ABAQUS軟件在油氣井工程中的應用及分析

許定江，練章華，林鐵軍，鄧子麒

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

ABAQUS軟件在油氣井工程中的應用及分析

許定江，練章華，林鐵軍，鄧子麒

（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

針對油氣井工程復雜的作業工況及其高度非線性問題的求解，有限元軟件ABAQUS具有獨特的應用價值。從油氣井工程的學科特點以及ABAQUS軟件的應用現狀出發，首先介紹了基于ABAQUS進行油氣井工程仿真的流程及特點，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及仿真實例。在分析應用案列的基礎上，指出了該軟件在油氣井工程學科應用中存在的問題，提出了仿真實驗與現場試驗相結合，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，還是在開發階段，油氣井工程都是其中不可或缺的一個重要環節。油氣井工程的投資花費巨大，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，減少安全事故的發生，提高設備及工具的可靠性，已經成為油氣井工程研究的重要課題。隨著計算機技術的飛速發展，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雜工況和問題的分析［1］。油氣井工程所面臨的實際工況通常十分復雜，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。

不論是地質探井，還是生產井，鉆井、固井、完井都是油氣井工程的3個主要流程。近年來，隨著非常規油氣資源以及海上油氣資源的大量開發，鉆完井工程所面臨的作業條件更加惡劣，只通過現場試驗來解決工程問題已經遠遠不夠。有限元仿真作為一種虛擬實驗方式，能夠針對油氣井工程的各個環節進行模擬，為工程建設提供有益的指導。同時，計算機仿真硬件成本較低，且具有靈活便捷的特點，能夠進行許多根本無法開展的現場試驗研究，在油氣井工程的分析和評價中具有不可替代的作用。

ABAQUS作為非線性領域功能最強的商用有限元軟件之一，近20 a來已經廣泛應用于油氣井工程分析的各個環節中：地面以上有井架與鉆井動力系統、循環凈化系統、后勤安全保障系統等，地面以下有鉆頭、鉆柱、下部鉆具組合、導向系統以及套管等。針對地層結構的各向異性和鉆柱結構的受力復雜性，以及井身結構和鉆進方式的多樣性，ABAQUS軟件均可以進行單個零部件或者系統級的模擬分析。

1　油氣井工程仿真流程及特點

應用ABAQUS軟件進行建模及分析的基本流程如圖1所示。圖中白色矩形框為建模求解的基本流程，按黑色箭頭方向建模進行常規分析或優化分析。綠色矩形框為軟件自帶功能模塊，能夠實現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、模型網格的劃分是比較核心的操作步驟。黃色矩形框為第三方軟件的接入，這些第三方軟件不僅包括CAD軟件和網格劃分軟件，還包括Python，Fortran等功能強大的編程語言。該流程適用于后面介紹的所有油氣井工程建模分析案列。作為一款優秀的通用有限元軟件，ABAQUS為模型的二次開發預留了巨大的操作空間，為算法的優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算模型理論上都可以通過子程序或二次開發集成于ABAQUS軟件的建模分析過程中去。

運用ABAQUS對單個部件或系統進行模擬的過程，也是ABAQUS軟件不斷完善和發展的過程。發展至今，高版本的ABAQUS軟件已經具有了以下特點：

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軟件模型的導入。

2）軟件的多物理場耦合功能強大，能夠采用直接耦合、間接耦合、順序耦合等方式進行流固耦合、熱固耦合、熱電耦合等多物理場分析。

3）軟件獨具優化設計模塊和敏感性分析模塊，包括拓撲優化以及形狀優化2種優化方式，能夠極大提高工具或設備的設計效率。

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

2　陸地鉆井工程中的應用

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過程，還包括上部鉆柱以及鉆具組合的運動及受力，當然也包括井架、底座等地面設備的結構響應。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行軟件應用的分析。海洋鉆井、固井、完井工程同上。

2.1鉆進過程

要對鉆頭旋轉破巖的鉆進過程進行準確模擬，首先必須建立合理的地層有限元模型。依托ABAQUS強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。目標地層中如果要采用其他數學模型，可通過MATLAB等平臺建模，再調用ABAQUS內核進行迭代計算［2］。這和ABAQUS采用Fortran，C語言編寫用戶子程序是一個相反的調用關系。

ABAQUS中有著豐富的強度破壞準則和屈服準則作為選擇，Mohr-Coulomb剪切破壞準則和Hill屈服準則是破巖仿真中比較常用的2種準則。通過合理的簡化（忽略循環介質影響）和假設（假設地層為干硬地層），不管是PDC鉆頭還是牙輪鉆頭，不管是全尺寸鉆頭模型，還是單個或者多個鉆頭切削齒，都能求解得到鉆頭與地層作用的一般規律［3-6］，圖2為PDC鉆頭破巖的全尺寸有限元網格模型。在鉆頭破巖模型的基礎上，還可以擴展為鉆鋌-鉆頭-地層模型，進行鉆鋌與井壁碰撞接觸分析以及鉆鋌位移、扭矩分析［7］。地層傾角的存在會導致不同程度的井斜，ABAQUS模擬出的鉆井井斜規律已經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的功能，ABAQUS也能模擬其破碎巖石的3個階段，幫助優選工作頻率［10］。

2.2鉆井工具及設備

ABAQUS自帶無縫導入CAD模型的功能，再加上其結構優化模塊和Design模塊，充分擴展了軟件在鉆井工具及設備結構分析和優化設計中的作用。軟件能夠分析螺桿鉆具的推力軸承載荷情況和服役情況，改進其結構設計［11］；能夠用于驗證和推導連續油管正弦屈曲公式，得到入井初始形態［12］；能夠結合現場活塞頭斷裂情況，改進現有的大井徑液壓式擴眼器，優選施工作業技術參數［13］；能夠對非金屬橋塞鑲齒卡瓦的錨定過程進行彈塑性有限元分析，優化結構從而避免局部應力集中［14］。鉆柱接頭和套管的相互作用會造成套管的磨損，基于套管磨損試驗機得到的磨損系數，采用ABAQUS特有的自適應網格技術能夠準確地模擬鉆進過程中套管的局部偏磨過程［15］。

鉆鋌和鉆桿螺紋接頭是ABAQUS力學行為研究的重點對象，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（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、最大主應變等特性參數［16-17］。圖3為進行軸對稱簡化后得到的鉆鋌螺紋接頭Mises應力計算結果。井架懸掛的鉆具組合各異，鉆進方式多樣，導致井架作用載荷存在許多不確定性，利用ABAQUS進行模態分析研究井架結構的固有特性，利用隨機響應分析、反應譜分析等確定井架的動載荷響應［18-19］。這些分析方法都能合理預測井架的極限承載能力，為井架的安全作業提供可靠依據。

除了上述常規的靜力學和動力學分析，鉆桿、接頭等設備的裂縫擴展過程也是一個具有重要價值的研究方向。擴展有限元方法（XFEM）的提出，為裂縫擴展這樣的不連續問題提供了一條很好的解決途徑。國內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，裂縫獨立于計算網格，采用水平集法（LSM）確定裂縫位置和跟蹤其擴展過程［20］。通過基于ABAQUS的擴展有限元方法來研究鉆桿、接頭的裂縫擴展過程，能得到一些有價值的裂縫擴展規律和失效評價準則。

3　海洋鉆井工程中的應用

與陸地鉆井相比，海洋鉆井工程存在其特殊性。ABAQUS能夠對各種特殊載荷進行轉化和加載，用于模擬各型海洋鉆井設備所承受的浮力、慣性力、風載、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，是判斷設備整體使用壽命的重要依據，但是采用擴展有限元對這些設備裂縫擴展進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管的作用力［25］。ABAQUS的瞬態耦合功能在用于海洋鉆井絞車時，其通用求解器中的接觸算法能得到合理的制動盤溫度場分布［26］。Design模塊能預測設計變化對結構響應的敏感度，可以大量運用于設備的設計調整。例如對鉆井平臺懸臂梁進行參量敏感性分析時，齒條寬度、壓力角等一系列參數的敏感度都能進行預測［27］。

4　固井工程中的應用

固井屬于一次性工程，事后補救困難，且固井質量的好壞會直接影響油氣井的使用壽命。評價固井質量的好壞，其實質也就是評價套管、水泥環、地層間的接觸關系和膠結強度。利用巖心和水泥環三軸試驗可以得到材料的膠結強度，將其中的抗壓強度、內聚力、內摩擦角等材料參數寫入模型，從而得到比較準確的應力分布規律。此外，聲幅測井和變密度測井的測量數據也是ABAQUS建模的重要依據。

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

5　完井工程中的應用

完井工程不僅需要建立產層到井筒的通道，還必須有效兼顧采油采氣的技術要求，因此也將生產和改造過程中的套管損壞作為完井工程設備研究的重要內容。ABAQUS在套管射孔完井的力學分析中得到了十分廣泛的應用：不管是套管射孔后的結構完整性分析，還是其屈曲模態的分析，甚至是體積壓裂對套管強度影響的分析，ABAQUS都能很好地勝任。同時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行一階或多階失穩模態研究［30-31］。當套管所處地層發生嚴重的鹽巖蠕變時，其應變會隨時間延長而增加，通過ABAQUS建立三維彈塑性模型求解，利用不同的強度理論來判斷套管是否需要加厚和修復［32］。封隔器廣泛運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果的好壞。將模型簡化為軸對稱后，ABAQUS可以很快計算出封隔器的接觸壓力［33］。如果還需要考慮硬度、摩擦因數的不確定性，通過采用區間有限元法就能得到非概率的可靠度。

現有的完井方式中，不管是射孔完井、裸眼完井，還是其他，ABAQUS雖然都能進行仿真計算，但是由于現場的計算參數有限，計算結果與實際情況存在較大的偏差。根據工程現場獲取的信息，特別是位移量信息，反演確定地層初始應力和材料特性參數的理論已經在ABAQUS中得到了一些應用，圖4為反演法得到的某區塊孔隙壓力分布［34］。反演得到的地層模型參數可以直接用于井下設備分析，特別是套管損壞的機理研究。根據多臂測井數據等信息探究套管失效機理是其中的一種方式，還有通過反演微地震監測數據來模擬體積壓裂造成的套管單元損傷［35-36］。要在軟件中實現這些操作，一般都需要通過預定義場以及二次開發實現。

6　應用中存在的問題

ABAQUS軟件的幾何建模功能雖然已經有了很大進步，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）直接進行建模，從其他CAD軟件導入后，模型細節還需要優化。ABAQUS軟件計算流體動力學的求解器還不夠全面，只能進行不可壓縮流體的計算，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、鉆桿的沖蝕機理分析、節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、鉆井平臺等設備結構可靠性分析中的應用?？傊?，ABAQUS軟件只是提供了一個分析平臺，只有結合扎實的專業背景知識（有限元、彈塑性力學、油氣井工程），克服軟件存在的缺點，搭配其他有益分析手段，才能在使用時揚長避短，充分發揮軟件的作用。

7　結論

1）ABAQUS強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用，雖然有限元結果只是近似值，但是結果所揭示的一般規律依然具有重要的指導意義。

2）仿真必須立足于盡可能充分的現場試驗數據，最好做到仿真實驗與現場試驗相結合，必要時可采用數值模擬反演的方法，并廣泛利用軟件的第三方接口進行二次開發和子程序的編寫。

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

4）擴展有限元是ABAQUS應用中一個具有較大潛力的發展方向，油氣井工程中的很多工具及設備，特別是鉆桿、鉆鋌、井架、鉆井平臺等都可以利用XFEM進行裂縫擴展的研究。

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（編輯趙衛紅）

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

國家自然科學基金項目“極端條件下氣井油套管端力學行為及其螺紋密封機理研究”（51574198）、“超深井高強度油套管鋼環境斷裂的細觀力學參數表征研究”（51504207）；國家教育部博士點基金項目“基于XFEM和細觀力學的超深井鉆工具疲勞破壞機理研究”（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，研究方向為油氣井工程仿真及設備可靠性。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.