利用CFD技术解决封盖难题：封闭油井
2010年，在墨西哥湾Macondo油田发生的一起爆炸事故夺去了11名男性的生命，并释放了500万桶石油进入水域中。这次被称为“美国历史上最严重的石油泄漏”事件导致了数千个栖息地的丧失，并在井喷地点下方一英里深处创造了一片珊瑚礁墓地。
在这次毁灭性的事件之后，四家主要的石油和天然气公司联合起来创建了一个非营利组织，致力于提供遏制技术，如遏制穹顶、漏斗形盖子和封井堆。水下封井堆并不是在钻井过程中处于水中；相反，它是作为附近陆上位置的遏制系统的核心部件而存在的。由于它只在水下防喷器失败后才部署，因此它是防止石油泄漏的第二道防线。封井堆的主要目的是停止或重定向烃类的流动，为工程师争取时间来永久封闭井口。
海底油井安全壳响应设备[1]
这种巨大的设备重量可达100吨，想要操纵这个庞然大物去封闭防喷器的小开口是相当困难的。计算流体动力学（CFD）可以模拟封井堆，以指导井控决策和响应操作，预防事故，并使风险最小化。
为了有效地模拟封井堆的部署，需要通过瞬态CFD仿真来捕捉从井中释放的烃类喷射流与封井堆之间的动态相互作用。瞬态仿真最准确地模拟了自由流动的气体和液体的实际情况。通过CONVERGE的两相流（VOF）模型，我们可以完成这个问题的多相物理特性的捕捉。此外，一个准确的模拟还需要考虑刚性的封井堆和用于操纵封井堆到位的柔性缆绳的组合动力学。CONVERGE的自适应网格加密（AMR）技术使得软件能够捕捉封井堆的复杂几何形状、相关的流动特征以及流体与封井堆的相互作用。
在这类问题的仿真过程中，由于流动特征的瞬态演变以及几何体的运动，目标对象是不断变化的。AMR允许用户通过在仿真过程中自动加密网格来适应流动的变化。在一个既有流体又有固体组件的系统中，流体对固体结构周围分布并施加作用力。CONVERGE的流体-结构相互作用（FSI）模型可以计算流体力，预测结构将如何反应，并相应地移动固体。
我们利用CONVERGE完成案例研究模拟封井堆放置到防喷器上的过程。本次仿真中，采用了基于空隙分数（void fraction）的FSI建模和AMR技术。Void fraction表示计算网格单元中气态部分的体积占比。使用void fraction来预测哪些区域需要更细的网格去捕捉重要的物理现象以及液体和气体之间保持清晰的界面，避免由于连续流体传输方程的离散化而引起过度数值扩散。尽管数值扩散在CFD代码中通常是不可避免的，但使用基于void fraction的AMR可以减少引入到系统中的误差。
除了模拟封井堆，案例还使用CONVERGE的系泊缆绳模型来捕捉缆绳与周围水的相互作用。CONVERGE的先进模型和配套功能使我们能够高效地模拟这类问题，同时保持更高的准确度。
使用CFD的力量在于它能够在事情发生之前预测它的可能性。CONVERGE的力量在于它以一种简化、有效和准确的方式做到了这一点。
[1] United States Government Accountability Office, “Oil and Gas: Interior Has Strengthened Its Oversight of Subsea Well Containment, but Should Improve Its Documentation,” GAO-12-244, Feb 29, 2012.
