FLAC3D建模技巧探討及工程實(shí)例中的應(yīng)用

韓楊春+++蔣先龍+++高玉騏+++吳斌

摘 要：FLAC3D數(shù)值模擬軟件是目前巖土工程領(lǐng)域最常用的模擬軟件之一。合理的網(wǎng)格劃分建立符合工程實(shí)際滿足軟件計(jì)算要求的計(jì)算模型是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提條件。該文結(jié)合工程實(shí)際，通過兩種不同的建模方式計(jì)算分析煤層氣井中玻璃鋼套管的穩(wěn)定性，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。提出小變形工程問題精確建模的思路：對(duì)預(yù)計(jì)破壞的主要區(qū)域進(jìn)行精密建模提高計(jì)算精度，對(duì)次要區(qū)域要減少單元數(shù)量以提高計(jì)算效率。

關(guān)鍵詞：FLAC3D 建模 玻璃鋼套管 穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0028-02

FLAC3D（3-D Fast Lagrangian Analysis Code）是美國(guó)ITASCA（Itasca Consult-ing Group，Inc）公司為地質(zhì)工程應(yīng)用而開發(fā)的三維顯式有限差分計(jì)算機(jī)軟件。該軟件建立在FLAC二維計(jì)算程序的基礎(chǔ)之上，并對(duì)其功能和分析能力進(jìn)行擴(kuò)展。該軟件主要適用于模擬計(jì)算巖土體的力學(xué)變形情況和巖土體達(dá)到屈服極限以后所產(chǎn)生的塑性流動(dòng)情況。其所采用的顯式拉格朗日快速算法，特別適合模擬大變形和扭曲，能使計(jì)算結(jié)果更趨于準(zhǔn)確。FLAC3D為解決三維地質(zhì)工程問題提供了強(qiáng)有力的理想工具。

近年來，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件在巖土工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，網(wǎng)格建模是計(jì)算的前提，合理的網(wǎng)格劃分不僅使計(jì)算更加精準(zhǔn)合理，計(jì)算的效率也能更明顯提高。針對(duì)大變形復(fù)雜地質(zhì)模型的快速建模，國(guó)內(nèi)外已做了大量的研究工作。這類模型如果使用FLAC3D內(nèi)置網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格只能通過數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)，建模工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，易出錯(cuò)。目前這類問題建模思路大體相近：首先通過ANSYS、SURPAC、TetGen、CAD等常用建模軟件建立好地質(zhì)模型，再借助一些轉(zhuǎn)換程序，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)FLAC3D模型的自動(dòng)生成。這種建模思路以及開發(fā)出的相關(guān)接口程序基本解決了復(fù)雜工程地質(zhì)體的建模難題。但是針對(duì)小變形簡(jiǎn)單模型優(yōu)化的研究并不多，此類問題有2個(gè)特點(diǎn)。（1）變形較小，因此計(jì)算單元?jiǎng)澐忠虮M可能精細(xì)以提高計(jì)算精度，但是整個(gè)模型都進(jìn)行精密的網(wǎng)格劃分必將大大影響計(jì)算效率，有時(shí)候甚至因網(wǎng)格數(shù)太多而無法計(jì)算。（2）建模較簡(jiǎn)單，可進(jìn)行靈活的網(wǎng)格劃分，但不同的網(wǎng)格劃分計(jì)算結(jié)果差異明顯。該文旨在結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，探討合理的網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，并為類似小變形工程問題提供一種基本的建模思路。

1 工程背景

煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)的，資源量非常巨大的，在煤層中自生自儲(chǔ)的潔凈非常規(guī)性天然氣資源，主要是以吸附態(tài)賦存于煤層中。煤層氣的地面鉆井開發(fā)技術(shù)已經(jīng)日趨完善，但是在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)了在煤層段使用的鋼套管存在嚴(yán)重問題，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）鋼套管在地下復(fù)雜的物理化學(xué)環(huán)境中極易被破壞和腐蝕。（2）采煤機(jī)與鋼套管容易摩擦產(chǎn)生火花，引發(fā)瓦斯爆炸事故。（3）機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤巖的鋼套管容易對(duì)采煤機(jī)械造成損壞。

這三個(gè)問題嚴(yán)重影響下一階段的煤炭開采順利進(jìn)行，在很大程度上影響了“采煤采氣一體化”的順利實(shí)施。借鑒油田中玻璃鋼套管的應(yīng)用，擬在煤層段使用玻璃鋼套管代替現(xiàn)在常用的鋼套管。相較于傳統(tǒng)鋼套管，玻璃鋼套管具有耐腐蝕、不宜因摩擦產(chǎn)生火花、機(jī)械強(qiáng)度低不會(huì)損壞采煤機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)玻璃鋼套管力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼套管（見表2）。因此有必要對(duì)玻璃鋼套管在煤層氣井中的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

一號(hào)實(shí)驗(yàn)井位于山西省沁水盆地南部。其目的在于開發(fā)、利用3#煤層的煤層氣，降低煤層瓦斯含量，獲得相應(yīng)的儲(chǔ)層資料，并測(cè)試玻璃鋼套管在煤層氣井中的實(shí)際應(yīng)用情況。數(shù)據(jù)模擬主要針對(duì)采氣地層范圍內(nèi)的玻璃鋼套管進(jìn)行，采氣地層上覆巖層只考慮自重帶來的垂直應(yīng)力的影響，不考慮其巖性及構(gòu)造的影響。3#煤層位于山西組﹙P1S﹚底部，煤層位置為362m至368m，煤層上覆頂板約9.4m灰黑色砂質(zhì)泥巖，煤層底板為厚度約7.6m灰黑色細(xì)粒砂巖。

2 建立模型

FLAC3D內(nèi)置的網(wǎng)格生成器提供13種基本形狀網(wǎng)格，作為網(wǎng)格模型的基本組成單元。該次建模所用到的基本網(wǎng)格是：六面塊體網(wǎng)格（以下用brick代稱）、柱形隧道外 圍漸變放射網(wǎng)格（以下用radcyliner代稱）、柱形殼體網(wǎng)格（以下用cshell代稱）。這些網(wǎng)格的特征如表1所示。

2.1 模型尺寸

頂?shù)装寮懊簩痈魅?m建立計(jì)算模型。模型尺寸12m×12m×18m。其中套管總長(zhǎng)18m，6m到14m之間為8m長(zhǎng)的玻璃鋼套管，余下為鋼套管。套管內(nèi)徑60mm外徑70mm，水泥環(huán)內(nèi)徑70mm，外徑110mm。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)沁水盆地南部現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)特征，構(gòu)建研究區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)。最大水平主應(yīng)力為8.3MPa、最小水平主應(yīng)力取為5.3MPa，垂直主應(yīng)力取9.6MPa，模擬采深為356m左右的自重應(yīng)力。

2.3 兩種不同的建模方式

2.3.1 A模型建模過程及遇到的問題

首先生成A模型。只采用radcyliner網(wǎng)格構(gòu)建地層單元，cshell網(wǎng)格構(gòu)建水泥環(huán)與套管單元，不同性質(zhì)單元之間設(shè)接觸面模擬水泥環(huán)與地層直接的接觸，構(gòu)建的模型如圖1所示。

采用A模型進(jìn)行計(jì)算，出現(xiàn)了一些問題，主要有以下幾點(diǎn)。（1）FLAC3D的說明書中推薦計(jì)算單元的長(zhǎng)寬比不宜超過3：1，但在整個(gè)地層中采用radcyliner構(gòu)建不宜控制這個(gè)比值，且距離孔徑越遠(yuǎn)的單元長(zhǎng)寬比超標(biāo)越嚴(yán)重，計(jì)算合理性欠佳。（2）220mm孔徑的鉆孔在地層中的影響范圍比較小，計(jì)算采用的單元?jiǎng)澐謶?yīng)盡可能精細(xì)，A模型中提高單元?jiǎng)澐置芏群蟀l(fā)現(xiàn)計(jì)算時(shí)間大大增加，計(jì)算效率欠佳。

2.3.2 B模型的建模過程與改進(jìn)之處

針對(duì)以上兩個(gè)問題，對(duì)A模型進(jìn)行優(yōu)化。采用radcyliner網(wǎng)格生成鉆孔影響范圍內(nèi)的地層單元。采用brick網(wǎng)格生成影響范圍以外的地層。endprint

對(duì)比A模型和B模型，不難發(fā)現(xiàn)B模型的改進(jìn)之處。

（1）針對(duì)性的對(duì)孔徑影響范圍以內(nèi)的地層進(jìn)行更加精細(xì)的網(wǎng)格劃分，能有效的控制單元比從而提高計(jì)算精度。

（2）對(duì)于孔徑影響范圍以外的地層可盡可能減少單元數(shù)以提高計(jì)算效率。

3 模擬結(jié)果分析及對(duì)策

3.1 管身位移對(duì)比

由兩種套管的管身位移圖。分析得出：（1）采氣地層范圍內(nèi)管身位移隨深度增加而減少。主要原因在于煤層氣井下底部經(jīng)過固井處理可以視為一固定端，限制了底部套管位移，且采氣地層范圍內(nèi)地應(yīng)力的增量太小不足以影響套管的管身位移。（2）玻璃鋼套管在于鋼套管連接處出現(xiàn)明顯的管身位移突變，說明套管連接處的穩(wěn)定性最差。

3.2 連接處垂直剪應(yīng)力分析

改進(jìn)后B模型的管身計(jì)算結(jié)果偏小，但不能得出計(jì)算結(jié)果比A模型更精確，因此需進(jìn)一步分析。兩模型連接處垂直剪應(yīng)力云圖如圖2所示。相較于A模型，B模型得到的結(jié)果能更清晰反映連接處垂直剪應(yīng)力的分布狀況，計(jì)算結(jié)果更加精確。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在模擬條件相同的情況下，不同的建模方式對(duì)模擬的結(jié)果影響明顯。對(duì)于類似的小變形工程問題，應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先應(yīng)該注意建模的合理性。合理的建模既要盡量滿足單元高徑比的要求又要兼顧計(jì)算的效率。建模所用的單元數(shù)越少計(jì)算的速度越快，在計(jì)算過程中，發(fā)現(xiàn)單元數(shù)控制在10萬個(gè)以下時(shí)計(jì)算速度明顯要更加快捷。因此基本建模思路是：對(duì)小變形發(fā)生區(qū)域內(nèi)的模型需進(jìn)行精確建模提高單元數(shù)以提高計(jì)算精度；對(duì)此要區(qū)域的模型應(yīng)減少單元數(shù)量以提高計(jì)算效率。

（2）由模擬的結(jié)果可知，玻璃鋼套管井在連接處的穩(wěn)定性最差，有必要采取措施提高連接處套管穩(wěn)定性。建議有兩點(diǎn)：①對(duì)于接箍扣型，根據(jù)油田玻璃鋼油管的工程經(jīng)驗(yàn)，建議使用圓螺紋玻璃鋼接箍。②改進(jìn)螺紋加工工藝，避免機(jī)械加工導(dǎo)致的套管強(qiáng)度降低。

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