Vordringen in unbekannte, tiefe Gesteinsschichten - Digital ...

36 Simulation & Visualisierung Publireportage: Simulationsgetriebene Produktentwicklung
Bild 2: Düsenausgangsgeometrie
(von links
nach rechts):
a) Schlitz, b) Y, c) Kreuz
und d) Stern.
Die Schneiden sind so ausgerichtet, dass
die gesamte Sohle des Bohrlochs bearbeitet
werden kann, ohne dabei die Stabilität
des Bohrkopfs zu gefährden. Die
Region zwischen den Schneiden, auch
als Spülkanal (Junk Slot) bezeichnet, erlaubt
das Abtragen des Bohrguts. Üblicherweise
befi ndet sich an der Oberseite
jeder Schneide eine Düse, aus der eine
Flüssigkeit (Bohrschlamm) mit hoher Geschwindigkeit
in den Spülkanal fl ießt, um
die lockeren Gesteinsreste unterhalb des
Bohrkopfes abzutransportieren. Dabei
werden verschiedene Düsenanordnungen
verwendet. So gibt es Bohrköpfe
mit mehreren Düsen in einem Spülkanal,
Bohrköpfe mit Düsen, die
jeweils zwei Spülkanäle
versorgen, und welche, die
keine Düsen besitzen.
Der erste Schritt bei der
Simulation des Bohrvorgangs
in einem Bohrloch
besteht darin, ein vollständigesVolumenmodell
des Bohrkopfs und
des Bohrlochs zu erstellen.
Das Rechengebiet ist ein geschlossenes
Volumen zwischen Bohrkopf, Bohrlochwänden
und Bohrlochsohle, in dem das
Spühl-Fluid strömt. Ein realistisches Sohlenmuster,
das dem der Schneiden an
einem Bohrkopf entspricht, wird in das
Modell aufgenommen. Der Bohrkopf
wird in das Gestein (Bohrlochsohle) so
weit versenkt, wie es für die betrachtete
geologische Region typischerweise infrage
kommt. Mit dem Volumenmodell wer-
4/2011
den außerdem Schneidenanordnungen,
Schneidplatten- und Düsenpositionen
und sonstige Parameter generiert und
gespeichert, die später für die CFD-Simulation
benötigt werden. Reale Betriebsparameter
wie Düsenvolumenstrom, Düsengröße,
Drehzahl und Fluid-Dichte
(Schlammdichte), die für die untersuchte
Region oder Anwendung typisch sind,
werden ebenfalls im Modell hinterlegt.
Das typische Ziel der Simulation ist, die
Bohrkopfdüsen so zu bemessen, anzuordnen
und auszurichten, dass ein maximaler
Abtransport von Bohrgut bei minimaler
Erosion stattfi nden kann. Dr. Wells
hat einen Optimierungsprozess entwi-
„CFD-Verfahren geben dem Entwicklungsingenieur die
Möglichkeit, das Strömungsverhalten auch unter erschwerten
realistischen Bohrbedingungen leichter und genauer
zu analysieren, Alternativen schneller zu beurteilen und
umfassende Diagnose-Informationen zu liefern.“
Dr. Michael Wells, Forschungsdirektor bei Baker Hughes
ckelt, der sich mit der Konfi gurierung
der hy draulischen Prozesse am Bohrkopf
befasst, sodass der Prozentsatz des Gesamtvolumenstroms,
der durch einen
bestimmten Spülkanal fl ießt, ungefähr
dem Anteil des Gesamtbohrgutvolumens
entspricht, das durch die benachbarte
Schneide generiert wird.
„Der Schlüssel zu einer erfolgreichen
Implementierung von CFD für die hydraulischen
Prozesse an Bohrköpfen
liegt in der Fähigkeit, die CFD-Ergebnisse
zu der tatsächlichen Leistung von
Bohrköpfen in Beziehung zu setzen“,
meint Dr. Wells. Bei Hughes Christensen
verwendet man Modellversuche
Bild 3: Achte Düse im
CAD-Modell und am
Bohrkopf.
(Bohrsimulator), um die Berechnungsergebnisse
mit den tatsächlichen Bohrleistungen
in einer kontrollierten Umgebung
unter typischen Bohrverhältnissen
zu verknüpfen. Im Hochdruck-Bohrsimulator
kommt ein echter Bohrkopf (mit bis
zu 311,15 Millimetern Durchmesser) zum
Einsatz. Dabei werden echte Gesteinskerne
unter realen Drücken (bis 1.034 bar)
gebohrt, um die Bohreff ektivität und den
Abtransport des Bohrguts zu evaluieren.
Beste Auslegung der
Düsenausgangsgeometrie
Darüber hinaus hat Dr. Wells mit Hilfe von
CFD-Untersuchungen die Auswirkungen
des Düsenprofi ls und
der Ausgangsgeometrie
auf den Wirkungsgrad
des Bohrvorgangs
untersucht. Der von verschiedenenmarktüblichen
Düsen erzeugte
Materialstrom wurde
numerisch analysiert,
um Strömungseigenschaften
zu fi nden, die
zu einer verbesserten Reinigung des Bohrkopfs
und der Bohrlochsohle führen würden.
Bohrsimulationen und Feldtests wurden
ausgeführt, um Verbesserungen der
Vortriebsrate (Rate of Penetration, ROP)
mit erkennbaren Verbesserungen der
Strömungseigenschaften durch Düsenänderung
in Beziehung zu setzen. Vier der im
Rahmen dieser Studie untersuchten Düsenformen
sind in Bild 2 dargestellt.
Die Studie kam zu dem Ergebnis, dass
kleine geometrische Details am Austritt
einer Bohrkopfdüse nur geringe Auswirkungen
auf den resultierenden Strahl haben.
Die Bandbreite der möglichen Geometrievariationen
am Düsenaustritt ist
durch den kleinen Durchmesser des Düsenkörpers
begrenzt. Der Eff ekt der kleinsten
geometrischen Details wie in den Y-,
Stern- und Kreuz-Düsen (Bild 2b, 2c und
2d) verschwindet in der Strömung in einem
Abstand von etwa ein bis zwei Düsendurchmessern
ab Düsenaustritt. Grö-