ABAQUS在油田地质开发中的应用

摘要：不管是在油气的勘探阶段，还是在开发阶段，油气地质工程都是其中不可或缺的一个重要环节。油气地质开发的投资花费巨大，钻完井工程所占的投资费用也往往超过油田总投资费用的一半以上。如何有效降低投资成本，减少安全事故的发生，提高设备及工具的可靠性，已经成为油气地质研究的重要课题。

1.油田地质分析概况

油田地质多为盆地特征，地质情况复杂，变质程度深，由于重力沉降作用，上层的软砂石土层与下方硬质岩层互相挤压，达到一定程度会发成地质错移。而由于岩土的特点，力学行为多为非线性变化，简单的公式计算会造成很大误差。如何分析预判地质层的行为特征一直是油田地质开发的重点难点。近年来随着分析软件的发展， ABAQUS有限元分析软件因其强大非线性分析功能在国内外地质分析中发挥很大作用。

2.软件特点

随着计算机技术的飞速发展，以及有限元方法的广泛运用，通用有限元软件ABAQUS已广泛运用于各种复杂工况和问题的分析。油气地质分析所面临的实际工况通常十分复杂，其非线性问题的求解往往依赖于ABAQUS这样的大型工程模拟软件。概括起来，ABAQUS的优势可以归纳为如下几个方面：

（1）ABAQUS提供了众多的岩土材料本构模型，能够真实地反映土体性状。ABAQUS拥有摩尔库仑模型、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软件没有提供的。

（2）ABAQUS中的孔压单元，可进行土体的固结、渗透分析，以满足这一需求。

（3）ABAQUS提供了Geostatic分析步，可准确、灵活得建立湿土（考虑静水压力的影响）和干土（不考虑静水压力的影响）初始应力状态。

（4）ABAQUS强大的接触功能，可正确模拟土体与结构之间的脱开、滑移等现象。

（5）岩土工程往往涉及到复杂的边界、载荷条件，因此软件必须具有处理复杂工况的能力。

（6）ABAQUS中的地质模型：地质的应力应变通常关系通常有非线性、弹塑性、膨胀性的特点，对地质中的附加应力分析属于弹塑性模型。ABAQUS在模擬地质受理过程中可选择多种接触力学模型。

（7）ABAQUS有很强的对接能力：1）软件的前处理能力比较强大，几何模型接口丰富，基本支持所有主流CAD软件模型的导入。 2）软件的多物理场耦合功能强大，能够进行流固耦合、热固耦合、热电耦合等多物理场分析。 3）软件独具优化设计模块和敏感性分析模块，包括拓扑优化以及形状优化2种优化方式，能够极大提高工具或设备的设计效率。 4）软件所提供的子程序接口丰富，二次开发功能强大，可以作为理论研究，特别是各类计算模型研究的重要平台。

（8）ABAQUS特有的通用接触模型分析可以解决动摩擦（库伦摩擦）问题，可减少模拟短时间内发生的高频率移动产生的结果偏差，进而更准确地反应采油地质的力学行为。

（9）与传统有限元软件比，ABAQUS有很强的的几何建模特点，利用ABAQUS model建立分析模型不仅快速，还可以与CATIA等三维软件无缝对接，进而大大提高分析效率。

3.工程实例分析

假设油田地质模型为软土层覆盖硬岩层，在重力作用下产生接触动摩擦作用，利用ABAQUS分析地质结构行为。此类问题属于动摩擦问题，利用ABAQUS构建模型：1×1×1m弹性体，压在3×3×1m的刚性体上，设定上部分弹性体弹性模量为1GPa。

由于下部实体为刚体模型，上部实体视为沙土层模型，研究其运动行为，定义其x方向位移为0.1m。由于研究的是两部分的相互作用，将二者组合为一个装配体，在上方实体的上表面施加200Pa压力。根据油田地质特性，上层图层多为砂石、碎石土或者软质岩层（动摩擦系数为0.4-0.5区间）。考虑到油田地质开发多为深层岩土行为，动摩擦系数取较大值0.5。在定义配合的界面的切向应力部分输入动摩擦系数值0.5，其余均按照默认设置。从软件分析过程看，岩土层的动摩擦行为分设为2个分析步，在初始步中，约束下层硬岩层的位移，使其在整个过程保持静止，第1分析步开始施加压力200N，在第2分析步定义上部软土层的位移0.1m，每个分析步均分为10个子步，保证求解精度。

导出正压力、切应力与时间的关系图，如下

由1图可见，第一个分析步中（0-1s时），上部物体受到Z方向的挤压作用，接触面的压力从0增加到200Pa，表现出岩土层的静止行为特性。由于没有定义上部岩土层的泊松比，竖直方向的压缩作用没有产生水平方向的变形，因此没有产生水平剪应力。第二个分析步中（1-2s时），上部的岩层在x方向上移动0.0m。当切应力达到临界值100kpa时，上部软土部分开始移动，此时临界值等于摩擦系数0.5乘以法向应力200N，与计算公式F=uN一致。因此可以印证模拟效果与实际物理行为一致。

根据图1的整个过程分析，岩层在重力、压力等垂直作用下，不会立即发生滑移，当产生的切向应力大于最大静摩擦力时候，开始产生切向压力，压力大小与时间为线性关系，当达到动摩力值以后，上层岩土开始滑动，此时切应力不在增加，这也是油田软土层发生滑动的整个过程。

4.总结

ABAQUS作为一款专用的非线性有限元软件，可以很好的模拟多种地质环境。利用其内置多种模拟模型的特点，通过设定多分析步和多种约束条件下可以模拟不同环境行为下的地质情况。近年来 ABAQUS更提供了开放的二次开发平台，用户也可以根据实际情况自定义子程序，综上，ABAQUS具有模拟各种油田地质分析的使用功能。

参考文献：

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[3].李青元.三维地质建模软件发展现状及问题探讨[J].地质学刊，2013，37（4）：554-561.

作者简介：

汪雨蒙（1992-），女，助理工程师，2015年毕业于西南石油大学勘查技术与工程专业，现从事油田火驱开发研究工作。