石油およびガス関連製品の構造＆流体シミュレーション

石油およびガス関連の製品設計には、多くの特有の課題があります。設計者およびエンジニアが最初に行うことは、油井のしくみと構造を理解することです。以下の図は、標準的な油井です。ケーシングは土壌と接触しているため、ほとんどの場合、外圧を受けます。チューブは液体を処理するため、内圧、外圧、引張力、圧縮など、さまざまな種類の負荷がかかる可能性があります。

チューブの内部では、サッカーロッドを使用して油井の底のポンプを動かします。標準的な油井の長さは、探査領域に応じて1500mから5000mぐらいです。1つのストリングに多くの結合部があるため、これらの結合部に1つでも不具合があると、油井全体の生産停止を招きます。

油井

石油およびガス関連の製品には多様な種類がありますが、この記事では、その中からいくつかの製品（サッカーロッドとねじ式チューブ-ケーシング結合部）について説明します。これらの構成部品は、油井の中でさまざまな不具合を引き起こし、それが生産問題の原因となってコストの増加につながることがあります。以下の図は、サッカーロッド結合部（左）とチューブ-ケーシング結合部（右）を示しています。

サッカーロッドとねじ式結合部

この構成部品のシミュレーションでは、各構成部品の破損過程を理解することが非常に重要です。サッカーロッドの場合、変動応力場を発生させる方向の異なる荷重があります。その上、ねじの谷に応力集中も見られます。同じ動作が一定数繰り返されると、これらの応力効果により疲労破損が発生しやすくなります。

以下の図は、最後にねじ込まれたねじの谷部分が破損したサッカーロッドの結合部を示しています。左の写真は破損点を示し、右の写真は、延性破壊に端を発し、断面全体が潰れて破壊が現れる、破損プロセスを示しています。下の写真は、結合部全体とピン構成部品の破損の始まりを示しています。

サッカーロッドの疲労破壊

ねじ式チューブ-ケーシング結合部には、さまざまな破損状態が見られます。あらゆる種類の静荷重（引張力、圧縮、内部圧力、外部圧力）がかかるため、材料の可塑性が原因で永久変形が発生します。最終的に結合部で発生する問題は、シール領域で見られる不連続性です。

永久変形による不具合

SOLIDWORKS Simulationソリューション

サッカーロッドおよびチューブ-ケーシング結合部におけるこのような破損状態が、コストを押し上げ開発を長期化させます。このような問題を回避するには、さまざまな設計オプションのテストと製品性能の評価が可能な、直感的で使いやすく、継続的なサポートが得られるソフトウェアを使用する必要があります。

SOLIDWORKSプラットフォームの主な特長

サッカーロッドの疲労破壊に対応するソリューションは、最適設計を実現する応力集中係数を使用して結合部を再設計することです。下の左図は、標準的なAPI(American Petroleum Institute)デザインの解析結果（オプション1）と修正した新しいAPIデザイン（オプション2）の結果を示しています。修正した設計では、ショルダー角度のみが変更され、標準設計より適切な方法で応力場が分散されているのがわかります。右図は応力係数の比較です。標準設計は最悪の値（下部の赤い曲線）を示していますが、新しい設計では明らかに応力係数（上部の緑の曲線）が向上したことを示しています。

サッカーロッドの結果

ねじ式結合部に関して、結合シール部の性能が評価され、設計者が限界荷重を定義できるようになりました。以下の図は、シール領域（左）とシール性能評価（右）を示しています。私は、通常、次の3種類の係数を使用します：1）SF – シール力、2）SP – シールピーク、3）SL – シール長この3つの係数でシール性能を評価できます。