ANSYS CFD在油氣行業(yè)的應(yīng)用

2018-04-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

全球能源供應(yīng)鏈上的設(shè)計、工程和制造群體遍布世界各地,廣泛涵蓋從事勘探、鉆井、生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、精煉和最終石化產(chǎn)品業(yè)務(wù)的所有團(tuán)隊。每個領(lǐng)域都面臨林林總總的挑戰(zhàn),需要利用不同物理場、規(guī)模和組件進(jìn)行解決。ANSYS 可提供同類領(lǐng)先的軟件,并擁有由技術(shù)專家組成的網(wǎng)絡(luò),能夠?yàn)槭澜绺鞯氐挠蜌馄髽I(yè)客戶提供服務(wù)。這些行業(yè)專家緊鄰他們的能源企業(yè)客戶提供近距離貼心服務(wù),在如下眾多區(qū)域辦事處努力工作、辛勤耕耘,如休斯敦、阿伯丁、奧斯陸、斯塔萬格、吉隆坡、北京、卡爾加里以及全球其它地區(qū)等。憑借渠道合作伙伴和ANSYS 行業(yè)專家組成的網(wǎng)絡(luò),加上對能源行業(yè)的長期承諾,ANSYS 努力促進(jìn)與能源行業(yè)客戶的緊密合作關(guān)系,提供配備本地服務(wù)和支持的極富針對性的解決方案。本圖集將以業(yè)界最佳解決方案為例重點(diǎn)介紹一些近期案例。

ANSYS CFD 解決方案在油氣行業(yè)中被廣泛用于地下、管道、運(yùn)輸、處理和精煉等應(yīng)用。基本上所有這些油氣應(yīng)用均涉及多相流。例如可使用ANSYS Fluent 執(zhí)行閃蒸仿真。右圖所示為各個下游橫截面的汽相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的等值圖。汽化碳?xì)浠衔锏馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著下游到混合點(diǎn)的距離增大而相應(yīng)增大。紅色代表最大,藍(lán)色代表最小。

鉆井巖屑、出砂和支撐劑運(yùn)輸會因侵蝕效應(yīng)造成設(shè)備、管道和井下工具的壽命縮短。ANSYS 解決方案能預(yù)測因微粒流動造成的侵蝕、以及因表面沖擊和滾轉(zhuǎn)造成的侵蝕。ANSYS 工具套件能在考慮粒子大小和載荷的情況下,對單個流體或多個流體進(jìn)行流動建模。其可提供多種行業(yè)認(rèn)可的模型,用于確定侵蝕率。由于可以計算材料磨損情況,因此幾何結(jié)構(gòu)可隨材料侵蝕情況呈動態(tài)變化。右圖所示為節(jié)流閥上的侵蝕率等值圖。

海上船舶的成功設(shè)計需要精確考慮無規(guī)則海浪拍擊造成的海浪沖擊力和運(yùn)動。工程師使用ANSYS Fluent 研究自由表面流和相關(guān)海浪運(yùn)動(六個自由度:偏擺、俯仰、滾轉(zhuǎn)),滿足海上浮式生產(chǎn)、儲存、卸貨裝置(FPSO)、海上平臺和其它用于油氣鉆井、生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)拇暗囊蟆Ｓ覉D來自CFD 研究的示例結(jié)果展示了,雙體海上船舶的峰值沖擊壓力影響范圍(5,000 公噸)的兩個時間順序模式。

精確仿真海上和海底結(jié)構(gòu)在設(shè)備入水過程中的運(yùn)動和行為,需要使用包括流體動力學(xué)、流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)在內(nèi)的整套解決方案。用于流體— 機(jī)械系統(tǒng)仿真的ANSYS綜合解決方案有助于工程師完全掌握和優(yōu)化復(fù)雜設(shè)備的入水過程。

近期,工程師在一個58 公噸的海底管匯上演示了采用ANSYS 解決方案獲得的流固耦合結(jié)果(OTC-25233-MS)*。使用瞬態(tài)仿真來計算流體力值,隨后用該值計算管匯穿過浪濺區(qū)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

ANSYS 客戶和渠道合作伙伴使用ANSYS ACT 開發(fā)定制解決方案。在這個框架內(nèi),可以為需要解決的問題開發(fā)專用工具和完整的垂直解決方案。ACT 應(yīng)用集合遵循標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計實(shí)踐開發(fā)而成,堪稱對油氣行業(yè)十分有利的生產(chǎn)力工具套件。油氣生產(chǎn)力工具套件中包含的應(yīng)用能夠高效率地對行業(yè)典型模型進(jìn)行前處理和后處理。含有大量螺栓的裝配體以及需要使用非線性土壤剛度作為邊界條件的應(yīng)用,均屬于該工具套件能夠高效處理的實(shí)例。此外,該生產(chǎn)力工具套件還可根據(jù)ASME VIII、DNV GL 推薦實(shí)踐等通用標(biāo)準(zhǔn)開展結(jié)果評估,以及完成焊接強(qiáng)度計算等其它仿真任務(wù)。

該工具套件由ANSYS 渠道合作伙伴EDRMedeso 開發(fā)。

工程師可將節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體流動分析與敏感度、參數(shù)分析結(jié)合起來,優(yōu)化水力壓裂法。采用這種方法,企業(yè)可以在增產(chǎn)與裝置開發(fā)成本中獲得平衡,從而實(shí)現(xiàn)更有效率的水力壓裂設(shè)計和增產(chǎn)措施。運(yùn)用仿真技術(shù)掌握水力壓裂性能要素,可以獲得高成本效益的水力壓力策略,并在預(yù)算內(nèi)獲得更加優(yōu)質(zhì)的開采曲線。本文信息由ANSYS 與Dynardo 公司聯(lián)合提供。

原油的生產(chǎn)、運(yùn)輸和精煉所需要的設(shè)備和工藝,應(yīng)當(dāng)能夠控制具有不同熱力學(xué)屬性的石油組分。過去,工程師僅使用1D 流動分析軟件來分析多相流設(shè)備中的相位平衡,而ANSYS 客戶現(xiàn)在已可使用3D 計算流體動力學(xué)進(jìn)行分析和PVT 計算,針對不同流體溫度和壓力說明詳細(xì)的流體力學(xué)屬性和相關(guān)流動屬性。ANSYS 渠道合作伙伴Grupo SSC 開發(fā)了一種應(yīng)用,其能夠判斷不同儲層流體的熱力學(xué)特征。該應(yīng)用通過匹配現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(飽和壓力、密度和天然氣石油比例),預(yù)測沒有數(shù)據(jù)可用情況下的相關(guān)屬性。該應(yīng)用可連接到ANSYS CFD 軟件,提供準(zhǔn)確說明流體屬性所需的全部PVT 信息,實(shí)現(xiàn)對相變更準(zhǔn)確的預(yù)測,如蒸發(fā)工藝中發(fā)生的相變。

本文是ANSYS 墨西哥渠道合作伙伴Grupo SSC 的成果。

設(shè)計能長期高效可靠運(yùn)行的水下設(shè)備充滿挑戰(zhàn)。部分復(fù)雜性在于,需要掌握在生產(chǎn)中斷或暫停過程中每個裝置的多相流和冷卻情況。工程師力圖避免多余的水合物形成。巴西FMC Technologies 的工程師對三相重力分離器進(jìn)行了熱和流體流動分析,以優(yōu)化設(shè)計,并在4℃ 外部溫度(海水)下確定冷卻溫度范圍在55℃ 到15℃ (水合物形成溫度)的要求。

巴西FMC Technologies 獲得ANSYS 南美渠道合作伙伴ESSS 的支持。本信息摘自2014 年CFD 石油行業(yè)大會資料。

綜合運(yùn)用組分傳遞和群體平衡建模,工程師能夠仿真給定壓力、溫度和天然氣組成條件下油氣設(shè)備和管道中的水合物形成。通過包含水合物形成動力學(xué),工程師能夠分析說明體積和表面引發(fā)的相變流程。這一結(jié)構(gòu)能夠使用ANSYS 計算流體動力學(xué)解決方案跟蹤油氣應(yīng)用中二相流的水合物沉積、積聚和分解效應(yīng)。

井下封隔器對確保油氣井各段之間的良好密閉至關(guān)重要。它們往往承受著極端的載荷和井下條件?，F(xiàn)實(shí)的井眼條件很難在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中復(fù)制,因此很有必要使用數(shù)值工具仿真封隔器的行為。ANSYS 擁有豐富的高度非線性材料模型庫,能夠復(fù)制各種條件下的封隔器行為。該求解器功能強(qiáng)大,便于用戶管理自接觸和嚴(yán)重幾何變形造成的復(fù)雜狀況。

燃油重整器和裂化爐包含一個燃燒室,在其中通過使用燃燒器產(chǎn)生熱量。熱量隨后遞給輸送工藝蒸汽的蛇形管。這些管道必須對工藝蒸汽均勻加熱,才能實(shí)現(xiàn)有效的裂化。為取得最高效率,同時消除可能導(dǎo)致積垢和管道故障的熱點(diǎn),設(shè)備設(shè)計人員必須了解裂化爐中3D 燃燒狀況和工藝管中的1D 放熱化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用。ANSYS CFD 軟件使用通道模型,在集成仿真中耦合所需的1D 到3D 反應(yīng),能用更短的時間完成復(fù)雜的重整器和裂化爐仿真。右圖顯示了來自燃燒器的熱氣為工藝管提供熱量,并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部反應(yīng)。借助ANSYS 集成仿真,工程師能夠調(diào)整工作條件,讓整個工藝管都用于生產(chǎn)目的。

碳?xì)浠衔锷a(chǎn)造成的儲層壓實(shí)會導(dǎo)致地表下陷、滲透率下降和套管斷裂。下陷會直接導(dǎo)致套管壓碎、剪切和穩(wěn)定性問題(承受屈曲)。此外,下陷還會造成斷層重新活躍。ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)產(chǎn)品可提供耦合的微孔— 應(yīng)力熱單元,能用于分析多孔介質(zhì)。ANSYS 正在協(xié)助油氣企業(yè),幫助建立儲層垂直壓實(shí)模型和造成地表設(shè)施破壞的垂直壓實(shí)。在掌握正確的構(gòu)成屬性(假定飽和多孔介質(zhì))的情況下,可以將儲層中的壓力分布當(dāng)作流體抽取結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。雖然準(zhǔn)確預(yù)測儲層行為一般會涉及數(shù)十個變量,但這種方法經(jīng)過驗(yàn)證能提供非常有價值的深度信息。

流量調(diào)節(jié)裝置(FCD)對于采用蒸汽輔助重力泄油(SAGD)的油砂生產(chǎn)非常關(guān)鍵。FCD 設(shè)計的方案既可用于注入器,也可用于生產(chǎn)井。關(guān)鍵的性能參數(shù)之一是壓力降和流速之間的關(guān)系。設(shè)計方案需要在流速發(fā)生變化時盡量保持壓力降穩(wěn)定。這樣可確保非均質(zhì)儲層中出現(xiàn)的多種狀況下具有穩(wěn)定流速,幫助減少閃蒸和蒸汽產(chǎn)生,并有助于控制侵蝕。工程師利用ANSYS CFX 對Alberta Flux Solutions 的生產(chǎn)和注入器工具設(shè)計開展CFD 分析。通過仿真可以確保在正常流速下獲得正確的壓力降。另外還需開展敏感度研究,以獲取多種流速下的壓力降特征,幫助測量與市場上其它產(chǎn)品相比的性能水平,從而在競爭中脫穎而出。最后仿真結(jié)果可用于指導(dǎo)新設(shè)計,降低FCD性能受制造公差影響的敏感度。

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