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Systemsimulation zur Optimierung der Mud-Pulse-Telemetrie

Systemsimulation zur Optimierung der Mud-Pulse-Telemetrie

Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: Multiphysics

Mit der Systemsimulation im Ansys Twinbuilder lässt sich die Pulserzeugung bei steuerbaren Bohrwerkzeugen optimieren. Dazu wird das gekoppelte Verhalten von mechanischen und hydraulischen Komponenten der Bohrspülung bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen analysiert

Zusammenfassung

Aufgabe

Scientific Drilling entwickelt steuerbare Bohrwerkzeuge, die während des Bohrvorgangs über Druckpulse in der Bohrspülung mit Anlagen an der Erdoberfläche kommunizieren können. Als Kernstück dient dabei eine hydraulisch-mechanische Ventileinheit. Um die Datenrate zu erhöhen, werden die Einflüsse auf die Druckpulse mit Simulationen untersucht.

Lösung

Die Untersuchung der Druckpulse erfordert eine Analyse des Systemverhaltens bei unterschiedlichen Volumenströmen in Abhängigkeit von Pumpleistung und Bohrtiefe. Dazu sind Modelle für eine volumenstromunabhängige Charakterisierung von Ventilen erforderlich. Dies lässt sich durch den Einsatz von Modelica-Komponenten erreichen.

Kundennutzen

Mit der Systemsimulation wurden verschiedene dynamische Vorgänge zur Generierung des Druckpulses untersucht. Dadurch ließ sich das bisherige Systemverständnis erweitern und die Simulationsergebnisse dienten zusätzlich dazu, weiteres Verbesserungspotential zu identifizieren.

Projektdetails

Aufgabe

Bei der Erschließung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten spielt der Verlauf einer Bohrung für deren spätere Produktivität eine entscheidende Rolle (siehe auch CADFEM Journal 2/2019, „Mit System gezielt gebohrt“). Hierfür entwickelt Scientific Drilling am Standort Celle steuerbare Bohrwerkzeuge, die während des Bohrvorgangs mit Druckpulsen in der Bohrspülung mit Anlagen an der Erdoberfläche kommunizieren können (Mud-Pulse- bzw. MP-Telemetrie). Als Kernstück dieser Technologie dient eine hydraulisch-mechanische Ventileinheit.

Die Datenrate aktueller MP-Telemetrie-Systeme ist begrenzt und zu gering für die wachsenden Datenmengen, die in immer kürzer werdenden Zeitintervallen über größere Distanzen übertragen werden müssen. Um die Datenrate zu erhöhen, sollen die verschiedenen Einflüsse auf die Druckpulse – wie Volumenströme und Ventileigenschaften – in einer Systemsimulation untersucht werden.


Nutzen für den Kunden

Anhand der Systemsimulation konnten verschiedene dynamische Vorgänge zur Generierung des Druckpulses untersucht werden. Das bisherige Systemverständnis wurde erweitert und zusätzlich wurden die Simulationsergebnisse genutzt, um potenzielle Verbesserungsoptionen zu identifizieren.

  • Durch den Einsatz der Modelica-Komponenten konnte die notwendige Anzahl an CFD-Analysen gesenkt werden.
  • Die so freigewordenen Ressourcen sind direkt für die Untersuchung und Weiterentwicklung des Designs wesentlicher Bauteile – beispielsweise der Ventile – einsetzbar.
  • Vorhandenes Verbesserungspotential hinsichtlich des Systemverhaltens lässt sich identifizieren und vergleichen.

 


Lösung

Im Rahmen der Systemsimulation mit Ansys Twinbuilder wurde die Pulserzeugung, also das gekoppelte Verhalten vom mechanischen und hydraulischen Komponenten untersucht. Dazu wurden die Ventile für die Druckpuls-Erzeugung anhand mehrerer CFD-Analysen mit Ansys Fluent charakterisiert. So ließen sich die Druckverluste in Abhängigkeit der Ventilstellung für einen ausgewählten Volumenstrom ermitteln und für die Systemsimulation zur Verfügung stellen.

Die Untersuchung der Druckpulse erfordert jedoch eine Analyse des Systemverhaltens bei unterschiedlichen Volumenströmen in Abhängigkeit von Pumpleistung und Bohrtiefe. Um die benötigte Anzahl der CFD-Analysen zu reduzieren, wurde das Systemmodell mit Elementen aus der Modelica Standard Library angepasst, was eine volumenstromunabhängige Charakterisierung von Ventilen ermöglichte. So lassen sich die numerischen Simulationsergebnisse durch den analytischen Ansatz der Modelica-Komponenten ergänzen, um bei geringem numerischen Aufwand eine große Bandbreite an Betriebszuständen abbilden zu können.



Produkt-Anwendungen im Projekt