В настоящее время около 60% добываемых ре­сурсов углеводородов используется в качестве топлива. В то же время нефть и газ служат сырь­ем для различных отраслей промышленности. Таким образом, нефтегазовая отрасль являет­ся ключевым элементом нашей повседневной жизни и важнейшей составляющей мировой экономики.

В наши дни США являются крупнейшим потребителем нефти (25%) и газа (15%). В сен­тябре 2006 года суточное потребление нефте­продуктов в США составляло 20,5 млн барре­лей (~ 2,7 млн т). Прогнозируемый мировой рост потребления углеводородов в следующем десятилетии составляет 22%. Основной рост придется на развивающиеся рынки Китая и Ин­дии. Только эти две страны за период с 1990 го­да по настоящее время увеличили годовое по­требление углеводородов более чем в два раза. Кроме того, согласно прогнозу China’s Sinopec Development Research, ожидается удвоение су­точного потребления нефти Китаем в последую­щие 15 лет до 10 млн баррелей (~ 1,3 млн т).

Наряду с ростом потребления увеличи­ваются и инвестиции в нефтегазовую отрасль. В отчете известной консалтинговой компании Booz Allen Hamilton отмечено, что из 20 ведущих компаний, с которыми она работает, 80% пред­полагают увеличение инвестиций в нефтегазо­вую отрасль в ближайшие пять лет, включая за­планированный рост на 30% только в 2006 году.

Риски и неопределенности

Добыча, переработка и транспортировка газа и жидких углеводородов связаны со многими рисками. Это риски пожаров и взрывов, обус­ловленные взрывоопасностью сырья, и риски, связанные с возможностью загрязнения окру­жающей природной среды нефтепродуктами и химическими реагентами в случае разрушения трубопроводов или резервуаров. Все это за­ставляет активно использовать в нефтегазовой отрасли технологии численного моделирования.

Технология бурения и конструкция морских платформ постоянно модернизируются, что уве­личивает протяженность бурения, его скорость и эффективность, причем в таких местах, которые ранее считались недоступными. Сегодня рекорд глубины морского бурения превышает 3 тыс. м, активно разрабатываются месторождения угле­водородов на шельфе.

Трубопроводы диаметром более 1 м еже­дневно транспортируют свыше миллиона барре­лей нефти. Они способны работать в экстремаль­ных условиях, включая температурные перепады от арктического холода до экваториальной жары, а также противостоять сминающим нагрузкам и подводным турбулентным течениям. Крупнотон­нажные танкеры способны выдерживать большие продольные и поперечные нагрузки, что делает эти суда безопасными не только для команды, но и для окружающей среды. Постоянно совершенс­твуется технология переработки нефти и газа.

Применение численного моделирования в нефтегазовой отрасли играет ключевую роль в увеличении добычи нефти и газа, их транспор­тировки и переработки в продукцию, от которой так сильно зависят люди, компании и государ­ства во всем мире.

Увеличение глубины морского бурения

Начало добычи углеводородов на шельфе отно­сится к 1887 году, когда впервые приступили к морскому бурению на тихоокеанском шельфе на расстоянии 100 м от берега. Постепенно глубина добычи нефти увеличивалась, и в связи с этим росло количество инженерных проблем. В на­стоящее время наибольшая глубина добычи для морской стационарной эксплуатационной плат­формы составляет 400 м.

Проблема бурения на больших глубинах была решена путем создания плавучих плат­форм, таких как полупогружные морские плат­формы (semisubmersible), оснований с натяж­ным креплением (TLP), платформ типа SPAR и буровых судов (FPSO).

Плавучие платформы работают в тяжелых океанических условиях. При разработке новых проектов учитываются волновые и ветровые на­грузки, океанические течения, соленость воды.

Программный комплекс ANSYS использу­ется большинством крупных проектных органи­заций, занимающихся проектированием мор­ских платформ и сооружений, например J. Ray McDermott Engineering (JRME) с проектами в Южной и Северной Америке, на Ближнем Восто­ке, на Каспии и на шельфе Тихого океана.

Изначально использование численного моделирования в нефтегазовой отрасли ограни­чивалось научно-исследовательскими работами и специализированными проектами. Теперь ус­ловия возросшей конкуренции требуют модер­низации процессов проектирования и производ­ства буровых платформ для создания более эффективных конструкций при низких производ­ственных затратах. Компания JRME ежедневно применяет различные программные модули AN­SYS во всех проектах. Процесс проектирования морских платформ включает расчеты НДС конс­трукций при разных нагрузках, а также согласо­вание с промышленными стандартами.

На практике затраты на инженерные рас­четы составляют около 10% от всей стоимости проекта для мелководных платформ и около 50% — для глубоководных и плавучих буровых оснований.

Исследование океанического влияния

Постоянно растущая потребность в газе во всем мире требует поиска новых решений по его транспортировке.

Лихтеровка — перегрузка нефти или газа с больших танкеров на более мелкие суда и даль­нейшая перевозка сырья по назначению — яв­ляется экономичным, а иногда и единственно возможным способом выполнения грузовых операций в портах с узким фарватером, на мел­ководье или у небольших причалов.

Конечно-элементная модель баржи, построенная средствами PREP7 ANSYS

Компания Single Buoy Moorings (SBM) со штаб-квартирой в Нидерландах и техническими центрами в Монако и Хьюстоне спроектирова­ла плавучее хранилище и регазификатор газа (LNG FSRU), позволяющие производить отгрузку сжиженного газа. Кроме того, была разработа­на новая система параллельной швартовки для танкеров-метановозов со стандартной системой крепления и сетью трубопроводов. В Maritime Re­search Institute Netherlands были проведены мо­дельные испытания двух параллельно стоящих судов. Грузовые операции моделировались для глубины моря 60 м. Целью калибровки было точ­ное воспроизведение взаимного перемещения судов при нерегулярном волнении. Полученные данные использовались для построения матема­тической модели движения судов в программном комплексе ANSYS AQWA. Корректный расчет относительно малых дрейфовых перемещений двух судов является важной задачей при проек­тировании системы отгрузки сжиженного газа.

Модельные испытания проводились в за­крытом бассейне, в котором создавались коле­бания с мнимой длиной волны, но с периодом приближенным к истинному. Низкочастотная со­ставляющая колебаний была измерена и отделе­на от теоретической низкочастотной составляю­щей волнового поля. Затем были рассчитаны и импортированы в ANSYS AQWA добавочные силы от этих паразитных колебаний (с учетом динамики изменения).

Результаты расчета продольных переме­щений (сноса) танкеров хорошо согласуются с экспериментальными данными. Калибровка математической модели включала корректное описание волнового поля в бассейне и его изме­нений, связанных с взаимодействием двух близ- костоящих судов.

Компания SBM активно использует резуль­таты подобных численных экспериментов при проектировании безопасного оборудования для грузовых операций и разработки перспективных систем швартовки.

Охрана окружающей среды

Ежегодно более 120 млн т сжиженного газа транспортируется между 40 газоприемниками и терминалами с регазификаторами, разбросан­ными по всему миру. В этом процессе задейс­твовано около 130 крупнотоннажных судов. При подобной статистике велика вероятность взры­вов и пожаров, а следовательно, и риск для жиз­ни людей и окружающей среды. Для исследова­ния различных сценариев развития аварийных ситуаций, связанных с транспортировкой или хранением природного газа, может быть исполь­зован программный комплекс FLUENT.

FLUENT способен моделировать такой сложный процесс, как горение, отслеживая из­менение во времени и пространстве парамет­ров течения: давления, скорости, температуры и концентрации реагентов. На нижнем рисунке показан пример такого расчета. Моделирова­лась утечка криогенной жидкости из пробоины в танкере и ее растекание по поверхности воды, в том числе расчет процессов испарения, рассеи­вания плотных газов, воспламенения и горения.

Расчетная область представляла собой полусферу с моделью танкера, «атмосферой» и «океаном». В качестве граничных условий за­давались давление, скорость и температура на соответствующих поверхностях. Основным пора­жающим фактором в данной задаче было тепло­вое излучение от факела горящей смеси, кото­рое может привести к воспламенению объектов. Численное моделирование позволяет измерить температуру в любой точке. Модель может быть легко изменена для решения множества задач с различным параметрами, такими как перемен­ные погодные условия или размеры пробоины. Кроме того, может быть построена и исследована модель любого рельефа местности. Это помога­ет правильно выбирать места для строительства газовых терминалов и планировать эффектив­ные меры противопожарной безопасности.

Проектирование оборудования для нефтеперегонных заводов

После того как нефть обнаружена, извлечена и транспортирована, она попадает в сложную систему трубопроводов, колонн и резервуаров, что, по сути, и является нефтеперегонным заво­дом. Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических уг­леводородов. Кроме того, в нефти присутствуют различные органические соединения. Получе­ние сырья для производства из нефти многочис­ленных продуктов различного назначения про­исходит путем разделения нефти на фракции и группы углеводородов, а также изменения ее химического состава. Все это сложные, много­ступенчатые процессы.

Petrobras — бразильская государственная нефтяная компания, одна из крупнейших в мире. Ее исследовательское подразделение CENPES совместно с инженерной компанией ESSS (En­gineering Simulation and Scientific Software Ltda) начиная с 2000 года разрабатывает все проекты с применением методов вычислительной гид­родинамики (CFD). В большинстве приложений присутствуют такие явления, как массообмен и передача тепла через межфазную поверхность. Результаты подобных исследований использу­ются для разработки новейшего нефтеперегон­ного оборудования: установок для коксования, вакуумных ректификационных колонн и пр. При­мер расчета ректификационной колонны для разделения подготовленной нефти на различ­ные фракции показан на рисунке.

С помощью CFX была усовершенствована конструкция впускного тракта ректификацион­ной колонны, вакуумного распылителя, оросите­ля, а также всего внутреннего пространства ко­лонны. С использованием модели свободной по­верхности CFX была оптимизирована конструк­ция коллекторных поддонов и распределителей жидкости керосиновой и дизельной секций.

Помимо этого CENPES успешно решила еще несколько сложных задач, в которых при­сутствовали многофазные и многокомпонент­ные потоки и использовались методы VOF, Эй­лера — Эйлера и Эйлера — Лагранжа.

Полученные положительные результаты стимулируют Petrobras к расширению практики применения ANSYS CFX для решения разнооб­разных инженерных задач.