Novel multiaxial fatigue setup for testing casing drilling applications

Um die Effizienz des Bohrvorgangs aus Sicht des Bohrfortschritts, der Kosten und der Bohrlochstabilität zu erhöhen, wird seit 1998 das Casing Drilling eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Technik, bei der die mechanische und hydraulische Energie über das Bohrgestänge, das in diesem Fall aus Futterrohr besteht, übertragen wird, um das Gestein zu zerkleinern. Dabei ist das „Bohrgestänge“ jedoch zyklischen Belastungen ausgesetzt, die zur Entstehung, zum Wachstum und zur Ausbreitung von Rissen in der Verrohrung führen. Dieses Phänomen (Ermüdung genannt) ist sowohl irreversibel als auch progressiv und führt zu einer dauerhaften Verringerung des störungsfreien Betriebsbereichs eines jeden Rohrs. Das Auftreten von Ermüdung am Futterrohrstrang ist aufgrund der typischerweise während des Bohrvorgangs auftretenden zyklischen Belastungen unvermeidlich und hängt von der Schwere der Belastung(en), den metallurgischen Eigenschaften, der Geometrie des Bauteils, den Bohrbedingungen und dem Vorhandensein von Dauerlasten ab. In der Praxis ist es zwar nicht möglich, die Ermüdung zu verhindern, jedoch durch eine geeignete Planung des Bohrstrangs lassen sich ihre nachteiligen Auswirkungen auf ein Minimum reduzieren. Um dies zu erreichen ist es erforderlich, die Bohrbedingungen unter Laborbedingungen nachzuahmen, um solche Auswirkungen auf die Ermüdungslebensdauer des Rohrstrangs zu untersuchen. In diesem Zusammenhang könnten numerische und prädiktive Methoden nur ein eingeschränktes Anwendungspotenzial bei der Verhinderung von Ermüdungsausfällen des Rohrstrangs bieten, da die Anwendung von u.a. bestimmten Herstellungsparametern und komplexen Spannungszuständen auf jede solcher Methoden nur begrenzt möglich ist. Dauerlasten spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Ermüdungslebensdauer. Im Gegensatz zu den sehr gut etablierten Ansätzen zur Berücksichtigung der axialen Dauerbelastung stößt die Berücksichtigung der torsionsbedingten Dauerbelastung auf Machbarkeitshürden, und darum wurde deren Einfluss in der Vergangenheit regelmäßig vernachlässigt. Um dem abzuhelfen wurde durch die Entwicklung und Konstruktion einer speziellen Ermüdungsversuchsanlage in der vorliegenden Forschungsarbeit der Einfluss sowohl der gleichmäßigen als auch der dynamischen Torsionsbelastung untersucht. Die Frequenz der letzteren ist unterschiedlich (geringer) als die der zyklischen Biegebeanspruchung. Zu diesem Zweck wurden insgesamt 12 Prüflinge aus Stahlgüte S355J getestet. Die Ergebnisse dieser Forschung zeigen, dass beide Formen der Torsionsbelastung eine Rolle bei der Reduzierung der Ermüdungslebensdauer spielen, folglich darf der Effekt dieser Belastung auf die Ermüdungslebensdauer nicht außer Acht gelassen werden. Die Prüflinge wurden mit drei Biegebelastungen und Innendruck beaufschlagt. Es wurde ein Vergleich zwischen den Prüflingen unter statischer und dynamischer Torsionsbelastung und denen ohne solche Lasten durchgeführt. Der größte Einfluss der Torsionsbelastung wurde bei mittlerer Biegebelastungen verzeichnet. Mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen wurden die dynamischen Dehnungen an vier gleichmäßig voneinander getrennten Stellen an den Prüflingen gemessen. Die aufgezeichneten Dehnungen wurden in Spannungen umgewandelt, um die ermüdungsbedingte Schädigung an jeder Position zu berechnen. Zur Berechnung der äquivalenten zyklischen Biegespannungen infolge gleichmäßiger Belastungen durch Dauerlasten z.B. Innendruck wurde die "modifizierte Goodman-Gleichung" verwendet. Aufgrund der ungleichmäßigen Variation des Innendrucks während der Prüfung wurde auf der Grundlage der Palmgren-Miner-Regel die kumulative Schädigung während der gesamten Versuchsreihe berechnet. Der prozentuale Anteil der Schädigung durch Torsionsbelastung kann (und wurde) von der oben genannten kumulativen Schädigung ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen Schäden aufgrund des Einflusses von konstanten und insbesondere dynamischen Torsionsbelastungen. In der Realität war die Ermüdungslebensdauer erheblich kürzer. Dies wirft Zweifel an der Nützlichkeit der Methode auf, um den verborgenen Schaden durch Torsionsbelastung aufzudecken, dessen Nichtbeachtung zu einer Überschätzung der Ermüdungslebensdauer unter realen Bedingungen führen würde. Der in der vorliegenden Forschungsarbeit verwendete Ansatz kann zur Überwachung der kumulativen Schädigung des Prüflings in Echtzeit vor standardmäßigen Dichtigkeitsprüfungen und/oder zur Überwachung der Schädigung des Rohrstrangs bei realen Bohranwendungen verwendet werden.