Investigation of the influence of cuttings transport on drill string dynamics

Aus der industriellen Anwendung ist bekannt, dass Bohrstrangschwingungen die Bohrgarnitur erheblich beschädigen können. Zu den drei Schwingungsarten - axial, lateral, torsional - gab es in der Vergangenheit bereits vielfache Forschungsaktivitäten um gekoppelte Axial- und Torsionsschwingungen zu reduzieren. Allerdings ist die Untersuchung von lateralen Schwingungen anspruchsvoller, da es bislang wenig Echtzeit-Messungen im Bohrloch gibt. Da Bohrstrangschwingungen nicht vollständig vermieden werden können, ist es wichtig Einflussfaktoren ihrer Dämpfung zu identifizieren und zu analysieren. Viele Faktoren, wie z. B. Fluideigenschaften, Strömungsverhältnisse, die Exzentrizität des Bohrstrangs und ungleiche Massenverhältnisse im Bohrstrang, wurden bereits in der Vergangenheit untersucht. Obwohl der Einfluss des Bohrkleintransports bereits in der Literatur diskutiert wurde, wurde dieser nie eingehend analysiert. Die präsentierte Dissertation ist ein erster Schritt zum Schließen dieser Forschungslücke. Dabei wurden sowohl vorbereitende Experimente und als auch Simulationen für detailliertere Untersuchungen in der Zukunft durchgeführt. Da verfügbare Standardsoftware die gekoppelten Effekte der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) und des Partikeltransports nicht abbilden kann, wird in der vorliegenden Arbeit ein neuer Ansatz vorgeschlagen, der die FSI Bibliothek solids4Foam mit dem Partikelsimulator LIGGGHTS-PUBLIC kombiniert. Im aktuellen Stand der Implementierung müssen die Daten zwischen solids4Foam und LIGGGHTS-PUBLIC in jedem Zeitschritt ausgetauscht werden, da derzeit im Code kein Mechanismus zur Interpolation der Netzbewegung in der Partikelsimulation existiert. Da Partikelsimulationen im Allgemeinen erheblich kleinere Zeitschritte verwenden, sind Simulationen derzeit noch zu rechenintensiv für praktische Anwendungen. Um dennoch erste Simulationsergebnisse präsentieren zu können, wurde ersatzweise eine Parameterstudie der Dämpfung und der Eigenfrequenzen für verschiedene Volumenströme und Flüssigkeiten mit ANSYS durchgeführt. Zur experimentellen Überprüfung der Simulationen wurde ein Teststand modifiziert. Dadurch wurde es möglich, Partikel in die Strömung einzubringen und die Dämpfung von Schwingungen eines Rohres im Ringraum bei verschiedenen Partikelkonzentration zu untersuchen. Da die vorliegende Ausrüstung nicht ausreichend hohe Spülraten zum Partikeltransport in der Schwebe erlaubte, untersucht die vorliegende Dissertation die Dämpfung in Präsenz und in Abwesenheit von Partikelbetten. Ursachen für die damit geringen Strömungsgeschwindigkeiten waren sowohl eine geringer als erwartete Druckbeständigkeit im System als auch eine unerwartet niedrige Viskosität des Fluids. Die Anregung der Schwingungen erfolgt durch ein magetisches Wechselfeld, das mit Permanentmagneten im Innenrohr interagiert. Das Innenrohr kann darüber hinaus in Rotation versetzt werden. Zusätzlich zu den Messwerten der im Innenrohr verbauten Inertial Measurement Unit (IMU), wurden von einer Auswahl der Experimente Videos aus der Drauf- und Seitenansicht aufgenommen. Dadurch wird die Messung der Partikelbetthöhe für diese Experimente möglich. Als Basisfall wurden Experimente in Luft durchgeführt, die eine erste Eigenfrequenz von ca. 8:2 Hz bei unterschiedlichen Drehzahlen ergaben. Für die ersten Experimente in Flüssigkeiten wurde Wasser mit und ohne Partikelbeladung und eine dreiprozentige Natriumbenzoat-Lösung mit Partikeln verwendet. Experimente in Wasser ohne Partikel haben dabei eine klare aber nicht wiederholbare Veränderung der Eigenfrequenz gezeigt, wenn die Drehzahl variiert wurde. Damit war eine zuverlässige Ermittlung der Eigenfrequenzen bei verschiedenen Drehzahlen nicht mehr gegeben und es wurde beschlossen, bei weiteren Experimenten auf die Rotation des Innenrohres zu verzichten. Die Experimente mit Zuckerlösungen haben den Bereich der Reynoldszahl zwischen 0 und 25170 untersucht. Messungen in einer zehnprozentigen Zuckerlösung ergaben mit Volumenstrom und Partikelkonzentration veränderliche Trends. Während die Eigenfrequenz bei einem Volumenstrom von 76 L min mit höherer Partikelkonzentration sank, wurde der entgegengesetzte Effekt bei einem Volumenstrom von 106 L min beobachtet. Bei Messungen in einer fünfzehnprozentigen Zuckerlösung wurden trotz ruhender Flüssigkeit eine grössere Streubreite der Eigenfrequenz als erwartet festgestellt. Da der Effekt der Strömung diese nicht erklären kann, bleibt die genaue Ursache unklar. Allerdings können die geringen Unterschiede des Dämpfungskoeffizienten zwischen der zehn- und fünfzehnprozentigen Zuckerlösung durch die leicht erhöhte Viskosität erklärt werden. Experimente in einer 39 % Zuckerlösung ergaben, dass der Einfluss des Volumenstroms bei einer hohen Partikelbeladung die Dämpfung nicht signifikant beeinflusst. Abschließend konnten die Messergebnisse einige Hinweise für den Einfluss eines Partikelbetts auf die Dämpfung von lateralen Schwingungen geben, wobei der Effekt eher klein ist und weitere Messungen mit einer genaueren Messtechnik zur finalen Bestätigung notwendig sind. In zukünftigen Arbeiten besteht weiterhin Verbesserungsbedarf im Rahmen weiterer Simulationen und Experimente. Zur vollständigen Anwendung des Simulationskonzepts muss dessen Implementierung vervollständigt und an die aktuellen Versionen der verwendeten Bibliotheken angepasst werden. Da der Teststand stärkeren Einschränkungen als erwartet unterlag, ist eine weitere Ertüchtigung unbedingt angeraten. Mögliche Verbesserungen wäre der zusätzliche Betrieb mit nichtnewtonischen Flüssigkeiten und einem grösseren Betriebsbereich des Volumenstroms und der Viskosität. Mittels dieser zusätzlichen Messdaten könnten Methoden des maschinellen Lernens zur Erstellung von Echtzeitmodellen verwendet werden, welche ihre Anwendung in der Simulator-Ausbildung von Bohrmannschaften finden könnten.