CAE技術(shù)在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用

1、第四章CAE技術(shù)在油氣田開(kāi)發(fā)工程中的應(yīng)用采油工程中包括有采油機(jī)械設(shè)備、桿管柱與封隔器裝置、井下泵與動(dòng)力工具等配套設(shè)備。由于采油機(jī)械設(shè)備的工作條件惡劣、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、要求無(wú)故障工作壽命長(zhǎng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高性能配套采油設(shè)備設(shè)計(jì)的要求,隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和ANSYS軟件功能的不斷完善,使得采用有限元技術(shù)進(jìn)行采油工程設(shè)計(jì)表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析軟件包,它可以對(duì)采油工程中的地面采油配套設(shè)備、井口設(shè)備、完井與采油管柱及絲扣連接、井下泵、封隔器與卡瓦、抽油桿等設(shè)備進(jìn)行整體與局部零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、

2、還可以完成井下各類(lèi)泵的流體動(dòng)力學(xué)分析等。另外,其強(qiáng)大的多物理場(chǎng)偶合功能可以進(jìn)行諸如流體-固體耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合、磁-結(jié)構(gòu)耦合、以及電-磁-流體-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,可以應(yīng)用于對(duì)注水過(guò)程、壓裂、射孔、完井、注蒸汽采油的多物理場(chǎng)參數(shù)變化等進(jìn)行工程仿真研究。在采油配套工程中ANSYS分析系統(tǒng)可以應(yīng)用于以下諸方面:z套管與油管柱設(shè)計(jì)z井口裝置、閥門(mén)與法蘭設(shè)計(jì)z油管與采油封隔器、卡瓦系統(tǒng)設(shè)計(jì)z井下抽油泵管桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)z射孔完井z高壓注水強(qiáng)度z稠油熱采工程z套管損壞機(jī)理z膠筒封隔器大變形分析與座封力z水力錨爪對(duì)套管的傷害4-1套管與油管柱設(shè)計(jì)井下套管承受著內(nèi)壓、軸向力、地層外擠力、熱應(yīng)力、卡瓦、封隔器局部作

3、用力等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),ANSYS軟件可很好地用于研究套管、油管及接頭的應(yīng)力與變形。下圖是對(duì)直井中油管接頭連接強(qiáng)度進(jìn)行仿真模擬,ANSYS提供了強(qiáng)大的接觸分析能力,利用接觸導(dǎo)向,輕松實(shí)現(xiàn)接觸應(yīng)力分析。圖4-1是直井中油管接頭二維有限元建模、油管在內(nèi)壓力與軸向力作用下接頭、接箍牙齒應(yīng)力分布。 (a油管單元(b接觸應(yīng)力(c接頭應(yīng)力(d接箍應(yīng)力圖4-1 直井中油管接頭二維有限元接觸應(yīng)力分析 4-2熱采完井套管預(yù)拉力設(shè)計(jì)對(duì)于熱采井完井管柱,需要進(jìn)行套管預(yù)拉力設(shè)計(jì),ANSYS具有施加初載荷的能力,可以方便地解決套管預(yù)拉力設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題。圖4-2是采用初應(yīng)力進(jìn)行熱采井套管預(yù)拉力設(shè)計(jì),通過(guò)施加不同的初始軸向拉力,

4、分析套管柱在高溫高壓條件下的應(yīng)力狀態(tài),最終確定合理的初拉力值。4-3裸眼與射孔完井解決方案射孔完井是國(guó)內(nèi)外油田使用最廣泛的油井完井方法之一,其質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)油氣的正常生產(chǎn)具有主要影響。目前,常用的射孔方式為射孔彈射孔。但由于射孔過(guò)程在地下完成,工程人員難以觀(guān)測(cè)其具體狀態(tài),及其對(duì)射孔的影響,從而確定合理的射孔參數(shù)。ANSYS/LS-DYNA的動(dòng)態(tài)仿真功能則為上述問(wèn)題的解決提供了一條便捷、直觀(guān)的途徑。ANSYS/LS-DYNA采用任意拉格朗日一歐拉耦合方法可計(jì)算多個(gè)射孔彈的順序起爆、干擾侵徹過(guò)程,得到射孔彈在不同相位、不同孔密下,爆轟波的疊加效應(yīng)對(duì)單發(fā)射孔彈聚能射流的影響。研究射孔過(guò)程中,射孔器和井筒

5、內(nèi)的壓力分布,射孔對(duì)套管和水泥環(huán)的破壞、影響程度。該研究可在理論上探索聚能射流爆轟引起的三維沖擊波對(duì)射孔作業(yè)的工藝過(guò)程的影響,對(duì)射孔器的優(yōu)化、試井生產(chǎn)工藝改進(jìn)等都具有重要意義。采用ANSYS/LS-DYNA還可對(duì)射孔彈順序發(fā)射過(guò)程進(jìn)行模擬,研究不同的彈型、射孔器結(jié)構(gòu)、孔密、相位角和導(dǎo)爆索爆速下的彈間干擾,得到具體量化的數(shù)據(jù),對(duì)射孔彈、射孔器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、射孔工藝的改進(jìn)等提供理論指導(dǎo)。圖4-3是射孔過(guò)程的部分仿真模型及結(jié)果。 (a劃分網(wǎng)格后的藥型罩三維模型(b三維爆炸沖擊波對(duì)射流形成的干擾圖4-3 射孔彈爆炸效應(yīng)及彈間干擾ANSYS的熱流場(chǎng)分析模塊與結(jié)構(gòu)模塊偶合則可以模擬完井射孔中的溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)

6、,從而有效地解決射孔過(guò)程中井筒和孔眼的流體流動(dòng)和熱傳遞關(guān)系等。圖4-4為射孔完井的滲流場(chǎng)分析模型及部分結(jié)果。 熱采井底套管應(yīng)力圖4-2 ANSYS用于熱采完井套管預(yù)拉力設(shè)計(jì)A B C D 4A 0C 0D 0B 0 (a 射孔完井熱流模型 (b 裸眼完井熱流模型 (c 孔眼壓實(shí)帶外邊界流速 圖4-4 射孔完井的滲流場(chǎng)分析4-4 射孔彈射孔效果及其對(duì)套管強(qiáng)度的影響評(píng)價(jià)采用ANSYS/LS-DYNA 可以有效地仿真射孔彈對(duì)套管水泥環(huán)的穿透效果,以及射孔對(duì)套管水泥環(huán)強(qiáng)度下降的影響規(guī)律,對(duì)孔徑、空密、重炮以及布孔方式對(duì)套管強(qiáng)度與油井產(chǎn)能影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)模擬,優(yōu)化射孔方案。(a 套管射孔展開(kāi)圖 (b 射

7、孔段油層應(yīng)力 (c 油層應(yīng)力局部 (d 水泥環(huán)孔眼應(yīng)力(a 射孔段建模分網(wǎng) (b Mises 應(yīng)力 (c 最大主應(yīng)力 (d 射孔孔眼應(yīng)力等值線(xiàn)圖4-5 采用ANSYS 分析射孔套管的應(yīng)力分布4-5 注蒸汽熱采管柱隔熱效果工程仿真注蒸汽熱采是對(duì)稠油最普遍的一種有效技術(shù),當(dāng)高溫飽和蒸汽注入油層后,在溫度、壓力共同作用下,稠油軟化,地下能量增大,注蒸汽熱采井需要進(jìn)行注汽溫度場(chǎng)推進(jìn)數(shù)值模擬,研究注蒸汽熱采井隔熱管柱的隔熱效果以及井下管柱在高溫高壓條件下的熱應(yīng)力。ANSYS 軟件提供了全面的解決方案。ANSYS 強(qiáng)大的耦合分析能力,能夠非常簡(jiǎn)便地計(jì)算分析結(jié)構(gòu)的熱變形和熱應(yīng)力,熱分析與結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用同一個(gè)有

8、限元模型,計(jì)算方法有順序耦合方法與直接耦合方法。圖4-6給出了注蒸氣熱采管柱隔熱效果的工程仿真過(guò)程及部分結(jié)果。 (a井筒地層模型網(wǎng)格(b接頭注汽溫度場(chǎng)(c接頭熱流矢量(d套管油層熱應(yīng)力圖4-6 ANSYS注蒸氣熱采管柱隔熱效果工程仿真4-6熱采井注汽溫度場(chǎng)、熱采封隔器對(duì)套管的傷害熱采封隔器與卡瓦是熱采井對(duì)隔熱管柱與套管環(huán)空進(jìn)行密封的必要工具,在高溫高壓作用下,封隔器與卡瓦局部作用于套管壁上,對(duì)套管產(chǎn)生局部傷害,采用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合與接觸分析功能,可以有效地解決封隔器與卡瓦對(duì)套管的局部傷害問(wèn)題。下圖是熱采井井底隔熱管柱、熱采封隔器、套管水泥環(huán)油層有限元軸對(duì)稱(chēng)模型、熱采注汽井底溫度場(chǎng)、封隔

9、器局部的套管熱應(yīng)力、卡瓦對(duì)套管的變形損傷。 (a井筒地層模型網(wǎng)格(b井底注汽溫度場(chǎng)(c井底套管應(yīng)力(d套管局部變形圖4-8 ANSYS用于熱采井注汽溫度場(chǎng)與封隔器作用對(duì)套管損傷分析4-7稠油熱采井射孔套損機(jī)理研究由于射孔孔眼局部存在應(yīng)力集中,削弱了套管與水泥環(huán)的強(qiáng)度,研究射孔對(duì)套管損壞的影響機(jī)理對(duì)提高完井設(shè)計(jì)水平具有實(shí)際意義。 (a井筒地層三維模型(b井底注汽溫度場(chǎng)(c井底套管射孔應(yīng)力(d水泥環(huán)應(yīng)力圖4-9 ANSYS用于稠油熱采井射孔套損機(jī)理研究 圖4-7 熱采封隔器結(jié)構(gòu)圖4-9是采用ANSYS軟件完成的熱采完井工程三維有限元分析,模型包括地質(zhì)蓋層、油層、底層、套管水泥環(huán)、射孔孔眼;注汽溫度

10、350,內(nèi)壓力30MPa。4-8非均勻外擠對(duì)套管的傷害及變形套管高壓整形仿真高壓注水過(guò)程中引起油層壓力升高和地層原始應(yīng)力產(chǎn)生變化,這導(dǎo)致水平地應(yīng)力出現(xiàn)明顯非均勻性,當(dāng)井筒壓力降低時(shí)外部地層非均勻應(yīng)力作用于局部套管上,對(duì)套管產(chǎn)生非均勻擠壓。圖4-10是采用ANSYS軟件對(duì)三維套管外擠進(jìn)行大變形、非線(xiàn)性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度仿真的研究結(jié)果。圖中分別給出了套管在雙向非均勻外擠條件下的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng),以及套管的橢圓變形過(guò)程、外部載荷矢量、管壁應(yīng)力等值線(xiàn)分布等。 (a均勻加載變形(b非均勻加載變形-應(yīng)力(c非均勻加載變形矢量(d套管應(yīng)力等值線(xiàn) (e非均勻加載變形(f套管等效應(yīng)力等值線(xiàn)(g套管應(yīng)力圖4-10

11、ANSYS高壓注水井地層非均勻外擠對(duì)套管的傷害4-9固井水泥環(huán)缺陷與水泥環(huán)偏心導(dǎo)致套管損壞機(jī)理固井質(zhì)量不好會(huì)引起套管承載能力的下降,當(dāng)水泥環(huán)部分出現(xiàn)缺陷時(shí),套管會(huì)受到非均勻擠壓載荷作用。ANSYS可以方便地對(duì)固井水泥環(huán)缺陷引起的套管應(yīng)力變化進(jìn)行仿真模擬,圖4-11給出水泥環(huán)偏心對(duì)套管水泥環(huán)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。 (a水泥環(huán)偏心建模(b套管第二主應(yīng)力(c水泥環(huán)應(yīng)力(d套管等效應(yīng)力圖4-11 水泥環(huán)偏心對(duì)套管應(yīng)力的影響圖4-12為水泥環(huán)沿360度出現(xiàn)不同程度缺陷時(shí)套管的應(yīng)力變化規(guī)律,水泥環(huán)缺陷由300開(kāi)始,間隔300取值。結(jié)果表明水泥環(huán)缺陷為1800左右時(shí)套管具有最高應(yīng)力。 圖4-12 固井水泥環(huán)缺陷引

12、起套管應(yīng)力變化仿真結(jié)果4-10壓裂與深抽井導(dǎo)致套損機(jī)理由于深抽時(shí)井井底流壓變化大且快,井筒中液注高度變化可以達(dá)到8001000米,此時(shí)井底流壓變化高達(dá)610MPa,如此大的壓力變化極易造成套管發(fā)生損壞,針對(duì)中原文33塊的文152井縱剖面,采用ANSYS仿真計(jì)算深抽井底應(yīng)力變化。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)井筒壓力下降10MPa時(shí),井底套管承受的擠壓力由14.2MPa增大到24.9MPa,相差達(dá)到10.4MPa,并且在油層與夾層界面上擠壓應(yīng)力由13.5到23.6MPa的壓力突變,顯然這種外擠力的急劇變化會(huì)對(duì)套管壽命造成嚴(yán)重影響。同時(shí)也對(duì)斷層附近地應(yīng)力變化對(duì)套管的作用進(jìn)行了分析。 (a液面降低800m時(shí)斷

13、層附近應(yīng)力等值線(xiàn)(b液面降低800m時(shí)斷層附近應(yīng)力局部圖(c液面降低1000m時(shí)地層等效應(yīng)力場(chǎng)(d液面降低1000m時(shí)斷層附近的剪應(yīng)力分布圖4-13 深抽液面降低后地層應(yīng)力分析結(jié)果4-11壓注水壓力強(qiáng)度界定高壓注水是提高底滲透油田采收率的有效方法,但是高壓注水容易導(dǎo)致套管損壞、蓋層破裂形成浸水域或水串,因此確定合理的注水壓力界線(xiàn)對(duì)于注水采油具有實(shí)際工程意義。ANSYS軟件可以解決高壓注水 工程中溫度變化、壓力變化、地應(yīng)力變化等因素引起的管柱、井筒、油圖4-15 注水封隔器層力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律,界定合理的注水壓力強(qiáng)度。圖4-14是注水封隔器結(jié)構(gòu)示意圖,圖4-15分別給出了高壓注水沿油層縱剖面有限元

14、建模、注水溫度場(chǎng)、熱流矢量場(chǎng)等。 (a油層模型 (b油層溫度場(chǎng) (c區(qū)塊熱流矢量 (d油層熱流矢量局部 (e油層剪應(yīng)力等值線(xiàn)(f油層垂直應(yīng)力 (g油層剪應(yīng)力 (h油層Mises應(yīng)力 (i套管應(yīng)力1(j套管應(yīng)力2(k套管應(yīng)力3(l套管應(yīng)力等值線(xiàn)圖4-15 ANSYS用于高壓注水壓力強(qiáng)度界定4-12泥巖、鹽巖蠕變導(dǎo)致套損機(jī)理低滲透油田開(kāi)發(fā)中在泥巖或鹽巖層段的套管損壞率明顯高于其它層段,這主要是由于泥巖或鹽巖蠕變產(chǎn)生位移性載荷作用于套管。蠕變導(dǎo)致套管產(chǎn)生永久變形,并最終導(dǎo)致套管損壞。ANSYS的非線(xiàn)性分析功能提供了多種蠕變分析模型可以有效解決蠕變套損機(jī)理分析。 (a中間應(yīng)力(b中間應(yīng)力(c最小主應(yīng)力

15、(d最大主應(yīng)力 (e套管Mises應(yīng)力(f套管最小主應(yīng)力(g套管變形(h套管應(yīng)力等值線(xiàn)圖4-16 泥巖蠕變引起的套管應(yīng)力與位移圖4-16給出了巖石蠕變引起的套管應(yīng)力與位移變化過(guò)程。4-13熱采水平井套管溫度場(chǎng)用ANSYS軟件的APDL語(yǔ)言編寫(xiě)了淺層超稠油水平井井身結(jié)構(gòu)參數(shù)和其相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)程序,建立了稠油熱采井全井套管、注汽管、水泥、地層及油層的有限元熱力學(xué)模型,運(yùn)行中可以任意調(diào)節(jié)模型參數(shù)得到相應(yīng)的熱力學(xué)有限元模型。模擬了稠油熱采水平井全井溫度場(chǎng),分析了套管沿程溫度變化規(guī)律及同一深度套管內(nèi)遠(yuǎn)離和靠近注汽管的溫度差變化,同時(shí)分析了3個(gè)典型截面位置內(nèi)注汽管、套管、水泥及地層內(nèi)的溫度變化曲線(xiàn)。從溫

16、度差模擬結(jié)果中可直觀(guān)地觀(guān)察到最大溫度場(chǎng)變化區(qū)域?yàn)榫嗑?米以?xún)?nèi)。為熱采井套管熱應(yīng)力場(chǎng)的分析提供了不可缺少的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。圖4-18給出部分有限元計(jì)算結(jié)果。 (a水平井建模(b井筒油層溫度場(chǎng)(c溫度場(chǎng)變化曲線(xiàn)(d井筒溫度場(chǎng)圖4-17 ANSYS用于熱采水平井套管溫度場(chǎng)分析4-14熱采水平井套管熱應(yīng)力場(chǎng)分析根據(jù)稠油熱采水平井全井溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果,將距井口50米內(nèi)的溫度場(chǎng)耦合在結(jié)構(gòu)有限元3D模型中,對(duì)距井口50米內(nèi)的套管、水泥及地層進(jìn)行有限元熱應(yīng)力場(chǎng)分析,采用ANSYS 的熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合模塊詳細(xì)地分析了水泥、內(nèi)外層套管內(nèi)的熱應(yīng)力場(chǎng)的分布。根據(jù)分析結(jié)果,分別提供了滿(mǎn)足該熱力學(xué)參數(shù)條件下,按最小屈服強(qiáng)度

17、條件和按極限強(qiáng)度條件的套管鋼級(jí)。對(duì)熱采井套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了定量的理論依據(jù)。圖4-18為部分分析結(jié)果。 (a三維模型(b井口應(yīng)力場(chǎng)(c水泥環(huán)溫度場(chǎng) (d套管溫度(e溫度場(chǎng)變化引起的應(yīng)力(f井筒應(yīng)力場(chǎng)圖4-18 ANSYS用于熱采水平井套管應(yīng)力場(chǎng)分析4-15 提撈采油與注水導(dǎo)致的套損機(jī)理4-15-1 升平油田注水與泥巖蠕變套管的受力分析圖4-19為采用ANSYS 軟件針對(duì)大慶升平油田注水采油過(guò)程的油層溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律,以及泥巖蠕變對(duì)套管損壞的機(jī)理研究的部分結(jié)果。 (a 92-38井注水溫度場(chǎng)(2泥巖浸水引起的套管主應(yīng)力 (c 注水井等效應(yīng)力場(chǎng)(d 雙油層注水水平應(yīng)力場(chǎng)圖4-19 ANSYS

18、用于生平油田注水與蠕變導(dǎo)致的套損機(jī)理研究4-15-2 宋芳屯油田提撈采油過(guò)程套管的受力分析針對(duì)大慶宋芳屯油田的低產(chǎn)油井,采用ANSYS 對(duì)提撈采油過(guò)程進(jìn)行二維與三維有限元仿真,研究液面變化導(dǎo)致套管的外擠應(yīng)力變化過(guò)程。 (a 單井三維有限元建模(b 泥巖浸水后套管應(yīng)力(c 射孔孔眼局部等效應(yīng)力等值線(xiàn)分布 (d 芳56-58井等效應(yīng)力等值線(xiàn)分布 (e 芳56-58井剪應(yīng)力等值線(xiàn) (f 芳56-54-56-62井有效應(yīng)力(g 液面降低800m 井底垂直應(yīng)力場(chǎng)與水平應(yīng)力場(chǎng) 圖4-20 ANSYS 用于提撈采油、注水導(dǎo)致的套損機(jī)理研究4-16 砂巖油層出砂導(dǎo)致套損機(jī)理疏松砂巖油層出砂是引起套管早期損壞的主要因素之一,由于油層出砂問(wèn)題的復(fù)雜性,要定量分析出砂量與套管受力的變化規(guī)律存在一定的困難,采用ANSYS 的三維分析模塊,針對(duì)特殊油層,結(jié)合地應(yīng)力分析結(jié)果,可以建立起模擬出砂量與套管受力變化的規(guī)律分析模型。以下給出針對(duì)中原文明寨油田出砂導(dǎo)致套孫機(jī)理研究的分析結(jié)果。 (a 三維分析模型(b 出砂1.82m 3出砂