"采用ANSYS技術(shù)完成設(shè)計(jì)大約只需過(guò)去所需時(shí)間的40%。"

井口位于石油或天然氣井的表面，可充當(dāng)懸掛點(diǎn)與加壓密封口，便于在油氣井生命周期的不同階段將鉆柱、套管線和生產(chǎn)油管下降到鉆孔中。兩種設(shè)備可連接到井口頂部，以用于控制表面壓力：即鉆井過(guò)程中的防噴器以及鉆井結(jié)束后的采油樹（用于控制井流量的閥門、配件和四通）。井口的內(nèi)孔包含臺(tái)肩，其上面的套管與油管懸掛器可用于懸掛套管柱和生產(chǎn)油管。盡管這些臺(tái)肩可以防止套管和油管懸掛器向下移動(dòng)，但還是需要一個(gè)機(jī)械裝置來(lái)抵抗向下鉆進(jìn)的壓力，否則壓力會(huì)迫使套管和油管懸掛器上移，其有可能損壞井口并導(dǎo)致密封泄漏，從而降低保壓壓力。解決此問(wèn)題的最常用方法是使用鎖緊螺釘來(lái)固定懸掛器。這種方法需要相當(dāng)長(zhǎng)的安裝時(shí)間，因?yàn)樾枰惭b和擰緊大量鎖緊螺釘。

新加坡 WEFIC Ocean Technologies Pte. Ltd. (WEFIC) 致力于為油田工程行業(yè)提供高科技石油設(shè)備與技術(shù)服務(wù)。該公司的模塊化井口(MW-I), 同時(shí)適用于陸上與海上應(yīng)用，通過(guò)采用鎖環(huán)徑向擴(kuò)展，直至安裝在井口的凹槽中，進(jìn)而縮短安裝時(shí)間。借助井口、立管和防噴器操作的工具可以實(shí)施安裝。這樣可以顯著縮短安裝時(shí)間，從而降低鉆井費(fèi)用。采用該公司之前的構(gòu)建測(cè)試法，設(shè)計(jì)新型井口的鎖環(huán)將需要?jiǎng)?chuàng)建并測(cè)試2~3個(gè)原型，而每個(gè)原型大概需要兩個(gè)月的時(shí)間。工程師估計(jì)，如果采用這種方法設(shè)計(jì)鎖環(huán)大概需要六個(gè)月的時(shí)間。為了設(shè)計(jì)新井口的鎖環(huán)，該公司采用 ANSYS Mechanical 在短短10周內(nèi)就完成了非常接近成品的設(shè)計(jì)，只需要在原型階段進(jìn)行最終的調(diào)整即可，這樣可以顯著加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

為全球繁榮護(hù)航

鎖環(huán)設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)井口型號(hào)，鎖環(huán)必須可以承受3000~15000磅每平方英寸（psi）的壓力所造成的向上力。3000~5000psi井口所用的鎖環(huán)連接到井口的單個(gè)臺(tái)肩，而10000~15000psi型號(hào)井口所用的鎖環(huán)需要連接到多個(gè)臺(tái)肩。所有這些型號(hào)井口采用的鎖環(huán)都必須能夠承受與井口壓力等級(jí)相當(dāng)?shù)南蛏狭Γ瑫r(shí)還必須在指定安全裕量范圍內(nèi)符合材料屈服極限。鎖環(huán)從徑向分開，一種旋轉(zhuǎn)工具使鎖環(huán)膨脹并進(jìn)入井口孔壁的凹槽內(nèi)。該工具需手動(dòng)操作，因此使鎖環(huán)膨脹所需的力值大小大約不超過(guò)200英尺磅。

WEFIC 工程師過(guò)去每次設(shè)計(jì)迭代時(shí)需要構(gòu)建并測(cè)試一個(gè)物理原型，每次迭代大約需要2個(gè)月的時(shí)間。過(guò)去幾年來(lái)，石油價(jià)格的走低迫使該公司尋求方法來(lái)提高設(shè)計(jì)過(guò)程中的效率。WEFIC與CAD-IT Consultants公司通力合作，使用ANSYS仿真軟件來(lái)創(chuàng)建虛擬原型，這樣可以減少需要構(gòu)建和測(cè)試的物理原型數(shù)量。該公司采用 ANSYS Mechanical有限元分析軟件指導(dǎo)5000psi與10000psi井口的鎖環(huán)設(shè)計(jì)。

工程師將鎖環(huán)材料定義為屈服強(qiáng)度超過(guò)100000psi的合金鋼。他們需要同時(shí)計(jì)算鎖環(huán)膨脹需要的力以及在鎖環(huán)下面施加與井口壓力等級(jí)相當(dāng)?shù)牧r(shí)整個(gè)鎖環(huán)的應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，他們?cè)诜抡骈_始時(shí)移動(dòng)鎖環(huán)，使其能夠徑向膨脹。鎖環(huán)完全膨脹后，則徑向位移結(jié)束，此時(shí)即可記錄鎖環(huán)膨脹所需的最大力。然后采用另一個(gè)位移邊界條件使鎖環(huán)上移。當(dāng)反作用力達(dá)到井口的壓力等級(jí)時(shí)，停止仿真，然后評(píng)估鎖環(huán)的應(yīng)力與撓曲。

加快市場(chǎng)部署

首次設(shè)計(jì)迭代提供了可承受的膨脹力，但是應(yīng)力值超出了設(shè)計(jì)目標(biāo)。工程師通過(guò)改變鎖環(huán)厚度值以及鎖環(huán)接觸井口時(shí)其外徑橫截面的角度，創(chuàng)建了另外的設(shè)計(jì)迭代。通過(guò)連續(xù)10次迭代，他們把應(yīng)力值降低到設(shè)計(jì)規(guī)范以下，同時(shí)減少了鎖環(huán)的膨脹力和重量。

然后工程師構(gòu)建并測(cè)試了一個(gè)原型。測(cè)試結(jié)果滿足了全部設(shè)計(jì)規(guī)范而且與仿真結(jié)果非常匹配。利用仿真，工程師只用兩周時(shí)間就完成了鎖環(huán)設(shè)計(jì)，又用兩個(gè)月時(shí)間構(gòu)建并測(cè)試了原型。采用ANSYS技術(shù)能夠在10周時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)，這大約只有過(guò)去所需時(shí)間的40%。根據(jù)鉆井條件、鉆井設(shè)計(jì)和套管程序，WEFIC 模塊化井口通過(guò)縮短安裝時(shí)間能夠大幅節(jié)約每口井的鉆井成本。

ANSYS工具幫助 WEFIC 工程師實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)化的產(chǎn)品研發(fā)流程，并為公司客戶提供經(jīng)過(guò)優(yōu)化的低成本解決方案，這些案例眾多，不勝枚舉，本文所介紹的只是其中之一。