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工程模拟技术另辟蹊径 应对低油价现状

工程模拟技术另辟蹊径 应对低油价现状

“对于工程设计团队而言,当前市场提供了一个现场作业评价和学习在行业萧条期如何借助模拟技术改善设计流程以达到降本增效的机会。”石油圈原创www.oilsns.com

近几个月,油气公司收入报表中反复出现的一个主题:油价长期低迷情况下除了期望长期生存外,还要利用当前市场低迷和带来的紧迫感,作为机遇来改善体制从而确保其在未来能够有更好的发展。显然,油气行业亟需降低成本并在安全前提下能够不断创新。但究竟该怎么做?在其他产业危机中,例如汽车制造商2008年至2009年所经历的困境,模拟技术在帮助降低工程设计成本、缩短交货周期方面发挥了关键作用,同时允许制造商继续提供新的创新性解决方案。

虽然每个公司对如何处理这种新模式的看法有所不同,大部分人会继续日常的工作(提供高质量创新的产品和解决方案),但是会在降低风险的前提下减少开发时间及成本。以工程模拟工具为基础的“首要原则”将是启动的关键,因为公司将越来越多地依赖于以模拟为基础的设计勘探。其初衷是为了减少工程成本和时间,但公司作为创新推动者也将从模拟技术中受益。

伴随着计算机硬件和软件技术的快速进步,以及最新的可使用授权模式、高效能运算和云解决方案是实现模拟技术的关键。随着云计算的发展,工程师们可以快速、经济的访问计算机资源——这一切在十年前是无法想象的。这些进步让工程师可以设计更多的方案、评估更多的运行条件,能够全方位的对现场实际情况进行模拟,而不是简单的进行物理测试,例如模拟高温高压下水下分离器与真实流体的作用过程,或在飓风中一个浮动平台的状况。模拟的重要性可在后文三个具体实例中体现出来:前两个分别来自近期的CD-adapco石油天然气和化学计算流体动力学(CFD)会议,第三个来自其他行业。石油圈原创www.oilsns.com

斯伦贝谢推出了流量控制阀(FCV)。在CD-adapco会议上,来自斯伦贝谢的Reda Bouamra分享了该公司关于井下流量控制阀的设计工作。井筒内积垢是阻碍流体流动一个重要因素,它会降低产量,甚至导致流量控制阀的堵塞,且处理成本非常昂贵。斯伦贝谢的目标是研制出一个不受结垢影响的流量控制阀。其集成CFD实验设计程序帮助该公司实现了这一目标的同时,缩短了工程交货期,降低了成本。

斯伦贝谢公司利用CFD软件设计了一个测试程序,确保它尽可能还原真实的井下条件,并且集中在工程师们关心的可能出现的各类情况。它同时能够验证CFD方法,以确保使用CFD软件探究多种条件下无需测试的设计方案。

进行工程模拟最大的好处之一是方便快捷,有了最初的仿真模型就可以对待定设计或条件进行评估。此外,输入提供的详细信息,工程师就可以有效的对一些新型的解决方案进行测试。

可跨越多个项目重复使用的标准化解决方案,满足了多种作业条件下设备性能仿真的需要。仿真模拟提供了一个最有效的方式实现这一目标。结论:一个集成的CFD -实验方法使斯伦贝谢减少设计流程的时间和成本,同时,对更多的方案尽可能还原现场实际情况进行评价。

Technip公司的虚拟数字波盆地。美国Technip公司副总裁兼首席技术官Jim O ‘ sullivan介绍了Technip如何在实际项目中全方位使用“数字波盆地”的方法,如深水半潜式平台吃水后环绕在重力式结构上涡流运动的震荡效应。与结构挠度有关的震荡效应频率远高于入射波频率。

在过去,海上部门依靠物理测试和位势流来评估水动力设计方案。然而,物理测试当前的问题是即昂贵又耗时,获得的结果还需从模型尺寸转换至实际尺寸。位势流忽略(必需调整或者模拟)了重要的物理现象,如粘滞效应和断波现象。

Technip公司整合了CFD模拟和物理测试项目,该测试项目通过事先对主要区域进行物理模拟,以此减少模拟失败的几率。依靠已知物理测试结果进行CFD仿真,然后借助CFD软件在完全真实的海洋环境下去探究其他的设计方案、条件和性能。

使用测试后的“首要原则”设计工具(如CFD),意味着模拟结果不需要再次进行调整,这样可以减少在设计周期内或油田上的不可预见性问题。结论:通过使用以CFD为基础设计的勘探方案, Technip公司能够有效地优化设计,采用这一手段能够更好地反应现场作业情况,从而降低风险。

汽车工业中模拟技术的发展。最后一个例子来自油气行业之外,无论是经历全球经济危机、新的竞争者进入市场,还是法规的变化,汽车行业一直致力于提出创新的解决方案来减少时间和成本。

那些已经取得成功的企业正逐步减少对传统方法(昂贵且耗时的物理方法)的依赖,逐步被大量的工程模拟来替代。石油圈原创www.oilsns.com

捷豹路虎(JLR) 于2008年开始进行战略转变。在经济衰退形势下,该公司的目标并不局限在只求得生存,反而希望扩充其产品的供应和销售量,进而增加利润。JLR要在5年内进行40项“产品行动”,这是一个不小的任务,因为当前的车辆设计过程非常复杂,大约需要考虑9000种客户需求,最终还要进行3000多项评估。石油圈原创www.oilsns.com

正如捷豹路虎的模拟主管Andy Richardson所言, 石油和天然气装备行业很容易的产生类似的业务驱动力并带来相应的挑战:开发新技术的同时使其系统管理的复杂性大幅度增加;确定失效模式,建立有效的应对措施来实现正确的首次设计;减少在役设备失效率;对方案进行全方位模拟;达到高效优化产品设计和降低生产成本的目的。

JLR在建立第一个模型之前,顺利实现了交付工程设计方案的目标,并且获得了良好的财政收益,公司利润在过去5年里(不计利息、税收、折旧、摊销)保持了15%以上的增长。结论:在经济困难时期开展有效的模拟技术研究,主要受到了削减成本需求的推动,捷豹路虎能够利用这些技术创新所产生的潜力,并在随后市场状况改善时充分把握住这些机会。

目前“油价长期低迷”的市场环境给油气行业带来了巨大的挑战。对于工程设计团队而言,这也提供了一个机会,在对前期现场应用进行评估的同时,也可以学习如何在行业低迷期通过模拟技术优化设计过程,从而达到减少开发时间、降低成本的目的。

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