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La plateforme Deepwater Horizon a fait naufrage sur le fond du golfe du Mexique après une explosion qui a tué 11 membres d'équipage et provoqué le plus grand déversement de pétrole dans les eaux américaines.
Prévenir les éruptions de puits de pétrole à l’aide des logiciels ANSYS Fluent et ANSYS Mechanical.
Prévenir les éruptions de puits de pétrole à l’aide des logiciels ANSYS Fluent et ANSYS Mechanical.
Comprendre comment les BOP se comportent pendant une éruption a été un problème pour les opérateurs et les régulateurs. En utilisant le logiciel ANSYS pour développer la toute première approche de modélisation qui démontre comment les conditions d’écoulement dans les pipelines peuvent affecter les performances des BOP, la SwRI aidera l'industrie et les régulateurs à résoudre ce problème et faciliter le respect des exigences par les fabricants.
L'industrie pétrolière et gazière fait de la sécurité une priorité. Les défaillances sont rares, mais lorsqu'elles se produisent, les résultats peuvent être catastrophiques !
L'industrie pétrolière et gazière fait de la sécurité une priorité. Les défaillances sont rares, mais lorsqu'elles se produisent, les résultats peuvent être catastrophiques !
Un an après avoir marqué l'histoire du forage du puits de pétrole le plus profond du monde, la plateforme Deepwater Horizon a fait naufrage sur le fond du golfe du Mexique.La plate-forme a coulé après une explosion qui a tué 11 membres d'équipage et provoqué le plus grand déversement de pétrole dans les eaux américaines. Des millions de barils de pétrole ont été déversés dans le golfe du Mexique.
Pour comprendre ce qui a empêché le déploiement complet des dispositifs d'urgence lors d'une catastrophe similaire dans un puits offshore, et pour aider les fabricants du bloc obturateur anti-éruption (BOP « Blow Out Preventer) à mieux gérer l'intégrité des produits, les chercheurs se sont tournés vers ANSYS Mechanical et ANSYS Fluent pour modéliser les interactions fluides-structure.
L’Institut de recherche du sud-ouest (Southwest Research Institute, SwRI) a développé et validé un modèle pour analyser comment les BOPs offshore sont censés fonctionner en cas d'urgence à l’aide du logiciel Ansys : UNE SIMULATION UNIQUE EN SON GENRE.
Les enquêteurs ont eu accès à des données en temps réel et ils ont déterminé qu'une série de défaillances ont contribué à la catastrophe, y compris un BOP qui n'a pas fonctionné comme prévu : au lieu de cisailler la tige de forage et de sceller le puits, le BOP défectueux a permis au contenu sous pression de remonter sans entrave dans le tube, enflammant une boule de feu que l'on pouvait voir à 40 miles de distance.
Les BOP n'ont qu'un seul travail, et c'est le plus important : Ils constituent la dernière ligne de défense lors d'un déversement incontrôlé de pétrole brut ou de gaz naturel d'un puits. Lorsqu'il est activé, la mâchoire de sécurité à cisaillement aveugle du BOP - un dispositif hydraulique d'urgence doté de deux lames tranchantes - se referme autour de la tige de forage reliant l'appareil au puits, la pinçant puis la sectionnant. Cela permet de sceller le puits de forage.
Diagramme simplifié d'une mâchoire de sécurité à cisaillement aveugle
Dans le cas du Deepwater Horizon, cependant, la mâchoire de sécurité à cisaillement aveugle n'a pas fonctionné comme prévu. Les lames ont perforé mais n'ont pas réussi à couper le tube. Il n'a pas été fermé par pincement. En conséquence, un mélange dangereux de pétrole, de gaz, de fluides de forage et de contaminants allant du sable aux déblais de roche a jailli du puits incontrôlé vers la surface. Pour les fabricants de BOP désireux d'éviter de tels incidents, il est essentiel de comprendre la dynamique de l'événement. Le régulateur exige une vérification indépendante par une tierce partie de la capacité de la mâchoire de sécurité à cisaillement aveugle à couper et à sceller des tubes dans toutes les conditions de fonctionnement, mais il n'a pas de critères d'essai, ce qui rend impossible la conformité des fabricants de BOP.
Historiquement, les fabricants mesuraient l'intégrité de la BOP sur la base des propriétés des matériaux, mais n'avaient aucun moyen d'évaluer le comportement de la mâchoire de sécurité à cisaillement aveugle dans des conditions normales ou extrêmes. Pour combler cette lacune par la modélisation de simulation, le SwRI a pris en compte trois facteurs :
- La force mécanique nécessaire pour déformer et cisailler la tige de forage
- La force hydrostatique au sein de la BOP
- La force hydrodynamique causée par l'accélération du fluide lorsqu'il s'écoule autour des surfaces inclinées de la mâchoire de sécurité à cisaillement
Simulation mécanique ANSYS montrant les charges sur le tube coupé
Simulation mécanique ANSYS montrant les contraintes sur le tube
Simulation de l'interaction fluide-structure (FSI) dans différentes conditions d'écoulement.
Simulation de l'interaction fluide-structure (FSI) dans différentes conditions d'écoulement.
En travaillant avec des dessins et des fichiers de CAO mécanique fournis par trois fabricants de BOP, le SwRI a couplé ANSYS Fluent CFD et ANSYS Mechanical pour analyser l'équipement dans les conditions de haute pression et de fort écoulement rencontrées dans les eaux profondes du Golfe du Mexique.
Leur analyse a supposé un scénario du pire cas - un volume de rejet de 100 000 barils par jour (stb/j) dans des pressions d'écoulement et des propriétés de fluide représentatives des conditions de la partie extérieure du Golfe du Mexique. En utilisant ANSYS Mechanical, SwRI a d'abord modélisé l'interaction entre les mâchoires de cisaillement aveugles qui se ferment et les tiges de forage. Ensuite, ils ont utilisé ANSYS Fluent CFD pour prédire comment les forces hydrodynamiques changeraient lorsque le fluide se déplacerait dans un tube se fermant progressivement, en s'attendant à ce que le flux local dans l'anneau - le vide entre la tige de forage et les lames - s'accélérerait en se déplaçant dans la section transversale réduite en restant ouvert à la circulation.
L'équipe du département d'ingénierie des fluides du SwRI a simulé la fermeture de trois mâchoires différentes à des vitesses différentes. Le logiciel ANSYS a permis de simuler l'interaction fluide-structure (FSI) dans différentes conditions d'écoulement, y compris les changements de densité, de viscosité, de débit et de pression. Les turbulences ont également été prises en compte. Cette étape initiale a été suivie d'une étude de raffinement du maillage et d'une simulation d'interaction fluide-structure à quatre niveaux qui a ajouté une couche de physique à chaque fois. Dans cette approche, les géométries d'ANSYS Mechanical ont été importées dans ANSYS Fluent pour résoudre les forces hydrodynamiques sur les mâchoires.
Simulation multiphysique CFD et FEA
Champs d'écoulement CFD avec fermeture du mâchoire sur le tube
Résultat :
Résultat :
En utilisant ANSYS Fluent et ANSYS Mechanical, le SwRI a démontré comment les effets simultanés du débit et de la pression des fluides interagissent avec la dynamique structurelle du sectionnement d'une tige de forage. Ils ont utilisé un couplage unidirectionnel et bidirectionnel, mais, après avoir déterminé que le couplage unidirectionnel était suffisamment précis pour cette application, une grande partie de l'étude s'est concentrée sur le couplage unidirectionnel. Les travaux ont prédit avec précision les forces hydrodynamiques exercées sur les mâchoires lorsqu'elles se rapprochent de l'écoulement, démontrant les capacités de cisaillement et d'étanchéité de la BOP sous-marine dans des conditions de perte de contrôle en eau profonde. Les résultats sont susceptibles de modifier le cadre réglementaire concernant les performances de cisaillement des dispositifs BOP. À tout le moins, ils indiquent aux fabricants de BOP que les essais de propriétés des matériaux ne suffisent pas à eux seuls à garantir l'intégrité du BOP.
Source: ANSYS Advantage Magazine ISSUE 2 | 2019
Lien à l'article original sur notre page: Preventing Well Blowouts
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