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摘要： 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的所有涉及领域。在石油工业中，ANSYS的研究应用领域很广泛。
关键词：井架系统结构设计；钻柱接头与井下工具优化设计；高压水射流破岩；地面钻井配套设备静、动力学
从某种意义上说，石油钻井工程与航天工程相类似，地面以上有井架与钻井动力系统，循环净化系统、后勤安全保障系统等；地面以下包括钻柱、钻挺、井底钻具组合（BHA）或井下动力钻具、导向系统（MWD）、钻头、以及油层目标靶点等。对于钻井系统中大到系统结构，小到各个部件的力学性能、静态强度、动力学特性都对钻井系统产生重要影响，而钻井系统中的系统结构和大多数零部件都可以采用ANSYS有限元仿真进行模拟分析。ANSYS分析系统可以在诸方面发挥优势作用。
1ANSYS对石油钻机井架的结构设计
作为石油钻采设备钢结构的重要组成部分，其杆件多、受力复杂，且由于使用工况复杂，对其进行精确的计算和分析十分重要。石油钻采井架结构型式种类繁多，除少数特殊井架外，基本类型有塔形、前开口式、A形等。 ANSYS的结构静力分析可用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。南阳石油机械厂应用ANSYS软件对225吨开口直立式海洋平台石油钻机井架进行静力分析。。应用ANSYS提供的APDL语言对各构件单元按照API Spec 4F 规范要求进行校核，判断各构件是否满足安全性要求但仅知各构件的应力并非完全可知各构件是否满足设计规范的安全性要求。对于几百个构件的井架进行校核，其计算量是相当大的，而采用ANSYS提供的工程语言APDL大大简化了计算过程。
钻柱在钻井过程中承受的载荷主要有：轴向载荷，扭矩，弯矩，钻柱与井壁摩阻力等。钻柱工作中主要涉及钻柱静力强度分析、弹塑性、大位移、钻柱振动模态及动力响应分析、疲劳寿命分析、钻柱的可下入性和钻柱结构优化设计等有限元分析类型。ANSYS的模态分析可研究钻柱的自振频率及模态，响应可分析钻柱的共振特性、瞬态动力分析和谱分析，可分别在时域及频域范围内研究钻柱的响应特性，从而全面把握钻柱的振动特性；并通过优化钻柱结构，延长钻柱使用寿命。ANSYS的结构分析能方便地进行不同方式的载荷组合，含有多种疲劳损伤模型，提供了丰富的材料库，并允许用户方便地扩充和修改，完全能够满足钻柱强度、动力学和疲劳计算的要求。 对于如钻杆接头台肩与丝扣连接局部的高应力区，以及在水平井的弯曲段，钻柱易产生疲劳破坏， ANSYS对此提供了全面的分析工具。水平井技术是提高油田采收率的革命性技术，在短半径水平井中管柱曲率达到30/m以上，水平井中的套管、油管以及井下工具承受着非常复杂的各类载荷，尤其是对管柱的连接部位――接头或接箍提出了更高的设计要求。ANSYS软件提供了三维仿真计算能力，应用功能强大的接触单元和方便的接触导向功能，可以有效地解决井下管柱以及接头的连接强度设计问题。
2钻柱接头与井下工具优化设计
钻头在井底有着非常复杂的运动形态和外部作用力，在定向井及水平井钻进中控制钻头命中目标靶点的井底钻具组合等结构特别适合于采用ANSYS进行三维仿真研究，例如：钻柱-钻头-岩石系统的动力学仿真，ANSYS/LS-DYNA提供了显式求解器，可以有效地完成瞬态动力分析，可以对钻柱与钻头的一些动力学参数包括钻压、扭矩、转速、牙齿受力、破岩效果动态变化过程进行动态仿真，对于新型钻头的优化设计及井底动力学研究具有指导意义。
3地面钻井配套设备静、动力学
用ANSYS软件的APDL语言编写了浅层超稠油水平井井身结构参数和其相应的热力学参数程序，建立了稠油热采井全井套管、注汽管、水泥、地层及油层的有限元热力学模型，运行中可以任意调节模型参数得到相应的热力学有限元模型。模拟了稠油热采水平井全井温度场，分析了套管沿程温度变化规律及同一深度套管内远离和靠近的温度差变化，同时分析了3个典型截面位置内注汽管、套管、水泥及地层内的温度变化曲线。从温度差模拟结果中可直观地观察到最大温度场变化区域为距井口5米以内。ANSYS支持三种接触方式：点─点、点─面、面─面、不同的接触方式适用于不同的问题。
参考文献：
[1]李茜，杨树耕. ANSYS程序的自升式平台结构有限元动力分析.中国海洋平台. 2008.
[2]龚曙光.主编《ANSYS工程应用实例解析》.机械工业出版社 2002.
[3]任克忍.海洋石油水下装备现状及发展趋势.石油机械.2008.
关键词：井架系统结构设计；钻柱接头与井下工具优化设计；高压水射流破岩；地面钻井配套设备静、动力学
从某种意义上说，石油钻井工程与航天工程相类似，地面以上有井架与钻井动力系统，循环净化系统、后勤安全保障系统等；地面以下包括钻柱、钻挺、井底钻具组合（BHA）或井下动力钻具、导向系统（MWD）、钻头、以及油层目标靶点等。对于钻井系统中大到系统结构，小到各个部件的力学性能、静态强度、动力学特性都对钻井系统产生重要影响，而钻井系统中的系统结构和大多数零部件都可以采用ANSYS有限元仿真进行模拟分析。ANSYS分析系统可以在诸方面发挥优势作用。
1ANSYS对石油钻机井架的结构设计
作为石油钻采设备钢结构的重要组成部分，其杆件多、受力复杂，且由于使用工况复杂，对其进行精确的计算和分析十分重要。石油钻采井架结构型式种类繁多，除少数特殊井架外，基本类型有塔形、前开口式、A形等。 ANSYS的结构静力分析可用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。南阳石油机械厂应用ANSYS软件对225吨开口直立式海洋平台石油钻机井架进行静力分析。。应用ANSYS提供的APDL语言对各构件单元按照API Spec 4F 规范要求进行校核，判断各构件是否满足安全性要求但仅知各构件的应力并非完全可知各构件是否满足设计规范的安全性要求。对于几百个构件的井架进行校核，其计算量是相当大的，而采用ANSYS提供的工程语言APDL大大简化了计算过程。
钻柱在钻井过程中承受的载荷主要有：轴向载荷，扭矩，弯矩，钻柱与井壁摩阻力等。钻柱工作中主要涉及钻柱静力强度分析、弹塑性、大位移、钻柱振动模态及动力响应分析、疲劳寿命分析、钻柱的可下入性和钻柱结构优化设计等有限元分析类型。ANSYS的模态分析可研究钻柱的自振频率及模态，响应可分析钻柱的共振特性、瞬态动力分析和谱分析，可分别在时域及频域范围内研究钻柱的响应特性，从而全面把握钻柱的振动特性；并通过优化钻柱结构，延长钻柱使用寿命。ANSYS的结构分析能方便地进行不同方式的载荷组合，含有多种疲劳损伤模型，提供了丰富的材料库，并允许用户方便地扩充和修改，完全能够满足钻柱强度、动力学和疲劳计算的要求。 对于如钻杆接头台肩与丝扣连接局部的高应力区，以及在水平井的弯曲段，钻柱易产生疲劳破坏， ANSYS对此提供了全面的分析工具。水平井技术是提高油田采收率的革命性技术，在短半径水平井中管柱曲率达到30/m以上，水平井中的套管、油管以及井下工具承受着非常复杂的各类载荷，尤其是对管柱的连接部位――接头或接箍提出了更高的设计要求。ANSYS软件提供了三维仿真计算能力，应用功能强大的接触单元和方便的接触导向功能，可以有效地解决井下管柱以及接头的连接强度设计问题。
2钻柱接头与井下工具优化设计
钻头在井底有着非常复杂的运动形态和外部作用力，在定向井及水平井钻进中控制钻头命中目标靶点的井底钻具组合等结构特别适合于采用ANSYS进行三维仿真研究，例如：钻柱-钻头-岩石系统的动力学仿真，ANSYS/LS-DYNA提供了显式求解器，可以有效地完成瞬态动力分析，可以对钻柱与钻头的一些动力学参数包括钻压、扭矩、转速、牙齿受力、破岩效果动态变化过程进行动态仿真，对于新型钻头的优化设计及井底动力学研究具有指导意义。
3地面钻井配套设备静、动力学
用ANSYS软件的APDL语言编写了浅层超稠油水平井井身结构参数和其相应的热力学参数程序，建立了稠油热采井全井套管、注汽管、水泥、地层及油层的有限元热力学模型，运行中可以任意调节模型参数得到相应的热力学有限元模型。模拟了稠油热采水平井全井温度场，分析了套管沿程温度变化规律及同一深度套管内远离和靠近的温度差变化，同时分析了3个典型截面位置内注汽管、套管、水泥及地层内的温度变化曲线。从温度差模拟结果中可直观地观察到最大温度场变化区域为距井口5米以内。ANSYS支持三种接触方式：点─点、点─面、面─面、不同的接触方式适用于不同的问题。
参考文献：
[1]李茜，杨树耕. ANSYS程序的自升式平台结构有限元动力分析.中国海洋平台. 2008.
[2]龚曙光.主编《ANSYS工程应用实例解析》.机械工业出版社 2002.
[3]任克忍.海洋石油水下装备现状及发展趋势.石油机械.2008.