The influence of three elastic contact models on the dynamics of the drilling module is studied by representing the percussive drilling process as a drifting oscillator. The Kelvin-Voigt, Hertz stiffness and nonlinear stiffness and damping models were considered. The local dynamics of the system were found to be almost identical for the three models. Hence the Kelvin-Voigt system adequately describes the local dynamics of the system. However, for larger frequency and higher damping the behaviour of the three models differed. Experimental indentation studies were carried out on sandstones samples using static and dynamic loading. A force penetration relation was obtained for the loading and unloading phases of the indentation using a conical and spherical indenter under quasi-static conditions. Conical indentation tests were carried out in dynamic conditions. Both experiments showed that the force penetration relationship that could describe the contact model were closer to that obtained for the elastic-plastic indentation of ductile materials. The dynamic model for the drilling module was developed using an elastic plastic model for conical and spherical indenter. In addition, the model’s parameters were modified to those obtained from the experiments and used for the comparison with the results obtained for the elastic plastic model. The result obtained suggested a topological similarity between the experimental and theoretical parameters. It was also noted that the results suggested that the conical indenter appeared to be more efficient of the two indenter types considered. Finally, the rock fracture as a result of its contact with the drill-bit insert was investigated. For simplicity, the inserts are considered as flat punch and the contact problem is treated as a plane strain problem. Experimental studies were also carried out to determine the crack initiation angle in sandstone.

Thesis (Ph.D.)--Aberdeen University, 2009. / Title from web page (viewed on Mar. 26, 2010). Includes bibliographical references.

The supply and demand situation is crucial for the oil and gas industry during the first half of the 21st century. For the future, we will see two trends going in opposite directions: a decline in discoveries of conventional oil and gas reservoirs and an increase in world energy demand. Therefore, the need to develop and produce unconventional oil and gas resources, which encompass coal-bed methane, gas-shale, tight sands and heavy oil, will be of utmost importance in the coming decades. In the past, large-scale production from tight gas reservoirs occurred only in the U.S. and was boosted by both price incentives and well stimulation technology. A conservative study from Rogner (1997) has shown that tight gas sandstone reservoirs would represent at least over 7,000 trillion cubic feet (Tcf) of natural gas in place worldwide. However, most of the studies such as the ones by the U.S. Geological Survey (U.S.G.S.) and Kuuskraa have focused on assessing the technically recoverable gas resources in the U.S. with numbers ranging between 177 Tcf and 379 Tcf. During the past few decades, gas production from tight sands field developments have taken place all around the world from South America (Argentina), Australia, Asia (China, Indonesia), the Russian Federation, Northern Europe (Germany, Norway) and the Middle East (Oman). However, the U.S. remains the region where the most extensive exploration and production for unconventional gas resources occur. In fact, unconventional gas formations accounted for 43% of natural gas production and tight gas sandstones represented 66% of the total of unconventional resources produced in the U.S. in 2006. As compared to a conventional gas well, a tight gas well will have a very low productivity index and a small drainage area. Therefore, to extract the same amount of natural gas out of the reservoir, many more wells will have to be drilled and stimulated to efficiently develop and produce these reservoirs. Thus, the risk involved is much higher than the development of conventional gas resources and the economics of developing most tight gas reservoirs borders on the margin of profitability. To develop tight gas reservoirs, engineers face complex problems because there is no typical tight gas field. In reality, a wide range of geological and reservoir differences exist for these formations. For instance, a tight gas sandstone reservoir can be shallow or deep, low or high pressure, low or high temperature, bearing continuous (blanket) or lenticular shaped bodies, being naturally fractured, single or multi-layered, and holding contaminants such as CO2 and H2S which all combined increase considerably the complexity of how to drill a well. Since the first tight gas wells were drilled in the 1940's in the U.S., a considerable amount of information has been collected and documented within the industry literature. The main objective of this research project is to develop a computer program dedicated to applying the drilling technologies and methods selection for drilling tight gas sandstone formations that have been documented as best practices in the petroleum literature.

Gashydratlagerstätten sind in Permafrostgebieten und unter dem Meeresboden zu finden. Das energetische Potential der weltweiten Gashydratvorkommen, vor allem im submarinen Bereich, ist enorm. Derzeit existiert aber noch keine Technologie mit der sie kommerziell erschlossen werden können. Die größten Herausforderungen bei der bohrtechnischen Erschließung submariner Gashydratlagerstätten werden in der Richtbohrtechnik in geringverfestigten Sedimenten, der Bohrlochstabilität, der Einhaltung eines sehr engen Druckfensters sowie in der Vermeidung ungewollter Dissoziationsvorgänge während des Bohrprozesses gesehen. In der Arbeit werden mögliche Ansätze für die bohrtechnische Erschließung von submarinen Gashydratlagerstätten, speziell für das gerichtete Bohren in unkonsolidierten Formationen, zusammengetragen. Es werden verschiedene Erschließungskonzepte diskutiert und schließlich wird die Machbarkeit von zwei Bohrkonzepten untersucht. Das erste Konzept zielt in erster Linie auf die Herstellung vertikaler Bohrungen zu Produktionstestzwecken in Gashydratlagerstätten ab. Auf Grundlage eines vorhandenen Meeresbodenbohrgerätes wird eine neuartige Technologie entwickelt, mit der eine Tiefsee-Gashydratbohrung abgeteuft, verrohrt und komplettiert werden kann, ohne dass eine Bohrplattform oder ein Bohrschiff eingesetzt werden muss. Das zweite Konzept beinhaltet die Herstellung von horizontalen Produktionsbohrungen für eine kommerzielle Gashydratnutzung. Es wird untersucht, ob und unter welchen Bedingungen solche Bohrungen mit konventionellem Equipment machbar sind. Es wird aufgezeigt, dass die Herausforderungen gemeistert werden können und die bohrtechnische Erschließung submariner Gashydratlagestätten mit beiden Konzepten grundsätzlich machbar erscheint.

Gashydratlagerstätten sind in Permafrostgebieten und unter dem Meeresboden zu finden. Das energetische Potential der weltweiten Gashydratvorkommen, vor allem im submarinen Bereich, ist enorm. Derzeit existiert aber noch keine Technologie mit der sie kommerziell erschlossen werden können. Die größten Herausforderungen bei der bohrtechnischen Erschließung submariner Gashydratlagerstätten werden in der Richtbohrtechnik in geringverfestigten Sedimenten, der Bohrlochstabilität, der Einhaltung eines sehr engen Druckfensters sowie in der Vermeidung ungewollter Dissoziationsvorgänge während des Bohrprozesses gesehen. In der Arbeit werden mögliche Ansätze für die bohrtechnische Erschließung von submarinen Gashydratlagerstätten, speziell für das gerichtete Bohren in unkonsolidierten Formationen, zusammengetragen. Es werden verschiedene Erschließungskonzepte diskutiert und schließlich wird die Machbarkeit von zwei Bohrkonzepten untersucht. Das erste Konzept zielt in erster Linie auf die Herstellung vertikaler Bohrungen zu Produktionstestzwecken in Gashydratlagerstätten ab. Auf Grundlage eines vorhandenen Meeresbodenbohrgerätes wird eine neuartige Technologie entwickelt, mit der eine Tiefsee-Gashydratbohrung abgeteuft, verrohrt und komplettiert werden kann, ohne dass eine Bohrplattform oder ein Bohrschiff eingesetzt werden muss. Das zweite Konzept beinhaltet die Herstellung von horizontalen Produktionsbohrungen für eine kommerzielle Gashydratnutzung. Es wird untersucht, ob und unter welchen Bedingungen solche Bohrungen mit konventionellem Equipment machbar sind. Es wird aufgezeigt, dass die Herausforderungen gemeistert werden können und die bohrtechnische Erschließung submariner Gashydratlagestätten mit beiden Konzepten grundsätzlich machbar erscheint.

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132