ansys在采油工程中的应用

第四章ANSYS在采油工程中的应用采油工程中包括有采油机械设备、杆管柱与封隔器装置、井下泵与动力工具等配套设备。由于采油机械设备的工作条件恶劣、结构受力复杂、要求无故障工作寿命长、自动化程度高等特点，用传统的设计方法已经不能满足现代高性能配套采油设备设计的要求，随着计算机硬件技术的飞速发展和ANSYS软件功能的不断完善，使得采用有限元技术进行采油工程设计表现出极大的优越性。ANSYS程序是一个功能强大灵活的结构设计及优化分析软件包，它可以对采油工程中的地面采油配套设备、井口设备、完井与采油管柱及丝扣连接、井下泵、封隔器与卡瓦、抽油杆等设备进行整体与局部零件的结构应力与变形分析、优化设计、还可以完成井下各类泵的流体动力学分析等。另外，其强大的多物理场偶合功能可以进行诸如流体－固体耦合、热－结构耦合、磁－结构耦合、以及电－磁－流体－热－结构耦合分析，可以应用于对注水过程、压裂、射孔、完井、注蒸汽采油的多物理场参数变化等进行工程仿真研究。在采油配套工程中ANSYS分析系统可以应用于以下诸方面：套管与油管柱设计井口装置、阀门与法兰设计油管与采油封隔器、卡瓦系统设计井下电潜泵、水利活塞泵有杆泵管柱优化设计射孔完井高压注水强度稠油热采工程套管损坏机理4－1、套管与油管柱设计井下套管承受着内压、轴向力、地层外挤力、热应力、卡瓦、封隔器局部作用力等复杂应力状态，ANSYS软件可很好地用于研究套管、油管及接头的应力与变形。下图是对直井中油管接头连接强度进行仿真模拟，ANSYS提供了强大的接触分析能力，利用接触导向，轻松实现接触应力分析。图4－1是直井中油管接头二维有限元建模、油管在内压力与轴向力作用下接头、接箍牙齿应力分布。（a）油管单元(b)接触应力(c)叠代求解收敛(d)接箍应力图4－1、ANSYS直井中油管接头二维有限元接触应力分析4－2、热采完井套管预拉力设计对于热采井完井管柱，需要进行套管预拉力设计，ANSYS具有施加初载荷的能力，可以方便地解决套管的预拉力设计计算问题。图4－2是采用初应力进行热采井套管预拉力设计，通过施加不同大小的初始轴向拉力，分析套管柱在高温高压条件下的应力状态，最终确定合理的初拉力值。(a)完井套管应力(b)热采井底应力图4－2ANSYS热采完井套管预拉力设计4－3、裸眼与射孔完井解决方案射孔完井是国内外油田使用最广泛的油井完井方法之一，其研究得到主要参数为射孔深度、孔密度、孔径、相位角、钻井污染深度、孔眼周围压实带厚度以及压实损害程度、地层各项异性渗透率的影响等。国外，在射孔机理及效果评价方面开展的很多，但主要针对射孔参数对产能的影响进行了较为深入的研究，首先采用电模拟的方法，进而采用数值模拟有限元方法进行研究。并根据结果编制了诺谟图指导射孔施工。97年HalliburtonExplosiveProductCenter(哈里伯顿爆炸产品中心)用Lagrangian和Euler数值分析进行了二维计算，给出了二颗弹弹间干扰的现象，并描述了利用计算分析方法研究弹间干扰的困难和可能的技术途径。射孔弹爆炸，药型罩在爆炸载荷作用下压垮于轴线聚汇形成射流，射流一边向前运动，一边逐渐拉伸，首先穿过射孔器，然后穿过套管、水泥环和岩石。射流在穿过各种介质的过程中，不断消耗，质量和速度逐渐减少。当其速度降到临界值时，破孔停止。这种射流的特点之一是不形成杵体。ANSYS/LS-DYNA具有拉格朗日、欧拉、任意拉格朗日－欧拉耦合三种物质描述法，以上破孔过程的计算可采用任意拉格朗日一欧拉耦合方法，即将射孔弹中的药型罩、炸药、弹体的拉格朗日网格放入周围空气的欧拉网格区，射孔器、套管、水泥环和岩石以拉格朗日网格按结构尺寸也放入空气的欧拉区，而且射流通过的网格区高度加密，以保证计算的精度。ANSYS/LS-DYNA可计算多个射孔弹的顺序起爆、干扰侵彻过程，得到射孔弹在不同相位、不同孔密下，爆轰波的叠加效应对单发射孔弹聚能射流的影响。研究射孔过程中，射孔器和井筒内的压力分布，和射孔对套管和水泥环的破坏、影响程度。这一研究，可在理论上探索聚能射流爆轰引起的三维冲击波对射孔作业的工艺过程的影响，对射孔器的优化、试井生产工艺改进等都具有重要意义。北京理工大学采用ANSYS/LS-DYNA对射孔弹顺序发射过程进行模拟，研究不同的弹型、射孔器结构、孔密、相位角和导爆索爆速下的弹间干扰，等到了具体量化的数据，对射孔弹、射孔器的优化设计、射孔工艺的改进等提供了指导。图4－3是部分仿真模型及结果图。ANSYS的热流场分析模块与结构模块偶合可以有效地解决完井射孔中的一系列问题，利用热流场数学模型与渗流场有一样的数学模型这一特点，可以采用热流场来模拟渗流场，用同一种导热率材料来模拟井筒和孔眼，若该导热材率相对于地层模型导热率为无限大即井筒和孔眼有同一数值温度场，即表示有相同的井筒和孔眼压力，而且能反映流体汇流入孔眼和井筒内的流动关系等。图4-4是西南石油学院用热流场模拟射孔完井渗流场，建立了射孔完井热流和裸眼完井热流有限元3D模型，用同一种导热率材料来模拟井筒和孔眼，该材料导热率相对于地层模型导热率为无限大时，能模拟整个射孔完井渗流场，根据该模型，应用ANSYS软件研究、分析了射孔深度、有无钻井污染和压实带情况下，孔眼内流体流速、压实带外边界渗流速度、渗流压力场、全井产量及产能比等，该研究和热流模型为研究射孔完井优化设计、产能预测等提供了新方法，对射孔完井评价也具有实际的指导意义。4－4、射孔弹射孔效果及对套管强度的影响评价采用ANSYS/LS-DYNA可以有效地仿真射孔弹对套管水泥环的穿透效果，以及射孔对(a)网格图(b)三维爆炸冲击波对射流形成的干扰图4-3射孔弹爆炸效应及弹间干扰ABCDG3EF214A0C0E0D0B0G0F012-3.00E-02-2.00E-02-1.00E-020.00E+001.00E-022.00E-023.00E-02020406080100120140160孔眼深度方向(mm)流速度(m/s)YSD_VYSD_VYYSD_VZYSD_VX(a)射孔完井热流模型(b)裸眼完井热流模型(c)孔眼压实带外边界流速图4－4射孔完井的渗流场分析(a)套管射孔展开图(b)射孔段油层应力(c)油层应力局部(d)水泥环应力图4－5ANSYS射孔完井分析套管水泥环强度下降的影响规律，对孔径、空密、重炮以及布孔方式对套管强度与油井产能影响规律进行系统模拟，优化射孔方案。4－5、注蒸汽热采管柱隔热效果工程仿真注蒸汽热采是对稠油最普遍的一种有效技术，当高温饱和蒸汽注入油层后，在温度、压力共同作用下，稠油软化，地下能量增大，注蒸汽热采井需要进行注汽温度场推进数值模拟，研究注蒸汽热采井隔热管柱的隔热效果以及井下管柱在高温高压条件下的热应力。ANSYS软件提供了全面的解决方案。ANSYS强大的耦合分析能力，能够非常简便地计算分析结构的热变形和热应力，热分析与结构分析应用同一个有限元模型，计算方法有顺序耦合方法与直接耦合方法。下图分别是注蒸汽井轴对称有限元建模，模型包括注汽管柱，接头，套管水泥环与油层；注蒸汽井筒热流矢量，隔热管柱接头区的散热温度场，以及注蒸汽井内管柱与油层的热应力。（a）井筒地层建模分网(b)注汽温度场（接头传热）(c)接头热流矢量（d）套管油层热应力图4－7ANSYS注蒸气热采管柱隔热效果工程仿真4－6、热采井注汽温度场与封隔器作用对套管伤害热采封隔器与卡瓦是热采井对隔热管柱与套管环空进行密封的必要工具，在高温高压作用下，封隔器与卡瓦局部作用于套管壁上，对套管产生局部伤害，采用ANSYS的热－结构耦合与接触分析功能，可以有效地解决封隔器与卡瓦对套管的局部伤害问题。下图是热采井井底隔热管柱、热采封隔器、套管水泥环油层有限元轴对称模型、热采注汽井底温度场、封隔器局部的套管热应力、卡瓦对套管的变形损伤。（a）射孔段建模分网(b)Mises应力(c)最大主应力（d）孔眼应力等高线图4－6采用ANSYS分析射孔套管应力分布图4－8热采封隔器结构（a）井筒地层建模分网(b)井底注汽温度场(c)井底套管应力（d）套管局部变形图4－9ANSYS热采井注汽温度场与封隔器作用对套管伤害4－7、稠油热采井射孔套损机理研究由于射孔孔眼局部存在应力集中，削弱了套管与水泥环的强度，研究射孔对套管损坏的影响机理对提高完井设计水平具有实际意义。下图是采用ANSYS软件完成的热采完井工程三维有限元分析，模型包括地质盖层、油层、底层、套管水泥环、射孔孔眼；在350℃注汽温度与30MPa内压力作用下井底注汽三维温度场；射孔孔眼处套管与水泥环的应力场。（a）井筒地层三D建模(b)井底注汽温度场（c）井底套管射孔应力（d）水泥环应力图4－10ANSYS稠油热采井射孔套损机理研究4－8、高压注水井地层非均匀外挤对套管的伤害高压注水过程中引起油层压力升高和地层原始应力产生变化，这导致水平地应力出现明显非均匀性，当井筒压力降低时外部地层非均匀应力作用于局部套管上，对套管产生非均匀挤压。下图是采用ANSYS软件对三维套管外挤进行大变形、非线性弹塑性应力应变强度仿真的研究结果。图中分别给出了套管在双向非均匀外挤条件下的应力场与位移场，以及套管的椭圆变形过程、外部载荷矢量、管壁应力等高线分布等。（a）均匀加载变形(b)非均匀加载变形与应力(c)非均匀加载变形矢量（d）套管等应力线图4-10ANSYS稠油热采井射孔套损机理研究（e）非均匀加载变形(f)套管等应力线（g）套管应力图4－11ANSYS高压注水井地层非均匀外挤对套管的伤害4－9、固井水泥环缺陷导致套管损坏机理固井质量不好会引起套管承载能力的下降，当水泥环部分出现缺陷时，套管会受到非均匀挤压载荷作用。ANSYS可以方便地对固井水泥环缺陷引起的套管应力变化进行仿真模拟，图4-12是水泥环沿360度出现不同程度缺陷时套管的应力变化规律，水泥环缺陷依次为取300、900、1200、1500、1800、2400、3300、3600.结果表明水泥环缺陷为1800左右时套管具有最高应力。4－10、高压注水压力强度界定高压注水是提高底渗透油田采收率的有效方法，但是高压注水容易导致套管损坏、盖层破裂形成浸水域或水串，因此确定合理的注水压力界线对于注水采油具有实际工程意义。ANSYS软件可以解决高压注水工程中温度变化、压力变化、地应力变化等因素引起的管柱、井筒、油层力学参数变化规律，界定合理的注水压力强度。图4-13是注水封隔器结构示意图，图4-14分别给出高压注水沿油层纵剖面有限元建模、注水温度场、热流矢量场等。图4－13注水封隔器图4—12、固井水泥环缺陷引起套管应力变化的仿真图4－14ANSYS高压注水压力强度界定4－11、泥岩、盐岩蠕变导致套损机理底渗透油田开发中在泥岩或盐岩层段的套管损坏率明显高于其它层段，这主要是由于泥岩或盐岩蠕变产生位移性载荷作用于套管，蠕变作用的效果导致套管产生永久变形，并最终导致套管损坏。ANSYS的非线性分析功能提供了多种蠕变分析模型可以有效解决蠕变套损机理分析。下图给出蠕变模型的套管应力与位移变化过程。(a)中间应力(b)中间应力(c)最小主应力(d)最大主应力（a）油层建模(b)油层温度场(c)区块热流矢量（d）油层热流矢量局部（e）油层剪应力线(f)油层垂直应力(g)油层剪应力（h）油层Mises应力（i）套管应力1(j)套管应力2(k)套管应力3（l）套管应力线(e)套管Mises应力(f)套管最小主应力(g)套管变形(h)套管应力等高线图4－15泥岩蠕变模型的套管应力与位移4－12、热采水平井套管温度场用ANSYS软件的APDL语言编写了浅层超稠油水平井井身结构参数和其相应的热力学参数程序，建立了稠油热采井全井套管、注汽管、水泥、地层及油层的有限元热力学模型，运行中可以任意调节模型参数得到相应的热力学有限元模型。模拟了稠油热采水平井全井温度场，分析了套管沿程温度变化规律及同一深度套管内远离和靠近注汽管的温度差变化，同时分析了3个典型截面位置内注汽管、套管、水泥及地层内的温度变化曲线。从温度