搜索
第一章引言1－1、数值模拟应用的技术优势计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。现代化石油科技的一个突出特点就是把原有的石油及其它学科的理论、方法与不断发展的计算机技术结合起来，采用多学科联合攻关，从而形成新的石油理论和方法或制造出新型仪器、工具和设备，以最现代化的计算机软硬件技术为手段综合应用多学科技术解决石油天然气工业中的技术难题，进而提高油气勘探、开发、开采、运输与油气加工工程的科学技术水平和经济效益。近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科－计算机辅助工程CAE。这些商品化的CAE软件在石油天然气工业领域的应用不断普及并逐步向纵深发展，CAE工程仿真在石油天然气工业设计中的作用变得日益重要。在众多的CAE软件中，在石油领域应用最多、最广的软件是ANSYS软件。在石油天然气工业领域，CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性：CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数大幅度地降低产品研发成本在精确的分析结果下制造出高质量的产品能够快速的对设计变更作出反应能充分的和CAD设计结合并对不同类型的问题进行分析能够精确的预测出产品的性能1－2、ANSYS数值模拟在石油工业中的应用领域ANSYS具有非常强大的多物理场分析功能和无可比拟的求解深广度，其求解功能几乎涵盖了石油天然气工业的所有设计领域。在石油工业中，ANSYS的研究应用领域包括：地球物理勘探油气开发工程石油钻井工程采油工程油田地面工程建设石油机械工程油气储运工程海洋石油工程压力容器设计图1－2、ANSYS油藏构造应力场反演结果图1－3、ANSYS传动齿轮滚动接触应力图1－4、ANSYS计算流体力学分析图1－5、ANSYS石油套管外挤变形仿真图1－1、ANSYS四桩腿采油平台设计第二章ANSYS在油气勘探开发中的应用油气勘探开发工程的研究内容之一是进行盆地多学科综合研究，以提高对区域地质和石油地质的认识。勘探评价包括盆地分析模拟技术、闭圈描述评价技术和油气藏评价技术。盆地分析模拟技术研究内容有沉积盆地的确定、盆地构造和沉积结构、盆地演化及发育程度的分析研究、地层恢复及计算机的定量模拟、有利含油气远景带的确定及区带评价，闭圈的评价与选择等。油气勘探开发的研究内容之二是对地质体的温度、压力、应力场分布进行研究。通过对地质体的物理场的系统分析与研究，提高对油气分布规律的认识。勘探开发工程的研究内容之三是对地震、地质、测井资料的解释与处理，最终确定油气资源的分布与产量。ANSYS有限元分析系统可对油气勘探开发中有关物理场及物理场耦合问题进行数值模拟。ANSYS分析仿真和优化软件是目前国际上功能最全、应用领域最广的多物理场有限元分析软件包。其应用范围可以从单一地质体的单一场和多物理场耦合分析到复合地质体和大地构造尺度的多物理场耦合分析。在油气勘探开发工程中，可以分别或综合采用ANSYS系统中的相关模块：结构静力分析、结构非线性分析、热分析、声场分析、电磁场分析、耦合场分析、流体动力学分析、优化分析等，有效地解决油气勘探开发工程中的相关问题。ANSYS分析系统可以在以下诸领域发挥作用：盆地地质力学分析模拟大地构造学数值仿真地应力场模拟研究地球动力系统与演化仿真声波法测井资料解释与模拟电测法测井资料解释与模拟构造的地层温度压力场预测井壁稳定性与钻进效果研究石油勘探开发仪器设计2－1、古构造应力场与现今地应力场油气勘探开发中进行地应力研究是石油界面临的一个重大理论课题和实际工程问题，是油气勘探开发的新理论、新方法和新技术，地应力在石油勘探开发与采油工程中的应用具有非常好的前景，许多理论和方法正在探索研究过程中，该技术可以对油藏分布描述、裂缝发育程度预测、油藏运移规律等进行研究；地应力剖面资料可为井壁稳定性的研究，合理套管程序和完井设计，预测和诊断套管变形的层位和井段，射孔方案、注水方案、注汽方案的优化等提供可靠的依据。水平面内构造应力场反演与裂缝发育预测随着计算机硬件水平的迅速提高，使得开展大规模三维地应力反演计算成为可能。ANSYS分析软件的场分析和优化设计功能对于古构造应力场和现今应力场具有一定的分析研究能力。利用ANSYS的优化功能，可以有效地进行地应力反演分析。将少数几口井已知的主应力大小和方向的井作为优化的目标参数，反演计算出整个研究区块的应力场，通过分析最小张应力分布，预测裂裂缝发育在水平面内的分布规律，分析油气藏运移过程，为设计开发方案提供可靠的数据。图2-1给出ANSYS对四川某气田水平地质体内应力场反演的结果。(a)气藏构造地质体的有限元模型(b)已知区块内五口井主应力方向(c)整体构造反演应力场分布（d）气藏构造内井位分布（e）气藏反演地Mises应力分布力(f)气藏反演最小主应力分布（g）气藏主应力方向分布反演结果(h)有效应力等高线反演图图2－1、ANSYS油气田地应力反演分析西南石油学院采用ANSYS建立了荆丘油田沙二段油底组构造的有限元力学模型，用断层位移法来反推地应力，对岩石采用帽盖数学模型，根据弹塑性有限元理论，应用ANSYS分析软件，得出了该研究区块的地应力分布情况，按张应力的大小划分出了张应力区，这些区可能产生拉断断裂，并形成裂缝发育带，计算结构见图2-2。垂直剖面内地应力预测裂缝发育程度根据地应力理论，在地层张应力分布区，地层可能产生拉张断裂，即形成空隙和裂缝发育带，因此进行地应力分析可以预测富油区，应用ANSYS分析软件，根据区块的地质构造建立弹塑性有限元力学模型，选用适当的岩石帽盖数学模型，对华北油田荆丘地区晋45断块沙二段Ⅱ油组底构造的地应力进行了初步探究，得出断块油组底构造图上的主应力分布区域情况，按张应力的大小划分出张应力区，这些区可能产生拉断断裂，并形成裂缝发育带，根据张应力区域的划分为寻求裂缝发育带、定井位提供参考依据。图2－3、ANSYS构造应力场反演注水开发油藏温度场应力场数值模拟开发过程中由于注水、采油引起油藏温度场与原始地应力场发生变化，这些变化会引起地质体产生位移并可能导致油水井报废。ANSYS可对开发引起油藏区块的温度场与压力场进行模拟。可以利用结构静力分析与热分析耦合能解决地质体内温度与压力变化及其耦合效果。ANSYS的热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。图2－4给出ANSYS对中原油田某区块由于注水开发引起的地质纵剖面的温度场、位移场与应力场变化仿真结果。（a）注水开发引起地质剖面温度场变化(b)位移场变化等高线(c)地质体地层位移矢量565257晋45断块井57井52井56(a)工区构造位置图(b)油组底构造图(3080米深处)(c)油组底构造图地应力分布图2－2荆丘油田沙二段油底组构造的有限元力学模型及地应力分别（a）注水开发引起地质剖面温度场变化(b)位移场变化等高线、(c)地质体地层位移矢量（d）剪应力场变化等高线(e)等效应力场变化等高线图2－2ANSYS对注水开发油藏温度场与应力场数值模拟2－2、地球动力系统与演化“地球动力系统与演化”属于地球科学最核心、最前沿的问题之一，其中地幔对流与板块运动是与之密切相关的研究领域。ANSYS的FLOTRAN计算流体动力学(CFD)功能，对超大陆聚散与地幔对流提供了解决方案。根据地球的内部结构建立流体动力学有限元模型。综合考虑两相同陆块被一对反向旋转的对流细胞拖向一个地幔下降流处，两相向运动板块在地幔下降流处发生碰撞形成相对静止的联合超大陆,由于相对静止的超大陆具有绝热效应,促使地幔发生反转,只要反转对流产生足够大的拉张应力，超大陆就可以破裂。本研究目的是确定影响地幔对流反转和超大陆裂解的有利和不利因素，验证关于超大陆通过绝热作用使下伏地幔对流发生反转并促使超大陆自身裂解这一假说。超大陆聚散与地幔对流ANSYS对超大陆聚散与地幔对流数值模拟提供了完整的解决方案，采用ANSYS程序中的结构非线性和CFD分析模块，考虑地质体的大应变及接触特性。研究结果表明，模型中超大陆的内应力是否能够超过80MPa的屈服应力取决于稳定大陆板块下方的地幔上升流，进而取决于那些影响地幔对流反转及其强度的因素。这些因素包括大陆板块的尺度，大陆板块的热导率及地幔流体的特征雷诺数，大陆地幔中的内部热源强度以及地幔粘度等。其中板块尺度是最为重要的影响因素。模拟的结果估计一个超大陆旋回大约需要400M-500M年范围之内。在上地幔数值模拟中地幔对流反转大约需要40Ma。据此估计全地幔对流反转所需的时间在100Ma左右。即联合古大陆稳定的时间在100Ma左右。模拟结果表明板块运动的平均速度为1cm/y左右。这样估计板块从分离到汇聚所需的时间为100Ma以上。模拟结果见图2－5。(a)地幔流体上方加载两相向运动板块时的温度等值线图(b)地幔流体上方加载两相向运动板块时的流函数等值线图(c)地幔流体上方加载两相向运动板块时的速度矢量图(d)地幔流体上方加载两相向运动板块时的壁面剪切应力图(e)Time=16Ma(f)Time=42.5Ma(g)Time=59Ma(h)Time=84Ma图e~图h,板块热导率为5，长度为1/2区域长度，地幔热源贡献量为地表热流值40%情况下的地幔对流瞬态模拟结果图2－5ANSYS对超大陆聚散与地幔对流研究结果2－3、盆地深部岩石圈结构与演化的动力学数值模拟盆地岩石圈动力学的数值模拟研究正在成为当今盆地研究和岩石圈动力学研究领域的前沿，是跨世纪固体地球科学发展的主要领域之一。对此进行研究无疑具有重要的理论意义。将有限元数值模拟技术应用于盆地岩石圈动力学研究，是揭示深部地幔对流对盆地岩石圈结构、盆地形成过程的影响的有效方法。开展盆地区深部动力学数值模拟的研究可以加深对盆地形成机理的认识，了解影响盆地的构造发育和热体制演化的深部动力学机制。例如，对于辽西中生代盆地区来说，这不仅可以把关于岩石圈动力学体制的研究向前推进一步，而且也具有广阔的应用前景。辽西中生代盆地毗邻我国重要的产油盆地——下辽河新生代盆地，由于钻井取芯的限制，对于下辽河盆地形成早期前的中生代动力学机制所知不多，对辽西中生代盆地区的研究有助于对比、加深对下辽河含油气盆地的动力学机制的理解，从而为下辽河盆地的构造特征演化、油气藏动力学研究提供有力的应用基础支持。辽西地区中生代岩石圈结构与演化的有限元模拟辽西地区指辽宁省西部赤峰——开原以南、沈阳——盘锦以西的广大地区。这里自西向东分布着北票——建昌盆地、金羊盆地、阜新盆地和黑山盆地等。这些盆地的形成、演化时期为侏罗纪至早白垩纪，是中生代中、晚期沉积盆地。由内蒙古东乌珠穆沁旗——辽宁东沟断面的地质构造剖面，我们了解到现代辽西地区中发育一系列以张性为主的盆地构造。鉴于初步尝试，本研究中将此剖面进行简化，构造了中生代辽西地区简化的岩石圈结构模型。由于一些不确定的模型参数，如下地壳粘度、拉张应力量级、摩擦系数等。在模型选取上，主要着眼于深部作用机制，没有过多的考虑具体的全深度的构造模式，大大简化了实际地质模型。在参考实验室数据和地质、地球物理观测成果的基础上，采用了尽可能合理的地质特性参数值。建立的轴对称裂谷模型与实际的观测数据如裂谷沉降、侧翼地形和壳－幔边界隆升等都有极好的吻合。本研究应用ANSYS软件的大应变分析及接触分析模块对辽西地区的岩石圈结构及演化进行了初步分析。研究结果表明，ANSYS软件在岩石圈数值模拟领域也具有强大的分析能力，是一个非常有效的有限元分析工具；通过对辽西岩石圈结构与演化模型的尝试，取得了初步成果。模拟结果见