油气开采行业中Ansys仿真技术典型应用案例

钻井与生产

工程挑战

• 恶劣的工作环境

• 钻头的高穿透率

• 快速的产品开发周期

Ansys仿真能力

• Workbench平台集成

• AQWA 专业的水动力学分析模块

• 多场耦合分析&无缝数据传递

示例输出

• 了解疲劳寿命和不同的故障模式以改进设计

安全与合规

风浪载荷

挑战

• 更极端的环境需要更坚固、更稳定的结构

• 减少质量和材料以允许运输并降低资本支出成本

• 减少死亡人数和平台损坏

Ansys解决方案

• 全面的自由表面流动和波浪建模功能

• 多物理场解决方案有助于确定由于环境条件引起的结构损坏

钻头的设计

设计中的难点

‐ 钻井时钻头所处的环境非常恶劣，如何在恶劣的环境下实现可靠的切削操作，是值得关注点问题

‐ 钻井时需要及时清除岩屑，岩屑的清除效率影响钻井的速度。因此在钻头上会设计一些喷嘴，喷出的钻井液会有效的移除岩屑。合理的设计喷嘴以及优化操作条件，对设计提出很高的挑战

‐ 井下环境复杂，实验测量以及可视化比较困难

Ansys技术方案

‐ Ansys的Mechanical可以进行钻头结构强度发分析，进行扭矩和相关机械应力的计算

‐ Ansys CFD仿真可以进行井下流场分析，提供详细的流场信息以及剪切速率信息，从而表面泥浆的移除效率优化

‐ Ansys Fluent里面的冲蚀模型，可对冲蚀进行进行预测

推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium + HPC Pack + Ansys Mechanical + Optis-Lang

钻井柱插入、收回和振动

设计中的难点

‐ 钻井柱插入井下上万米，想要了解上万米内钻柱插入的动态非常困难

‐ 在钻井柱插入过程中，想要了解顶驱扭矩，在插入过程中，钻井柱本身的频率发生变化，容易产生共振，为此在设计时需满足相关减震要求

Ansys技术方案

‐ 针对细长结构的鲁棒梁中梁摩擦接触Ansys能提供相关解决方案

‐ Ansys Mechanical的强大的准静态瞬态求解器，能够帮助模拟由于粘滑机制产生的响应振动，帮助了解定向钻井过程中钻柱的动态，从而避免代价高昂的维护停机

推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical enterprise

压力密封提高安全性

设计中的难点

‐ 井下操作一般是在高温高压性进行，如何在高压情况下（15~20kpsi）提高井的密封性是工程师关注的问题

‐ 在密封时涉及弹性体和金属密封件的大非线性变形

‐ 磨损后在流体压力过高的情况下容易产生泄露

A nsys技术方案

‐ 通过Ansys Mechanical强大的非线性结构求解器来了解密封压力，从而改进高温、高压下密封设计；通过接触进行流体压力泄漏研究，能有效防止因漏油引起的大规模环境灾害

‐ 通过Ansys CFD预测泄露物的扩散

推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical enterprise + Ansys CFD Premium

射孔和堵塞

设计中的难点

‐ 射孔是采用特殊聚能器材进入井眼预定层位进行爆炸开孔让井下地层内流体进入孔眼的作业活动。了解通过套管、水泥和地层后射孔深度对工程设计有着重要的意义

‐ 如何帮助设计射孔枪

‐ 模拟弃井时的封堵工艺

Ansys技术方案

‐ 基于Ansys LS-DYNA中用于爆炸和冲击力学以及高速动态应用的显式结构求解器 模拟射孔过程，从而帮助设计射孔枪并且获得最大穿透深度。帮助优化射孔距离，从而优化产率

‐ 基于Phase transition models能够模拟井的堵塞

推荐Ansys模块

‐ Ansys LS-DYNA

阀门

设计中的难点

‐ 在油气生产过程中会遇到各种各样复杂的阀门，阀门内部涉及复杂的多相 流仿真，并且物性随着温度或者压力变化而变化，从而增加了阀门内流动 研究的复杂性

‐ 由于经过阀门压力变动很大，涉及流体的可压缩变化，甚至产生空化，从 而影响阀门性能和使用寿命

Ansys技术方案

‐ 通过Ansys Mechanical能够对阀门的强度和结构应力进行分析

‐ 通过Ansys CFD内丰富的多相流模型，能够研究阀门内部复杂的流动，例 如空化、冲蚀等，辅助模拟极端条件，从而减少设备故障，减少维护成本 和 更换成本

推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical enterprise + Ansys CFD Premium + HPC pack

管路冲蚀

设计中的难点

‐ 油气井出沙是很常见的，砂砾能引起管道冲蚀、堵塞等问题。了解管路的冲蚀状况对油气生产和运维至关重要

‐ 冲蚀会导致设备的磨损，从而导致计算域发生变化，从而导致流动的变化

‐ 冲蚀后设备是否满足设计需要，运维检修周期是多久

Ansys技术方案

‐ 通过Ansys Fluent内包含行业内标准的冲蚀模型，并且考虑到不同颗粒浓度（稀相，密相）的影响，能够与动网格耦合(ANSYS独有)，考虑颗粒造成管路的磨损变形

‐ 采用Ansys Mechanical能够对冲蚀后的设备强度以及可靠性进行评估

推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium + Ansys Mechanical enterprise + HPC pack

水力压裂

设计中的难点

‐ 在水力压裂过程中会涉及压裂支撑剂的运输问题，研究不同粒径的支撑剂的运输状态，考虑颗粒的沉降行为，是工程师普遍关注的问题

‐ 由于冲蚀/腐蚀造成几何结构变形

Ansys技术方案

‐ Ansys Fluent中丰富的多相流模型，能够充分考虑颗粒-流体的相互作用，颗粒-颗粒的相互作用，模拟流型由稀相到密相转换

‐ Ansys Fluent可以将冲蚀模型与动网格模型进行耦合，考虑由于冲蚀、腐蚀造成结构的变形

‐ Ansys Rocky能够考虑颗粒的形状和尺寸，基于Ansys Workbench平台能够非常容易的实现与Ansys Fluent耦合

推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium +Ansys Rocky+ HPC pack

螺栓

设计中的难点

- 螺栓连接的准确评估对于确保承压和承重组件的可靠运行至关重要

Ansys技术方案

‐ 基于Ansys结构仿真可以可以进行几何非线性仿真，进行螺栓预紧工具设计，实现多步分析

‐ 更好地了解由于组装和服务中加载而产生的连接行为

‐ 失效模式预测和评估

‐ 洞察超出设计条件的行为

推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical enterprise

Ansys油气行业客户

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