Slotborer är benämningen på en ny maskinprototyp som skall användas för att i gruvor borra och utvinna platina. För att erhålla ett visst borrdjup skarvas borrpipor vilket åstadkoms med en gängkoppling. Detta arbete har haft som syfte att utveckla en ny koppling för dessa pipor då konstruktionen med gängor har visat sig vara problematisk. Ett antal koncept genererades varefter det mest lovande, enligt diskussion med kund och Pughs beslutsmatriser, valdes för vidareutveckling. Detta valda koncept var en typ av bajonettkoppling som förfinades och det gjordes en 3D CAD-modell samt mer detaljerade analyser av kopplingens hållfasthet. Analytiskt med grundläggande hållfasthetslära visades kopplingens mest påkända delar ha Von Mises effektivspänningar på 230 MPa vid normal borrning, 360 MPa vid maxeffektsborrning och 605 MPa vid dragande borrning med maxeffekt. Kontakttryck i kopplingen analyserades enligt Hertz kontaktteori och uppgick i maximalt 2,6 GPa, 3,3 GPa och 4,5 GPa för respektive lastfall. En FEM-analys gjordes där lokala effektivspänningar upptäcktes vara i storleksordningarna 300 MPa, 500 MPa och 1200 MPa för respektive lastfall. Konceptutvecklingen och analysen pekar på att konstruktionen är lämplig för vidare detaljerad konstruktion. / Slotborer is a new machine prototype that is used for excavating platina in underground mines. To drill holes with desired depths there are several drill pipes that are bonded as the hole is drilled deeper with a threaded connection. This work have had the purpose of designing a new connection for these drill pipes as the thread design have shown to be problematic. A number of concepts were generated after which the most preferred, according to customer discussions and Pugh decision matrices, was chosen for further development and refinement. The chosen concept for development was a type of bayonet coupling and a more detailed 3D CAD model and analysis of the coupling strength were made. Analytical solid mechanics showed that the most heavily loaded parts of the coupling experienced effective Von Mises stresses of 230 MPa for normal drilling, 360 MPa for heavy drilling and 605 MPa for heavy back reaming. Contact pressures were analyzed with Hertzian contact theory and the maximum values of these were shown to be 2.6 GPa, 3.3 Gpa and 4.5 GPa for the respective load cases. An FE analysis made showed higher local effective stresses that was of the magnitude of 300 MPa, 500 MPa and 1200 MPa for the respective load cases. The conclusion of the concept development and analysis points out that the design is suitable for further detailed design.

Face à la complexité croissante des trajectoires et des conditions opérationnelles des forages pétroliers et géothermiques, le phénomène de fatigue est devenu la cause principale de rupture des garnitures de forage. La fatigue des tiges est essentiellement liée à leur flexion cyclique due à leur rotation dans une section courbe du puits. L'objectif de ce travail est d'élaborer une méthodologie ainsi que les modèles numériques nécessaires pour évaluer la fatigue des tiges au cours du forage de puits à trajectoire complexe. Pour ce faire, nous proposons d'abord de choisir parmi les approches existantes de prévision de la durée de vie en fatigue d'une structure celles qui nous ont semblé les plus pertinentes pour le problème de fatigue des systèmes de forage. Puis, ces approches (qui comprennent les théories de la fatigue et de la rupture ainsi que des lois empiriques), et des logiciels de calcul de structures sont ensuite intégrés dans des algorithmes de calcul incrémental de la fatigue d'un système en fonction de l'évolution de l'opération du forage. Du fait que les contraintes dans les tiges restent souvent dans le domaine élastique, deux modèles de fatigue des tiges sont développés : un premier est basé sur le calcul du cumul de fatigue et un second sur le calcul de la propagation de fissure par fatigue. Ces deux modèles peuvent être utilisés dans la phase de conception de la trajectoire du puits et de la garniture pour le forer, de même qu'en opération pour prédire les risques de rupture par fatigue du train de tiges. Ceci permet à l'opérateur de planifier la gestion des tiges et leurs inspections en fonction de l'historique de leur utilisation. / Facing the growing complexity of trajectories and operating conditions of oil and geothermal drillings, the fatigue phenomenon has become the main cause of drill-string failure. The fatigue of drill-pipes is essentially due to their cyclic bending caused by their rotation in a curved section of the well. The objective of this work is to develop a methodology and the necessary numerical models to assess the fatigue of drill-pipes during drilling operations of complex trajectory wells. For this purpose, we propose firstly to choose among the available approaches for structure fatigue life prediction those that seem most relevant to drill-string fatigue problem. Then, these approaches (which include the fatigue and fracture theories as well as empirical laws), and structural calculation software are then integrated into incremental computation algorithms of drill-pipe fatigue in function of drilling operation evolution. Since the stresses in drill-pipes remain often within the elastic domain, two fatigue models for drill-pipes are developed: the first one is based on the cumulative fatigue calculation and the second one on the fatigue crack growth calculation. These models can be used in the well and drill-string design, or in real time during drilling to predict the fatigue failure in the drill-string. This allows the drill operator to plan the management of drill-pipes and their inspections depending on their usage history.

The aim of this thesis is the structural design small drilling rigs for drilling wells. Drilling rig will be used for drilling wells up to 200 mm diameter rotary drilling technology with irrigation water. The first part is a literature search of small drilling rigs. In the second part, then custom design a small drilling rig.