Erfüllung von Qualitätsstandards in der Öl- und Gasförderung mit Ultraschallwandlern
Baker Hughes spart 30 % der Prototypenentwicklungskosten durch den Einsatz von Ultraschallsimulationen zur Untersuchung der Ausbreitung akustischer Wellen, zur Erfassung experimenteller Reaktionen und zur Optimierung von Wandlern, die zum Prüfen von gefördertem Öl und Gas eingesetzt werden.
Von Mackenzie McCarty
September 2025
Bevor Öl und Gas zum Heizen von Häusern, zum Betanken von Autos und zur Stromerzeugung verwendet werden können, durchlaufen sie umfangreiche Raffinerie-, Transport-, Förder- und Testprozesse. Baker Hughes konzentriert sich auf den ersten Schritt dieses Prozesses, den sogenannten Upstream-Schritt, und nutzt dabei speziell die Cement-Bond-Logging-Technologie zur Bewertung der Gasqualität. Das Unternehmen nutzt Multiphysik-Simulationssoftware, um seine Ultraschallwandler zu entwickeln und zu verbessern, die bei Puls-Echo- und Pitch-Catch-Tests zum Einsatz kommen, zwei gängigen Methoden zur Prüfung von gefördertem Öl und Gas.
Erforschung der Öl- und Gasförderung
Wenn im Upstream-Prozess ein Loch gebohrt wird, um Gas zu fördern, muss die Bohrung verstärkt werden, um die Strömung des Fluids in ihrem Inneren zu kontrollieren. Die Bewertung der Zementbindung ist ein wichtiger Schritt in diesem Prozess. Nach dem Bohren eines Bohrlochs wird Zement zwischen die Verrohrung und die Formation injiziert, um die Verbindung zwischen den Förderzonen im Bohrloch zu verhindern. Wie Haiqi Wen, leitender Wissenschaftler bei Baker Hughes, erklärt, bildet die Zementummantelung eine hydraulische Abdichtung, die die Verbindung zwischen den Zonen und das Entweichen von Fluiden an die Oberfläche verhindert.
Zwei häufig verwendete Ultraschallwerkzeuge, die über ein Kabel in das Bohrloch eingeführt werden, um genaue Abschätzungen der Bohrlochintegrität und der Isolierung der Fluidzone zu erhalten, werden als Cement Bonding Logs (CBL) und Variable Density Logs (VDL) bezeichnet. Die Ergebnisse des CBL liegen in Form einer Wellenform vor, anhand derer die Verbindungsqualität zwischen der Verrohrung und dem Zement auf der Grundlage der Amplitude und des Abklingkoeffizienten der Wellenform bestimmt werden kann. Die VDL ist „eher eine visuelle Darstellung aller Wellenformen, mit der man mehr Informationen über die Bindungsqualität zwischen der Formation und dem Zement erhält“, so Wen (Abbildung 1).
Die Prüfung von Öl und Gas am Förderort stellt sicher, dass das Produkt den Qualitätsstandards entspricht, bevor es den weiteren Prozess durchläuft. Dabei werden Verunreinigungen identifiziert, die den Wert oder die Verwendbarkeit beeinträchtigen könnten, und durch die Analyse der Zusammensetzung und der Förderraten wird die Produktion optimiert. Die Prüfung liefert außerdem Daten, anhand derer die Betreiber die Reservoirbedingungen besser verstehen, Sicherheitsrisiken erkennen und zukünftige Verbesserungen vornehmen können.
Piezoelektrische Wandler werden im vorgelagerten Teil des Prozesses, in der Testphase, eingesetzt. Wen und sein Team verwendeten die Software COMSOL Multiphysics®, um ihre piezoelektrischen Wandler zu modellieren (Abbildung 2). Mithilfe der integrierten Multiphysik-Funktionen der Software koppelten sie Fluide mit piezoelektrischen Wandlern, elastische Wellen mit Druckakustik und einen externen Stromkreis an das piezoelektrische Element. So konnten sie genau untersuchen, wie mehrere physikalische Phänomene zusammenwirken, und die Umwandlung von Spannungssignalen in elastische Wellen sowie die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) an den Rändern des Wandlers mit benutzerdefinierten Schaltungsparametern modellieren.
„Ich habe an den Rändern absorbierende Schichten angeordnet, um einfallende Wellen zu absorbieren“, erklärt Wen und fügt hinzu: „Die Ränder übernehmen außerdem Frequenzfilter- und Scanfunktionen. Um Zeit zu sparen, wird nur ein Achtel des Modells simuliert, aber durch die Anwendung gespiegelter Datensätze erhalten wir die vollständige Modellantwort und alle Daten.“
Ein wesentlicher Bestandteil des Wandlerdesigns ist die Dicke des piezoelektrischen Wandlers im Verhältnis zur Wellenlänge und zur absorbierenden Schicht. Bei diesem Design ist die Wandlerdicke auf eine halbe Wellenlänge und die Schichtdicke auf eine Viertelwellenlänge festgelegt.
Wen untersuchte zwei verschiedene Methoden während er die Abmessungen des Wandlers und die Netzeinstellungen festlegte – Form Assembly und Form Union. Form Assembly erzeugt ein diskontinuierliches Netz an der Grenzfläche, während Form Union ein kontinuierliches Netz erzeugt. „Ich denke, dass Form Union in der Regel etwas robuster ist, aber es entstehen viel feinere Elemente an der Grenzfläche, was die Simulation in einigen Fällen etwas verlangsamen kann“, so Wen.
Reduzierung der Prototypingkosten durch Simulation
Wen erstellte ein vereinfachtes, achsensymmetrisches 2D-Modell sowie ein vollständiges 3D-Modell (Abbildung 3) und validierte beide Modelle anhand experimenteller Tests. Dazu wird ein kurzes Pulssignal ausgesendet, das auf die Zementoberfläche des Bohrlochs trifft. Wenn die Verbindungsqualität gut ist, zeigt der Empfänger keine starken Signale, da die Materialien fest miteinander verbunden sind und keine Hohlräume oder Risse aufweisen. In diesem Fall durchdringt das Signal die Oberfläche. Bei schlechter Verbindungsqualität hingegen zeigt der Empfänger Reflektionen des Signals, da es auf Risse oder Hohlräume trifft.
„In dieser Arbeit habe ich die Wellenausbreitung und die Druckantwort verglichen. Wie Sie sehen können, sieht die Wellenausbreitung fast identisch aus“, erklärt Wen. „Bei Achsensymmetrie kann für schnellere Simulationsergebnisse das 2D-Modell verwendet werden, andernfalls muss das 3D-Modell zum Einsatz kommen.“ Die Ergebnisse des 3D-Modells werden durch Auswertung der Druckantwort an der yz-Schnittfläche ermittelt, wo x = 0 ist (siehe rechts in Abbildung 3). „Bei dieser Druckantwort stimmt das 2D-Modell fast vollständig mit dem 3D-Modell überein“, so Wen. Er verglich die Ergebnisse mithilfe von LiveLink™ for MATLAB®, einem Schnittstellenprodukt, das die Software COMSOL Multiphysics mit der Software MATLAB® verbindet (Abbildung 4).
Die COMSOL-Simulationsergebnisse und Messdaten stimmen im Nahfeld gut überein, wie über LiveLink™ for MATLAB® dargestellt (Abbildung 5). Die Ergebnisse zeigen, dass der maximale Druck auf der Achse liegt, wobei die Mittenfrequenz des Wandlers in diesen Daten eine Amplitude von 280 kHz aufweist. Wie Wen jedoch hervorhob, „gibt es einige Unstimmigkeiten, die wir zu klären versuchen“. Ein Beispiel hierfür ist das Vorhandensein von Nebenkeulen in den Messdaten, die in den Simulationsergebnissen nicht vorhanden waren. Eine weitere Unstimmigkeit ist die lokale Auslöschung, die in den Simulationsergebnissen zu beobachten ist, während die Messdaten einen kontinuierlichen Abfall zeigen.
„Ich vermute, dass das Problem mit der Modellierung des piezoelektrischen Materials zusammenhängt, da es sich in der praktischen Anwendung um einen Verbundwerkstoff handelt. In unserer aktuellen Studie behandeln wir es jedoch als homogenes Material“, erklärt Wen. „Wir arbeiten weiterhin daran, dies zu verbessern.“
„Insgesamt haben wir durch Simulationen etwa 30 % der Prototypenkosten eingespart“, so Wen. „Früher mussten wir, wenn wir neue Wandler benötigten, in der Regel eine Charge verschiedener Wandler mit unterschiedlichen Spezifikationen bestellen. Da wir nun jedoch Simulationssoftware wie COMSOL® einsetzen, müssen wir lediglich überprüfen, ob die Charge einige gute Designs enthält. Dann müssen wir nur noch diese Designs bestellen, anstatt alle neuen Wandlerdesigns zu bestellen und zu testen, welches am besten funktioniert“, so Wen.
Pulse-Echo- und Pitch-Catch-Tests
Um ihre Arbeit fortzusetzen, nutzten Wen und sein Team COMSOL Multiphysics zur Simulation und Optimierung von Pulse-Echo- und Pitch-Catch-Tests. Ihre Pulse-Echo-Simulation stellt eine ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethode dar, bei der Ultraschallpulse ausgesendet werden, um Materialfehler zu identifizieren oder für weitere Informationen die reflektierten Wellenformen zu analysieren. Wen und sein Team sendeten Wellen aus, die von einem Metallgehäuse reflektiert wurden, wobei der Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger fungierte. Nach der Messung mit einer Punktsonde können die Wellenformdaten analysiert werden.
Wen wendete die Hilbert-Transformation an, um die Wellenformhüllkurve zu extrahieren. Anschließend „kann man die FFT [Fast Fourier Transformation] davon abziehen, um einen der Frequenzpeaks zu erhalten, und dieser Peak entspricht der internen Reflexion innerhalb des Gehäuses. Wenn man das Signal sendet, gibt es die erste Reflexion, aber es gibt tatsächlich auch eine interne Reflexion“, erklärt Wen (Abbildung 6). Die Gehäusemessungen können dann auf der Grundlage der Frequenz berechnet werden.
Die Hilbert-Transformation kann auch verwendet werden, um die Hüllkurve der Wellenlänge in Tonhöhenmessungen zu extrahieren, wodurch die Amplitude der Peaks verfolgt werden kann. Die Peaks in dieser Studie werden durch die blauen und roten Punkte in Abbildung 7 dargestellt. Wen plottete die Wellenamplitude als Funktion des Wandlerabstands, wodurch die Exponentialkurve angepasst werden konnte (dies ist in Abbildung 7 nicht dargestellt). Er verglich die unterschiedlichen Ergebnisse zwischen dem Wasser im Rohr und dem Schaumzement, um die Materialeigenschaften innerhalb des Gebiets zu verstehen.
„Die Herausforderung besteht darin, dass man den Peak einer relativ geringen Amplitude sehen kann. In realen Anwendungen wird dies sehr schwierig sein, da man naturgemäß unter einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis leidet, insbesondere bei höheren Frequenzen“, erklärt Wen. Er führt weiter aus, dass es schwieriger sein wird, aussagekräftige Signale zu erfassen, wenn die Schallwellen sehr schnell gesendet und empfangen werden.
Die Simulation der beiden Testmethoden in COMSOL Multiphysics ermöglicht eine effizientere Erfassung der Daten aus den Ultraschallmessungen, und die Modellierung des Wandlers schont Ressourcen und optimiert gleichzeitig das Design. Mithilfe der Simulation können Wen und sein Team untersuchen, wie sich die Welle durch verschiedene Materialien ausbreitet, und feststellen, wodurch die endgültige Wellenform entsteht. „Das ist etwas, was nur die Simulation leisten kann, da wir diese Informationen aus den Testversuchen nicht gewinnen können“, erklärt Wen. Letztendlich hilft dies Baker Hughes, die Effizienz und Genauigkeit in der vorgelagerten Phase des Öl- und Gasförderungsprozesses zu verbessern.
Referenz
- C. Fang et al., "A Novel Cementing Quality Evaluation Method Based on Convolutional Neural Network," Appl. Sci., October 2022; https://doi.org/10.3390/app122110997