ANSYS有限元分析在石油工业中应用（全面）.pdf

第一章 引 言 1－1、数值模拟应用的技术优势 计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至 人类社会带来急剧的革命性变化 ，数值模拟即为这一技术革命在 工程分析、设计和科学研究中的具体表现。 数值模拟技术通过汲 取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的必威体育精装版 成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。 现代化石油科技的一个突出特点就是把原有的石油及其它学 科的理论、方法与不断发展的计算机技术结合起来，采用多学科联合攻关，从而形成新的石 油理论和方法或制造出新型仪器、工具和设备，以最现代化的计算机软硬件技术为手段综合 应用多学科技术解决石油天然气工业中的技术难题，进而提高油气勘探、开发、开采、运输 与油气加工工程的科学技术水平和经济效益。 近三十年来，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，在石油领域应用最多、最广的 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 能够快速的对设计变更作出反应 能充分的和 CAD 设计结合并对不同类型的问题进行分析 能够精确的预测出产品的性能 1－2、ANSYS 数值模拟在石油工业中的应用领域 ANSYS 具有非常强大的多物理场分析功能和无可比拟的求解深广度，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 图1 －1、ANSYS 四桩腿采油平台设计 图 1 －2 、ANSYS 油藏构造应力场反演结果 图 1 －3 、ANSYS 传动齿轮滚动接触应力 图1 －4 、ANSYS 计算流体力学分析 图1 －5、ANSYS 石油套管外挤变形仿真 第二章 ANSYS 在油气勘探开发中的应用 油气勘探开发工程的研究内容之一是进行盆地多学科综 合研究，以提高对区域地质和石油地质的认识。勘探评价包括 盆地分析模拟技术、闭圈描述评价技术和油气藏评价技术。盆 地分析模拟技术研究内容有沉积盆地的确定、盆地构造和沉积 结构、盆地演化及发育程度的分析研究、地层恢复及计算机的 定量模拟、有利含油气远景带的确定及区带评价，闭圈的评价 与选择等。 油气勘探开发的研究内容之二是对地质体的温度、压力、 应力场分布进行研究。通过对地质体的物理场的系统分析与研 究，提高对油气分布规律的认识。 勘探开发工程的研究内容之三是对地震、地质、测井资料的解释与处理，最终确定油 气资源的分布与产量。 ANSYS 有限元分析系统可对油气勘探开发中有关物理场及物理场耦合问题进行数值模 拟。ANSYS 分析仿真和优化软件是目前国际上功能最全、应用领域最广的多物理场有限元分 析软件包。其应用范围可以从单一地质体的单一场和多物理场耦合分析到复合地质体和大地 构造尺度的多物理场耦合分析。 在油气勘探开发工程中，可以分别或综合采用 ANSYS 系统中的相关模块：结构静力分 析、结构非线性分析、热分析、声场分析、电磁场分析、耦合场分析、流体动力学分析、优 化分析等，有效地解决油气勘探开发工程中的相关问题。ANSYS 分析系统可以在以下诸领域 发挥作用： 盆地地质力学分析模拟 大地构造学数值仿真 地应力场模拟研究 地球动力系统与演化仿真 声波法测井资料解释与模拟 电测法测井资料解释与模拟 构造的地层温度压力场预测 井壁稳定性与钻进效果研究 石油勘探开