許定江，練章華，林鐵軍，鄧子麒

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

ABAQUS軟件在油氣井工程中的應(yīng)用及分析

許定江，練章華，林鐵軍，鄧子麒

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

針對油氣井工程復(fù)雜的作業(yè)工況及其高度非線性問題的求解，有限元軟件ABAQUS具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。從油氣井工程的學(xué)科特點(diǎn)以及ABAQUS軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，首先介紹了基于ABAQUS進(jìn)行油氣井工程仿真的流程及特點(diǎn)，隨后依次分析了該軟件在陸地鉆井工程、海洋鉆井工程、完井工程、固井工程中的建模要點(diǎn)及仿真實(shí)例。在分析應(yīng)用案列的基礎(chǔ)上，指出了該軟件在油氣井工程學(xué)科應(yīng)用中存在的問題，提出了仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，廣泛利用第三方軟件接口，合理簡化幾何模型和邊界條件以及推廣擴(kuò)展有限元等針對性的建議。

油氣井工程；有限元方法；鉆井；完井；ABAQUS

0　引言

不管是在油氣的勘探階段，還是在開發(fā)階段，油氣井工程都是其中不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。油氣井工程的投資花費(fèi)巨大，鉆完井工程所占的投資費(fèi)用也往往超過油田總投資費(fèi)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)成為油氣井工程研究的重要課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及有限元方法的廣泛運(yùn)用，通用有限元軟件ABAQUS已廣泛運(yùn)用于各種復(fù)雜工況和問題的分析［1］。油氣井工程所面臨的實(shí)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。

不論是地質(zhì)探井，還是生產(chǎn)井，鉆井、固井、完井都是油氣井工程的3個(gè)主要流程。近年來，隨著非常規(guī)油氣資源以及海上油氣資源的大量開發(fā)，鉆完井工程所面臨的作業(yè)條件更加惡劣，只通過現(xiàn)場試驗(yàn)來解決工程問題已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。有限元仿真作為一種虛擬實(shí)驗(yàn)方式，能夠針對油氣井工程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，為工程建設(shè)提供有益的指導(dǎo)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真硬件成本較低，且具有靈活便捷的特點(diǎn)，能夠進(jìn)行許多根本無法開展的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，在油氣井工程的分析和評價(jià)中具有不可替代的作用。

ABAQUS作為非線性領(lǐng)域功能最強(qiáng)的商用有限元軟件之一，近20 a來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣井工程分析的各個(gè)環(huán)節(jié)中：地面以上有井架與鉆井動(dòng)力系統(tǒng)、循環(huán)凈化系統(tǒng)、后勤安全保障系統(tǒng)等，地面以下有鉆頭、鉆柱、下部鉆具組合、導(dǎo)向系統(tǒng)以及套管等。針對地層結(jié)構(gòu)的各向異性和鉆柱結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性，以及井身結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)方式的多樣性，ABAQUS軟件均可以進(jìn)行單個(gè)零部件或者系統(tǒng)級的模擬分析。

1　油氣井工程仿真流程及特點(diǎn)

應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行建模及分析的基本流程如圖1所示。圖中白色矩形框?yàn)榻Ｇ蠼獾幕玖鞒?，按黑色箭頭方向建模進(jìn)行常規(guī)分析或優(yōu)化分析。綠色矩形框?yàn)檐浖詭Чδ苣K，能夠?qū)崿F(xiàn)與虛線相連矩形框中的操作，其中幾何模型的建立、材料屬性的賦值、邊界條件及載荷的加載、模型網(wǎng)格的劃分是比較核心的操作步驟。黃色矩形框?yàn)榈谌杰浖慕尤?，這些第三方軟件不僅包括CAD軟件和網(wǎng)格劃分軟件，還包括Python，F(xiàn)ortran等功能強(qiáng)大的編程語言。該流程適用于后面介紹的所有油氣井工程建模分析案列。作為一款優(yōu)秀的通用有限元軟件，ABAQUS為模型的二次開發(fā)預(yù)留了巨大的操作空間，為算法的優(yōu)選以及求解器的編寫提供了巨大便利。油氣井工程中所有的計(jì)算模型理論上都可以通過子程序或二次開發(fā)集成于ABAQUS軟件的建模分析過程中去。

運(yùn)用ABAQUS對單個(gè)部件或系統(tǒng)進(jìn)行模擬的過程，也是ABAQUS軟件不斷完善和發(fā)展的過程。發(fā)展至今，高版本的ABAQUS軟件已經(jīng)具有了以下特點(diǎn)：

1）軟件的前處理能力比較強(qiáng)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(qiáng)大，能夠采用直接耦合、間接耦合、順序耦合等方式進(jìn)行流固耦合、熱固耦合、熱電耦合等多物理場分析。

3）軟件獨(dú)具優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)效率。

4）軟件所提供的子程序接口豐富，二次開發(fā)功能強(qiáng)大，可以作為理論研究，特別是各類計(jì)算模型研究的重要平臺。

2　陸地鉆井工程中的應(yīng)用

鉆井工程不僅包括通過壓力使鉆頭牙齒吃入巖石中的鉆進(jìn)過程，還包括上部鉆柱以及鉆具組合的運(yùn)動(dòng)及受力，當(dāng)然也包括井架、底座等地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。陸地鉆井工程所涉及的工況種類繁多，這里主要選取代表性的工況進(jìn)行軟件應(yīng)用的分析。海洋鉆井、固井、完井工程同上。

2.1鉆進(jìn)過程

要對鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖的鉆進(jìn)過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，首先必須建立合理的地層有限元模型。依托ABAQUS強(qiáng)大的多物理場耦合能力，地層模型不僅可以有效模擬各種原始地應(yīng)力場分布，還能模擬地層溫度場和滲流場的分布，這些功能在完井工程的地層建模中也有用到。目標(biāo)地層中如果要采用其他數(shù)學(xué)模型，可通過MATLAB等平臺建模，再調(diào)用ABAQUS內(nèi)核進(jìn)行迭代計(jì)算［2］。這和ABAQUS采用Fortran，C語言編寫用戶子程序是一個(gè)相反的調(diào)用關(guān)系。

ABAQUS中有著豐富的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則作為選擇，Mohr-Coulomb剪切破壞準(zhǔn)則和Hill屈服準(zhǔn)則是破巖仿真中比較常用的2種準(zhǔn)則。通過合理的簡化（忽略循環(huán)介質(zhì)影響）和假設(shè)（假設(shè)地層為干硬地層），不管是PDC鉆頭還是牙輪鉆頭，不管是全尺寸鉆頭模型，還是單個(gè)或者多個(gè)鉆頭切削齒，都能求解得到鉆頭與地層作用的一般規(guī)律［3-6］，圖2為PDC鉆頭破巖的全尺寸有限元網(wǎng)格模型。在鉆頭破巖模型的基礎(chǔ)上，還可以擴(kuò)展為鉆鋌-鉆頭-地層模型，進(jìn)行鉆鋌與井壁碰撞接觸分析以及鉆鋌位移、扭矩分析［7］。地層傾角的存在會(huì)導(dǎo)致不同程度的井斜，ABAQUS模擬出的鉆井井斜規(guī)律已經(jīng)可以用于糾正鉆頭的偏移量［8-9］。除了鉆頭，振蕩沖擊器同樣具有破巖鉆進(jìn)的功能，ABAQUS也能模擬其破碎巖石的3個(gè)階段，幫助優(yōu)選工作頻率［10］。

2.2鉆井工具及設(shè)備

ABAQUS自帶無縫導(dǎo)入CAD模型的功能，再加上其結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊和Design模塊，充分?jǐn)U展了軟件在鉆井工具及設(shè)備結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用。軟件能夠分析螺桿鉆具的推力軸承載荷情況和服役情況，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［11］；能夠用于驗(yàn)證和推導(dǎo)連續(xù)油管正弦屈曲公式，得到入井初始形態(tài)［12］；能夠結(jié)合現(xiàn)場活塞頭斷裂情況，改進(jìn)現(xiàn)有的大井徑液壓式擴(kuò)眼器，優(yōu)選施工作業(yè)技術(shù)參數(shù)［13］；能夠?qū)Ψ墙饘贅蛉傹X卡瓦的錨定過程進(jìn)行彈塑性有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而避免局部應(yīng)力集中［14］。鉆柱接頭和套管的相互作用會(huì)造成套管的磨損，基于套管磨損試驗(yàn)機(jī)得到的磨損系數(shù)，采用ABAQUS特有的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)能夠準(zhǔn)確地模擬鉆進(jìn)過程中套管的局部偏磨過程［15］。

鉆鋌和鉆桿螺紋接頭是ABAQUS力學(xué)行為研究的重點(diǎn)對象，不論是偏梯形螺紋還是圓螺紋，不論是API還是非API螺紋，不論是承受拉壓載荷還是彎矩扭矩，通過合理的假設(shè)（如忽略材料各向異性）以及模型簡化（如采用軸對稱模型），都能得到接觸壓力、最大主應(yīng)變等特性參數(shù)［16-17］。圖3為進(jìn)行軸對稱簡化后得到的鉆鋌螺紋接頭Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。井架懸掛的鉆具組合各異，鉆進(jìn)方式多樣，導(dǎo)致井架作用載荷存在許多不確定性，利用ABAQUS進(jìn)行模態(tài)分析研究井架結(jié)構(gòu)的固有特性，利用隨機(jī)響應(yīng)分析、反應(yīng)譜分析等確定井架的動(dòng)載荷響應(yīng)［18-19］。這些分析方法都能合理預(yù)測井架的極限承載能力，為井架的安全作業(yè)提供可靠依據(jù)。

除了上述常規(guī)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，鉆桿、接頭等設(shè)備的裂縫擴(kuò)展過程也是一個(gè)具有重要價(jià)值的研究方向。擴(kuò)展有限元方法（XFEM）的提出，為裂縫擴(kuò)展這樣的不連續(xù)問題提供了一條很好的解決途徑。國內(nèi)油氣井工程對于這方面的研究尚處于起步階段，其基本原理是利用“單元分解”特性來確定剛度矩陣，裂縫獨(dú)立于計(jì)算網(wǎng)格，采用水平集法（LSM）確定裂縫位置和跟蹤其擴(kuò)展過程［20］。通過基于ABAQUS的擴(kuò)展有限元方法來研究鉆桿、接頭的裂縫擴(kuò)展過程，能得到一些有價(jià)值的裂縫擴(kuò)展規(guī)律和失效評價(jià)準(zhǔn)則。

3　海洋鉆井工程中的應(yīng)用

與陸地鉆井相比，海洋鉆井工程存在其特殊性。ABAQUS能夠?qū)Ω鞣N特殊載荷進(jìn)行轉(zhuǎn)化和加載，用于模擬各型海洋鉆井設(shè)備所承受的浮力、慣性力、風(fēng)載、流荷等。針對鉆井平臺或平臺浮箱裂紋損傷和斷裂參量的研究，是判斷設(shè)備整體使用壽命的重要依據(jù)，但是采用擴(kuò)展有限元對這些設(shè)備裂縫擴(kuò)展進(jìn)行分析的案例還比較少［21-24］。

軟件多樣的接觸方法，也為深水鉆井導(dǎo)管的承載能力分析提供了更加合理的方式，如利用非線性彈簧模型模擬土壤對導(dǎo)管的作用力［25］。ABAQUS的瞬態(tài)耦合功能在用于海洋鉆井絞車時(shí)，其通用求解器中的接觸算法能得到合理的制動(dòng)盤溫度場分布［26］。Design模塊能預(yù)測設(shè)計(jì)變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感度，可以大量運(yùn)用于設(shè)備的設(shè)計(jì)調(diào)整。例如對鉆井平臺懸臂梁進(jìn)行參量敏感性分析時(shí)，齒條寬度、壓力角等一系列參數(shù)的敏感度都能進(jìn)行預(yù)測［27］。

4　固井工程中的應(yīng)用

固井屬于一次性工程，事后補(bǔ)救困難，且固井質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響油氣井的使用壽命。評價(jià)固井質(zhì)量的好壞，其實(shí)質(zhì)也就是評價(jià)套管、水泥環(huán)、地層間的接觸關(guān)系和膠結(jié)強(qiáng)度。利用巖心和水泥環(huán)三軸試驗(yàn)可以得到材料的膠結(jié)強(qiáng)度，將其中的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等材料參數(shù)寫入模型，從而得到比較準(zhǔn)確的應(yīng)力分布規(guī)律。此外，聲幅測井和變密度測井的測量數(shù)據(jù)也是ABAQUS建模的重要依據(jù)。

不管是套管水泥環(huán)偏心，還是水泥環(huán)局部缺失的影響［28］，在建立幾何模型時(shí)，GUI（Graphical User Interface）界面的特征化、參數(shù)化建模都能極大地簡化操作，使ABAQUS成為評價(jià)固井質(zhì)量的重要工具和手段。此外，利用軟件求解交變應(yīng)力作用下的套管-水泥環(huán)-地層界面塑性殘余變形，能夠預(yù)測界面微間隙的產(chǎn)生［29］。

5　完井工程中的應(yīng)用

完井工程不僅需要建立產(chǎn)層到井筒的通道，還必須有效兼顧采油采氣的技術(shù)要求，因此也將生產(chǎn)和改造過程中的套管損壞作為完井工程設(shè)備研究的重要內(nèi)容。ABAQUS在套管射孔完井的力學(xué)分析中得到了十分廣泛的應(yīng)用：不管是套管射孔后的結(jié)構(gòu)完整性分析，還是其屈曲模態(tài)的分析，甚至是體積壓裂對套管強(qiáng)度影響的分析，ABAQUS都能很好地勝任。同時(shí)該軟件也能模擬孔眼周圍的滲流場分布情況。

針對射孔后地層出砂導(dǎo)致套管部分層位失去支撐的情況，可以考慮孔眼缺陷、加工硬化等因素后進(jìn)行一階或多階失穩(wěn)模態(tài)研究［30-31］。當(dāng)套管所處地層發(fā)生嚴(yán)重的鹽巖蠕變時(shí)，其應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間延長而增加，通過ABAQUS建立三維彈塑性模型求解，利用不同的強(qiáng)度理論來判斷套管是否需要加厚和修復(fù)［32］。封隔器廣泛運(yùn)用于水平井裸眼完井，它的密封性能也往往決定分段壓裂結(jié)果的好壞。將模型簡化為軸對稱后，ABAQUS可以很快計(jì)算出封隔器的接觸壓力［33］。如果還需要考慮硬度、摩擦因數(shù)的不確定性，通過采用區(qū)間有限元法就能得到非概率的可靠度。

現(xiàn)有的完井方式中，不管是射孔完井、裸眼完井，還是其他，ABAQUS雖然都能進(jìn)行仿真計(jì)算，但是由于現(xiàn)場的計(jì)算參數(shù)有限，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的偏差。根據(jù)工程現(xiàn)場獲取的信息，特別是位移量信息，反演確定地層初始應(yīng)力和材料特性參數(shù)的理論已經(jīng)在ABAQUS中得到了一些應(yīng)用，圖4為反演法得到的某區(qū)塊孔隙壓力分布［34］。反演得到的地層模型參數(shù)可以直接用于井下設(shè)備分析，特別是套管損壞的機(jī)理研究。根據(jù)多臂測井?dāng)?shù)據(jù)等信息探究套管失效機(jī)理是其中的一種方式，還有通過反演微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)來模擬體積壓裂造成的套管單元損傷［35-36］。要在軟件中實(shí)現(xiàn)這些操作，一般都需要通過預(yù)定義場以及二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

6　應(yīng)用中存在的問題

ABAQUS軟件的幾何建模功能雖然已經(jīng)有了很大進(jìn)步，但是仍然具有一定的局限性，油氣井工程中所涉及的鉆頭、三維套管螺紋接頭、絞車等許多部件都不能利用CAE（Complete ABAQUS Environment）直接進(jìn)行建模，從其他CAD軟件導(dǎo)入后，模型細(xì)節(jié)還需要優(yōu)化。ABAQUS軟件計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的求解器還不夠全面，只能進(jìn)行不可壓縮流體的計(jì)算，相比FLUENT等CFD （Computational Fluid Dynamics）軟件還存在一定差距，鉆頭周圍的流場分析、鉆桿的沖蝕機(jī)理分析、節(jié)流閥沖蝕分析等一般都沒有采用ABAQUS軟件。相比ANSYS軟件，ABAQUS軟件的可靠性分析模塊功能較弱，從而也限制了它在井架、底座、鉆井平臺等設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性分析中的應(yīng)用。總之，ABAQUS軟件只是提供了一個(gè)分析平臺，只有結(jié)合扎實(shí)的專業(yè)背景知識（有限元、彈塑性力學(xué)、油氣井工程），克服軟件存在的缺點(diǎn)，搭配其他有益分析手段，才能在使用時(shí)揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮軟件的作用。

7　結(jié)論

1）ABAQUS強(qiáng)大的非線性求解功能使它在油氣井工程中具有十分廣泛的應(yīng)用，雖然有限元結(jié)果只是近似值，但是結(jié)果所揭示的一般規(guī)律依然具有重要的指導(dǎo)意義。

2）仿真必須立足于盡可能充分的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最好做到仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，必要時(shí)可采用數(shù)值模擬反演的方法，并廣泛利用軟件的第三方接口進(jìn)行二次開發(fā)和子程序的編寫。

3）由于油氣井工程工況的復(fù)雜性，在ABAQUS中進(jìn)行建模求解時(shí)，必須對幾何模型和邊界條件作出合理的簡化和假設(shè)，去掉不必要的細(xì)節(jié)，以達(dá)到提高求解效率的目的。

4）擴(kuò)展有限元是ABAQUS應(yīng)用中一個(gè)具有較大潛力的發(fā)展方向，油氣井工程中的很多工具及設(shè)備，特別是鉆桿、鉆鋌、井架、鉆井平臺等都可以利用XFEM進(jìn)行裂縫擴(kuò)展的研究。

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（編輯趙衛(wèi)紅）

Abstract:Based on the theory of rock mechanics and principle of Mohr-Coulomb，a mechanical model for bore stability of multibranch ultra-short radius radial well is established.Compared with the model deduced by the finite element method simulation，the mechanical model for bore stability has a high accuracy.Based on ABAQUS finite element numerical simulation，azimuthal angle of the ultra-short radius radial well，pressure difference between the maximum principal stress and the minimum principal stress，Young′s modulus，Poisson′s ratio and the hole diameter are taken into consideration to analyze the effects on the stability of ultrashort radius radial wells.According to the results，the stability of the borehole is dramatically affected by the pressure difference and the hole diameter.The end and the central of the ultra-short radius radial well have distinctly stress concentration，which are the key zones of anti-collapse.Azimuthal angle，Young′s modulus and Poisson′s ratio have relatively little influence on the stability of the hole.

Key words:multi-branch ultra-short radius radial well；bore stability；mechanical model；ABAQUS finite element

Application and analysis of ABAQUS in oil-gas well engineering

XU Dingjiang，LIAN Zhanghua，LIN Tiejun，DENG Ziqi
（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

To deal with the complicated operating condition of oil-gas well engineering and solve the highly nonlinear problem，the finite element software ABAQUS has its unique application value.Based on the features of oil-gas well engineering and the application status of ABAQUS software，this paper first introduces the process and characteristics of oil and gas well engineering simulation based on ABAQUS.Then the key points of software modeling and simulation examples in drilling engineering，ocean drilling engineering，cementing engineering，and completion engineering，are introduced in sequence.On the basis of a large number of the current application cases，this paper concludes the defects and problems in the application of ABAQUS in oil-gas well engineering.From all aspects，all simulations should be combined with field test data and extensive third-party software interfaces. This paper effectively promotes the application of finite element method（FEM）and simplifies the model and boundary conditions.

oil-gas well engineering；finite element method；well drilling；well completion；ABAQUS

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“極端條件下氣井油套管端力學(xué)行為及其螺紋密封機(jī)理研究”（51574198）、“超深井高強(qiáng)度油套管鋼環(huán)境斷裂的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)表征研究”（51504207）；國家教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“基于XFEM和細(xì)觀力學(xué)的超深井鉆工具疲勞破壞機(jī)理研究”（20135121110005）

TE21

A

10.6056/dkyqt201604024

2015-10-30；改回日期：2016-04-24。

許定江，男，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饩こ谭抡婕霸O(shè)備可靠性。E-mail：xdj_swpu@163.com。

引用格式：許定江，練章華，林鐵軍，等.ABAQUS軟件在油氣井工程中的應(yīng)用及分析［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：518-522.

XU Dingjiang，LIAN Zhanghua，LIN Tiejun，et al.Application and analysis of ABAQUS in oil-gas well engineering［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：518-522.