В предыдущей статье блога мы рассказывали о том, какую роль играет компьютерное моделирование физических процессов проектирования и оптимизации горнодобывающего оборудования. В продолжение этой темы рассмотрим данный вопрос в более широком аспекте – поговорим о роли компьютерного моделирования применительно ко всей отрасли добычи природных ресурсов. В данной статье мы уделим внимание нефтегазовой промышленности и применимости компьютерного инжиниринга именно в этой отрасли.

Бурение нефтяных и газовых скважин подразумевает применение разнообразного оборудования, такого как буровая коронка, талевый блок, лебёдка, песчаная труба, двигатели, топливные и водяные баки, поворотная муфта, буровой шланг, стол бурового ротора, мостки для труб, направляющая труба, долото, бурильная колонна, цистерна для хранения бурового раствора, циркуляционный буровой насос и многого другого.

Сам процесс бурения нефтяных и газовых скважин уже достаточно хорошо изучен. Гораздо более интересным является то, что с помощью той же буровой установки можно проводить сейсмические исследования на основе акустических волн. Сгенерированные буровым оборудованием акустические волны распространяются вглубь земли и отражаются обратно на поверхность различными слоями пород.  Волны распространятся с различной скоростью в зависимости от плотности или разновидности слоев горных пород, через которые они проходят. Отраженные волны регистрируются аудио-чувствительными устройствами, фиксирующими вибрации (микрофонами). На поверхности земли отражаемые волны воспринимаются сейсмометрами, а на воде – гидрофонами. Таким образом, сейсмологи могут интерпретировать искажения сигнала, связанные с углеводородными ловушками.

Моделирование в нефтегазовой отрасли

Типовые расчеты, используемые для улучшения производительности нефтяного и газового оборудования:

• Бурение скважин – статический и динамический анализ прочности, вычислительная гидро-газодинамика (CFD), термодинамический расчет;
• Гидроэнергетические устройства – расчет прочности и CFD;
• Насосы – расчет прочности, CFD, тепловой расчет;
• Трубопроводные системы и арматура – расчет прочности и гидродинамика;
• Резервуары для хранения (топливный резервуар, нефтяной резервуар, резервуары высокого давления) – определение давления в конструкции, анализ циркуляции жидкости;
• Нефтяная платформа – статический и динамический расчет прочности.

Рассмотрим практическое применение инструментов моделирования на реальных примерах:

Исследование воздействия волн на нефтяную платформу

В данном проекте моделируется воздействие морских волн на колонны буровой вышки. Используется масштабированная геометрия при сохранении реального числа Фруда. Построена сетка из 8,5 млн элементов.

Термомеханический расчет резервуара высоко давления 

Интересным примером моделирования в области добычи и консервации горных выработок, скважин и иных подземных сооружений является термомеханический расчет резервуара высокого давления. Подобные резервуары обычно используются для хранения жидкости или газа под высоким давлением. В данном случае рассматривается медный резервуар. Внутри он имеет стальное покрытие и содержит в себе горячую воду температурой 290 С, которая в дальнейшем охлаждается холодной водой температурой 25 С.

Для решения данной задачи проведен нестационарный тепловой расчет для того, чтобы иметь представление о том, как температура меняется в течении времени. В данной модели использованы следующие материалы: для резервуара – медь, для внутреннего покрытия – сталь. В расчете использованы температурно-зависимые свойства материалов.

Резервуар имеет две трубы: верхняя служит для подачи холодной воды, нижняя – для отвода горячей. Между трубами и сосудом учтено наличие клапанов. Результаты моделирования показывают изменение температуры, тепловой поток и напряжения в трубах и резервуаре в течении 35 минут.

Колебание жидкости в топливном баке при движении

Также важной задачей в области топливного хранения является моделирование колебания жидкости в движущемся топливном баке. Движение топливного бака задавалось с помощь инструмента Rigid Body Dynamics. Геометрия представляет собой 113-литровый цилиндрический бак. Внутренний расчетный объем был разбит на конечные элементы с использованием инструмента Meshing, количество элементов ~ 0,5 млн.

В данном примере жидкости присвоены свойства воды, второй фазой является воздух. Моделирование проводилось на восьми компьютерных ядрах, время расчет составило около 11 часов.

Расчет динамики, прочности и долговечности редукторной секции турбобура

Еще одним примером применения инструментов численного моделирования в нефтегазовой отрасли является расчет бурильного устройства, содержащего в себе несколько длинномерных секций. Для исследования реакции сложных механических систем в процессе работы или в результате воздействия внешних сил удобно использовать моделирование в динамической постановке. Но сложность данного метода заключается в том, что для этого требуются большие временные и вычислительные ресурсы. Поэтому моделировать кинематику тел удобно в постановке динамики абсолютно твердых тел. Для учета влияния напряженно-деформированного состояния на характеристику переходного процесса в системе абсолютно жестких должны быть деформируемые тела. Данный метод носит название Component mode synthesis (метод суперпозиции собственных колебаний отдельных частей системы). Учет собственных частот деформируемых деталей, которые воспринимают основную нагрузку от кручения, позволяет определить динамический отклик системы на внезапное торможение бура со стороны долота. 

В модели учтена жесткость осевой опоры и радиальных подшипников, а также радиальный зазор подшипников. Момент на ведущем валу задан таким образом, чтобы на выходном валу обеспечить момент, регламентированный в паспорте. 

Моделирование течения промывочной жидкости в проточной части турбобура

Целью данной работы является создание расчетной модели, позволяющей исследовать работу турбобура на различных режимах. Моделирование в исследовании проведено на двух режимах – номинальном и режиме с остановленным валом – для последующего сравнения полученных расчетных значений вращающего момента турбины и перепада давления в турбинной секции турбобура с соответствующими экспериментальными данными. 

Основные задачи, решаемые в исследовании:

• моделирование работы установки на двух режимах;
• выявление способов снижения ресурсоемкости задачи и повышения точности расчетов;
• верификация численных расчетов.

Проведение численного расчета для всей проточной части турбинной секции целиком экономически нецелесообразно из-за больших вычислительных ресурсов. Дополнительное исследование, связанное с постепенным увеличением количества турбинных ступеней в расчетной группе, показало корректность допущения о равенстве моментов однотипных ступеней. На основе этого исследования моделирование осуществлялось для групп из пяти ступеней. 

На рисунке ниже представлен перепад давления на лопатках турбины турбобура.

Результатом работы стало создание верифицированной расчетной модели, позволяющей подробно исследовать работу данной установки (моделирование различных режимов ее работы, построение рабочих характеристик и т.д.), а также проводить расчет аналогичных установок.

Заключение

Приведенные выше примеры показывают важность применения инструментов численного моделирования в нефтегазовой отрасли. С их помощью инженеры могут внести изменения в конструкцию еще на стадии проектирования, а также диагностировать выход оборудования из строя в процессе эксплуатации.

Ознакомиться с другими материалами по теме:

Расчеты динамики и прочности бурового оборудования

Расчет динамики горного перфоратора для бурения шпуров

CFD-расчет вентиляции в подкапотном пространстве карьерного самосвала

Расчет вентиляции производственных помещений методами вычислительной газодинамики

Моделирование и инженерный анализ вибраций и прочности машин