ABAQUS在油田地質開發中的應用

摘要：不管是在油氣的勘探階段，還是在開發階段，油氣地質工程都是其中不可或缺的一個重要環節。油氣地質開發的投資花費巨大，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，已經成為油氣地質研究的重要課題。

1.油田地質分析概況

油田地質多為盆地特征，地質情況復雜，變質程度深，由于重力沉降作用，上層的軟砂石土層與下方硬質巖層互相擠壓，達到一定程度會發成地質錯移。而由于巖土的特點，力學行為多為非線性變化，簡單的公式計算會造成很大誤差。如何分析預判地質層的行為特征一直是油田地質開發的重點難點。近年來隨著分析軟件的發展， ABAQUS有限元分析軟件因其強大非線性分析功能在國內外地質分析中發揮很大作用。

2.軟件特點

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。油氣地質分析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。概括起來，ABAQUS的優勢可以歸納為如下幾個方面：

（1）ABAQUS提供了眾多的巖土材料本構模型，能夠真實地反映土體性狀。ABAQUS擁有摩爾庫侖模型、Cam-Clay模型、Druker-Prager模型等模型，其中Cam-Clay模型是目前很多有限元軟件沒有提供的。

（2）ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。

（3）ABAQUS提供了Geostatic分析步，可準確、靈活得建立濕土（考慮靜水壓力的影響）和干土（不考慮靜水壓力的影響）初始應力狀態。

（4）ABAQUS強大的接觸功能，可正確模擬土體與結構之間的脫開、滑移等現象。

（5）巖土工程往往涉及到復雜的邊界、載荷條件，因此軟件必須具有處理復雜工況的能力。

（6）ABAQUS中的地質模型：地質的應力應變通常關系通常有非線性、彈塑性、膨脹性的特點，對地質中的附加應力分析屬于彈塑性模型。ABAQUS在模擬地質受理過程中可選擇多種接觸力學模型。

（7）ABAQUS有很強的對接能力：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。

（8）ABAQUS特有的通用接觸模型分析可以解決動摩擦（庫倫摩擦）問題，可減少模擬短時間內發生的高頻率移動產生的結果偏差，進而更準確地反應采油地質的力學行為。

（9）與傳統有限元軟件比，ABAQUS有很強的的幾何建模特點，利用ABAQUS model建立分析模型不僅快速，還可以與CATIA等三維軟件無縫對接，進而大大提高分析效率。

3.工程實例分析

假設油田地質模型為軟土層覆蓋硬巖層，在重力作用下產生接觸動摩擦作用，利用ABAQUS分析地質結構行為。此類問題屬于動摩擦問題，利用ABAQUS構建模型：1×1×1m彈性體，壓在3×3×1m的剛性體上，設定上部分彈性體彈性模量為1GPa。

由于下部實體為剛體模型，上部實體視為沙土層模型，研究其運動行為，定義其x方向位移為0.1m。由于研究的是兩部分的相互作用，將二者組合為一個裝配體，在上方實體的上表面施加200Pa壓力。根據油田地質特性，上層圖層多為砂石、碎石土或者軟質巖層（動摩擦系數為0.4-0.5區間）。考慮到油田地質開發多為深層巖土行為，動摩擦系數取較大值0.5。在定義配合的界面的切向應力部分輸入動摩擦系數值0.5，其余均按照默認設置。從軟件分析過程看，巖土層的動摩擦行為分設為2個分析步，在初始步中，約束下層硬巖層的位移，使其在整個過程保持靜止，第1分析步開始施加壓力200N，在第2分析步定義上部軟土層的位移0.1m，每個分析步均分為10個子步，保證求解精度。

導出正壓力、切應力與時間的關系圖，如下

由1圖可見，第一個分析步中（0-1s時），上部物體受到Z方向的擠壓作用，接觸面的壓力從0增加到200Pa，表現出巖土層的靜止行為特性。由于沒有定義上部巖土層的泊松比，豎直方向的壓縮作用沒有產生水平方向的變形，因此沒有產生水平剪應力。第二個分析步中（1-2s時），上部的巖層在x方向上移動0.0m。當切應力達到臨界值100kpa時，上部軟土部分開始移動，此時臨界值等于摩擦系數0.5乘以法向應力200N，與計算公式F=uN一致。因此可以印證模擬效果與實際物理行為一致。

根據圖1的整個過程分析，巖層在重力、壓力等垂直作用下，不會立即發生滑移，當產生的切向應力大于最大靜摩擦力時候，開始產生切向壓力，壓力大小與時間為線性關系，當達到動摩力值以后，上層巖土開始滑動，此時切應力不在增加，這也是油田軟土層發生滑動的整個過程。

4.總結

ABAQUS作為一款專用的非線性有限元軟件，可以很好的模擬多種地質環境。利用其內置多種模擬模型的特點，通過設定多分析步和多種約束條件下可以模擬不同環境行為下的地質情況。近年來 ABAQUS更提供了開放的二次開發平臺，用戶也可以根據實際情況自定義子程序，綜上，ABAQUS具有模擬各種油田地質分析的使用功能。

參考文獻：

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作者簡介：

汪雨蒙（1992-），女，助理工程師，2015年畢業于西南石油大學勘查技術與工程專業，現從事油田火驅開發研究工作。