻铤-钻头-地层模型，进行钻铤与井壁碰撞接触分析以及钻铤位移、扭矩分析。地层倾角的存在会导致不同程度的井斜，ABAQUS模拟出的钻井井斜规律已经可以用于纠正钻头的偏移量。除了钻头，振荡冲击器同样具有破岩钻进的功能，ABAQUS也能模拟其破碎岩石的3个阶段，帮助优选工作频率。

2.2 钻井工具及设备

ABAQUS自带无缝导入CAD模型的功能，再加上其结构优化模块和Design模块，充分扩展了软件在钻井工具及设备结构分析和优化设计中的作用。软件能够分析螺杆钻具的推力轴承载荷情况和服役情况，改进其结构设计；能够用于验证和推导连续油管正弦屈曲公式，得到入井初始形态；能够结合现场活塞头断裂情况，改进现有的大井径液压式扩眼器，优选施工作业技术参数；能够对非金属桥塞镶齿卡瓦的锚定过程进行弹塑性有限元分析，优化结构从而避免局部应力集中。钻柱接头和套管的相互作用会造成套管的磨损，基于套管磨损试验机得到的磨损系数，采用ABAQUS特有的自适应网格技术能够准确地模拟钻进过程中套管的局部偏磨过程。

钻铤和钻杆螺纹接头是ABAQUS力学行为研究的重点对象，不论是偏梯形螺纹还是圆螺纹，不论是API还是非API螺纹，不论是承受拉压载荷还是弯矩扭矩，通过合理的假设（如忽略材料各向异性）以及模型简化（如采用轴对称模型），都能得到接触压力、最大主应变等特性参数。图3为进行轴对称简化后得到的钻铤螺纹接头Mises应力计算结果。井架悬挂的钻具组合各异，钻进方式多样，导致井架作用载荷存在许多不确定性，利用ABAQUS进行模态分析研究井架结构的固有特性，利用随机响应分析、反应谱分析等确定井架的动载荷响应。这些分析方法都能合理预测井架的极限承载能力，为井架的安全作业提供可靠依据。

除了上述常规的静力学和动力学分析，钻杆、接头等设备的裂缝扩展过程也是一个具有重要价值的研究方向。扩展有限元方法（XFEM）的提出，为裂缝扩展这样的不连续问题提供了一条很好的解决途径。国内油气井工程对于这方面的研究尚处于起步阶段，其基本原理是利用“单元分解”特性来确定刚度矩阵，裂缝独立于计算网格，采用水平集法（LSM）确定裂缝位置和跟踪其扩展过程。通过基于ABAQUS的扩展有限元方法来研究钻杆、接头的裂缝扩展过程，能得到一些有价值的裂缝扩展规律和失效评价准则。

3 海洋钻井工程中的应用

与陆地钻井相比，海洋钻井工程存在其特殊性。ABAQUS能够对各种特殊载荷进行转化和加载，用于模拟各型海洋钻井设备所承受的浮力、惯性力、风载、流荷等。针对钻井平台或平台浮箱裂纹损伤和断裂参量的研究，是判断设备整体使用寿命的重要依据，但是采用扩展有限元对这些设备裂缝扩展进行分析的案例还比较少。

软件多样的接触方法，也为深水钻井导管的承载能力分析提供了更加合理的方式，如利用非线性弹簧模型模拟土壤对导管的作用力。ABAQUS的瞬态耦合功能在用于海洋钻井绞车时，其通用求解器中的接触算法能得到合理的制动盘温度场分布。Design模块能预测设计变化对结构响应的敏感度，可以大量运520用于设备的设计调整。例如对钻井平台悬臂梁进行参量敏感性分析时，齿条宽度、压力角等一系列参数的敏感度都能进行预测。

4 固井工程中的应用

固井属于一次性工程，事后补救困难，且固井质量的好坏会直接影响油气井的使用寿命。评价固井质量的好坏，其实质也就是评价套管、水泥环、地层间的接触关系和胶结强度。利用岩心和水泥环三轴试验可以得到材料的胶结强度，将其中的抗压强度、内聚力、内摩擦角等材料参数写入模型，从而得到比较准确的应力分布规律。此外，声幅测井和变密度测井的测量数据也是ABAQUS建模的重要依据。

不管是套管水泥环偏心，还是水泥环局部缺失的影响，在建立几何模型时，GUI（Graphical User Interface）界面的特征化、参数化建模都能极大地简化操作，使ABAQUS成为评价固井质量的重要工具和手段。此外，利用软件求解交变应力作用下的套管-水泥环-地层界面塑性残余变形，能够预测界面微间隙的产生。

5 完井工程中的应用

完井工程不仅需要建立产层到井筒的通道，还必须有效兼顾采油采气的技术要求，因此也将生产和改造过程中的套管损坏作为完井工程设备研究的重要内容。ABAQUS在套管射孔完井的力学分析中得到了十分广泛的应用：不管是套管射孔后的结构完整性分析，还是其屈曲模态的分析，甚至是体积压裂对套管强度影响的分析，ABAQUS都能很好地胜任。同时该软件也能模拟孔眼周围的渗流场分布情况。

针对射孔后地层出砂导致套管部分层位失去支撑的情况，可以考虑孔眼缺陷、加工硬化等因素后进行一阶或多阶失稳模态研究。当套管所处地层发生严重的盐岩蠕变时，其应变会随时间延长而增加，通过ABAQUS建立三维弹塑性模型求解，利用不同的强度理论来判断套管是否需要加厚和修复。封隔器广泛运用于水平井裸眼完井，它的密封性能也往往决定分段压裂结果的好坏。将模型简化为轴对称后，ABAQUS可以很快计算出封隔器的接触压力。如果还需要考虑硬度、摩擦因数的不确定性，通过采用区间有限元法就能得到非概率的可靠度。

现有的完井方式中，不管是射孔完井、裸眼完井，还是其他，ABAQUS虽然都能进行仿真计算，但是由于现场的计算参数有限，计算结果与实际情况存在较大的偏差。根据工程现场获取的信息，特别是位移量信息，反演确定地层初始应力和材料特性参数的理论已经在ABAQUS中得到了一些应用，图4为反演法得到的某区块孔隙压力分布。反演得到的地层模型参数可以直接用于井下设备分析，特别是套管损坏的机理研究。根据多臂测井数据等信息探究套管失效机理是其中的一种方式，还有通过反演微地震监测数据来模拟体积压裂造成的套管单元损伤。要在软件中实现这些操作，一般都需要通过预定义场以及二次开发实现。

6 应用中存在的问题

ABAQUS软件的几何建模功能虽然已经有了很大进步，但是仍然具有一定的局限性，油气井工程中所涉及的钻头、三维套管螺纹接头、绞车等许多部件都不能利用CAE（Complete ABAQUS Environment）直接进行建模，从其他CAD软件导入后，模型细节还需要优化。ABAQUS软件计算流体动力学的求解器还不够全面，只能进行不可压缩流体的计算，相比FLUENT等CFD（Computational Fluid Dynamics）软件还存在一定差距，钻头周围的流场分析、钻杆的冲蚀机理分析、节流阀冲蚀分析等一般都没有采用ABAQUS软件。相比ANSYS软件，ABAQUS软件的可靠性分析模块功能较弱，从而也限制了它在井架、底座、钻井平台等设备结构可靠性分析中的应用。总之，ABAQUS软件只是提供了一个分析平台，只有结合扎实的专业背景知识（有限元、弹塑性力学、油气井工程），克服软件存在的缺点，搭配其他有益分析手段，才能在使用时扬长避短，充分发挥软件的作用。

7 结论

1）ABAQUS强大的非线性求解功能使它在油气井工程中具有十分广泛的应用，虽然有限元结果只是近似值，但是结果所揭示的一般规律依然具有重要的指导意义。

2）仿真必须立足于尽可能充分的现场试验数据，最好做到仿真实验与现场试验相结合，必要时可采用数值模拟反演的方法，并广泛利用软件的第三方接口进行二次开发和子程序的编写。

3）由于油气井工程工况的复杂性，在ABAQUS中进行建模求解时，必须对几何模型和边界条件作出合理的简化和假设，去掉不必要的细节，以达到提高求解效率的目的。

4）扩展有限元是ABAQUS应用中一个具有较大潜力的发展方向，油气井工程中的很多工具及设备，特别是钻杆、钻铤、井架、钻井平台等都可以利用XFEM进行裂缝扩展的研究。

 版权声明|来源：《断块油气田》；作者：许定江等；版权归原作者所有。

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