CAE技术在油气田开发过程中的应用

1、第四章CAE技术在油气田开发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、

2、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:z套管与油管柱设计z井口装置、阀门与法兰设计z油管与采油封隔器、卡瓦系统设计z井下抽油泵管杆柱优化设计z射孔完井z高压注水强度z稠油热采工程z套管损坏机理z胶筒封隔器大变形分析与座封力z水力锚爪对套管的伤害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

3、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接头应力(d接箍应力图4-1 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,通过施加不同的初始轴向拉力,

4、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。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,其质量优劣对油气的正常生产具有主要影响。目前,常用的射孔方式为射孔弹射孔。但由于射孔过程在地下完成,工程人员难以观测其具体状态,及其对射孔的影响,从而确定合理的射孔参数。ANSYS/LS-DYNA的动态仿真功能则为上述问题的解决提供了一条便捷、直观的途径。ANSYS/LS-DYNA采用任意拉格朗日一欧拉耦合方法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

5、内的压力分布,射孔对套管和水泥环的破坏、影响程度。该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。采用ANSYS/LS-DYNA还可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,得到具体量化的数据,对射孔弹、射孔器的优化设计、射孔工艺的改进等提供理论指导。图4-3是射孔过程的部分仿真模型及结果。 (a划分网格后的药型罩三维模型(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ANSYS的热流场分析模块与结构模块偶合则可以模拟完井射孔中的温度场和渗流场

6、,从而有效地解决射孔过程中井筒和孔眼的流体流动和热传递关系等。图4-4为射孔完井的渗流场分析模型及部分结果。 热采井底套管应力图4-2 ANSYS用于热采完井套管预拉力设计A B C D 4A 0C 0D 0B 0 (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4-4 射孔弹射孔效果及其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。(a 套管射孔展开图 (b 射

7、孔段油层应力 (c 油层应力局部 (d 水泥环孔眼应力(a 射孔段建模分网 (b Mises 应力 (c 最大主应力 (d 射孔孔眼应力等值线图4-5 采用ANSYS 分析射孔套管的应力分布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

8、限元模型,计算方法有顺序耦合方法与直接耦合方法。图4-6给出了注蒸气热采管柱隔热效果的工程仿真过程及部分结果。 (a井筒地层模型网格(b接头注汽温度场(c接头热流矢量(d套管油层热应力图4-6 ANSYS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、热采封隔器对套管的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

9、器局部的套管热应力、卡瓦对套管的变形损伤。 (a井筒地层模型网格(b井底注汽温度场(c井底套管应力(d套管局部变形图4-8 ANSYS用于热采井注汽温度场与封隔器作用对套管损伤分析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。 (a井筒地层三维模型(b井底注汽温度场(c井底套管射孔应力(d水泥环应力图4-9 ANSYS用于稠油热采井射孔套损机理研究 图4-7 热采封隔器结构图4-9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;注汽温度

10、350,内压力30MPa。4-8非均匀外挤对套管的伤害及变形套管高压整形仿真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。图4-10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、管壁应力等值线分布等。 (a均匀加载变形(b非均匀加载变形-应力(c非均匀加载变形矢量(d套管应力等值线 (e非均匀加载变形(f套管等效应力等值线(g套管应力图4-10

11、ANSYS高压注水井地层非均匀外挤对套管的伤害4-9固井水泥环缺陷与水泥环偏心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4-11给出水泥环偏心对套管水泥环应力的计算结果。 (a水泥环偏心建模(b套管第二主应力(c水泥环应力(d套管等效应力图4-11 水泥环偏心对套管应力的影响图4-12为水泥环沿360度出现不同程度缺陷时套管的应力变化规律,水泥环缺陷由300开始,间隔300取值。结果表明水泥环缺陷为1800左右时套管具有最高应力。 图4-12 固井水泥环缺陷引

12、起套管应力变化仿真结果4-10压裂与深抽井导致套损机理由于深抽时井井底流压变化大且快,井筒中液注高度变化可以达到8001000米,此时井底流压变化高达610MPa,如此大的压力变化极易造成套管发生损坏,针对中原文33块的文152井纵剖面,采用ANSYS仿真计算深抽井底应力变化。对比分析可以发现,当井筒压力下降10MPa时,井底套管承受的挤压力由14.2MPa增大到24.9MPa,相差达到10.4MPa,并且在油层与夹层界面上挤压应力由13.5到23.6MPa的压力突变,显然这种外挤力的急剧变化会对套管寿命造成严重影响。同时也对断层附近地应力变化对套管的作用进行了分析。 (a液面降低800m时断

13、层附近应力等值线(b液面降低800m时断层附近应力局部图(c液面降低1000m时地层等效应力场(d液面降低1000m时断层附近的剪应力分布图4-13 深抽液面降低后地层应力分析结果4-11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、油图4-15 注水封隔器层力学参数变化规律,界定合理的注水压力强度。图4-14是注水封隔器结构示意图,图4-15分别给出了高压注水沿油层纵剖面有限元

14、建模、注水温度场、热流矢量场等。 (a油层模型 (b油层温度场 (c区块热流矢量 (d油层热流矢量局部 (e油层剪应力等值线(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套管应力等值线图4-15 ANSYS用于高压注水压力强度界定4-12泥岩、盐岩蠕变导致套损机理低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。 (a中间应力(b中间应力(c最小主应力

15、(d最大主应力 (e套管Mises应力(f套管最小主应力(g套管变形(h套管应力等值线图4-16 泥岩蠕变引起的套管应力与位移图4-16给出了岩石蠕变引起的套管应力与位移变化过程。4-13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

16、度差模拟结果中可直观地观察到最大温度场变化区域为距井口5米以内。为热采井套管热应力场的分析提供了不可缺少的温度场数据。图4-18给出部分有限元计算结果。 (a水平井建模(b井筒油层温度场(c温度场变化曲线(d井筒温度场图4-17 ANSYS用于热采水平井套管温度场分析4-14热采水平井套管热应力场分析根据稠油热采水平井全井温度场的模拟结果,将距井口50米内的温度场耦合在结构有限元3D模型中,对距井口50米内的套管、水泥及地层进行有限元热应力场分析,采用ANSYS 的热-结构应力耦合模块详细地分析了水泥、内外层套管内的热应力场的分布。根据分析结果,分别提供了满足该热力学参数条件下,按最小屈服强度

17、条件和按极限强度条件的套管钢级。对热采井套管柱强度设计提供了定量的理论依据。图4-18为部分分析结果。 (a三维模型(b井口应力场(c水泥环温度场 (d套管温度(e温度场变化引起的应力(f井筒应力场图4-18 ANSYS用于热采水平井套管应力场分析4-15 提捞采油与注水导致的套损机理4-15-1 升平油田注水与泥岩蠕变套管的受力分析图4-19为采用ANSYS 软件针对大庆升平油田注水采油过程的油层温度场应力场变化规律,以及泥岩蠕变对套管损坏的机理研究的部分结果。 (a 92-38井注水温度场(2泥岩浸水引起的套管主应力 (c 注水井等效应力场(d 双油层注水水平应力场图4-19 ANSYS

18、用于生平油田注水与蠕变导致的套损机理研究4-15-2 宋芳屯油田提捞采油过程套管的受力分析针对大庆宋芳屯油田的低产油井,采用ANSYS 对提捞采油过程进行二维与三维有限元仿真,研究液面变化导致套管的外挤应力变化过程。 (a 单井三维有限元建模(b 泥岩浸水后套管应力(c 射孔孔眼局部等效应力等值线分布 (d 芳56-58井等效应力等值线分布 (e 芳56-58井剪应力等值线 (f 芳56-54-56-62井有效应力(g 液面降低800m 井底垂直应力场与水平应力场 图4-20 ANSYS 用于提捞采油、注水导致的套损机理研究4-16 砂岩油层出砂导致套损机理疏松砂岩油层出砂是引起套管早期损坏的主要因素之一,由于油层出砂问题的复杂性,要定量分析出砂量与套管受力的变化规律存在一定的困难,采用ANSYS 的三维分析模块,针对特殊油层,结合地应力分析结果,可以建立起模拟出砂量与套管受力变化的规律分析模型。以下给出针对中原文明寨油田出砂导致套孙机理研究的分析结果。 (a 三维分析模型(b 出砂1.82m 3出砂