ABAQUS在油田地質(zhì)開發(fā)中的應(yīng)用

摘要：不管是在油氣的勘探階段，還是在開發(fā)階段，油氣地質(zhì)工程都是其中不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。油氣地質(zhì)開發(fā)的投資花費巨大，鉆完井工程所占的投資費用也往往超過油田總投資費用的一半以上。如何有效降低投資成本，減少安全事故的發(fā)生，提高設(shè)備及工具的可靠性，已經(jīng)成為油氣地質(zhì)研究的重要課題。

1.油田地質(zhì)分析概況

油田地質(zhì)多為盆地特征，地質(zhì)情況復(fù)雜，變質(zhì)程度深，由于重力沉降作用，上層的軟砂石土層與下方硬質(zhì)巖層互相擠壓，達到一定程度會發(fā)成地質(zhì)錯移。而由于巖土的特點，力學(xué)行為多為非線性變化，簡單的公式計算會造成很大誤差。如何分析預(yù)判地質(zhì)層的行為特征一直是油田地質(zhì)開發(fā)的重點難點。近年來隨著分析軟件的發(fā)展， ABAQUS有限元分析軟件因其強大非線性分析功能在國內(nèi)外地質(zhì)分析中發(fā)揮很大作用。

2.軟件特點

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及有限元方法的廣泛運用，通用有限元軟件ABAQUS已廣泛運用于各種復(fù)雜工況和問題的分析。油氣地質(zhì)分析所面臨的實際工況通常十分復(fù)雜，其非線性問題的求解往往依賴于ABAQUS這樣的大型工程模擬軟件。概括起來，ABAQUS的優(yōu)勢可以歸納為如下幾個方面：

（1）ABAQUS提供了眾多的巖土材料本構(gòu)模型，能夠真實地反映土體性狀。ABAQUS擁有摩爾庫侖模型、Cam-Clay模型、Druker-Prager模型等模型，其中Cam-Clay模型是目前很多有限元軟件沒有提供的。

（2）ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結(jié)、滲透分析，以滿足這一需求。

（3）ABAQUS提供了Geostatic分析步，可準(zhǔn)確、靈活得建立濕土（考慮靜水壓力的影響）和干土（不考慮靜水壓力的影響）初始應(yīng)力狀態(tài)。

（4）ABAQUS強大的接觸功能，可正確模擬土體與結(jié)構(gòu)之間的脫開、滑移等現(xiàn)象。

（5）巖土工程往往涉及到復(fù)雜的邊界、載荷條件，因此軟件必須具有處理復(fù)雜工況的能力。

（6）ABAQUS中的地質(zhì)模型：地質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變通常關(guān)系通常有非線性、彈塑性、膨脹性的特點，對地質(zhì)中的附加應(yīng)力分析屬于彈塑性模型。ABAQUS在模擬地質(zhì)受理過程中可選擇多種接觸力學(xué)模型。

（7）ABAQUS有很強的對接能力：1）軟件的前處理能力比較強大，幾何模型接口豐富，基本支持所有主流CAD軟件模型的導(dǎo)入。 2）軟件的多物理場耦合功能強大，能夠進行流固耦合、熱固耦合、熱電耦合等多物理場分析。 3）軟件獨具優(yōu)化設(shè)計模塊和敏感性分析模塊，包括拓?fù)鋬?yōu)化以及形狀優(yōu)化2種優(yōu)化方式，能夠極大提高工具或設(shè)備的設(shè)計效率。 4）軟件所提供的子程序接口豐富，二次開發(fā)功能強大，可以作為理論研究，特別是各類計算模型研究的重要平臺。

（8）ABAQUS特有的通用接觸模型分析可以解決動摩擦（庫倫摩擦）問題，可減少模擬短時間內(nèi)發(fā)生的高頻率移動產(chǎn)生的結(jié)果偏差，進而更準(zhǔn)確地反應(yīng)采油地質(zhì)的力學(xué)行為。

（9）與傳統(tǒng)有限元軟件比，ABAQUS有很強的的幾何建模特點，利用ABAQUS model建立分析模型不僅快速，還可以與CATIA等三維軟件無縫對接，進而大大提高分析效率。

3.工程實例分析

假設(shè)油田地質(zhì)模型為軟土層覆蓋硬巖層，在重力作用下產(chǎn)生接觸動摩擦作用，利用ABAQUS分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)行為。此類問題屬于動摩擦問題，利用ABAQUS構(gòu)建模型：1×1×1m彈性體，壓在3×3×1m的剛性體上，設(shè)定上部分彈性體彈性模量為1GPa。

由于下部實體為剛體模型，上部實體視為沙土層模型，研究其運動行為，定義其x方向位移為0.1m。由于研究的是兩部分的相互作用，將二者組合為一個裝配體，在上方實體的上表面施加200Pa壓力。根據(jù)油田地質(zhì)特性，上層圖層多為砂石、碎石土或者軟質(zhì)巖層（動摩擦系數(shù)為0.4-0.5區(qū)間）。考慮到油田地質(zhì)開發(fā)多為深層巖土行為，動摩擦系數(shù)取較大值0.5。在定義配合的界面的切向應(yīng)力部分輸入動摩擦系數(shù)值0.5，其余均按照默認(rèn)設(shè)置。從軟件分析過程看，巖土層的動摩擦行為分設(shè)為2個分析步，在初始步中，約束下層硬巖層的位移，使其在整個過程保持靜止，第1分析步開始施加壓力200N，在第2分析步定義上部軟土層的位移0.1m，每個分析步均分為10個子步，保證求解精度。

導(dǎo)出正壓力、切應(yīng)力與時間的關(guān)系圖，如下

由1圖可見，第一個分析步中（0-1s時），上部物體受到Z方向的擠壓作用，接觸面的壓力從0增加到200Pa，表現(xiàn)出巖土層的靜止行為特性。由于沒有定義上部巖土層的泊松比，豎直方向的壓縮作用沒有產(chǎn)生水平方向的變形，因此沒有產(chǎn)生水平剪應(yīng)力。第二個分析步中（1-2s時），上部的巖層在x方向上移動0.0m。當(dāng)切應(yīng)力達到臨界值100kpa時，上部軟土部分開始移動，此時臨界值等于摩擦系數(shù)0.5乘以法向應(yīng)力200N，與計算公式F=uN一致。因此可以印證模擬效果與實際物理行為一致。

根據(jù)圖1的整個過程分析，巖層在重力、壓力等垂直作用下，不會立即發(fā)生滑移，當(dāng)產(chǎn)生的切向應(yīng)力大于最大靜摩擦力時候，開始產(chǎn)生切向壓力，壓力大小與時間為線性關(guān)系，當(dāng)達到動摩力值以后，上層巖土開始滑動，此時切應(yīng)力不在增加，這也是油田軟土層發(fā)生滑動的整個過程。

4.總結(jié)

ABAQUS作為一款專用的非線性有限元軟件，可以很好的模擬多種地質(zhì)環(huán)境。利用其內(nèi)置多種模擬模型的特點，通過設(shè)定多分析步和多種約束條件下可以模擬不同環(huán)境行為下的地質(zhì)情況。近年來 ABAQUS更提供了開放的二次開發(fā)平臺，用戶也可以根據(jù)實際情況自定義子程序，綜上，ABAQUS具有模擬各種油田地質(zhì)分析的使用功能。

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作者簡介：

汪雨蒙（1992-），女，助理工程師，2015年畢業(yè)于西南石油大學(xué)勘查技術(shù)與工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田火驅(qū)開發(fā)研究工作。