simulia油气行业解决方案v6

1、达索 SIMULIA 油气行业解决方案DS SIMULIA CHINA目录第一章第二章第三章引言2达索 SIMULIA 主要产品线4达索 SIMULIA 油气行业应用63.1 油气勘探63.2 油气开采83.3 油气储运183.4 石油化工23第四章 达索 SIMULIA 油气行业的应用优势314.1 强大的岩石力学模拟能力314.2 基于 PowerFLOW 的数字岩心技术374.3 优化与流程自动化394.4 3DEXPERIENCE 平台助力智慧油田431第一章 引言 石油是世界经济的“血液”，“石油安全”也被多个国家上升到重要的战略高度。目前，石油和天然气在全球能源结构中的比重超过 5

2、0%。据预测，未来数十年石油和天然气仍将是最主要的能源。 世界能源结构演进及预测现阶段油气行业面临诸多挑战：常规石油勘探开发的地理和地质条件越来越复杂，深水、极地和复杂油气藏产量比例越来越高；从已发现油田的开发和生产形势看，全球 90%的油田进入成熟期，一大批油田产量经历高峰，在不断下降；非常规石油储量增长快于常规石油，而发展非常规资源面临资源品质、技术、环境等难题。 全球常规与非常规油气资源比例约 2 ：8 。中国非常规油气形成的地质条件十分优越，致密油、致密气、页岩油、页岩气、煤层气、油页岩、重油沥青及天然气水合物等非常规油气资源储量丰富，初步评价非常规油气可采资源量是常规油气的 3 倍左

3、右。从政策规划角度，国家高度重视和积极推进非常规油气资源的勘探开发利用。 页岩/致密油气藏作为一种典型的非常规油气藏，与常规油气藏相比有截然不同的开采方式和流动机理。储层孔隙结构复杂，发育纳微米级孔喉和微米级裂隙系统，孔喉直径非常 2 小，渗透率极低，必须进行压裂才能进行商业化开采；储层基岩中流体运移机制非常复杂, 常规只考虑黏性流动的达西方程无法准确描述；同时储层处于复杂地应力等多物理场的共同作用中，随着孔隙压力的下降，岩石骨架承受的有效应力增加，储层基岩孔隙和裂缝发生形变，整个生产过程伴随着强烈的流固耦合现象，导致储层的渗流能力急剧减小，造成产能下降。 通过广泛和深入地使用先进的 CAE

4、仿真手段，为勘探开发这些低品位、非常规油气资源提供指导，降低开采对环境的影响，降低风险，提升经济效益，这对于当前我国的石油行业意义重大。3第二章 达索 SIMULIA 主要产品线 达索 SIMULIA 是获得全球工业界和学术界广泛赞誉的数值仿真领域的领导者，拥有丰富的产品线。 Abaqus 最为优秀的通用非线性有限元软件，能够涵盖强度、模态、瞬态冲击、热、热力耦合、多孔介质流固耦合等众多分析功能。全球油气行业多个知名公司：哈里伯顿、埃克森美孚、BP、JP Kenny 等，都将其作为最核心的有限元求解器 。 Isight 通过可视化搭建仿真流程快速耦合各种仿真软件，将设计流程、优化算法、近似模型

5、组织到一个统一的框架中，实现复杂产品的多学科多目标参数优化。 Tosca 可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状、加强筋布局等优化，同4时也支持内流场的流道拓扑优化。 Fe-safe 高级疲劳耐久性分析和信号处理软件，拥有最先进的多轴疲劳分析算法，是世界公认精度最高的疲劳寿命分析软件。 Simpack 专家级的机电系统运动学、动力学仿真软件。 CST 行业领先的电磁仿真软件，能够仿真各类电磁问题，典型的应用包括微波、射频、天线、电磁兼容等。 Wave6 声学 CAE 软件，集有限元、边界元和统计能量法于一体。 Xflow/Powerflow 基于无网格格子波尔兹曼方BM, Latti

6、ce Boltzmann Method)，用介观模型来模拟复杂的计算流体动力学问题 ，具有易于使用、无需网格、并行计算高效、边界条件处理简单、模拟精确等特点。PowerFLOW 特别提供与 BP（英国石油公司）一同开发和验证的 DigitalROCK（数字岩心）技术。 3DEXPERIENCE 平台采用新的架构，提供从产品设计，多学科性能仿真分析以及仿真流程构建与仿真数据管理的全面的解决方案，实现仿真领域的多学科优化分析，同时通过设计分析一体化的功能，缩短产品的设计仿真迭代周期，提升产品设计效率。通过底层的仿真流程构建和数据管理，提升企业仿真分析标准化，协同化，也为未来产品性能仿真提供参考。通

7、过 3DEXPERIENCE 仿真平台，用户可以构建全面的企业级仿真体系，提升研发能力。 5第三章 达索 SIMULIA 油气行业应用 无论是上游的勘探、开采，还是下游的石油化工，达索 SIMULIA 提供先进的数值模拟技术已经渗透到油气行业众多重要环节，发挥着不可或缺的价值。随着中东部许多传统油田面临枯竭，我国油气勘探开发已进入“非常规时代”，这也给数值仿真带来了更多挑战。 油气勘探油气开采油气储运石油化工地应力场模拟钻井管线设备分析设计LNG 储罐地球动力学固井适用性评定完井储气库焊接模拟测井解释.生产产层改造31 油气勘探三维地应力场建模地应力研究研究测量技术广泛应用于石油工程的许多领域

8、，已成为油气藏工程、油气勘探、钻井、完井、采油气工程方案设计不可缺少的基础数据。地应力作用形成的储层裂缝、断层及构造，是油气运移、聚集通道和场所之一。在勘探井中，如果能够准确模拟出开发区块的地应力场分布大小，划分出整个区块的张应力区和压应力区（张应力才可能使地层岩石产生拉断形成裂缝发育带，油气运移和聚集均发生在裂缝发育区)，那么根据张应力区，就可以确定出裂缝发育区，为油气勘探井和开发井确定井位时提供准确的位置。 运用 Abaqus 软件构建地质力学模型，可以方便地研究地应力分布规律，从而帮助预测6油气分布。下图为沈新普教授发展的三维精细地应力场的有限元建模流程图： 中国石油勘探开发研究院的张广

9、明博士采用专业地质建模软件 Petrel 建立地质模型，利用自编程序把地质模型转换为有限元模型，导入到有限元软件 Abaqus 中，进行有限元数值模拟，得到了模拟区域的三维应力场分布。结合地质建模软件和有限元软件，实现了 2 类软件的优势互补，建立了求取复杂断块地层应力场分布的流程和方法。 研究区块有限元模型（三维渗流应力耦合单元）： 地层垂向主应力分布： 地球动力学岩石圈断层模拟7断层是浅部地壳中十分常见的一种构造现象。断裂的形成一般是完整岩体在受到外部应力作用下发生破裂，破裂后的断层两盘可以发生不同的相对运动，从而形成正断层、逆断层和走滑断层三种基本类型。断层在后期构造作用下，其形态和运动

10、方式均可以发生改变。断层突发错动是地震发生的基本解释。岩石圈破坏和发展是与温度和压力密切相关的，Karrech利用粘弹塑性损伤力学模型，引入损伤发展与压力的相关性，模拟了一个与压力相关的岩石圈尺度破坏的演化发展过程： 32 油气开采钻进过程 通过合理的简化（忽略循环介质影响）和假设（假设地层为干硬地层），不管是 PDC 钻头还是牙轮钻头，不管是全尺寸钻头模型，还是单个或者多个钻头切削齿，都能利用 Abaqus模拟钻进过程，得到钻头与地层作用的一般规律。 8在钻头破岩模型的基础上，还可以扩展为钻铤-钻头-地层模型，进行钻铤与井壁碰 撞接触分析以及钻铤位移、扭矩分析。地层倾角的存在会导致不同程度的

11、井斜，Abaqus 模拟出的钻井井斜规律已经可以用于纠正钻头的偏移量。 钻井工具及设备Abaqus 能够分析螺杆钻具的推力轴承载荷情况和服役情况，改进其结构设计；能够用于验证和推导连续油管正弦屈曲公式，得到入井初始形态；能够结合现场活塞头断裂情况，改进现有的大井径液压式扩眼器，优选施工作业技术参数；能够对非金属桥塞镶齿卡瓦的锚定过程进行弹塑性有限元分析，优化结构从而避免局部应力集中。钻柱接头和套管的相互作用会造成套管的磨损，基于套管磨损试验机得到的磨损系数，采用 Abaqus 特有的自适应网 9格技术能够准确地模拟钻进过程中套管的局部偏磨过程（西南石油大学练章华教授课题组）。 下图为计算得到的

12、钻铤公、母扣螺纹 Mises 应力分布： 井架悬挂的钻具组合各异，钻进方式多样，导致井架作用载荷存在许多不确定性，利用Abaqus 进行模态分析研究井架结构的固有特性，利用随机响应分析、反应谱分析等确定井架的动载荷响应。这些分析方法都能合理预测井架的极限承载能力，为井架的安全作业提供可靠依据。 导管平台是勘探和开发海洋油气的关键装备。导管架平台结构简单，是应用最广泛的一种类型。 中国石油大学的吕涛等在 Abaqus 中建立平台非线性倒塌分析模型，通过 AQUA 模块对10平台进行波浪、风以及海流载荷的模拟。对设计载荷乘以载荷系数的方式实现对载荷的放大，直至平台动态响应出现失稳的趋势，上图为平台

13、倒塌塑性应变。 中国石油集团工程技术研究院海洋工程技术研究所祁磊等开发了导管架平上安装接口软件，该软件能够将 SACS 的计算结果转化为 Abaqus 的后处理模型和结果，实现导管架模型转化、导管架平台建造、装船、拖航、吊装和滑移下水等 SACS 模型和结果的处理，能够以动画云图等形式动态显示导管架安装施工的整个过程。 固井水泥环和套管受力状态评估1. 移除岩心2. 施加泥浆压力3. 下套管4. 注水泥浆5. 提取单元 ID6. 设置固体水泥环7. 定义岩层水泥环、水泥环套管之间的接触随着开采的进行，储层孔压的下降会引起近井区岩石被压实。这种现象可能使套管和固11井水泥环发生失效，进而导致停产

14、，带来严重的经济损失。意大利 ENI 公司开发了一个完整的仿真流程，包括钻井、固井、生产等环节，其中井眼岩石和水泥环、水泥环和套管之间的相互作用直接定义接触来模拟。通过 Abaqus 计算评估了开采末期套管和水泥环的应力以及它们之间的接触状态。 产层出砂分析油井出砂是砂岩油藏开采过程中所遇到的主要问题之一，对已进入开发中后期的油田而言，如何解决出砂问题显得更为重要。用塑性应变准则作为油井出砂预测的力学模型,是油井出砂预测的一种新方法。下图的井眼、孔眼附近红色部分为预测的出砂区： 酸压施工事故分析西部某井酸压施工时，注入酸液仅 20 方（设计注入 180 方），井口泵压已达到 95Mpa，逼近限

15、压 110MPa。经过停泵，注酸困难仍无缓解，施工被迫中止。推测事故的可能原因之一是施工时套管发生了损毁。通过构建三维有限元模型，进行详细分析。 123 米 由于分析中，仅考虑了地层的有效应力，这是套管受力的最不利工况。在此情况下，套管仅在射孔局部位置上应力达到屈服，绝大多数区域应力仍小于材料的屈服强度。因此可以判定套管的强度可以满足设计要求。除非出现因为注酸地层产生非均匀沉降，或因固井不合格，产生了严重的非均匀载荷情况下，才有可能发生损毁。 封隔器力学行为封隔器是油田开发中重要的井下工具。封隔器通过水力作用使胶筒在套管环形空间内鼓胀而与套管内壁接触并产生一定的接触压力,从而克服封隔器上、下套

16、管环形空间液流产生的压差,达到分层目的。封隔器胶筒与套管的接触压力是衡量密封性能的重要依据。橡胶是一种典型的非线性材料，胶筒受到挤压产生很大的变形，Abaqus能很好地处理这类非线性问题。 13稠油热采稠油与常规石油不同，具有胶质沥青质含量高、粘度和凝固点高等特点，因此利用传统的采油技术很难将其开采出来，目前普遍采用热采技术进行重油的开发利用。 基于耦合场的三维数值模拟稠油热采优化设计技术是将热变形渗流场全耦合，模型能够有效模拟稠油热采的温度场分布，充分考虑温度对稠油黏度的影响、温度引起的变形及微裂纹的张开对渗流的影响。基于给定注入参数，得到的温度场和孔隙压力场数值解能够进行一系列的优化设计工

17、作。如优化注汽压力、注汽速度及注汽量等，为充分解决汽窜、注汽困难及注汽不到位或者过量等工程实际问题提供翔实的预测结果，显著改善生产效率、保证注入蒸汽的成功实施。 下图为沈新普教授计算的某区块蒸汽注入 20 天时的温度分布图： 开采引起的地应力变化、沉降及套管稳定性评估开采引起的地应力改变会导致地层发生沉降，断层活化，套管完整性受到影响等。Altmann 利用 Abaqus 预测了一油田 11 口井在十余年开采中引起的储层孔压和剪应力的变化。 14剪应力的变化 孔压的变化 25 年 16 年 ENI 预测了某储层顶面从 2018 年到 2028 年垂向位移的变化情况： 结合整体模型和子模型分析技

18、术：整体模型为局部感兴趣的井段分析模型提供边界条件，即垂向的位移和水平向的应力，在此基础上进行局部模型的受力和屈曲分析，以评价随着开采的进行，套管的稳定性。 15水力压裂水力压裂通常是在油气井中泵入压裂液，破碎储层岩石形成水力裂缝，从而大幅提高储层渗透率，提升油气产量。上世纪 50 年代起，水力压裂技术初步完善，开始应用到常规油气井的开发中。 页岩气等非常规油气资源，由于储层渗透率过低，如果没有经过大规模的压裂改造的话，它无法形成有效的工业产能。目前，水平井分段多簇压裂技术已成为开发非常规低渗透油气藏最有效的增产改造手段。下图为贝克休斯对水平井多裂缝压裂过程的模拟： Shin,D. 研究了多裂

19、缝之间的影响。在水平井分段多簇压裂时，由于井筒及射孔处的压力平衡条件，流入各条裂缝的压裂液流量并不相等，因此在模拟多水力裂缝扩展时，需要考虑压裂液动态分配。这里并行电阻模型用于计算流量分配：初始增量步，三条缝的注入流量都是相同的，然后利用 UAMP 子程序根据压差分配下一个增量步左 、中 、右 3 条缝各自的注入流量。 16 由于中间裂缝受到左右裂缝的挤压，阻力大，在后续增量步它的注入流量开始下降，后续增量步扩展速度也明显落后于左右裂缝。从计算结果也可以看到：中间裂缝扩展最慢，宽度最小。 左裂缝 中间裂缝 右裂缝 1733 油气储运冰山漂移对海底管线可能造成的损伤模拟高纬度地区冰山的漂移可能对

20、埋在海底土壤中的管道造成损伤。JP KENNY 利用Abaqus/Explicit 中的 CEL 技术对此进行了模拟，以评估冰山滑过对管线造成的损伤，以优化管线的埋深。这里的海底土壤采用欧拉单元建模。 管线和海床复杂的接触行为模拟 管线和海床的接触行为可能非常复杂。Abaqus 有很强的接触模拟能力。借助用户子程序 FRIC，可以定义沿管线轴向和垂直于管线方向两种完全不同的摩擦行为。 JP KENNY 构建 3D 模型，通过模拟管线在海的 trenching 现象，直接得到管线和海床的接触属性，以此作为后续计算的输入。这里海底土壤采用 DP 塑性本构模型。 管线屈曲模拟长距离海底管线由于季节变

21、化引起的温度变化会引发侧向屈曲。下图显示的是环境温18度从 5 度升高到 40 度管线中产生的应力，通过模拟估算发生屈曲的位置和影响。 管线铺设模拟通过接触计算得到铺设时管线的弯曲应力、管线与海底的接触点。利用Abaqus/Aqua可以充分考虑船体的水浮力、波浪对船及管线的作用力等载荷。 LNG 储罐大型 LNG 储罐是储存液化天然气是最常用、最经济的方法。全容式 LNG 储罐是现阶段国内 LNG 接收站常用的结构形式，它由一个含镍元素 9%的低温钢内罐和一个预应力钢筋混凝土外罐构成。外罐的主要功能为保护内罐免遭外部的的破坏，且在内罐破裂时也能提供安全保护防止液体泄漏出来。 19 设计时需要分

22、别对储罐在恒载、活荷载、预应力、运行、试验等荷载作用进行校核，并进行荷载组合分析。下图为 OBE 地震工况下（夏季、有风、满罐）某储罐混凝土外墙环向应力 S22 云图： 可以看出墙体几乎完全处于环向受压状态，满足 LNG 液密性要求。得益于 Abaqus 软件的应用，中国石化工程建设有限公司陈瑞金博士等专家突破了国外的技术垄断，实现了大型了 LNG 储罐的自主设计和自主建造，给企业带来了巨大的经济效益。地下储气库20盐穴储气库凭借其良好的密封性、经济性越来越受到油气储运行业的青睐。位于江苏省金坛地区中国第一个盐穴储气库的第一个盐腔，通过 2008 年与 2015 年的声呐数据对比图，发现腔顶位

23、置发生大面积垮塌，有 4 m 的位移差，且在腔体中部突出岩脊处也有局部垮塌。 腔体的温度变化源于地温梯度和注采运行温度变化。中国石油西气东输管道公司储气库项目部李建君等考虑温度影响，将温度场耦合到已有模型中，建立热应力模型。根据腔内最低压力下其最大主应力云图可知：在腔体顶部、中部、底部岩块处均存在大面积拉张应力区域，这些区域为盐岩破碎区域。 热应力模型计算结果能够与声呐实测带压测腔结果很好地吻合，可以解释在注采运行过程中腔体发生垮塌现象的原因，在今后的腔体稳定性评价中，需要充分考虑热应力作用的影21响。 罐车冲击运送油气等易燃或气体的铁路罐车必须能抵抗一定的冲击载荷，这一过程是典型的流固耦合问

24、题。Abaqus 的 CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）技术非常适合仿真此类问题：流体用欧拉单元模拟，罐车壳体仍采用传统的拉格朗日单元，通过接触来处理流体和固体的相互作用，建模简单，计算收敛性好。计算得到的冲击力、冲击装置位移的时程曲线和实验结果有很好的一致性：2234 石油化工设备的分析设计石化行业有大量不同结构形式的压力容器。压力容器的设计方法可以分为常规设计和分析设计。对于分析设计，设计者可以不再受常规设计标准的束缚，可以从结构形式上进行大胆的创新，即使是属于常规设计的范围内的容器，也可以用分析设计的手段来进行设计。这样，可以保证设备更安全，更经济，更适合工

25、艺的要求，可以进行创新设计而不再受常规设计的很多束缚。 进行分析设计的最有效和最实用的工具就是通过有限元应力分析，来解决容器的结构强度、稳定性及寿命（疲劳）的设计问题。 232007 年美国新版的ASME 规范引入了无须应力分类的弹塑性分析方法：整体塑性垮塌、局部失效、屈曲、棘轮等，对于这些典型的非线性问题，Abaqus 不仅求解精度高，而且收敛性好。在石化设备的操作过程中, 压力波动、温度变化、频繁间歇操作及开停工等都会造成设备的疲劳破坏，这些设备一旦发生破坏, 将造成极大的。Equity Engineering Group基于 Abaqus 对某分子筛吸附器进行了瞬态热力耦合分析，然后利用

26、 Fe-safe 进行疲劳寿命分析。计算结果约 75000 次循环，这与现场观测到的裂纹出现对应的实际载荷循环非常吻合。 由于石化设备长期在高温、高压及交变载荷条件下工作，因此其破坏不仅与材料的疲劳性能有关，而且同材料的蠕变性能有关。而材料在这种蠕变和疲劳复合作用下的性能不单取24决于材料的蠕变性能或疲劳性能，也决定于蠕变与疲劳的交互作用，蠕变和疲劳交互作用所造成的损伤，将成为限制此类设备使用寿命的重要因素。Fe-safe 的 TURBO life 模块提供 2种方法进行蠕变-疲劳交互作用评估。适用性评价长期运行的压力容器和管道可能存在缺陷。为保证安全可靠运行，含缺陷的结构能否继续使用、以及如

27、何继续使用需要进行评价。API 579 适用性评价分为 3 级，其中 level 3 是最细致的评价，由相关专家进行，需要 Abaqus 这类的有限元工具。基于 Simulia 软件的一些典型分析应用：焊接及焊缝疲劳焊接技术是石化工程建设过程中的关键技术之一，焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，焊接残余应力是缺陷产生的主要因素之一。分析和预测焊件的残余应力对焊接工艺确定和选取，确保设备安全运行和延长设备使用寿命有着重要的意义。一般采用“顺序热力耦合”的方法对焊接过程进行模拟。Abaqus 在焊接温度场和残余应力的模拟上有很高的计算可靠度。下图为利用“单元生死”技术模拟上述分子

28、筛吸附器的25多道次焊接：多层多道焊坡口形式和焊接顺序：下图为计算得到的残余应力。为改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，往往需要进行焊后热处理（PWHT），该过程也可以使用 Abaqus 模拟。26焊缝区域通常是疲劳失效发生的位置，焊缝区域的疲劳性能往往决定着整体结构稳定性与可靠性。焊缝区域的应力集中会给用常规方法计算焊接结构的疲劳寿命带来困扰：网格越细，应力越大，寿命越小。原美国 Battelle 研究所（现密歇根大学）董平沙教授发明了结构应力法：把焊缝处的实际应力进行分解，其中的得到的结构应力与外载平衡，且与网格尺寸无关，规避了网格敏感性的问题。Fe-safe/Verity 模块

29、将等效结构应力（考虑板厚、载荷模式进行修正）作为焊缝疲劳计算参量，用主 SN 曲线来表征焊接结构的疲劳寿命，具有使用简单、精度高等优点。该方法经过大量实验数据的验证，并已被 ASME、API 规范所采纳。27传热分析换热器是重要的化工设备。螺旋隔板换热器和弓形隔板换热器是是管壳式换热器的两种主要形式。与弓形隔板换热器相比，螺旋隔板换热器具有更低的压降和更高的热效率。3DEXPERIENCE 平台提供了基于 Navier-Stokes 方程的经典 CFD 方法，利用相应的 APP 对螺旋隔板换热器进行了数值模拟，预测了换热器的传热和压降。螺旋角是一个重要的设计参数，参数化研究发现的最佳螺旋角为

30、35 度。 炼化厂内有大量的压力管道。下图是模拟得到的管道流动和法兰盘的温度分布： 28Equivalent Structural Stress, M1.E+04DS =Ds sLoad Controlleds2-m 1Condimtio=3n.s6 alonadd cmo=nt3ro.6lt 2m I (r) m1.E+031.E+02Equivalent Structural Stress Range Versus N1.E+011.E+031.E+041.E+051.E+061.E+0Life采用 Xflow 进行的换热器共轭传热分析： T 形管两项流仿真（Xflow）： 2930第四章

31、 达索 SIMULIA 油气行业的应用优势达索 SIMULIA 旗下许多优秀的工具软件，长期以来为全球行业巨头：哈里伯顿、埃克森美孚、斯伦贝谢、英国壳牌等所青睐。在 2010 年 SIMULIA 全球年会上，埃克森美孚发表主题演讲，系统回顾和总结了 Abaqus 软件在美孚 30 年的应用案例。41 强大的岩石力学模拟能力在石油工业中，岩石力学贯穿了整个石油工业勘探与开发的全过程。在地质勘探方面，天然裂缝的形成、扩展、演化与分布规律；钻井过程中，岩石的破碎、井眼轨迹控制、井壁稳定性以及井深结构的优化设计；完井工程中，完井管住的优化设计、完井方式的优选及完井优化设计，射孔优化设计；固井工程中，套

32、管完整性预测和套管挤毁机理分析；油田增产措施中，水力压裂裂缝的形成、扩展，以及缝高、缝宽的优化设计；在油田开发过程中，储集层裂缝、孔隙随地层压力的动态变化规律及其对流体流动的影响，以及低孔低渗、特低孔特低渗储集层的开发和利用都与岩石的力学行为密切相关。 Abaqus 软件在岩石力学模拟方面，提供了其它通用和专业软件都无法比拟的诸多优势： 4.1.1 丰富的岩土本构模型Abaqus 具有非常丰富的岩土材料本构模型，包括线弹性模型、多孔弹性模型，以及多31个塑性本构模型： Abaqus/StandardAbaqus/Explicit模型特点屈服面开口模型，适用于沙土和粘土摩尔-库伦模型支持支持扩展

33、的Drucker-Prager 模型屈服面开口模型，适用于沙土和粘土支持支持修正的Drucker-Prager/帽盖模型屈服面是带帽盖的闭口模型，静水压力影响材料屈服硬化支持支持基于临界状态概念，适用于沙土或无粘聚力的材料剑桥模型支持支持节理模型可以定义 3 个节理方向支持不支持另外，Abaqus提供了开放、灵活的二次开发平台，通过用户子程序可以编写所需的材料本构模型。 4.1.2动态地应力分析 随着油气的开采，孔隙压力的变迁导致地应力发生改变，这些变化不仅控制着油藏压缩和地表沉降，反过来又影响油气的流动。在某些情况下，油藏枯竭时油藏内部和附近的应力32变化可能引发地震，油藏的这种动态特性也会

34、影响钻探和开发时的井壁稳定性。 目前常规油气藏开发过程中的储层应力状态分析多使用三维静态地应力模型。然而，一旦地层呈现强非均质性、储层岩石呈现各向异性、生产或注入过程中地应力场发生应力偏转甚至产生大量断层，若仍使用静态地应力分析方法，将必然出现分析误差。不仅如此，由于应力状态变化易出现非线性和不规律等特征，静态地应力分析方法将无法预测强非均质性储层在生产过程中的地应力变化情况，无法准确获取当前地应力状态。 Abaqus 具有特殊的位移-孔压耦合单元，可以进行多孔介质的渗流和变形耦合分析。达索 SIMULIA 和 Baker Hughes 、Paradigm 等合作伙伴一起开发了相应的分析流程：

35、Abaqus通过读入油田开采引起的孔压变化历史，进行单向流固耦合分析，计算地应力变化，预测地表沉降等。 33Abaqus/CAE 也提供了 Reservoir Modeler 插件，使用户能够进行必要的分析设定，如将 Eclipse 的计算结果转化为 odb 文件，读入孔压历史数据、分配地层的物性参数等，比较方便地实现上述分析。 Interactive GUI 西南石油大学朱海燕教授课题组通过分析油/气藏模型和地质力学模型动态耦合机理，编制成耦合程序，建立油气藏长期注采过程的多场耦合动态地质力学模型，这里的耦合分析是双向的，同时考虑温度的影响： 油藏模拟器Abaqus利用该方法预测了国内某区块

36、最小水平有效应力的演化（下图）。通过准确评估该区块当前地应力状态，可以为后期开发方案调整及重复压裂设计提供指导。 344.1.3 跨尺度模拟能力对岩心的微观结构建模分析，可以近似得到地层宏观的物性参数；含油气盆地是油气生成、运移、聚集、保存的基本单元。通过模拟数百万年地质构造的演化，来进行油气资源的评价。 Abaqus 的分析范围能够涵盖从毫米级别的岩心，到几百公里跨度的盆地。 4.1.4 水力压裂模拟35数值模拟是目前研究水力压裂的重要手段，可以比较直观地揭示裂纹扩展背后的物理机制，为水力压裂工艺的设计和优化提供指导。 Abaqus 主要提供基于孔压 Cohesive 单元和 XFEM 两种

37、水力压裂模拟方法： 基于孔压 Cohesive 单元的方法必须预设裂纹扩展的路径（预先设定 Cohesive 单元）。然而实际上压裂裂缝的最终走向受地层岩性的变化、天然裂隙等因素影响，可能非常复杂。基于扩展有限元法的水力压裂模拟无需预设裂缝扩展路径，通过求解储层渗流应力耦合的瞬态非线性有限元方程和缝内压裂液流动方程来模拟压裂液注入、裂缝扩展全过程： 下图为埃克森美孚的水力压裂验证算例。水力裂缝在离开缝口后，很快发生偏转，转向最大主应力方向（水平方向），形成 S 型的水力裂缝，实验和 Abaqus 的模拟结果有很好的一致性：36 Abaqus/Explicit 提供离散元模拟功能。借助 Stan

38、dard 和 Explicit 的耦合计算，可以模拟支撑剂在水力裂缝内的运动： 42 基于 PowerFLOW 的数字岩心技术采样CT 扫描图像流体仿真5 毫米1 毫米10 微米37离 散元模拟固体颗粒（Explicit）带孔压的 Cohesive 单元模拟水力裂缝（standard） PowerFLOW 软件采用的格子玻尔兹曼算BM）是从统计物理的 Boltzmann 方程发展而来的一种介观模拟方法，该方法一方面没有连续介质假设的要求使其可模拟微尺度问题，一方面不关心单分子运动细节而可模拟较大尺度的宏观问题。与 BP（英国石油公司）一同开发和验证的 DigitalROCK（数字岩心）技术，对

39、经过 CT扫描构建的三维岩心模型进行流体仿真，计算得到绝对渗透率、相对渗透率、毛管压力曲线等，可以大量减少或取代可能需要花费数月、甚至性的实验。单项流仿真计算绝对渗透率多项流仿真计算相对渗透率压曲线骨架孔隙结构毛管减饱和度石油开采一般分为三个阶段：一次采油、二次采油和三次采油（也称为强化采油）。其中，一次采油的采收率很低。二次采油通过注水、注气的方法维持地层能量，采收率虽较一次采油有提高，但仍处于较低水平，还需要进行强化采油。通过 DigitalROCK 可以帮助选择优化驱替方案（水驱/聚合物驱/气体驱），从而有效提高油田采收率。水驱，残油饱和度 Sor=39.9% 盐水驱，残油饱和度Sor=

40、29.9% Water 38数字岩心技术的使用流程简单方便：43 优化与流程自动化Isight 是业界最为优秀的流程自动化和多学科多目标优化工具。它提供了一个可视化的灵活的仿真流程搭建平台，同时提供与多种主流 CAE 分析软件的专用接口，利用此工具，用户可以方便的以拖拽的方式可视化的快速建立复杂的仿真分析流程，设定和修改设计变量以及设计目标，自动进行多次分析循环；同时提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格玛设计等一套完整的优化软件包，来帮助用户深入全面的了解产品的设计空间，明晰设计变量与设计目标之间的关系，进而实现多学科多目标优化设计；借助 Simulia ExecutionEngine（

41、SEE，原 Fiper）可以打造企业级多学科流程集成和优化平台。Isight 在油气行业有很多的应用空间和场景。394.3.1 地应力/岩石物性参数反演实际上，油气勘探开发过程中油气运移和聚集、钻井过程中井壁的稳定、水平井设计、油层改造以及注水开发中井网的布置工作都与地应力密切相关，如何有效且准确把握储层的地应力场对于油气资源勘探开发有着重要的意义。测量地应力的方法很多，但只能在研究区块有限地进行测量，不可能对整个区块的地应力都进行详细测量。要获得整个地应力场分布，反演方法与有限元数值模拟相结合是复杂地层地应力场研究的有效手段。可以通过Isight 中的Data Matching 功能匹配测点

42、的实测地应力和Abaqus 有限元计算值，反求出岩石材料属性、构造应力等重要参数，从而得到比较准确的全场地应力信息。4.3.2 工具优化膨胀管钻井完井技术是使用膨胀工具，对膨胀套管进行径向膨胀，使管材产生永久性机械变形，以达到扩大井眼的目的。它是石油工程的核心技术之一。40膨胀管螺纹接头容易在膨胀成形及服役环境下发生漏失甚至断裂，是膨胀管的薄弱位置，需重点关注。膨胀工艺中的膨胀锥锥角，对螺纹接头的成形性能有很大影响。合适的膨胀锥锥角可以减小成形时的膨胀推力和壁厚减薄量，降低操作风险性，保证螺纹齿之间的密封压力，减小螺纹接头失效的可能性。使用贝克休斯早先设计的膨胀锥的膨胀管满足性能要求（下图 A

43、）。在更改了螺纹接头几何尺寸后，重新设计了膨胀锥，但发现它对于之前的螺纹接头并不合适（下图 B）；Isight用来寻找并得到了对于不同的螺纹接头都合适的膨胀锥设计（下图 C）。云图中的灰值区域为大于材料断裂应变的区域。危险点图 A图 B图 C从右下图可以明显看出，使用了新优化的膨胀锥后，接头的密封性能有显著提升：41新的设计帮助客户“attack a market that no one has been able to until now”。Abaqus输入: 变化的几何参数从Abaqus 输出到Isight的计算结果Abaqus+Isight 核心价值4.3.3 流程的集成和优化兰德马克（

44、Landmark）是哈里伯顿的全资子公司，其服务领域涵盖勘探、开发、钻井、决策分析及数据管理，同时还包括广泛的咨询服务，是上游油气工业最主要的软件和服务供应商。Halliburton/Landmark 的 AssetConnect 产品（属于 DecisionSpace）使用 Isight的相关核心技术来帮助集成大量和生产相关的流程，在 30 多个自动化的流程中融入了行业最佳实践和资产管理团队的 Know-how。42 DOE帮助快速探寻设计空间 大幅提升了可靠性和连接的性能 设计迭代周期可以从2个月减少到2天 特定位置的接触压力: 最大化 同一位置的环向应力: 最小化 膨胀力: 最小化 膨胀锥锥角 膨胀锥外径哈里伯顿使用 AssetConnect 来管理优化深水浮式生产储油卸油装置（FPSO），取得了惊人的收益！自动化的流程使员工花费在数据收集、分类、分析、汇报上的时间减少了 98%，数据能够及时得到访问，从而在生产中能够及时应对、优化决策。在项目的第一年据保守估计即可节省 1000 万美元，并可在将来持续获益。44 3DEXPERIENC