Entwicklung von Methoden zur Bestimmung und Optimierung der Lebensdauer von Bohrgeräten am Beispiel eines spülungsangetriebenen Bohrhammers

Bohrwerkzeuge zur Erstellung von Tiefbohrungen sind einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Vor allem die mit Feststoffpartikeln versehene Bohrspülung führt aufgrund hoher Fließgeschwindigkeiten innerhalb der Apparaturen zu starkem erosiven Verschleiß. Abrasion wird durch die Partikel im Kontaktbereich zweier Bauteile begünstigt, wodurch die Lebensdauer komplexer Werkzeuge stark limitiert werden kann. Während der Entwicklungsphase innovativer Bohrgeräte sind deshalb oft langwierige, aufwändige Experimente notwendig, mit denen der Nachweis einer ausreichenden Lebensdauer erbracht werden soll. Wird die Ziellebensdauer nicht erreicht, folgen in der Regel weitere Iterationsschritte mit abgeänderter Geometrie- oder Materialwahl, was aufgrund der hohen Zeit- und Kostenintensivität nicht selten zum vorzeitigen Projektende führt. Das Ziel der vorliegenden Dissertation liegt in der Entwicklung von Methoden, mit denen die Lebensdauer von Bohrgeräten durch einen geringen experimentellen Aufwand bestimmt und optimiert werden kann. Diese Methoden werden am Beispiel eines spülungsangetriebenen Bohrhammers für Geothermiebohrungen aufgezeigt, der aufgrund seiner komplexen Strukturen einem großen Verschleiß ausgesetzt ist und sich deshalb als hervorragendes Beispiel anbietet. Bei der ersten Methode wird der Erosionsverschleiß im Bohrwerkzeug durch die Software Ansys Fluent simuliert, wodurch eine Abschätzung getroffen werden kann, ob die Funktionsfähigkeit des Bohrhammers durch entsprechende Verschleißerscheinungen eingeschränkt wird. Kurze Validierungsversuche zeigen, dass die berücksichtigten Elementgrößen zur Berechnung und Abbildung des Verschleißes einen großen Einfluss auf das Simulationsergebnis haben. Die Analyse der Simulationsergebnisse, für die weitere Simulationswerkzeuge genutzt werden, zeigt, dass es sich im derzeitigen Entwicklungsstadium bei dem Erosionsverschleiß nicht um den die Lebensdauer einschränkenden Faktor handelt. Die Lebensdauer des Bohrhammers wird durch den Verschleiß im Bereich der Gleitführungen eingeschränkt, was durch einen auf die Einbausituation angepassten Verschleißprüfstand nachgewiesen wird. Mit diesem Versuchsstand kann die zu erwartende Lebensdauer unter Zuhilfenahme weiterer Simulationen abgeschätzt werden, wobei ein Ergebnis von etwa 12 h für den Ausgangszustand ermittelt wird. Diese nicht zufriedenstellende Betriebsdauer kann allerdings durch die Verwendung einer Keramikstatt Bronzegleitführung um ein Vielfaches erhöht werden, wofür jedoch geometrische Anpassungen notwendig sind.

Drilling tools for the construction of deep wells are exposed to high wear rates. Especially the abrasive effect of solid particles within the drilling mud, may lead to significant material removal on the inside of the drilling tool. As a result, the lifetime of complex tools can be profoundly limited. During the development phase of new, innovative drilling tools, laboratory experiments are often tedious, time-consuming and costly to prove sufficient lifetime durability. If the target lifetime is not reached, further design iteration, which can include changes in geometry or material, have to follow. This may result in a premature termination of the project due to budget or time constraints. The aim of the dissertation is to develop methods that reduce the experimental share to define the expected lifetime of drilling tools and optimize their durability. These methods are exemplary demonstrated on the development of a mud-driven down-the-hole hammer for geothermal wells. The first method involves simulating erosive wear inside the drilling tool using the software Ansys Fluent to determine if the functionality of the mud-driven hammer will be limited. Short validation experiments are showing that the element sizes of the calculation mesh have a significant effect on the calculation and realization of the material removal on the simulation results. The simulation results are analyzed using other simulation tools, such as the mud-hammer simulation programmed in Simulink. The analysis indicates that erosive wear will not be the limiting factor for the tool's lifetime in the considered developmental status. The lifetime of the mud-hammer is limited by wear in the area of the sliding guides, which has been proven by a wear test stand built as part of the second method. With this test stand, the expected lifetime is estimated with the aid of the mud-hammer simulation, which leads to an expected lifetime of about 12 hrs for the initial configuration. However, this unsatisfactory service life can be increased by using ceramic sliding guides instead of a bronze. Geometrical changes are necessary for safe use of these guides inside the mud-hammer.

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