FLAC3D建模技巧探讨及工程实例中的应用

韩杨春+++蒋先龙+++高玉骐+++吴斌

摘 要：FLAC3D数值模拟软件是目前岩土工程领域最常用的模拟软件之一。合理的网格划分建立符合工程实际满足软件计算要求的计算模型是保证计算结果准确性的前提条件。该文结合工程实际，通过两种不同的建模方式计算分析煤层气井中玻璃钢套管的稳定性，对得到的结果进行对比分析。提出小变形工程问题精确建模的思路：对预计破坏的主要区域进行精密建模提高计算精度，对次要区域要减少单元数量以提高计算效率。

关键词：FLAC3D 建模 玻璃钢套管 稳定性

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0028-02

FLAC3D（3-D Fast Lagrangian Analysis Code）是美国ITASCA（Itasca Consult-ing Group，Inc）公司为地质工程应用而开发的三维显式有限差分计算机软件。该软件建立在FLAC二维计算程序的基础之上，并对其功能和分析能力进行扩展。该软件主要适用于模拟计算岩土体的力学变形情况和岩土体达到屈服极限以后所产生的塑性流动情况。其所采用的显式拉格朗日快速算法，特别适合模拟大变形和扭曲，能使计算结果更趋于准确。FLAC3D为解决三维地质工程问题提供了强有力的理想工具。

近年来，FLAC3D数值模拟软件在岩土工程中得到了广泛的应用。在实际应用过程中，网格建模是计算的前提，合理的网格划分不仅使计算更加精准合理，计算的效率也能更明显提高。针对大变形复杂地质模型的快速建模，国内外已做了大量的研究工作。这类模型如果使用FLAC3D内置网格生成器生成网格只能通过数据文件实现，建模工作量大、耗时长，易出错。目前这类问题建模思路大体相近：首先通过ANSYS、SURPAC、TetGen、CAD等常用建模软件建立好地质模型，再借助一些转换程序，通过数据转化实现FLAC3D模型的自动生成。这种建模思路以及开发出的相关接口程序基本解决了复杂工程地质体的建模难题。但是针对小变形简单模型优化的研究并不多，此类问题有2个特点。（1）变形较小，因此计算单元划分因尽可能精细以提高计算精度，但是整个模型都进行精密的网格划分必将大大影响计算效率，有时候甚至因网格数太多而无法计算。（2）建模较简单，可进行灵活的网格划分，但不同的网格划分计算结果差异明显。该文旨在结合实际工程实例，探讨合理的网格划分对数值模拟结果的影响，并为类似小变形工程问题提供一种基本的建模思路。

1 工程背景

煤层气是一种优质的，资源量非常巨大的，在煤层中自生自储的洁净非常规性天然气资源，主要是以吸附态赋存于煤层中。煤层气的地面钻井开发技术已经日趋完善，但是在生产过程中发现了在煤层段使用的钢套管存在严重问题，主要表现在以下三个方面：（1）钢套管在地下复杂的物理化学环境中极易被破坏和腐蚀。（2）采煤机与钢套管容易摩擦产生火花，引发瓦斯爆炸事故。（3）机械强度远高于煤岩的钢套管容易对采煤机械造成损坏。

这三个问题严重影响下一阶段的煤炭开采顺利进行，在很大程度上影响了“采煤采气一体化”的顺利实施。借鉴油田中玻璃钢套管的应用，拟在煤层段使用玻璃钢套管代替现在常用的钢套管。相较于传统钢套管，玻璃钢套管具有耐腐蚀、不宜因摩擦产生火花、机械强度低不会损坏采煤机械的优点。但同时玻璃钢套管力学强度远低于钢套管（见表2）。因此有必要对玻璃钢套管在煤层气井中的稳定性进行实验分析。

一号实验井位于山西省沁水盆地南部。其目的在于开发、利用3#煤层的煤层气，降低煤层瓦斯含量，获得相应的储层资料，并测试玻璃钢套管在煤层气井中的实际应用情况。数据模拟主要针对采气地层范围内的玻璃钢套管进行，采气地层上覆岩层只考虑自重带来的垂直应力的影响，不考虑其岩性及构造的影响。3#煤层位于山西组﹙P1S﹚底部，煤层位置为362m至368m，煤层上覆顶板约9.4m灰黑色砂质泥岩，煤层底板为厚度约7.6m灰黑色细粒砂岩。

2 建立模型

FLAC3D内置的网格生成器提供13种基本形状网格，作为网格模型的基本组成单元。该次建模所用到的基本网格是：六面块体网格（以下用brick代称）、柱形隧道外 围渐变放射网格（以下用radcyliner代称）、柱形壳体网格（以下用cshell代称）。这些网格的特征如表1所示。

2.1 模型尺寸

顶底板及煤层各取6m建立计算模型。模型尺寸12m×12m×18m。其中套管总长18m，6m到14m之间为8m长的玻璃钢套管，余下为钢套管。套管内径60mm外径70mm，水泥环内径70mm，外径110mm。

2.2 计算参数

根据沁水盆地南部现代地应力场特征，构建研究区的地应力场。最大水平主应力为8.3MPa、最小水平主应力取为5.3MPa，垂直主应力取9.6MPa，模拟采深为356m左右的自重应力。

2.3 两种不同的建模方式

2.3.1 A模型建模过程及遇到的问题

首先生成A模型。只采用radcyliner网格构建地层单元，cshell网格构建水泥环与套管单元，不同性质单元之间设接触面模拟水泥环与地层直接的接触，构建的模型如图1所示。

采用A模型进行计算，出现了一些问题，主要有以下几点。（1）FLAC3D的说明书中推荐计算单元的长宽比不宜超过3：1，但在整个地层中采用radcyliner构建不宜控制这个比值，且距离孔径越远的单元长宽比超标越严重，计算合理性欠佳。（2）220mm孔径的钻孔在地层中的影响范围比较小，计算采用的单元划分应尽可能精细，A模型中提高单元划分密度后发现计算时间大大增加，计算效率欠佳。

2.3.2 B模型的建模过程与改进之处

针对以上两个问题，对A模型进行优化。采用radcyliner网格生成钻孔影响范围内的地层单元。采用brick网格生成影响范围以外的地层。endprint

对比A模型和B模型，不难发现B模型的改进之处。

（1）针对性的对孔径影响范围以内的地层进行更加精细的网格划分，能有效的控制单元比从而提高计算精度。

（2）对于孔径影响范围以外的地层可尽可能减少单元数以提高计算效率。

3 模拟结果分析及对策

3.1 管身位移对比

由两种套管的管身位移图。分析得出：（1）采气地层范围内管身位移随深度增加而减少。主要原因在于煤层气井下底部经过固井处理可以视为一固定端，限制了底部套管位移，且采气地层范围内地应力的增量太小不足以影响套管的管身位移。（2）玻璃钢套管在于钢套管连接处出现明显的管身位移突变，说明套管连接处的稳定性最差。

3.2 连接处垂直剪应力分析

改进后B模型的管身计算结果偏小，但不能得出计算结果比A模型更精确，因此需进一步分析。两模型连接处垂直剪应力云图如图2所示。相较于A模型，B模型得到的结果能更清晰反映连接处垂直剪应力的分布状况，计算结果更加精确。

4 结语

（1）在模拟条件相同的情况下，不同的建模方式对模拟的结果影响明显。对于类似的小变形工程问题，应用FLAC3D进行数值模拟时，首先应该注意建模的合理性。合理的建模既要尽量满足单元高径比的要求又要兼顾计算的效率。建模所用的单元数越少计算的速度越快，在计算过程中，发现单元数控制在10万个以下时计算速度明显要更加快捷。因此基本建模思路是：对小变形发生区域内的模型需进行精确建模提高单元数以提高计算精度；对此要区域的模型应减少单元数量以提高计算效率。

（2）由模拟的结果可知，玻璃钢套管井在连接处的稳定性最差，有必要采取措施提高连接处套管稳定性。建议有两点：①对于接箍扣型，根据油田玻璃钢油管的工程经验，建议使用圆螺纹玻璃钢接箍。②改进螺纹加工工艺，避免机械加工导致的套管强度降低。

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