行業(yè)：石油與天然氣

    挑戰(zhàn)：驗證高級油井襯管

    Altair 解決方案：將仿真結合為產(chǎn)品開發(fā)過程中 的一個部分。

    優(yōu)點：減少所需的樣機 ；提高系統(tǒng)功能 ；加快產(chǎn)品開發(fā)速度

    背景介紹 

    Baker Hughes 是世界領先的油田服務、產(chǎn)品、技術和系統(tǒng)供應商，公司 總部位于德克薩斯州休斯敦，全球化運營，擁有近 59,000 名員工。借助全球石 油和天然氣行業(yè)的高度創(chuàng)新產(chǎn)品與服務，近期創(chuàng)下了 214 億美元年銷售收入的 記錄。

    Baker Hughes 的客戶處于一個競爭激烈的市場，他們需要在深水和北極 地區(qū)進行海上鉆探，需要不斷完善頁巖和水力壓裂技術，而且需要持續(xù)適應嚴 苛的環(huán)境和遵守安全法規(guī)。與此同時，他們還必須應對越來越深的油井、極高 的壓力與溫度，以及非常規(guī)地質差異等技術難題。

    產(chǎn)品可靠性、安全、產(chǎn)品上市速度和成本控制都是在此行業(yè)內取得成功的 關鍵因素。“開發(fā)優(yōu)化的產(chǎn)品的關鍵在于，在虛擬環(huán)境中設計、仿真、測試和 驗證產(chǎn)品性能，然后僅對最終的設計進行物理樣機驗證”，Baker Hughes 資 深項目工程師 Ganesh Nanaware 表示。“在虛擬環(huán)境中，虛擬仿真模型的精 度和可靠性對于在更短的時間和更低的成本下生成一個穩(wěn)健的產(chǎn)品設計的流程 是極其重要的。”因此，Baker Hughes 決定將有限元分析仿真結合到產(chǎn)品的 開發(fā)過程中，在從概念和設計開發(fā)到樣機制作、生產(chǎn)、現(xiàn)場測試、產(chǎn)品發(fā)布和 生命周期管理的每個階段都應用仿真技術。

    挑戰(zhàn) 

    在 Baker Hughes 的開發(fā)過程中產(chǎn)生的一個最具創(chuàng)新意義的產(chǎn)物是，一個 用于向之前在鉆井孔施工作業(yè)過程中所下套管柱的底部附加一個襯管柱的工 具。整個系統(tǒng)包括一個沿著襯管移動的用于拓寬懸掛器主體的定位工具（或下 管工具），一個用于懸掛襯管負載的滑環(huán)，以及一個用于密封襯管與變徑套管之 間空間的封隔器。

     因此，可拓寬的襯管懸掛器使用管道膨脹來代替?zhèn)鹘y(tǒng)上通過接觸套管壁來 支持襯管重量并密封之間空間的做法。借助此系統(tǒng)，可為封隔器獨立定位的水 泥襯管應用進行無縫的一次雙級懸掛器和封隔器定位。在固井作業(yè)前僅需安裝 和釋放這個可拓寬的襯管懸掛器系統(tǒng)，這可消除活動工具在固井過程中被固定 的風險，避免打撈和棄井。

           構建高成本效益、安全且可靠的可拓寬襯管懸掛器的挑戰(zhàn)在于需要在整個 產(chǎn)品開發(fā)過程中使用仿真技術。

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    “仿真流程加快了我們的開發(fā)速度，開發(fā)周期從原來的 65 個月縮短到 26 個月，約 縮短了 60%。而且，這一過程還削減了總體的開發(fā)成本。” 

                                                                                                          Ganesh Nanaware  

                                                                                                          主管工程師 

                                                                                                          Baker Hughes, C&P, Wellbore Construction

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                                                                       襯管懸掛器組件的部分典型網(wǎng)格

                                                                       懸掛器封隔器組件上所受的應力

    解決方案

    Baker Hughes 采用了內含 Altair HyperWorks 計算機輔助工程設計工具的 FEA 仿真方案，以便在其產(chǎn)品開發(fā)周 期中利用仿真的諸多優(yōu)勢：

    ? 加快系統(tǒng)設計的開發(fā)速度 

    ? 預測襯管懸掛器系統(tǒng)的懸掛能力和密封完整性 

    ? 優(yōu)化系統(tǒng)設計的性能 

    ? 提高設計的可靠性 

    ? 減少開發(fā)成本與開發(fā)時間 

    該公司采用一個包含七個步驟的方法來檢驗和驗證可拓寬襯管懸掛器虛擬仿真模型。 

    首先，開發(fā)人員會構建一個 FEA 模型，然后根據(jù)過往經(jīng)驗、自身判斷、人工計算和類似產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)來檢驗 此模型。如果必要，模型將進行完善調整，此外還可選擇通過實驗設計 (DOE) 技術來執(zhí)行可靠性評估步驟，之后再 對這些調整和優(yōu)化進行重新驗證。下一步，將會根據(jù)物理樣機測試數(shù)據(jù)驗證仿真模型的結果。分析師會往復執(zhí)行各個 步驟，構建、檢驗和驗證數(shù)據(jù)，直至所得結果反映實際的行為并在物理樣機測試中得到很高的關聯(lián)度。在具有已經(jīng)過 驗證的仿真模型后，進一步的評估和性能預測將可更加從容地進行。

    借助 HyperWorks 前處理工具 HyperMesh，Baker Hughes 為包含六七百萬個元件的整個可拓寬懸掛器系統(tǒng)構 建了一個 3D 有限元模型。然后對此模型進行檢驗。 

    “我們有一些特性類似產(chǎn)品的歷史性能數(shù)據(jù)，還有一些計算得到的數(shù)值，我們感覺這些可代表我們的預期，” Nanaware 解釋說。“我們按照其他產(chǎn)品的這些數(shù)值和歷史性能來比較了我們的仿真結果，比較出的結果令我們非常 滿意。” 

    然后仿真模型將與實際測試部件進行對比，所得結果也非常類似，表明模型是有效的。但仿真模型中顯示的懸掛 性能結果比樣機測試數(shù)據(jù)高出 25%。 

    經(jīng)判斷，這一差異是因為摩擦系數(shù)的少量誤差所造成。之后通過 HyperMesh 對模型進行了調整，加入和考慮 了不同的摩擦系數(shù)、材料模型的更新、模型復雜度的更改、幾何公差的重新評估和最差情況情景。 

    “在調整后，”Nanaware 稱，“與最初的 25%誤差相比，我們的模型結果明顯更加接近。”

     基準懸掛器滑動設計得到了 95%的可靠度，低于所需的可靠性目標。為了符合可靠性目標，執(zhí)行了基于可靠性 的設計優(yōu)化。 

    Baker Hughes 使用了 HyperWorks 套件中的 HyperStudy 來進行可靠性評估和改進。可靠性評估過程包括設計 變量識別、DOE 研究、響應面建模和基于響應面模型的隨機研究，目的是對可靠性進行預測。最后借助可靠性設計 優(yōu)化執(zhí)行了可靠性改善。

                                                                       通過隨機分析來評估設計可靠性

                                                                       井下套管整形器與備用環(huán)的驗證示例

    結論 

    Baker Hughes 采用的七步驗證流程實現(xiàn)了 FE 模型和物理測試間+/- 4%的關聯(lián)水平。成功將樣機數(shù)量減少了 60%到 70%，而且與此同時還提高了性能。舉例來說，在 HyperStudy 指導下，滑環(huán)設計的優(yōu)化使系統(tǒng)的懸掛能力提 高了 40%。 

    “最終，結合了 HyperMesh 進行前處理和部分后處理并利用 HyperStudy 進行了實驗設計的仿真流程加快了我 們產(chǎn)品的開發(fā)速度，使開發(fā)時間從原本的 65 個月縮短到 26 個月，縮短了 60%的開發(fā)時間”，Nanaware 反映。“而 且，這一過程還削減了總體的開發(fā)成本。” 

    可拓寬襯管懸掛器的開發(fā)展現(xiàn)了仿真在幫助創(chuàng)新上所具有的價值。在這一具體實例中，它以一個虛擬的過程加快 了產(chǎn)品的上市速度，提高了質量并降低了成本，最終幫助滿足了世界的能源需求。

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