FLAC3D建模技巧探討及工程實例中的應(yīng)用

韓楊春+++蔣先龍+++高玉騏+++吳斌

摘 要：FLAC3D數(shù)值模擬軟件是目前巖土工程領(lǐng)域最常用的模擬軟件之一。合理的網(wǎng)格劃分建立符合工程實際滿足軟件計算要求的計算模型是保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件。該文結(jié)合工程實際，通過兩種不同的建模方式計算分析煤層氣井中玻璃鋼套管的穩(wěn)定性，對得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析。提出小變形工程問題精確建模的思路：對預(yù)計破壞的主要區(qū)域進(jìn)行精密建模提高計算精度，對次要區(qū)域要減少單元數(shù)量以提高計算效率。

關(guān)鍵詞：FLAC3D 建模 玻璃鋼套管 穩(wěn)定性

中圖分類號：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0028-02

FLAC3D（3-D Fast Lagrangian Analysis Code）是美國ITASCA（Itasca Consult-ing Group，Inc）公司為地質(zhì)工程應(yīng)用而開發(fā)的三維顯式有限差分計算機(jī)軟件。該軟件建立在FLAC二維計算程序的基礎(chǔ)之上，并對其功能和分析能力進(jìn)行擴(kuò)展。該軟件主要適用于模擬計算巖土體的力學(xué)變形情況和巖土體達(dá)到屈服極限以后所產(chǎn)生的塑性流動情況。其所采用的顯式拉格朗日快速算法，特別適合模擬大變形和扭曲，能使計算結(jié)果更趨于準(zhǔn)確。FLAC3D為解決三維地質(zhì)工程問題提供了強(qiáng)有力的理想工具。

近年來，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件在巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用過程中，網(wǎng)格建模是計算的前提，合理的網(wǎng)格劃分不僅使計算更加精準(zhǔn)合理，計算的效率也能更明顯提高。針對大變形復(fù)雜地質(zhì)模型的快速建模，國內(nèi)外已做了大量的研究工作。這類模型如果使用FLAC3D內(nèi)置網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格只能通過數(shù)據(jù)文件實現(xiàn)，建模工作量大、耗時長，易出錯。目前這類問題建模思路大體相近：首先通過ANSYS、SURPAC、TetGen、CAD等常用建模軟件建立好地質(zhì)模型，再借助一些轉(zhuǎn)換程序，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實現(xiàn)FLAC3D模型的自動生成。這種建模思路以及開發(fā)出的相關(guān)接口程序基本解決了復(fù)雜工程地質(zhì)體的建模難題。但是針對小變形簡單模型優(yōu)化的研究并不多，此類問題有2個特點。（1）變形較小，因此計算單元劃分因盡可能精細(xì)以提高計算精度，但是整個模型都進(jìn)行精密的網(wǎng)格劃分必將大大影響計算效率，有時候甚至因網(wǎng)格數(shù)太多而無法計算。（2）建模較簡單，可進(jìn)行靈活的網(wǎng)格劃分，但不同的網(wǎng)格劃分計算結(jié)果差異明顯。該文旨在結(jié)合實際工程實例，探討合理的網(wǎng)格劃分對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，并為類似小變形工程問題提供一種基本的建模思路。

1 工程背景

煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)的，資源量非常巨大的，在煤層中自生自儲的潔凈非常規(guī)性天然氣資源，主要是以吸附態(tài)賦存于煤層中。煤層氣的地面鉆井開發(fā)技術(shù)已經(jīng)日趨完善，但是在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)了在煤層段使用的鋼套管存在嚴(yán)重問題，主要表現(xiàn)在以下三個方面：（1）鋼套管在地下復(fù)雜的物理化學(xué)環(huán)境中極易被破壞和腐蝕。（2）采煤機(jī)與鋼套管容易摩擦產(chǎn)生火花，引發(fā)瓦斯爆炸事故。（3）機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤巖的鋼套管容易對采煤機(jī)械造成損壞。

這三個問題嚴(yán)重影響下一階段的煤炭開采順利進(jìn)行，在很大程度上影響了“采煤采氣一體化”的順利實施。借鑒油田中玻璃鋼套管的應(yīng)用，擬在煤層段使用玻璃鋼套管代替現(xiàn)在常用的鋼套管。相較于傳統(tǒng)鋼套管，玻璃鋼套管具有耐腐蝕、不宜因摩擦產(chǎn)生火花、機(jī)械強(qiáng)度低不會損壞采煤機(jī)械的優(yōu)點。但同時玻璃鋼套管力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼套管（見表2）。因此有必要對玻璃鋼套管在煤層氣井中的穩(wěn)定性進(jìn)行實驗分析。

一號實驗井位于山西省沁水盆地南部。其目的在于開發(fā)、利用3#煤層的煤層氣，降低煤層瓦斯含量，獲得相應(yīng)的儲層資料，并測試玻璃鋼套管在煤層氣井中的實際應(yīng)用情況。數(shù)據(jù)模擬主要針對采氣地層范圍內(nèi)的玻璃鋼套管進(jìn)行，采氣地層上覆巖層只考慮自重帶來的垂直應(yīng)力的影響，不考慮其巖性及構(gòu)造的影響。3#煤層位于山西組﹙P1S﹚底部，煤層位置為362m至368m，煤層上覆頂板約9.4m灰黑色砂質(zhì)泥巖，煤層底板為厚度約7.6m灰黑色細(xì)粒砂巖。

2 建立模型

FLAC3D內(nèi)置的網(wǎng)格生成器提供13種基本形狀網(wǎng)格，作為網(wǎng)格模型的基本組成單元。該次建模所用到的基本網(wǎng)格是：六面塊體網(wǎng)格（以下用brick代稱）、柱形隧道外 圍漸變放射網(wǎng)格（以下用radcyliner代稱）、柱形殼體網(wǎng)格（以下用cshell代稱）。這些網(wǎng)格的特征如表1所示。

2.1 模型尺寸

頂?shù)装寮懊簩痈魅?m建立計算模型。模型尺寸12m×12m×18m。其中套管總長18m，6m到14m之間為8m長的玻璃鋼套管，余下為鋼套管。套管內(nèi)徑60mm外徑70mm，水泥環(huán)內(nèi)徑70mm，外徑110mm。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)沁水盆地南部現(xiàn)代地應(yīng)力場特征，構(gòu)建研究區(qū)的地應(yīng)力場。最大水平主應(yīng)力為8.3MPa、最小水平主應(yīng)力取為5.3MPa，垂直主應(yīng)力取9.6MPa，模擬采深為356m左右的自重應(yīng)力。

2.3 兩種不同的建模方式

2.3.1 A模型建模過程及遇到的問題

首先生成A模型。只采用radcyliner網(wǎng)格構(gòu)建地層單元，cshell網(wǎng)格構(gòu)建水泥環(huán)與套管單元，不同性質(zhì)單元之間設(shè)接觸面模擬水泥環(huán)與地層直接的接觸，構(gòu)建的模型如圖1所示。

采用A模型進(jìn)行計算，出現(xiàn)了一些問題，主要有以下幾點。（1）FLAC3D的說明書中推薦計算單元的長寬比不宜超過3：1，但在整個地層中采用radcyliner構(gòu)建不宜控制這個比值，且距離孔徑越遠(yuǎn)的單元長寬比超標(biāo)越嚴(yán)重，計算合理性欠佳。（2）220mm孔徑的鉆孔在地層中的影響范圍比較小，計算采用的單元劃分應(yīng)盡可能精細(xì)，A模型中提高單元劃分密度后發(fā)現(xiàn)計算時間大大增加，計算效率欠佳。

2.3.2 B模型的建模過程與改進(jìn)之處

針對以上兩個問題，對A模型進(jìn)行優(yōu)化。采用radcyliner網(wǎng)格生成鉆孔影響范圍內(nèi)的地層單元。采用brick網(wǎng)格生成影響范圍以外的地層。endprint

對比A模型和B模型，不難發(fā)現(xiàn)B模型的改進(jìn)之處。

（1）針對性的對孔徑影響范圍以內(nèi)的地層進(jìn)行更加精細(xì)的網(wǎng)格劃分，能有效的控制單元比從而提高計算精度。

（2）對于孔徑影響范圍以外的地層可盡可能減少單元數(shù)以提高計算效率。

3 模擬結(jié)果分析及對策

3.1 管身位移對比

由兩種套管的管身位移圖。分析得出：（1）采氣地層范圍內(nèi)管身位移隨深度增加而減少。主要原因在于煤層氣井下底部經(jīng)過固井處理可以視為一固定端，限制了底部套管位移，且采氣地層范圍內(nèi)地應(yīng)力的增量太小不足以影響套管的管身位移。（2）玻璃鋼套管在于鋼套管連接處出現(xiàn)明顯的管身位移突變，說明套管連接處的穩(wěn)定性最差。

3.2 連接處垂直剪應(yīng)力分析

改進(jìn)后B模型的管身計算結(jié)果偏小，但不能得出計算結(jié)果比A模型更精確，因此需進(jìn)一步分析。兩模型連接處垂直剪應(yīng)力云圖如圖2所示。相較于A模型，B模型得到的結(jié)果能更清晰反映連接處垂直剪應(yīng)力的分布狀況，計算結(jié)果更加精確。

4 結(jié)語

（1）在模擬條件相同的情況下，不同的建模方式對模擬的結(jié)果影響明顯。對于類似的小變形工程問題，應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬時，首先應(yīng)該注意建模的合理性。合理的建模既要盡量滿足單元高徑比的要求又要兼顧計算的效率。建模所用的單元數(shù)越少計算的速度越快，在計算過程中，發(fā)現(xiàn)單元數(shù)控制在10萬個以下時計算速度明顯要更加快捷。因此基本建模思路是：對小變形發(fā)生區(qū)域內(nèi)的模型需進(jìn)行精確建模提高單元數(shù)以提高計算精度；對此要區(qū)域的模型應(yīng)減少單元數(shù)量以提高計算效率。

（2）由模擬的結(jié)果可知，玻璃鋼套管井在連接處的穩(wěn)定性最差，有必要采取措施提高連接處套管穩(wěn)定性。建議有兩點：①對于接箍扣型，根據(jù)油田玻璃鋼油管的工程經(jīng)驗，建議使用圓螺紋玻璃鋼接箍。②改進(jìn)螺紋加工工藝，避免機(jī)械加工導(dǎo)致的套管強(qiáng)度降低。

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