Allein im letzten Jahrzehnt haben sich die Aussichten für sauber verbrennendes Erdgas als wichtiger Beitrag zur Deckung des weltweiten Energiebedarfs dramatisch verändert. Beispielsweise machte Schiefergas im Jahr 2000 nur ein Prozent der US-amerikanischen Erdgaslieferungen aus. Heute liegt diese Zahl bei 30 Prozent, Tendenz steigend. Warum? Denn innovative Lösungen, die auf der Grundlage von Technologien entwickelt wurden, die schon lange von Öl- und Gasunternehmen genutzt werden, werden nun erfolgreich auch auf unkonventionelle Ressourcen wie Schiefergestein angewendet. Diese Arbeiten unter der Oberfläche sind voller technischer Herausforderungen aller Art, die ein detailliertes Verständnis und Verständnis der komplexen Physik erfordern. ExxonMobil ist eines der großen Unternehmen, das beim Einsatz von Modellen zur Förderung solcher Innovationen führend ist.

ExxonMobil war der erste Lizenznehmer (Ende der 1970er Jahre) der Abaqus-Software im Energiesektor. Die Beziehung war mehr als nur eine kommerzielle – ExxonMobil war auch das erste Unternehmen, das mit SIMULIA zusammenarbeitete, um Technologien zur Modellierung wichtiger Leistungsprobleme im Energiesektor zu entwickeln. Beispielsweise führte eine Zusammenarbeit mit ExxonMobil zur ersten großen Gleitbewegungsfunktion in Abaqus. Diese Technologie wurde eingesetzt, um den Druck und die Temperatur sowie die Zuverlässigkeit von Rohren und Anlagen zur Herstellung von Gewinderohren zu erhöhen. Bruce Dale, Chef-Untergrundingenieur von ExxonMobil, beschrieb erstmals die dreieinhalb Jahrzehnte währende Zusammenarbeit seines Unternehmens mit SIMULIA und seinen Vorgängern während einer Grundsatzrede auf der SIMULIA Community Conference 2010. Kurz nach dieser Rede begann sein Ingenieurteam mit SIMULIA neu Wir arbeiten daran, die Modellierungskapazitäten weiter zu stärken, um zahlreiche Probleme im Zusammenhang mit der unterirdischen Schiefergasproduktion zu lösen. Diese Zusammenarbeit wird sich auf die Entwicklung modernster Allzweck-Materialmodelle, Finite-Elemente-Technologie und Rechenverfahren konzentrieren, die darauf abzielen, praktikable Lösungen für solche Probleme zu finden.

Das Team bestand aus leitenden Ingenieuren von ExxonMobil, die direkt mit den Mitarbeitern von SIMULIA zusammenarbeiteten. Kevin Searles war insbesondere maßgeblich daran beteiligt, wichtige technische Grundlagen zu schaffen und das gemeinsame Entwicklungsführungsteam seit seiner Gründung zu beraten. Wichtig war auch die kontinuierliche Betreuung durch Bill Kline, Jason Burdett und Erika Bidiger von ExxonMobil während des gesamten gemeinsamen Projekts. (Siehe Seitenleisten für Mitwirkendenprofile.) Beim diesjährigen SCC in Berlin gab Dale erneut einen faszinierenden Einblick, wie weit die gemeinsame Partnerschaft mit SIMULIA fortgeschritten ist und wie ausgereift ihre Fähigkeiten in den letzten fünf Jahren geworden sind. Neben SCC setzt das ExxonMobil-Team diese Technologien auch bei technischen Veranstaltungen im Öl- und Gassektor ein.

„Diese gemeinsame Anstrengung von ExxonMobil und SIMULIA hat zur Entwicklung grundlegender Verbesserungen bei der Modellierung geführt, um die wichtigsten Bohr-, Fertigstellungs- und Produktionsherausforderungen in der Öl- und Gasindustrie zu bewältigen“, sagte Dale. „Fortschrittliche Modellierungs- und 3D-Visualisierungstechnologien spielen eine immer wichtigere Rolle für den Erfolg der Energiebranche und umfassen Modellierungsfunktionen wie Finite-Elemente-Analyse (FEA), Computational Fluid Dynamics (CFD) und Particle Flow Dynamics (PFD).“ Dale ist seit seiner frühen Karriere bei Exxon in den 1980er Jahren an diesen Bemühungen beteiligt, zunächst in der Forschung und Entwicklung, über die Unterstützung des Bohrgeschäfts bis hin zu Management- und Führungspositionen. Er ist ein Verfechter neuer, bahnbrechender Technologien; und hat im Laufe seiner 34-jährigen beruflichen Laufbahn Innovation, Kreativität und Exzellenz gefördert. „Ich hatte die Gelegenheit, mit Abaqus zu arbeiten, einem Teil des SIMULIA-Toolsets von Dassault Systèmes, und es war eine großartige Möglichkeit, fortschrittliche Technologie anzuwenden, um Dinge zu simulieren, die wir zuvor nur im Labor oder im Feld testen konnten“, sagte er in einem Interview nach einem Auftritt im Jahr 2015.

ExxonMobils Einsatz von Simulationen hat das Unternehmen wettbewerbsfähiger gemacht, sagte Dale. „Die Möglichkeit, die einzelnen Punkte miteinander zu verbinden, kann man in einem Labor aus Kosten-, Größen- und Zeitgründen nie vollständig realisieren“, sagte er. „In der Vergangenheit passte die verfügbare Zeit oft nicht in den Zeitraum, in dem Entscheidungen getroffen werden mussten. „Die Visualisierung, die jetzt durch Simulation möglich ist, ermöglicht eine viel frühere Interpretation – um Chancen oder Schwächen zu erkennen.“ Es beeinflusst und beeinflusst das Hier und Jetzt weit mehr als je zuvor. Im Bereich Intelligenz und Intelligenz ist die Visualisierung also ein großer Helfer, der Menschen mit verschiedenen Arten von Informationen und Datenanalysen zusammenbringen kann, um einige sehr komplexe Probleme zu lösen.“

In seiner Ansprache vor dem SCC im Jahr 2015 erörterte Dale das Engagement seines Unternehmens für die sichere und zuverlässige Erschließung von Erdgasressourcen. ExxonMobil habe beste Managementpraktiken entwickelt, um die Effizienz zu verbessern und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt insgesamt zu verringern, sagte er. Dazu gehört der Schutz lokaler Grundwasserressourcen, die enge Zusammenarbeit mit Gemeinden und der Regierung sowie die Förderung von Transparenz und wirksamer Regulierung.

Dale erklärte, dass die Gewinnung von Erdgas aus Schiefergestein eine komplexe Physik erfordert

Um die kritischen Faktoren, die den Erfolg dieser mehreren Produktionsstufen beeinflussen können, genau zu modellieren, haben ExxonMobil und SIMULIA eine vollständig gekoppelte Formulierung für flüssigkeitsunterstütztes (hydraulisches) Bruchwachstum unter Verwendung zweier fortschrittlicher Finite-Elemente-Methoden entwickelt: der Kohäsionszonenmethode. (CZM), bei dem der Bruchweg durch eine Ebene begrenzt wird; und die erweiterte Finite-Elemente-Methode (XFEM), bei der die Bruchbahn vollständig lösungsabhängig ist. Zusätzlich zu diesen fortschrittlichen Finite-Elemente-Methoden implementiert Abaqus auch fortschrittliche Materialmodelle, um die inelastische Verformung zu berücksichtigen, die mit den Arten einzigartiger, komplexer Versagensmechanismen in weichem Gestein verbunden ist.

In allen Fällen wurden die Methoden gründlich auf eine Vielzahl von Gesteins- und Flüssigkeitseigenschaften sowie Flüssigkeitsverlustbedingungen getestet, sowohl mit semianalytischen Lösungen als auch mit experimentellen Laborergebnissen. ExxonMobil entwickelte intern einzigartige experimentelle Fähigkeiten und arbeitete dann mit SIMULIA zusammen, um 2D- und 3D-Modelle vieler verschiedener Aspekte der kontrollierten hydraulischen Gesteinsfrakturierung zu erstellen. „Durch die Einbeziehung physikalisch gemessener Eingaben und die Darstellung der gesamten Physik, anstatt einfach die Modelle zu „tunen“, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, sind wir zuversichtlich, dass wir diese neu entwickelten numerischen Fähigkeiten in Abaqus validieren können“, sagte Dale.

Diese neu entwickelten Modellierungsfunktionen unterstützen das Hydraulic-Fracturing-Geschäft von ExxonMobil in vielerlei Hinsicht, bemerkte Dale. „Die Vermeidung von Bohrproblemen senkt die Kosten“, sagte er. „Bohrrisiken zu managen bedeutet, kleine Probleme nicht groß werden zu lassen. Fortschrittliche 3D-Modellierung verbessert unsere Fähigkeit, Bohrherausforderungen wie Schieferinstabilität oder Gewinnverluste bei Sanden vorherzusagen und Risiken zu mindern. Die Modellierung hilft uns auch dabei, innovative Rückgewinnungspläne zu entwickeln, um die Produktion kosteneffizienter zu gestalten.“ „Die Vorteile unserer gemeinsamen Partnerschaft mit SIMULIA sind vielfältig“, schloss Dale. „In den kommenden Jahrzehnten muss die Welt ihre Energieversorgung auf sichere, erschwingliche und umweltverträgliche Weise ausbauen. Die dreidimensionale Modellierung ermöglicht die Schaffung innovativer Lösungen auf Basis der Grundlagen der Energieversorgung im 21. Jahrhundert.“