Numerical Investigations for Jet-Assisted Drilling Applications

Titel in Übersetzung: Numerische Untersuchungen für strahlunterstützte Bohranwendungen

Patrick Eisner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Beim Abteufen einer geothermischen Tiefenbohrung treten harte und abrasive Gesteine wie Granit auf. Dadurch verringert sich der Bohrfortschritt, was einen beträchtlichen Einfluss auf die Bohrkosten hat. Eine Möglichkeit, den Bohrfortschritt zu erhöhen, ist die Entwicklung und Anwendung eines strahlunterstützten Bohrsystems. Diese Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit numerischer Simulation, die als Unterstützung bei der Entwicklung dieses Bohrsystems verwendet wird. Zuerst werden die mechanischen Eigenschaften eines Tauchstrahls, der auf eine feste Oberfläche trifft, betrachtet und eine grundlegende CFD Simulationsstudie durchgeführt, die die Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen in den entsprechenden Bereichen beinhaltet. Außerdem werden dreidimensionale Simulationenen eines gewöhnlichen Rollenmeißels, der eine Hochdruckdüse beinhaltet, durchgeführt, wobei der Neigungswinkel der Düse, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Meißels sowie die Düsengeometrie variiert werden. Als nächstes wird die Interaktion zwischen dem Strahl und dem Gestein mittels drei verschiedener numerischer Ansätze modelliert: eine CFD-FEM Kopplung, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) und Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL). Unter atmosphärischen Bedingungen werden bei den SPH und CEL Simulationen die exakt gleichen Randbedingungen angewendet. Außerdem werden noch SPH Simulationen unter Bohrlochbedingungen durchgeführt und ausgewertet. Die erhaltenen Spannungsverteilungen sowie die Schneidleistung in der Auftreffzone des Strahls werden verglichen und die entsprechenden Schlüsse daraus gezogen. Im letzten Teil der Arbeit wird die Auswirkung eines strahlinduzierten Schneidspalts auf die Bohrleistung erforscht. Dazu werden ein sogenanntes ungeschädigtes Modell und ein vorgeschädigtes erzeugt, welche beide eine starre Rolle mit nur einem Schneidelement beinhalten. Bevor die Rolle bewegt wird, werden der hydrostatische Druck im Bohrloch, die entsprechenden Bohrlochspannungen und ausreichend Gewicht am Meißel angebracht. Am Ende wird die Verteilung der Schädigungsvariable der Gesteinselemente ermittelt und die Ergebnisse der beiden Simulationen gegenübergestellt. Dadurch kann eine Aussage in Bezug auf die Auswirkung eines strahlunterstützten Bohrsystems getroffen werden.
Titel in ÜbersetzungNumerische Untersuchungen für strahlunterstützte Bohranwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Beurteiler B (intern)
  • Hofstätter, Herbert, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 24-07-2024

Schlagwörter

  • Strahlunterstütztes Bohren
  • numerische Simulation
  • Roller Cone Bit Design
  • Smoothed Particle Hydrodynamics
  • Coupled Eulerian-Lagrangian

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