3._Bohrwerkzeuge_GZB-VW_Variante_hell

INTERNATIONALES GEOTHERMIEZENTRUM
INTERNATIONAL GEOTHERMAL CENTER
International Geothermal Center
Hochschule Bochum
Lehrveranstaltung
Titelfolie
Bohrtechnik
Kap. 3 Bohrwerkzeuge
Prof. Rolf Bracke
Dipl.-Ing. Volker Wittig
WS 2012 / 13
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3. Bohrwerkzeuge
1.
Aufgaben einer Bohrabteilung
2.
Überblick über den Bohrprozess
3.
Bohrwerkzeuge
4.
Bohrstrang / Hakenlast
5.
Antrieb (Kelly / Topdrive/ PDM/ Turbine)
6.
Verrohrungskonzept
7.
Kontrolle des Bohrlochverlaufs / Richtbohren
8.
Spülungssystem, -typen und Verlustbekämpfung
9.
Preventer und Kickbekämpfung
10. Technische Messungen
11.
Zementation
12. Auswahl des Bohrturmes/ Anforderungen an den Bohrplatz
13.
Aufbau eines Zeit- Teufendiagramms
14. Neue Technologien
2
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Bohrtechnische Grundlagen
Bohrvorgang:
1.
2.
Ablösen von Gesteinsteilchen aus dem
Gebirgsverband
Abtransport der Gesteinsteilchen (Bohrklein)
Bohrgeschwindigkeit nimmt ab mit zunehmender
Bohrteufe
1.
2.
3.
Festeres Gebirge (Kompaktion)
Höherer Verschleiß durch stärkere Beanspruchung,
längere Tripzeiten
Höherer Zeitbedarf für erforderliche Nebenleistungen (Testen, Messen etc.)
3
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Idealmeißel
Ansprüche an einen idealen Meißel
 Hoher Bohrfortschritt
 geringer Verschleiß = lange Standzeit
 Sauberes Ausbohren des Bohrlochdurchmessers und vertikales Bohrloch
 Angemessene Materialkosten
 Geringe Meißelkosten pro Bohrmeter
 variable Spülungsraten durch Nozzeles
 Geringe Temperaturerhöhung durch Gesteinszerstörung
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Idealmeißel
Einflussgrößen

Individuelle Anforderungen der zu bohrenden Formation

Druckfestigkeit- Härte des Gesteins (weich, mittel, hart)

Abrasivität

Zähigkeit

Sonstige Anforderungen (Verfügbarkeit, Kosten, …)

Elastizität des Gesteins

Porendruck

Porosität und Permeabilität
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Bohrwerkzeuge
Drag bits
Rolling cutter bits
Bit Types
(PayZone Internet
Homepage)
Blattmeißel (Drag bits):
Rollenmeißel:
 Fischschwanzmeißel (Fishtail bit)
 Diamantmeißel (Nat. Diamond bit)
 Meißel mit gefrästen Zähnen (Milled
tooth bit)
 PDC-Meißel (Polycryst. Diamond
Compact)
 Warzenmeißel mit Hartmetalleinsätzen (Tungsten Carbide Insert bit)
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Meißeltypen
Drag bits (Blattmeißel)
 Schneidelemente im Meißel integriert
 Schneidelemente und Meißel rotieren als Einheit mit dem
Bohrstrang
 älteste Meißelart (19. Jh.)
 PDC-Meißel seit 1970er Jahre
Rolling Cutter Bits (Rollenmeißel)
 Zwei oder mehr mit Schneidelementen besetzte Kegelrollen
 Meißel rotiert mit Bohrstrang, Schneidelemente rotieren um
Achsen der Kegelrollen
 seit Beginn des 20. Jh.
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Drag bits (Blattmeißel)
Allgemeine Konstruktionsmerkmale
 Schneidelemente sind integraler Bestandteil des Meißels
 Schneidelemente rotieren mit Meißel um Bohrlochachse
Unterscheidungsmerkmale
 Zahl, Form und Größe der Schneidelemente
 Prinzip und Ausgestaltung der Spülungsführung
 Werkstoff des Meißels und der Schneidelemente
Vorteile
 Keine beweglichen Bauteile, d.h. keine platzbeanspruchenden Lager
 Ein Werkstück = geringeres Schadensrisiko
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Blattmeißel (Drag bits): Prinzip des Bohrmechanismus
Bohrprinzip
Gestein wird von Bohrlochsohle abgespant
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Blattmeißel (Drag bits): Bohrvorgang Diamantmeißel
hartes Gestein
weiches Gestein




Nur Diamanten berühren Bohrlochsohle
Spalt zw. Bohrlochsohle und Diamant
Länge der Diamanten abhängig vom zu bohrenden Gestein
Zu lange Diamanten: Verschleiß durch Schockwirkung und Hitzeentwicklung
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Drag bits: Fishtail bit
Einsatzbereiche
 Lockergesteine
 Nicht bis gering
konsolidierte Gesteine
Technische Grenzen
 Hoher Verschleiß in harten, abrasiven Formationen
 Klumpenbildung am Meißel (bit balling) bei kohäsivem Gestein
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Drag bits: Diamantmeißel
Einsatzbereiche
Technische Merkmale
 Diamanten in Wolfram-Carbid-Matrix
Bakerhughes
Gesteine mit plastischem
Bruchverhalten
 Lange Kegelform: gute Vertikalität, hohe Meißelbelastung (WOB) möglich
 Kurze Kegelform: gute hydraulische Eigenschaften (Reinigung)
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Drag bits: Diamantmeißel
Diamantmeißel für harte Gesteine
Diamantmeißel für weiche Gesteine
 viele kleine Diamanten
 wenige, große Diamanten
 0,07 – 0,125 Karat
 0,75 – 2 Karat
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Diamantmeißel: Spülungsführung
Spülungsführung
 Kanäle (courses) im Meißel lenken Spülung über gesamte Meißeloberfläche
 Hydraulische Meißelgestaltung zur Kühlung und Reinigung der Diamanten
 seitliche Schlitze (junk slot) ermöglichen Abströmen der Spülung
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Diamantmeißel: Spülungsführung
Optimale Meißelhydraulik (Herstellerangaben)
 Hydraulische Leistung auf der Bohrlochsohle: 85 – 110 kW/cm²
 Spülungsdruckverlust über Bohrmeißeloberfläche: 0,6 – 1,2 MPa
Test zur Ermittlung des Druckverlustes (Pumprate = konst.):
Spüldruck bei angehobenem Meißel
=
Spüldruck beim Bohren
Druckverlust am Bohrmeißel
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Diamantmeißel: Verwendungskriterien
Verwendungskriterien
 Bohrfortschritt kleiner 3 m/h
 Bohrdurchmesser kleiner 6’’ (15,24 cm)
 wenn Meißel & Bohrgestänge im Bohrloch gehalten werden
müssen
 keine roundtrips durch schlechtes Wetter (vor allem off shore)
 Ablenken der Bohrung
 Kernen
 geringere Kosten pro Bohrmeter
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Drag bits: PDC Meißel
Einsatzbereiche
 Weiche bis mittelharte,
nicht abrasive Formationen
Technische Grenzen
 Hoher Verschleiß und Bruchgefahr in harten, abrasiven Formationen
 Klumpenbildung am Meißel (bit balling) bei kohäsivem Gestein
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PDC-Meißel
Technische Merkmale
 Schneidelemente aus ca. 0,5 mm Wolfram-Carbid Matrix mit polykristallinen,
synthetischen Diamanten
 Schneidelemente auf Wolfram-Carbid Zylinder aufgesetzt und direkt in Meißel
eingebaut oder auf einem Stahlbolzen aufgesetzt
 Diamanten ohne orientierte Spaltbarkeit
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PDC-Meißel
Größe, Form und Anzahl der Schneidelemente abhängig von Einsatzzweck
Unterscheidungsmerkmal
 Position und Ausrichtung der Schneidelemente
 Side rake
Seitliches Ableiten des
Bohrkleins
 Back rake
Angriffsbreite des
Schneidelementes
Standard: 20°, für weiche
Formationen kleinere
Winkel
 Cutter exposure
Spalt zwischen Meißel
und Bohrlochsohle;
keine Schädigung des
Meißelkörpers, kein
Ansammeln vor
Schneidelement
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PDC-Meißel
Positionierung und Ausrichtung der Schneidelemente
Hoher Bohrfortschritt
Verschleißminimierung
 Härte des zu bohrenden Gesteins
 „aggressive“ Stellung für weiche Gesteine
 „wenig aggressive“ Stellung für harte Gesteine
 Position des Schneidelementes auf Meißel (Bahngeschwindigkeit)
Spülungsführung
Kanäle (courses) bei direktem Einbau der Schneidelemente im Meißel
Düsen bei Einbau der Schneidelemente an Stahlbolzen
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PDC-Meißel: Verwendungskriterien
Verwendungskriterien
 hoher Bohrfortschritt (durch technische Weiterentwicklung)
 tiefe Bohrlöcher (round trips zeitaufwendig)
 kürzere Bohrzeit, geringere Bohrkosten
 PDC-Meißel kosten das 5 – 15fache gegenüber Rollenmeißeln
 hohe Drehzahl (60-80 RPM) & geringer Weight on Bit (WOB)
 abgelenkte Bohrungsabschnitte
 weiche bis mittelharte, spröd brechende Gesteine (schwach zementierte
Sandsteine, sandige Tonsteine)
 ungeeignet für quarzitisch zementierte Sandsteine, magmatische Gesteine
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Rollenmeißel
Einsatzbereiche
Technische Grenzen
 Rollenmeißel erfordern Mindestdurchmesser
 zahlreiche z.T. beweglicher Bauteile
Smith Tools
Schlumberger
 weit entwickelter Meißeltyp für
nahezu alle Einsatzzwecke
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Aufbau Rollenmeißel
Warzenmeißel
(TCI-Bit)
Meißel mit gefrästen Zähnen
(Milled Tooth Bit)
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Aufbau Rollenmeißel
Warzenmeißel
Zahnmeißel
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Aufbau Rollenmeißel
Gewindezapfen
Druckausgleichssystem
Meißelschenkel
Temperaturresistentes
Schmiermittel
Meißeldüse
Meißelschenkel
Hartmetallprotektor
Lagerdichtung
Zapfenlager
Hartmetalleinsätze
(Warzen)
Kugellager
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Aufbau Rollenmeißel: Lager und Schmiersystem
Lager
Typischer Aufbau aus
 äußerem Rollenlager (Linienkontakt)
 mittlerem Kugellager (Punktkontakt)
 innerem Zapfen/Gleitlager
(Flächenkontakt)
Schmierung
 durch Spülung (robust, keine Dichtungen,
Verschleiß)
 Fettschmierung (seit 1959) (Druckausgleichssystem, geringer Verschleiß, Dichtungen,
kleinere Lager)
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Aufbau Rollenmeißel: Lager und Schmiersystem
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Rollenmeißel: Meißelspülung
Aufgaben der Spülung
Spülungsführung
 Reinigung des Meißels
 Kanäle (courses)
 Austrag von Bohrklein
 Düsen
 Kühlen
 Schmieren
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Rollenmeißel: Meißelspülung
Bit balling
 Zähne sind mit Bohrklein verschmiert
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Rollenmeißel: Technische Merkmale
Zähne
 Zähne aus der Kegelrolle ausgefräßt oder als Hartmetallwarzen eingepasst
 einseitiger Hartmetallüberzug zur Selbstschärfung
 splitterndes Bruchverhalten durch thermische Behandlung zur
Selbstschärfung
 Hartmetalleinsätze verschleißen eher durch Abbrechen
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Rollenmeißel: Technische Merkmale
Zahnbesatz
 innere Zahnreihen greifen ineinander
mehr Raum für Lager
Reinigung der Zähne
große Einwirkfläche auf Bohrlochsohle (ca. 70%)
 äußere Zahnreihen höchster Verschleiß
größte zu bearbeitende Fläche
größte Rotationsgeschwindigkeit
zu lösendes Gestein in Kontakt mit Gebirge
hoher Zahnverschleiß
Lagerschäden
Kaliberabweichungen
 Zahnbesatz in äußerer Zahnreihe mit Versatz
Optimierung der Einwirkpunkte
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Rollenmeißel: Technische Merkmale
Offset
 Rotationsachsen der Rollen schneiden sich nicht in der
vertikalen Achse des Bohrlochs
 Offset bewirkt spanende Arbeitsweise des Meißels
 großer offset in weichen Formationen
 kein Offset in harten Formationen
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Rollenmeißel: Technische Merkmale
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Rollenmeißel: Cutting - Struktur
Soft formation
Medium formation
Hard formation
Cutting - Struktur von Zahnmeißeln
(Hatzsch, P., 1991: p.44)
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Rollenmeißel: Verwendungskriterien
Verwendungskriterien
 verfügbar für große Bohrlochdurchmesser
 guter Bohrfortschritt & Verschleißeigenschaften
 Geringe Drehzahl (<50RPM) & hoher WOB
 einsetzbar bei wechselnden Gesteinsarten
 geringe Meißelkosten (i.Vgl. zu Diamantmeißeln)
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IADC Meißel Klassifikation
IADC System
 in Gebrauch seit 1972
 Methode zur Kategorisierung von Rollenmeißeln
 Codierung nach Bauartmerkmalen (“Design”) und Anwendungsgebiet
 wird durch IADC aktualisiert (Int. Ass. Of Drilling Contractors)
 ‘The IADC Roller Bit Classification System’ (1992, IADC/SPE Drilling
Conference Paper # 23937)
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IADC Meißel Klassifikation
 4-stelliger Code für Design / Anwendungsmerkmale
 Stellen 1-3: Ziffern
 Stelle 4: Buchstabe
135M
447X
637Y
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IADC Meißel Klassifikation
Codierung
135M
oder
447X
oder
637Y
Ziffern definieren
 Serie
1st
 Typ
2nd
 Lager und Kaliber
3rd
Buchstaben definieren
 techn. Merkmale
4th
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IADC Meißel Klassifikation
Serie
135M
oder
447X
oder
637Y
Erste Ziffer
 Generelle Charakterisierung der Gesteinsformation
 Acht (8) Serien- oder Kategorienummern
 Seriennummer 1 bis 3 Zahnmeißel (Milled Tooth Bits)
 Seriennummer 4 bis 8 Warzenmeißel (Tungsten Carbide Insert Bits)
 Je höher die Seriennummer, desto härter/abrasiver das Gestein
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IADC Meißel Klassifikation
Definition Gesteinshärte
Hardness
F (psi)
Beispiele
Ultra Soft
< 1,000
gumbo, clay
Very Soft
1,000 - 4,000
unconsolidated sands, chalk,
salt, claystone
Soft
4,000 - 8,000
coal, siltstone, schist, sands
Medium
8,000 - 17,000
sandstone, slate, shale,
limestone, dolomite
Hard
17,000 - 27,000
quartzite, basalt, gabbro,
limestone, dolomite
Very Hard
> 27,000
marble, granite, gneiss
F = einaxiale Druckfestigkeit
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IADC Meißel Klassifikation
Typ
135M
oder
447X
oder
637Y
Zweite Ziffer
 Subgrad der Gesteinshärte
 Jede Serie wird in 3 oder 4 ‘Typen’ gegliedert
 Typ 1
weichstes Gestein innerhalb einer Serie
Increasing Rock Hardness
 Typ 4
härtestes Gestein innerhalb einer Serie
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IADC Meißel Klassifikation
Lager + Kaliber
135M
oder
447X
oder
637Y
Dritte Ziffer
 Lager Design und Kaliberschutz
 Sieben (7) Kategorien
1. Nicht gedichtete (offen) Rollenlager
2. Rollenlager, luftgekühlt
3. Nicht gedichtetes (offen) Rollenlager mit Kaliberschutz
4. Gedichtetes Rollenlager
5. Gedichtetes Rollenlager mit Kaliberschutz
6. Gedichtetes Gleitlager
7. Gedichtetes Gleitlager mit Kaliberschutz
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IADC Meißel Klassifikation
Besondere technische Merkmale
135M
oder
447X
Vierter Buchstabe
 technische Merkmale (optional)
 Sechzehn (16) Buchstaben
 wichtigstes Merkmal wird angegeben
(üblicherweise wird nur ein Merkmal mit
Buchstaben beschrieben)
oder
637Y

A - Air Application

B - Special Bearing/Seal

C - Center Jet

D - Deviation Control

E - Extended Nozzles

G - Gage/Body Protection

H - Horizontal Application

J - Jet Deflection

L - Lug Pads

M - Motor Application

S - Standard Milled Tooth

T - Two-Cone Bit

W - Enhanced C/S

X - Chisel Tooth Insert

Y - Conical Tooth Insert

Z - Other Shape Inserts
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IADC Meißel Klassifikation
Beispiele
135M
447X
637Y
soft formation
soft formation insert bit;
medium-hard insert bit;
Milled tooth bit;
friction bearings
friction bearing with
roller bearings with
with gauge protection;
gauge protection;
gauge protection;
chisel inserts
conical inserts
motor application
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Meißelverschleiß: Zahnbesatz
Meißelverschleiß durch:
 Abrieb, Abbruch oder Ausbrechen von Zähnen
 Lagerschäden
 Kaliberschäden
8-stufiges Verschleißmaß für Stahlzähne: Zahnhöhe
Bsp.: T3 – 3/8 der ursprünglichen Zahnhöhe sind verschlissen
8-stufiges Verschleißmaß für Warzenmeißel: Abbruch oder Verlust
Bsp.: T3 – 3/8 aller eingesetzten Zähne sind abgebrochen oder fehlen
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Meißelverschleiß: Lager
8-stufiges Verschleißmaß für Meißellager: geschätzte Resteinsatzdauer
Bsp.: B3 – 3/8 der gesamten “Lebensdauer” des Lagers sind verstrichen
Gebrochene Rolle
Rollenverlust
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Meißelverschleiß: Sonstiger
Kaliberring
BIT
 Meißelschaden durch Spülung
 Kaliberschaden
Messung der Durchmesserabweichung mittels Kaliberrings
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Meißelverschleiß PDC
 CT – Chipped Cutter
weniger als 1/3 des Schneidelementes ist ausgebrochen
 BT – Broken Cutter
mehr als 1/3 des Schneidelementes ist ausgebrochen
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Meißelverschleiß PDC
 LT – Lost Cutter
Ein oder mehrere Schneidelemente sind ausgebrochen
 LN – Lost Nozzle
Eine oder mehrere Düsen
sind ausgebrochen
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Spezialmeißel
Kernbohrkronen
Hole - Opener
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Meißelkosten
$/Bit
Diamant Meißel
Warzenmeißel
Zahnmeißel
 Meißelkosten: 10.000 bis 150.000 $ pro Stück
 Meißelkosten betragen 5 – 10 % der gesamten Bohrkosten
 Meißel beeinflusst jedoch 75% der gesamten Bohrkosten (Anzahl
erforderlicher round trips, Bohrfortschritt)
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Bestimmung des optimalen Meißeleinsatzes
 Entscheidend sind die Gesamtkosten (C) pro Bohrmeter ($ / ft)
C
Cb  C f (tb  tt  t s )
D
 Cb
Meißelkosten
[$]
 Cf
Anlagenstundensatz
[$]
 tb
Zeit des Meißels auf Sohle
[h]
 tt
Zeit für Roundtrip
[h]
 ts
sonstige Zeiten
[h]
 ΔD
Gesamtmeterleistung eines Meißels
[ft]
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Übung I
Für den 8 ½“ Bohrabschnitt ab 10.000 ft im Buntsandstein soll im
Vorfeld der Bohrung das optimale Werkzeug ermittelt werden. Die
Zeit für einen Roundtrip beträgt 18 h, der Anlagenstundensatz
1.500 $. Durch bekannte Bohrungen aus dem Umland und
Herstellerangaben sind folgende Daten bekannt:
Meißel
Preis
Standzeit
Verschraubung
Bohrfortschritt
[IADC Code]
[$]
[h]
[h]
[ft / h]
115
2.000
40
1
5
537
5.000
95
1
8
PDC – S432
45.000
150
2
10
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Bohrfortschritt
Faktoren, die den Bohrfortschritt beeinflussen
Fixe Faktoren
Variable Faktoren
 Härte des Gesteins
 Meißeltyp
 Abrasion
 Andruck auf Meißel
 Porendruck
 Drehgeschwindigkeit
 Bottom Hole Cleaning
 Spülungseingenschaften
 Rollenmeißel max. 500.000 U (ca. 100 h)
 Andruck max. 2 t / Zoll Ø
 Drehmoment beobachten (Erkennen von Lagerschäden)
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