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Thema 2: Schäden durch hochfrequente Torsionsschwingungen mit extremen Beschleunigungen

Bei der Erdöl- und Erdgasförderung dringen Bohrwerkzeuge oft mehrere Kilometer tief und nicht immer vertikal in die Erde ein und müssen komplexe Trajektorien navigieren. Diese Werkzeuge sind im Verhältnis zum Durchmesser sehr lang – vergleichbar mit einem 100 Meter langen Spaghetto. Am Ende sitzt der Bohrmeißel, der Gestein zerkleinert. Der Bohrstrang, mit mehreren Berührungspunkten zur Bohrlochwand und ungleichmäßiger Massenverteilung erlebt während des Bohrens verschiedene sich überlagernde Schwingungsformen, wobei die Torsionsschwingungen die größten Beanspruchungen erzeugen.

Unerwartete Schäden an hochkomplexen Bohr- und Messwerkzeugen führen immer zu kostspieligen Ausfällen, meist muss sogar das Bohrloch aufgegeben werden.

Die Lösung des Problems…

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Bei der Erdöl- und Erdgasförderung dringen Bohrwerkzeuge oft mehrere Kilometer tief und nicht immer vertikal in die Erde ein und müssen komplexe Trajektorien navigieren. Diese Werkzeuge sind im Verhältnis zum Durchmesser sehr lang – vergleichbar mit einem 100 Meter langen Spaghetto. Am Ende sitzt der Bohrmeißel, der Gestein zerkleinert. Der Bohrstrang, mit mehreren Berührungspunkten zur Bohrlochwand und ungleichmäßiger Massenverteilung erlebt während des Bohrens verschiedene sich überlagernde Schwingungsformen, wobei die Torsionsschwingungen die größten Beanspruchungen erzeugen.

Unerwartete Schäden an hochkomplexen Bohr- und Messwerkzeugen führen immer zu kostspieligen Ausfällen, meist muss sogar das Bohrloch aufgegeben werden.

Die Lösung des Problems wurde durch eine signifikante Erhöhung der Messfrequenz der Sensoren erreicht. Die Ursache der Schäden waren hochfrequente extrem hohe Winkelbeschleunigungen. Dieses Phänomen ist in der Branche als "HFTO“(High Frequency Torsional Oscillation) bekannt.

Eine experimentelle Absicherung dieser Erkenntnisse für Komponenten erschien zunächst als unmöglich, da mit konventioneller hydraulischer Prüftechnik eine entsprechende Dynamik auf Prüfständen nicht realisierbar war. Erst ein innovativer Lösungsansatz aus der Resonanzprüftechnik war zielführend.

Die gemessenen Winkelbeschleunigungen erreichten Werte von bis zu 100.000 rad/s² bei Frequenzen von bis zu 500 Hz. Dies entspricht einer Beschleunigungsrate von etwa 1.000.000 U/min/s. Unter Berücksichtigung der typischen Durchmesser von Bohrwerkzeugen resultieren daraus sich häufig wiederholende Tangentialbeschleunigungen im Bereich von bis zu 500 g.

Es werden Schadensursachen vorgestellt, außerdem innovative Anwendungsmöglichkeiten des Prüfverfahrens im Bereich der Elektromobilität.

Reference
BF-2024-401

Title
Thema 2: Schäden durch hochfrequente Torsionsschwingungen mit extremen Beschleunigungen
Author(s)
S. Krause, T. Lohmüller
DOI
10.48447/BF-2024-401
Event
50. Tagung DVM-Arbeitskreis Betriebsfestigkeit – Tagung 2024
Year of publication
2024
Publication type
conference paper (PDF)
Language
German
Keywords
Torsionsschwingungen,Bohrwerkzeuge,Resonanzprüftechnik,Bauteilschäden,Betriebsfestigkeit