SIMULIA ha collaborato strettamente con Exxon per sviluppare modelli moderni di materiali generali, tecnologie agli elementi finiti e procedure computazionali, inclusi la fluidodinamica (CFD) e la dinamica del flusso di particelle (PFD), mirate a trovare soluzioni applicabili sul campo.
Negli ultimi dieci anni, la percezione del gas naturale come principale fattore per soddisfare la domanda globale di energia è cambiata drasticamente. Ad esempio, nel 2000, il gas di scisto rappresentava solo l’uno percento delle forniture di gas naturale negli Stati Uniti. Oggi questa cifra è del 30 percento e continua a crescere. Perché? Perché soluzioni innovative, sviluppate sulla base di tecnologie già utilizzate dalle compagnie petrolifere e del gas, vengono ora applicate con successo anche a risorse non convenzionali come la roccia di scisto. Questi lavori sotterranei sono pieni di vari problemi tecnici che richiedono una comprensione dettagliata e una conoscenza della fisica complessa. Una delle grandi aziende che gioca un ruolo di primo piano nell’uso della modellazione per garantire tali innovazioni è ExxonMobil.
ExxonMobil è stata una delle prime licenziatarie (alla fine degli anni ’70) del software Abaqus nel settore energetico. Le relazioni non erano solo commerciali: ExxonMobil è stata anche uno dei primi partner di SIMULIA nello sviluppo di tecnologie che consentono di modellare le questioni chiave delle prestazioni del settore energetico. Ad esempio, la collaborazione con ExxonMobil ha portato alla creazione in Abaqus della prima capacità di grande scorrimento. Questa tecnologia è stata utilizzata per migliorare la resistenza alla pressione e alla temperatura, nonché l’affidabilità di tubi e attrezzature per la produzione di tubi filettati. Bruce Dale, ingegnere geologo capo di ExxonMobil, ha parlato per la prima volta dei più di tre decenni di collaborazione della sua azienda con SIMULIA e i suoi predecessori durante un intervento principale alla conferenza della comunità SIMULIA nel 2010. Poco dopo questo discorso, il suo team di ingegneri ha intrapreso un nuovo tentativo con SIMULIA per espandere ulteriormente le capacità di modellazione che aiuterebbero a risolvere molti problemi legati all’estrazione di gas di scisto. Questa collaborazione si concentrerà sullo sviluppo di modelli moderni di materiali generali, tecnologie agli elementi finiti e procedure computazionali mirate a determinare soluzioni pratiche per tali problemi.
Il team era composto da ingegneri senior di ExxonMobil che collaboravano direttamente con il personale di SIMULIA. In particolare, Kevin Searles ha svolto un ruolo significativo nella creazione delle basi tecniche chiave e nella consulenza al gruppo di guida congiunto sin dalla sua creazione. Anche la continua guida di ExxonMobil da parte di Bill Klein, Jason Burdett ed Erika Bidiger è stata fondamentale durante tutto il progetto congiunto. (Vedi i profili dei partecipanti nei pannelli laterali.) Quest’anno, al SCC di Berlino, Dale è tornato per raccontare in dettaglio quanto sia progredita la partnership con SIMULIA e quanto siano avanzate le capacità ottenute negli ultimi cinque anni. Oltre al SCC, il team di ExxonMobil sta implementando queste tecnologie in eventi tecnici del settore petrolifero e del gas.
“Questi sforzi congiunti di ExxonMobil e SIMULIA hanno portato allo sviluppo di miglioramenti fondamentali nella modellazione per affrontare le questioni chiave di perforazione, completamento ed estrazione nel settore petrolifero e del gas”, ha affermato Dale. “Le tecnologie avanzate di modellazione e la visualizzazione 3D stanno giocando un ruolo sempre più importante nel successo del settore energetico e includono capacità di modellazione come l’analisi agli elementi finiti (FEA), la dinamica dei fluidi computazionale (CFD) e la dinamica del flusso di particelle (PFD)”. Dale ha partecipato a questi sforzi sin dall’inizio della sua carriera in Exxon negli anni ’80, iniziando con ricerche e sviluppi a supporto del business di perforazione e passando nel tempo a ruoli dirigenziali. È un sostenitore di nuove tecnologie che cambiano le regole del gioco; e ha promosso innovazione, creatività e eccellenza per tutta la sua carriera professionale di 34 anni. “All’inizio ho avuto l’opportunità di lavorare con Abaqus, parte dell’insieme di strumenti di Dassault Systèmes SIMULIA, ed è stato un ottimo modo per applicare tecnologie avanzate per modellare cose che in passato potevamo solo testare in laboratorio o sul campo”, ha detto in un’intervista dopo il suo intervento nel 2015.
Secondo Dale, l’uso della modellazione in ExxonMobil ha aumentato la competitività dell’azienda. “La capacità di collegare i punti è qualcosa che non potrai mai realizzare completamente in laboratorio a causa dei costi, delle dimensioni e del tempo”, ha affermato. “In passato, il tempo disponibile spesso non si allineava con il periodo in cui dovevano essere prese decisioni. Ora, la visualizzazione possibile grazie alla modellazione ti consente di fare interpretazioni — identificare opportunità o carenze — molto prima. Questo influisce e incide qui e ora molto più che mai. Pertanto, nel business estrattivo, la visualizzazione è un ottimo supporto in grado di unire persone con diversi tipi di analisi delle informazioni e dei dati per risolvere problemi molto complessi”.
Nel suo intervento al SCC nel 2015, Dale ha parlato dell’impegno della sua azienda per un’estrazione sicura e affidabile delle risorse di gas naturale. Secondo lui, ExxonMobil ha sviluppato le migliori pratiche di gestione per migliorare l’efficienza riducendo al contempo l’impatto ambientale complessivo. Questo include la protezione delle risorse idriche sotterranee locali, la stretta collaborazione con le comunità e i governi, e la promozione della trasparenza e di una regolamentazione efficace.
Dale ha spiegato che l’estrazione di gas naturale da rocce di scisto è associata a processi fisici complessi.
Per modellare con precisione i fattori critici che possono influenzare il successo di queste molteplici fasi di estrazione, ExxonMobil e SIMULIA hanno sviluppato una formula completamente integrata per la crescita idrodinamica (idraulica) delle fratture utilizzando due avanzati metodi agli elementi finiti: il metodo della zona coesiva (CZM), in cui la traiettoria di rottura è limitata a un piano; e il metodo agli elementi finiti esteso (XFEM), in cui la traiettoria di rottura dipende completamente dalla soluzione. Oltre a questi avanzati metodi agli elementi finiti, in Abaqus sono state implementate anche modelli deterministici estesi per tenere conto della deformazione non elastica associata ai tipi di meccanismi di rottura complessi unici osservati nelle rocce morbide.
In tutti i casi, le metodologie sono state rigorosamente verificate per un ampio spettro di proprietà delle rocce e dei fluidi, nonché per le condizioni di drenaggio, sia in relazione a soluzioni semi-analitiche che ai risultati di esperimenti di laboratorio. ExxonMobil ha sviluppato uniche capacità sperimentali internamente e poi ha collaborato con SIMULIA per creare modelli 2D e 3D di molti aspetti diversi della fratturazione idraulica controllata nelle rocce. “Grazie all’inclusione di parametri di input misurati fisicamente e alla rappresentazione della fisica completa, e non semplicemente alla ‘taratura’ dei modelli per ottenere risultati desiderati, siamo fiduciosi nella nostra verifica di queste recenti capacità numeriche sviluppate congiuntamente in Abaqus”, ha affermato Dale.
Queste recentemente sviluppate capacità di modellazione supportano in larga misura il business di fratturazione idraulica di ExxonMobil, ha osservato Dale. “Evitare problemi di perforazione riduce i costi”, ha detto. “Gestire i rischi associati alla perforazione significa non permettere che piccoli problemi diventino grandi. La modellazione 3D avanzata aumenta la nostra capacità di prevedere problemi legati alla perforazione, come instabilità negli scisti o opportunità perse nelle sabbie, e ridurre i rischi. La modellazione ci aiuta anche a sviluppare schemi innovativi di recupero per rendere la produzione più economica”. “I frutti della nostra collaborazione con SIMULIA sono numerosi”, ha concluso Dale. “Nei prossimi decenni, il mondo avrà bisogno di espandere le forniture di energia in modo che siano sicure, affidabili, accessibili e responsabili dal punto di vista ambientale. La modellazione 3D offre soluzioni innovative, basandosi sulle fondamenta della produzione di energia nel 21° secolo.”
