Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation der Dynamik von Tiefbohrsträngen

Beschreibung

Während des Bohrprozesses sind unerwünschte Schwingungen des Tiefbohrstrangs innerhalb des Bohrlochs quasi unvermeidbar und führen häufig zu Komponentenversagen. Der Bohrprozess innerhalb des Erdreichs ist aktuell nur unzureichend beobachtbar. Zur Untersuchung der komplexen Dynamik des Tiefbohrstrangs in räumlich gekrümmten Bohrlöchern wird in dieser Arbeit ein mathematisches Modell entwickelt und in einem Simulationswerkzeug umgesetzt. Der Bohrstrang wird dabei durch konzentrierte Massen und masselose Kopplungselemente diskretisiert. Die sechs Freiheitsgrade jeder Masse werden bezüglich natürlicher Koordinatensysteme entlang der Bohrlochmittellinie bestimmt. Mit Berücksichtigung der äußeren Kräfte, beispielsweise aus der Interaktion zwischen Meißel und Bohrlochsohle oder dem Kontakt Bohrstrang/Bohrlochwand, wird die Gesamtbewegungsgleichung bestimmt. An dieser Stelle können auch Teilmodelle von Bohrstrangkomponente integriert werden. Bohrvorschub und Bohrlöcher mit Mikro-Tortuosität und nichtrunder Querschnittskontur werden ebenfalls berücksichtigt. In dem entwickelten Simulationswerkzeug werden ausgewählte Anwendungsbeispiele im Zeitbereich unter Verwendung expliziter Integrationsverfahren simuliert und die Simula-tionsergebnisse dargestellt. Neben Stabilitätsproblemen, wie "Buckling" oder "Snaking", werden dynamischen Phänomene, wie "Stick-Slip" oder "Backward-Whirl", untersucht und zum Teil mit Messdaten aus einem Testfeld und Ergebnissen aus Literatur verglichen. Darüber hinaus bietet das Werkzeug die Möglichkeit, die Komplexität der Bohrlochgeometrie und Bohrvorschub zu untersuchen. Whirl-Beispiele im vertikalen zylindrischen Bohrloch, sowie Bohrlöchern mit nichtrunder Querschnittskontur und Mikro-Tortuosität werden nacheinander vorgestellt.

Autor*in

Minzhe Shi

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Bohrstrangdyamik Drill String Dynamics Dynamik von Tiefbohrsträngen

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