Investigations on the sealing performance of premium connections under cyclic downhole service conditions

In Anbetracht des branchenweiten Interesses an der Förderung und Speicherung kohlenstoffarmer, untertägiger Energieträger steigt die Nachfrage nach gasdichten (Premium-)Verbindungen, die komplexen Betriebsbelastungen standhalten. Dies ist insbesondere relevant, da 76 % der dokumentierten Fälle von Bohrlochintegritätsversagen direkt auf Leckagen in Rohrverbinder unter Hochdruckbedingungen zurückzuführen sind. Dieses Phänomen erfordert eine gründliche Neubewertung der branchenweit geltenden Testprotokolle und Standards für die Qualifizierung gasdichter Verbindungen, da bestehende Qualifizierungsphilosophien die realen Betriebsbedingungen – etwa bei der untertägigen Speicherung und Gewinnung von Wasserstoff oder der Förderung von Hochenthalpie-Dampf aus Tiefengeothermiebohrungen – nicht vollständig abbilden.
Auf Grundlage von Betriebsdaten aus ausgewählten Szenarien der Tiefengeothermie und untertägigen Speicherung wurde in dieser Arbeit ein maßgeschneidertes Belastungsszenario entwickelt, das die Lebensdauer von Verbindungen unter zyklischen Produktions- und Injektionsbedingungen bei schwankendem Hochdruck nachbildet. Die Ergebnisse dieser Analyse führten zur Auswahl einer gasdichten Verbindungsgeometrie, die für die genannten Anwendungen repräsentativ ist, sowie zur Ermittlung der axialen Belastungs- und Innendruckwerte, die für die Konstruktion und den Bau eines Prüfstands erforderlich waren, mit dem die spezifischen Bohrlochbedingungen simuliert werden können.
Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Satz Prüfkörper mit der ausgewählten Verbindungsgeometrie gefertigt. Um die „ungünstigsten“ Kontaktbedingungen an der Metall-Metall-Dichtung (MTM), einer typischen mechanischen Anordnung für gasdichte Verbindungen, zu simulieren, wurden die Prüfkörper mit unterschiedlichen Verbindungsüberlappungen versehen.
In der ersten Versuchsphase wurden die Prüfkörper wiederholt verschraubt (Make-Up, MU) und entschraubt (Break-Out, BO), um den Einbau von Ölfeldrohren am Rig Floor (Bohranlage) realitätsnah nachzustellen. Nach jedem MU/BO-Zyklus wurden Ovalität und Oberflächenrauheit der MTM-Dichtbereiche gemessen und dokumentiert.
In der zweiten Phase wurden „kraftverschraubte“ Prüfkörper unter kombinierten Belastungen getestet, um die Betriebslebensdauer einer untertägigen Speicherbohrung mit zyklischen Förder- und Injektionsphasen nachzubilden. Hierbei wurden 200–250 Zyklen unter gleichzeitigem Innendruck und axialer Zug-/Druckbelastung bei 80 % der Streckgrenze (VMS) gefahren. Als Testmedien dienten Wasser und Stickstoff. Parallel wurde die Dichtungsleistung der Verbindung unter axialer Belastung und deren Einfluss auf die MTM-Dichtflächen untersucht.
Zur Validierung der Ergebnisse wurden zusätzlich numerische Simulationen mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt. Diese zeigten, dass die Zugbelastung den kritischsten Belastungsmodus darstellt und insbesondere die Schulterfläche am stärksten von der zyklischen Axialbeanspruchung betroffen ist. Der Anpressdruck an den MTM-Dichtungen sank dabei in der kritischsten Belastungsphase von 1749 MPa auf 755 MPa (−56,8 %), was das Leckagerisiko signifikant erhöht.
Die Studie identifizierte somit die Zugbelastung als Hauptfaktor für den Verlust der Dichtungsintegrität. Zudem zeigte sich, dass die Oberflächenrauheit bereits nach dem zweiten MU/BO-Zyklus – und noch vor sichtbaren Dichtungsschäden (Verschleiß, „Fressen“) – abnahm. Diese Beobachtung, gestützt durch numerische Analysen, eröffnet die Möglichkeit eines prädiktiven Ansatzes zur Bewertung des Verbindungsversagensrisikos vor Beginn der Betriebsphase eines Rohrstrangs.
Obwohl die getestete Verbindungsgeometrie unter kombinierter Belastung eine insgesamt zufriedenstellende Dichtungsleistung erbrachte, bleibt ihre hohe Verschleißneigung während MU/BO ein wesentliches Hindernis für den Feldeinsatz und eine Qualifizierung nach Standards wie ISO 13679. Dieser Trend steht im Zusammenhang mit fertigungstechnischen Aspekten und der spezifischen Leistungscharakteristik der untersuchten Geometrie. Für zukünftige Arbeiten wird daher empfohlen, zusätzliche Verbindungsgeometrien zu testen, um die gewonnenen Erkenntnisse zu validieren und deren Anwendbarkeit auf ein breiteres Einsatzspektrum auszuweiten.