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第四章 ANSYS 在采油工程中的应用 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、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： 套管与油管柱设计 井口装置、阀门与法兰设计 油管与采油封隔器、卡瓦系统设计 井下电潜泵、水利活塞泵有杆泵管柱优化设计 射孔完井 高压注水强度 稠油热采工程 套管损坏机理 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) 叠代求解收敛 (d) 接箍应力 图4 －1、ANSYS 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 套管的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，通过施加不同大小的 初始轴向拉力，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。 (a) 完井套管应力 (b)热采井底应力 图4 －2 ANSYS 热采完井套管预拉力设计 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，其研究得到主要参数为射孔深 度、孔密度、孔径、相位角、钻井污染深度、孔眼周围压实带厚度以及压实损害程度、地层 各项异性渗透率的影响等。 国外，在射孔机理及效果评价方面开展的很多，但主要针对射孔参数对产能的影响进行 了较为深入的研究，首先采用电模拟的方法，进而采用数值模拟有限元方法进行研究。并根 据结果编制了诺谟图指导射孔施工。97 年Halliburton Explosive Product Center(哈里伯顿爆炸 产品中心)用Lagrangian 和Euler 数值分析进行了二维计算，给出了二颗弹弹间干扰的现象， 并描述了利用计算分析方法研究弹间干扰的困难和可能的技术途径。 射孔弹爆炸，药型罩在爆炸载荷作用下压垮于轴线聚汇形成射流，射流一边向前运动， 一边逐渐拉伸，首先穿过射孔器，然后穿过套管、水泥环和岩石。射流在穿过各种介质的过 程中，不断消耗，质量和速度逐渐减少。当其速度降到临界值时，破孔停止。这种射流的特 点之一是不形成杵体。ANSYS/LS-DYNA 具有拉格朗日、欧拉、任意拉格朗日－欧拉耦合 三种物质描述法，以上破孔过程的计算可采用任意拉格朗日一欧拉耦合方法，即将射孔弹中 的药型罩、炸药、弹体的拉格朗日网格放入周围空气的欧拉网格区，射孔器、套管、水泥环 和岩石以拉格朗日网格按结构尺寸也放入空气的欧拉区，而且射流通过的网格区高度加密， 以保证计算的精度。 ANSYS/LS-DYNA 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