Ansys在石油和天然气行业的应用

最近几十年，随着计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科-计算机辅助工程CAE。这些商品化的 CAE 软件在石油天然气工业领域的应用不断普及并逐步向纵深发展，CAE 工程仿真在石油天然气工业设计中的作用变得日益重要。在众多的 CAE 软件中，在石油领域应用较多，较广泛的软件是ANSYS 软件。

在石油天然气工业领域，CAE 仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性：

• CAE 仿真可有效缩短新产品的开发研究周期

• 虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数

• 大幅度地降低产品研发成本

• 在精确的分析结果下制造出高质量的产品

• 能够快速的变更设计

• 能充分的和 CAD 设计结合并对不同类型的问题分析

• 能够精确的预测出产品的性能

ANSYS 具有强大的多物理场分析功能和求解深广度，其求解功能几乎涵盖了石油天然气工业的所有设计领域。在石油工业中，ANSYS 的研究应用领域包括：

• 地球物理勘探

• 油气开发工程

• 石油钻井工程

• 采油工程

• 油田地面工程建设

• 石油机械工程

• 油气储运工程

• 海洋石油工程

• 压力容器设计

全球能源供应链中的设计、工程和制造团队跨越多个地区，包括从事发现、钻井、生产、储存、运输、精炼和最终用途石化产品的团队。每个部门都面临着广泛的挑战，需要通过不同的物理、尺度和组件来解决。ANSYS提供专业的软件和与全球石油和天然气客户合作的技术专家网络。这些行业专业人员在全球各地区的能源公司附近设有区域办事处。ANSYS拥有渠道合作伙伴和ANSYS行业专家网络，以及对能源行业的长期承诺，与能源行业客户建立了密切的关系，并提供以本地服务和支持为后盾的针对性解决方案。本文重点介绍了一些同类解决方案的最新应用案例。

钻井岩屑、出砂和支撑剂运输会因侵蚀效应造成设备、管道和井下工具的寿命缩短。ANSYS CFD + ANSYS Mechanical解决方案能预测因微粒流动造成的侵蚀、以及因表面冲击和滚转造成的侵蚀。ANSYS 工具套件能在考虑粒子大小和载荷的情况下，对单个流体或多个流体进行流动建模。其可提供多种行业认可的模型，用于确定侵蚀率。由于可以计算材料磨损情况，因此几何结构可随材料侵蚀情况呈动态变化。下图所示为节流阀上的侵蚀率等值图。

海上船舶的成功设计需要精确考虑无规则海浪拍击造成的海浪冲击力和运动。本案例通过使用ANSYS Fluent来研究自由表面流和相关海浪运动（六个自由度：偏摆、俯仰、滚转），满足海上浮式生产、储存、卸货装置（FPSO）、海上平台和其它用于油气钻井、生产和运输的船舶的要求。如下图来自CFD 研究的示例结果展示了，5000吨级船舶双体海上船舶受几个连续海浪冲击的影响。

精确仿真海上和海底结构在设备入水过程中的运动和行为，需要使用包括流体动力学、流体力学和结构力学在内的整套解决方案。ANSYS CFD + ANSYS Mechanical流体–机械系统仿真的ANSYS综合解决方案有助于工程师完全掌握和优化复杂设备的入水过程。

本案例在一个58 吨的海底管汇上演示了采用ANSYS 解决方案获得的流固耦合结果(OTC-25233-MS)。使用瞬态仿真来计算流体力值，随后用该值计算管汇穿过浪溅区的结构响应。

ANSYS 客户和渠道合作伙伴使用ANSYS ACT 开发定制解决方案。在这个框架内，可以为需要解决的问题开发专用工具和完整的垂直解决方案。ACT 应用集合遵循美国石油学会（API）标准设计实践开发而成，堪称对油气行业十分有利的生产力工具套件。油气生产力工具套件中包含的应用能够高效率地对行业典型模型进行前处理和后处理。含有大量螺栓的装配体以及需要使用非线性土壤刚度作为边界条件的应用，均属于该工具套件能够高效处理的实例。此外，该生产力工具套件还可根据ASME VIII、DNV GL 推荐实践等通用标准开展结果评估，以及完成焊接强度计算等其它仿真任务。

该工具套件由ANSYS 渠道合作伙伴EDRMedeso 开发。

工程师可将节理岩体的结构力学、流体流动分析与敏感度、参数分析结合起来，优化水力压裂法。采用这种方法，企业可以在增产与装置开发成本中获得平衡，从而实现更有效率的水力压裂设计和增产措施。运用Ansys仿真解决方案（ANSYS CFD + ANSYS Mechanical + ANSYS optiSLang）掌握水力压裂性能要素，可以获得高成本效益的水力压力策略，并在预算内获得更加优质的开采曲线。

本文信息由ANSYS 与Dynardo 公司联合提供。

原油的生产、运输和精炼所需要的设备和工艺，应当能够控制具有不同热力学属性的石油组分。过去，工程师仅使用1D 流动分析软件来分析多相流设备中的相位平衡，而ANSYS 客户现在已可使用3D 计算流体动力学进行分析和PVT 计算，针对不同流体温度和压力说明详细的流体力学属性和相关流动属性。ANSYS 渠道合作伙伴Grupo SSC 开发了一种应用，其能够判断不同储层流体的热力学特征。该应用通过匹配现有的实验数据（饱和压力、密度和天然气石油比例），预测没有数据可用情况下的相关属性。该应用可连接到ANSYS CFD 软件，提供准确说明流体属性所需的全部PVT 信息，实现对相变更准确的预测，如蒸发工艺中发生的相变。

本文是ANSYS 墨西哥渠道合作伙伴Grupo SSC 的成果。

设计能长期高效可靠运行的水下设备充满挑战。部分复杂性在于，需要掌握在生产中断或暂停过程中每个装置的多相流和冷却情况。工程师力图避免多余的水合物形成。巴西FMC Technologies 的工程师运用ANSYS CFD软件对三相重力分离器进行了热和流体流动分析，以优化设计，并在4℃ 外部温度（海水）下确定冷却温度范围在55℃ 到15℃ （水合物形成温度）的要求。

巴西FMC Technologies 获得ANSYS 南美渠道合作伙伴ESSS 的支持。本信息摘自2014 年CFD 石油行业大会资料。

综合运用组分传递和群体平衡建模，工程师能够仿真给定压力、温度和天然气组成条件下油气设备和管道中的水合物形成。通过包含水合物形成动力学，工程师能够分析说明体积和表面引发的相变流程。这一结构能够使用ANSYS 计算流体动力学解决方案跟踪油气应用中二相流的水合物沉积、积聚和分解效应。

井下封隔器对确保油气井各段之间的良好密闭至关重要。它们往往承受着极端的载荷和井下条件。现实的井眼条件很难在实验室环境中复制，因此很有必要使用数值工具仿真封隔器的行为。ANSYS Mechanical拥有丰富的高度非线性材料模型库，能够复制各种条件下的封隔器行为。该求解器功能强大，便于用户管理自接触和严重几何变形造成的复杂状况。

燃油重整器和裂化炉包含一个燃烧室，在其中通过使用燃烧器产生热量。热量随后递给输送工艺蒸汽的蛇形管。这些管道必须对工艺蒸汽均匀加热，才能实现有效的裂化。为取得最高效率，同时消除可能导致积垢和管道故障的热点，设备设计人员必须了解裂化炉中3D 燃烧状况和工艺管中的1D 放热化学反应之间的相互作用。ANSYS CFD 软件使用通道模型，在集成仿真中耦合所需的1D 到3D 反应，能用更短的时间完成复杂的重整器和裂化炉仿真。右图显示了来自燃烧器的热气为工艺管提供热量，并实现内部反应。借助ANSYS 集成仿真，工程师能够调整工作条件，让整个工艺管都用于生产目的。

碳氢化合物生产造成的储层压实会导致地表下陷、渗透率下降和套管断裂。下陷会直接导致套管压碎、剪切和稳定性问题（承受屈曲）。此外，下陷还会造成断层重新活跃。ANSYS Mechanical结构力学产品可提供耦合的微孔-应力热单元，能用于分析多孔介质。ANSYS 正在协助油气企业，帮助建立储层垂直压实模型和造成地表设施破坏的垂直压实。在掌握正确的构成属性（假定饱和多孔介质）的情况下，可以将储层中的压力分布当作流体抽取结构进行计算。虽然准确预测储层行为一般会涉及数十个变量，但这种方法经过验证能提供非常有价值的深度信息。

流量调节装置（FCD）对于采用蒸汽辅助重力泄油（SAGD）的油砂生产非常关键。FCD 设计的方案既可用于注入器，也可用于生产井。关键的性能参数之一是压力降和流速之间的关系。设计方案需要在流速发生变化时尽量保持压力降稳定。这样可确保非均质储层中出现的多种状况下具有稳定流速，帮助减少闪蒸和蒸汽产生，并有助于控制侵蚀。工程师利用ANSYS CFX 对Alberta Flux Solutions 的生产和注入器工具设计开展CFD 分析。通过仿真可以确保在正常流速下获得正确的压力降。另外还需开展敏感度研究，以获取多种流速下的压力降特征，帮助测量与市场上其它产品相比的性能水平，从而在竞争中脱颖而出。最后仿真结果可用于指导新设计，降低FCD性能受制造公差影响的敏感度。

Alberta Flux Solutions 获得ANSYS 渠道合作伙伴SimuTech 集团的支持。

本文通过多个仿真案例研究探讨了石油和天然气行业内可以解决的技术要求和问题范围。展示了如何使用ANSYS仿真来了解故障的根源，提高产品可靠性，评估新设计的性能。在非标准设备的设计，传统的经验统的一些标准规范公式不足以满足石油和天然气行业的研发，促使用户越来越注重仿真软件的使用。ANSYS软件能为石油和天然气行业仿真分析提供一系列全面的解决方案，以满足相关的设计挑战:

• ANSYS在石油和天然气钻井方面的解决方案

  

• ANSYS在石油和天然气生产方面的解决方案

  

• ANSYS在石油和天然气存储运输方面的解决方案

  

• ANSYS在石油和天然气精炼方面的解决方案