SIMULIA arbeitete eng mit Exxon zusammen, um moderne Modelle für allgemeine Materialien, Finite-Elemente-Technologie und Berechnungsverfahren zu entwickeln, einschließlich der Strömungsmechanik (CFD) und der Partikelströmungsdynamik (PFD), die darauf abzielen, Lösungen zu finden, die im Feld anwendbar sind.
In den letzten zehn Jahren hat sich die Vorstellung von Erdgas als dem Hauptfaktor zur Deckung der globalen Energienachfrage drastisch verändert. Zum Beispiel machte Erdgas aus Schiefer im Jahr 2000 nur ein Prozent der Erdgaslieferungen in den USA aus. Heute liegt diese Zahl bei 30 Prozent und steigt weiter an. Warum? Weil innovative Lösungen, die auf Technologien basieren, die seit langem von Öl- und Gasunternehmen genutzt werden, nun erfolgreich auch auf unkonventionelle Ressourcen wie Schiefergestein angewendet werden. Diese unterirdischen Arbeiten sind mit allerlei technischen Problemen gefüllt, die ein detailliertes Verständnis und Wissen über komplexe Physik erfordern. Eines der großen Unternehmen, das eine führende Rolle bei der Nutzung von Modellierung zur Förderung solcher Innovationen spielt, ist ExxonMobil.
ExxonMobil war einer der ersten Lizenznehmer (Ende der 1970er Jahre) der Software Abaqus im Energiesektor. Die Beziehungen waren nicht nur kommerzieller Natur – ExxonMobil war auch einer der ersten Partner von SIMULIA bei der Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, zentrale Leistungsprobleme im Energiesektor zu modellieren. Zum Beispiel führte die Zusammenarbeit mit ExxonMobil zur Schaffung der allerersten Möglichkeit für große gleitende Verschiebungen in Abaqus. Diese Technologie wurde verwendet, um die Druck- und Temperaturbeständigkeit sowie die Zuverlässigkeit von Rohren und Anlagen zur Herstellung von Gewinderohren zu erhöhen. Bruce Dale, leitender Ingenieur-Geologe bei ExxonMobil, sprach erstmals über mehr als drei Jahrzehnte der Zusammenarbeit seines Unternehmens mit SIMULIA und deren Vorgängern während eines Hauptvortrags auf der SIMULIA-Community-Konferenz im Jahr 2010. Kurz nach dieser Rede unternahm sein Ingenieurteam einen neuen Versuch mit SIMULIA, um die Modellierungsfähigkeiten weiter auszubauen, die helfen sollen, viele Probleme im Zusammenhang mit der unterirdischen Schiefergasförderung zu lösen. Diese Zusammenarbeit wird sich auf die Entwicklung moderner allgemeiner Materialmodelle, Finite-Elemente-Technologie und Rechenverfahren konzentrieren, die darauf abzielen, praktikable Lösungen für solche Aufgaben zu finden.
Das Team bestand aus leitenden Ingenieuren von ExxonMobil, die direkt mit dem Personal von SIMULIA zusammenarbeiteten. Insbesondere Kevin Searles spielte eine bedeutende Rolle bei der Schaffung der technischen Grundlagen und der Beratung der gemeinsamen Steuergruppe seit ihrer Gründung. Ebenso wichtig war die kontinuierliche Leitung von ExxonMobil durch Bill Klein, Jason Burdett und Erika Bidiger während des gesamten gemeinsamen Projekts. (Siehe Teilnehmerprofile in den Seitenleisten.) In diesem Jahr kehrte Dale zur SCC in Berlin zurück, um ausführlich darüber zu berichten, wie weit die Partnerschaft mit SIMULIA fortgeschritten ist und wie ausgereift die erzielten Möglichkeiten in den letzten fünf Jahren geworden sind. Neben der SCC implementiert das Team von ExxonMobil diese Technologien bei technischen Veranstaltungen der Öl- und Gasindustrie.
„Diese gemeinsamen Anstrengungen von ExxonMobil und SIMULIA haben zu grundlegenden Verbesserungen in der Modellierung zur Lösung zentraler Herausforderungen beim Bohren, Fertigstellen und Fördern in der Öl- und Gasindustrie geführt“, sagte Dale. „Fortschrittliche Modellierungstechnologien und 3D-Visualisierung spielen eine zunehmend wichtige Rolle für den Erfolg der Energiebranche und umfassen Modellierungsfähigkeiten wie Finite-Elemente-Analyse (FEA), Computational Fluid Dynamics (CFD) und Partikeldynamik (PFD).“ Dale war von Anfang an an diesen Bemühungen beteiligt, seit er in den 1980er Jahren bei Exxon anfing, beginnend mit Forschung und Entwicklung zur Unterstützung des Bohrgeschäfts und schließlich in Führungs- und Leitungspositionen. Er ist ein Befürworter neuer, bahnbrechender Technologien; und hat Innovationen, Kreativität und Exzellenz während seiner 34-jährigen beruflichen Laufbahn gefördert. „Zu Beginn hatte ich die Möglichkeit, mit Abaqus zu arbeiten, einem Teil des Toolkits von Dassault Systèmes SIMULIA, und das war eine großartige Möglichkeit, fortschrittliche Technologien zur Modellierung von Dingen anzuwenden, die wir in der Vergangenheit nur im Labor oder im Feld testen konnten“, sagte er in einem Interview nach seinem Vortrag im Jahr 2015.
Laut Dale hat die Nutzung von Modellierung bei ExxonMobil die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens gesteigert. „Die Fähigkeit, die Punkte zu verbinden – das ist etwas, das Sie im Labor aufgrund von Kosten, Größe und Zeit niemals vollständig umsetzen können“, sagte er. „In der Vergangenheit passte die verfügbare Zeit oft nicht in den Zeitraum, in dem Entscheidungen getroffen werden mussten. Jetzt ermöglicht die Visualisierung, die durch Modellierung möglich ist, Ihnen, Interpretationen vorzunehmen – Chancen oder Schwächen zu erkennen – viel früher. Das beeinflusst und wirkt sich hier und jetzt viel mehr aus als je zuvor. So ist die Visualisierung im Fördergeschäft eine hervorragende Unterstützung, die es ermöglicht, Menschen mit unterschiedlichen Arten von Datenanalysen und Informationen zusammenzubringen, um sehr komplexe Probleme zu lösen.“
In seiner Ansprache an die SCC im Jahr 2015 sprach Dale über das Engagement seines Unternehmens für eine sichere und zuverlässige Erschließung von Erdgasressourcen. Seinen Angaben zufolge hat ExxonMobil die besten Managementmethoden entwickelt, um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Gesamtbelastung für die Umwelt zu reduzieren. Dazu gehört der Schutz lokaler Grundwasserressourcen, enge Zusammenarbeit mit der Bevölkerung und der Regierung sowie die Förderung von Transparenz und effektiver Regulierung.
Dale erklärte, dass die Förderung von Erdgas aus Schiefergestein mit komplexen physikalischen Prozessen verbunden ist.
Um die kritischen Faktoren, die den Erfolg dieser vielen Phasen der Förderung beeinflussen können, genau zu modellieren, haben ExxonMobil und SIMULIA eine vollständig integrierte Formel für das hydrodynamische (hydraulische) Wachstum von Rissen entwickelt, die zwei fortschrittliche Methoden der Finite-Elemente-Analyse verwendet: die Methode der Kohäsionszone (CZM), bei der der Bruchverlauf durch eine Ebene begrenzt ist; und die erweiterte Methode der Finite Elemente (XFEM), bei der der Bruchverlauf vollständig von der Lösung abhängt. Neben diesen fortschrittlichen Methoden der Finite Elemente wurden in Abaqus auch erweiterte Bestimmungsmodelle implementiert, um die nicht-elastische Deformation zu berücksichtigen, die mit den Arten einzigartiger komplexer Bruchmechanismen verbunden ist, die in Weichgesteinen beobachtet werden.
In allen Fällen wurden die Methodologien sorgfältig für ein breites Spektrum von Gesteins- und Fluid-Eigenschaften sowie für Bedingungen der Wasserabgabe überprüft, sowohl in Bezug auf halb-analytische Lösungen als auch auf Ergebnisse von Laborversuchen. ExxonMobil hat einzigartige experimentelle Möglichkeiten in Eigenregie entwickelt und dann mit SIMULIA zusammengearbeitet, um 2D- und 3D-Modelle vieler verschiedener Aspekte des gesteuerten hydraulischen Frackings in Gesteinen zu erstellen. „Durch die Einbeziehung physikalisch gemessener Eingangsparameter und die Darstellung der vollständigen Physik, anstatt nur die Modelle anzupassen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, sind wir zuversichtlich in unsere Validierung dieser neu gemeinsam entwickelten numerischen Möglichkeiten in Abaqus“, sagte Dale.
Diese neu entwickelten Simulationsmöglichkeiten unterstützen in hohem Maße das Fracking-Geschäft von ExxonMobil, bemerkte Dale. „Die Vermeidung von Bohrproblemen senkt die Kosten“, sagte er. „Das Risikomanagement im Zusammenhang mit dem Bohren bedeutet, kleine Probleme nicht zu großen werden zu lassen. Fortschrittliches 3D-Modeling erhöht unsere Fähigkeit, Bohrprobleme wie Instabilität in Schiefer oder entgangene Gewinne in Sanden vorherzusehen und Risiken zu minimieren. Modellierung hilft uns auch, innovative Wiederherstellungsschemata zu entwickeln, um die Produktion wirtschaftlicher zu gestalten.“ „Die Früchte unserer Zusammenarbeit mit SIMULIA sind zahlreich“, schloss Dale. „In den kommenden Jahrzehnten wird die Welt die Energieversorgung auf eine Weise erweitern müssen, die sicher, zuverlässig, erschwinglich und umweltverantwortlich ist. 3D-Modellierung bietet innovative Lösungen, die auf den Grundlagen der Energieproduktion im 21. Jahrhundert basieren.“
