On the reduction of self-excited high-frequency torsional oscillations in drilling applications
During deep drilling for the exploitation of fossil deposits or for the generation of geothermal energy, unwanted vibrations occur during drilling due to the slim design of the drill string. These vibrations can reduce drilling progress and component life. In recent years, various failures have been attributed to the high-frequency torsional oscillations.
These higher order self-excited vibrations induced during the drilling process by the bitrock interaction, especially in hard and dense formations, lead to critical accelerations and repetition rates due to their high frequency between 50 Hz and 500 Hz. Predicting and influencing these self-excited oscillations is challenging due to the unquantified excitation as well as the large number of possibly changing frequencies and mode shapes.
In order to identify possibilities to reduce these critical vibrations, a method is developed using underground measurement data to determine the energy flow and thus the nonlinear torque characteristic at the bit with previously established underground models of the drill string. This allows to quantify the excitation in order to identify stable and unstable operational parameters and to optimize the drilling progress. Using the characterized excitation mechanism, a semi-analytical method is developed to predict the long-term dynamic response of the self-excited drill string by identifying the dominant self-excited mode. The insights gained provide first possibilities to reduce critical vibrations by the composition of the drill string or the adjustment of operational parameters. To ensure safe and cost-effective operation of underground wells, both the different compositions of the drillstring and the possible operational parameters are limited. Therefore, new underground tools that reduce high-frequency torsional vibrations are essential.
The findings are used to investigate damping mechanisms for their applicability in drilling systems. Taking into account specific borehole effects such as a large number of critical modes and changing boundary conditions, as well as other constraints such as limited installation space and power supply, damping mechanisms of different complexity are investigated in more detail. Special attention is given to the achievable damping and the associated stability of the drill string modes. The generated simulative results and analytical solutions of the different dampers are validated using a test rig specifically designed to test the effectiveness of different dampers under underground conditions. Subsequently, different optimization strategies for positioning the dampers in the drill string are discussed. By combining positioning strategies with different dampers, suitable damping tools are presented. Finally, the damper prototype developed with the company Baker Hughes is presented, which proves the practical suitability of the research work carried out.
Beim Tiefbohren zur Erschließung fossiler Lagerstätten oder zur Erzeugung geothermischer Energie kommt es aufgrund der schlanken Bauweise des Bohrstrangs zu unerwünschten Schwingungen. Diese Schwingungen können den Bohrfortschritt und die Lebensdauer von Komponenten beeinträchtigen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Versagensformen auf die hochfrequenten torsionalen Schwingungen zurückgeführt. Diese selbsterregten Schwingungen höherer Ordnung, die während des Bohrvorgangs durch die Wechselwirkung zwischen Meißel und Gestein, insbesondere in harten und dichten Formationen, hervorgerufen werden, führen aufgrund ihrer hohen Frequenz zwischen 50 Hz und 500 Hz zu kritischen Beschleunigungen und Wiederholraten. Die Vorhersage und Reduzierung dieser selbsterregten Schwingungen ist aufgrund der nicht quantifizierten Anregung sowie der großen Anzahl von möglicherweise wechselnden Frequenzen und Modenformen eine Herausforderung.
Um Möglichkeiten zur Reduzierung dieser kritischen Schwingungen zu finden, wird zunächst eine Methode entwickelt, die anhand von Untertage-Messdaten den Energiefluss und daraus die nichtlineare Drehmomentcharakteristik am Meißel bestimmt. Diese ermöglicht die Quantifizierung der Anregung, um stabile und instabile Betriebsparameter zu identifizieren und den Bohrfortschritt zu optimieren. Unter Verwendung des charakterisierten Selbsterregungsmechanismus wird durch Identifizierung der dominanten selbsterregten Mode das langzeitliche dynamische Verhalten des Bohrstrangs bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern erste Möglichkeiten, kritische Schwingungen durch die Zusammensetzung des Bohrstrangs oder die Anpassung von Betriebsparametern zu reduzieren. Um einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Untertagebohrungen zu gewährleisten, sind sowohl die unterschiedlichen Zusammensetzungen des Bohrstrangs als auch die möglichen Betriebsparameter begrenzt. Daher sind neue Untertagewerkzeuge, die hochfrequente Torsionsschwingungen reduzieren, unerlässlich.
Mit den Erkenntnissen werden Dämpfungsmechanismen auf ihre Anwendbarkeit in Bohrsystemen untersucht. Unter Berücksichtigung bohrlochspezifischer Effekte wie einer großen Anzahl kritischer Moden und wechselnder Betriebsbedingungen sowie weiterer Randbedingungen bezüglich Bauraum und Energieversorgung werden unterschiedlich Komplexe Dämpfungsmechanismen näher untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die erreichbare Dämpfung und die damit verbundene Stabilität der Bohrstrangmoden gelegt. Die generierten Simulationsergebnisse und analytischen Lösungen der verschiedenen Dämpfer werden mit Hilfe eines Prüfstandes validiert, der speziell dafür entwickelt wurde, die Wirksamkeit der verschiedenen Dämpfer unter Tage zu testen. Anschließend werden verschiedene Optimierungsstrategien für die Positionierung der Dämpfer im Bohrstrang diskutiert. Durch die Kombination von Positionierungsstrategien mit Dämpfern werden geeignete zukünftige Dämpfungswerkzeuge vorgestellt. Abschließend wird der mit der Firma Baker Hughes entwickelte Dämpferprototyp vorgestellt, der die Praxistauglichkeit der durchgeführten Forschungsarbeiten belegt.
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