Rock mechanical investigations related to the development of an alternative drilling technology

Titel in Übersetzung: Felsmechanische Untersuchungen in Verbindung mit der Entwicklung einer alternativen Bohrtechnologie

Thomas Stoxreiter

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen hatten einerseits den Zweck die Entwicklung einer alternativen Bohrtechnologie zu unterstützen und andererseits einen Beitrag für ein tiefgreifendes Verständnis des Gesteinslöseprozesses zu schaffen. Im Zuge der Entwicklung der alternativen Bohrtechnologie, welche eine Kombination aus Hochdruckfluidstrahlen mit mehr als 2500 bar Druck und mechanischen Gesteinslösetechniken ist, wurde eine umfassende experimentelle Studie durchgeführt. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Schneidleistung der Fluidstrahlen in harten Gesteinsformationen unter diversen Umgebungsbedingungen. Experimente, welche unter verschiedenen Umgebungsdruckbedingungen durchgeführt wurden, zeigen eine im Vergleich zu den Versuchen unter atmosphärischen Bedingungen deutlich verschiedene Schneidleistung. Die wichtigsten Einflussgrößen wurden bestimmt und so angepasst, dass eine zufriedenstellende Schneidleistung für alle untersuchten Bedingungen erreicht wurde. Der Einfluss von Bohrspülung anstelle von Wasser als Medium wurde ebenfalls untersucht. Die Studie belegt, dass Gesteinslösen mittels Hochdruckfluidstrahlen unter den herausfordernden simulierten Bedingungen an der Bohrlochsohle möglich ist. Diese Bedingungen beinhalten hohe Umgebungsdrücke, mehrere Fluidstrahlen mit verschiedenen Staudrücken, Bohrspülung als Strahlmedium und umgebendes Fluid sowie hohe Traversengeschwindigkeiten. Zur Validierung der gewonnenen Daten und zur Generierung detaillierter Informationen über die Leistung des Bohrsystems unter realistischen Bedingungen, wurden großmaßstäbliche (8 ½ Zoll Bohrkopfgröße) Versuche mit dem hochdruckfluidstrahlunterstützten Rotationsbohrsystem in hartem kristallinem Gestein durchgeführt. In Summe wurden 17 Versuche abgewickelt um einen Vergleich von dem Stand der Technik entsprechender Bohrtechnik und dem innovativen fluidstrahlunterstützten Bohrsystem zu erlauben. Die Bohrgeschwindigkeit wurde durch Verwendung des alternativen Bohrsystems deutlich erhöht. Des Weiteren wurde der Einfluss der eingesetzten Bohrspülung auf den Bohrfortschritt untersucht. Die Interaktion der hydraulischen und mechanischen Gesteinslöseprozesse wurde im Detail erforscht, wodurch weitere Erkenntnisse über den Gesteinszerstörungsprozess erzielt werden konnten. Die in den Großversuchen gesammelten Erkenntnisse wurden direkt in die Planung der Feldversuche miteinbezogen. Das alternative Bohrsystem wurde in einem ca. 1.3 km tiefen Bohrloch unter realen Bohrbedingungen getestet. Der Feldversuch verlief äußerst zufriedenstellend und lieferte den endgültigen Nachweis über die Umsetzbarkeit und Effizienz dieser Technologie. Zur weiteren Optimierung der Bohrtechnologie, aber auch für ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, wurden umfassende Forschungsaktivitäten unternommen. Oftmals werden numerische Simulationen zu diesem Zweck durchgeführt. Eine der wichtigsten Aufgaben stellt die genaue Charakterisierung und Implementierung der Spannungs-Dehnungs Beziehungen dar. Die aktuelle Versuchstechnik bei Zugbelastung ist zumeist stark von Störeinflüssen beeinträchtigt. Zur Eliminierung der Störeinflüsse wurde im Rahmen dieser Arbeit ein innovativer, rein mechanischer, Versuchsaufbau entwickelt. Des Weiteren wird eine alternative Möglichkeit zur Untersuchung der Gesteinsdilatanz ohne Umschlingungsdruck vorgestellt. Dieses Verfahren basiert auf Torsionsversuchen, da diese reine Schubspannungszustände erzeugen können, ohne dabei die bei Druckversuchen beobachteten negativen Effekte zu zeigen. Mittels numerischer Simulationen wird ein zulässiger Wertebereich für den Dilatanzwinkel abgeschätzt, welcher im Anschluss mit den Ergebnissen der gängigen Methode zur Bestimmung des Dilatanzwinkels verglichen wird. Auf die Unterschiede zwischen kristallinen und sedimentären Gesteinstypen bei verschiedenen Beanspruchungsarten wird eingegangen.
Titel in ÜbersetzungFelsmechanische Untersuchungen in Verbindung mit der Entwicklung einer alternativen Bohrtechnologie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Thuro, Kurosch, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Galler, Robert, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Felsmechanik
  • Geothermie
  • Hochdruckfluidstrahlen
  • Bohrtechnologie
  • Numerische Simulation

Dieses zitieren