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ERKUNDUNG

12. Dezember 2017

Kennen Sie Ihre Grenzen: Biegen von Bohrstangen und Anwendungen mit abweichenden Löchern

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Coring Magazine 2017, Ausgabe 5.

Abweichende Bohrungen und Bohrstangengrenzen

Eine übliche Herausforderung bei der Kernbohrung besteht darin, abgelenkte Löcher erfolgreich zu bohren, ohne dass der Bohrstrang bricht oder dauerhaft gebogen wird. Die meisten Bediener verstehen, dass jede Abweichung über mehrere Stangenlängen erfolgen sollte und dass kein Teil der Abweichung eine Biegebelastung verursachen darf, die die Kapazität einer vorbeiziehenden Bohrstange übersteigt. Eine einfache Abweichung der Bohrstange ist jedoch nicht verfügbar, da die in jeder Stange verbleibende Kapazität in hohem Maße von ihrer Position in der Saite, den aufgebrachten Bohrlasten und der vergangenen Verformung abhängt. Letztendlich wird die Kapazität einer Bohrstange durch zwei Begrenzungen ihres Stahlmaterials bestimmt: die elastische Biegungsgrenze des Mittelkörpers und die Ermüdungsgrenze des männlichen Endmaterials.

Gemeinsame Materialeigenschaften

Alle Stähle leiden an Ermüdungsversagen (spröde Rissbildung, rasch gefolgt von einer Trennung), wenn sie für eine ausreichende Zeit (ab Ermüdungsgrenze) einer alternierenden Belastung ausgesetzt werden, beispielsweise durch Biegen einer Büroklammer bis zum Einrasten. Bedenken Sie, dass eine Bohrstange, die eine Abweichung durchläuft, einer wechselnden Biegebelastung ausgesetzt ist. Das heißt, bei jeder Umdrehung wird das Material durch die Außenseite der Biegung gespannt und durch das Innere zusammengedrückt. Ferner nimmt die Größe der induzierten Biegungslast mit der Bohrstangengröße und der mittleren Körpersteifigkeit zu (steigt mit der Biegefestigkeit).

SPITZE: Abweichungen werden für Anwendungen der Größe P nicht empfohlen. Nur HRQ ™ V-Wall ™ oder HXQ ™ W-Wall ™ wird für Abweichungen in Anwendungen der Größe „H“ empfohlen.

Abbildung 1 - Ermüdungsfestigkeit

Eine einfache Faustregel besagt, dass die Ermüdungsgrenze vermieden werden kann, wenn die Wechselbelastung auf weniger als 50% der Streckgrenze begrenzt wird. Diese Regel sollte jedoch nur für Stahl verwendet werden, der ansonsten entlastet ist oder unter einer Druckvorspannung steht. Während beispielsweise Stangen in der Nähe des Bohrmeißels immer unter Druck stehen, werden Stangen in der Nähe des Bohrgeräts schließlich einer Zugspannung unterworfen, wenn sich die Lochtiefe erhöht (insbesondere bei trockenen Bohrlöchern), wodurch die Dauerfestigkeit auf weniger als 25% sinken kann. der Streckgrenze (abhängig von der Höhe des Rückzugs, siehe Abbildung 1 oben).

In ähnlicher Weise tritt eine weitere Abnahme der Ermüdungsfestigkeit im männlichen Ende auf, wo zusätzliche Spannung durch das in jeder Verbindung erforderliche Nachdrehmoment induziert wird. Diese Verringerung wird teilweise ausgeglichen, wenn die Stangengelenke einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wodurch die Materialfestigkeit erhöht wird. Boart Longyears RQ ™ - und XQ ™ - Bohrstangen (in Kürze verfügbar) zeichnen sich durch eine Materialstärke von 175% aus (im Vergleich zum Mittelkörper), wohingegen Ruten der Konkurrenz normalerweise 140% bieten.

SPITZE: Befolgen Sie immer die Empfehlungen für das Anzugsmoment, um sicherzustellen, dass die durch eine Abweichung gehenden Verbindungen geschlossen bleiben, und verhindern Sie, dass übermäßige Spannung in das männliche Ende eingeleitet wird, um den wechselnden Biegebelastungen standzuhalten.

Ein zusätzlicher Versatz ist verfügbar, indem flexible Mittelkörper aus V-Wall ™ und W-Wall ™ (in Kürze verfügbar) verwendet werden. Die Verringerung der Steifigkeit des Mittelkörpers, etwa gleich der prozentualen Gewichtsverringerung, verringert die auf die Stangengelenke einwirkende Biegung.

In Anbetracht der obigen Diskussion besteht eine einfache „Abweichungsregel für Daumen“ gegen Ermüdungsversagen darin, das stärkste Stabgelenk und den flexibelsten Mittelkörper in der kleinsten Größe zu wählen, wobei jede Abweichung über so viele Stabgelenke wie möglich zu planen ist eine Tiefe, bei der der geringste Betrag an Rückzug durch die Abweichung erforderlich ist, um das Loch zu vervollständigen.

Selbst Stabstränge in geraden Löchern ohne geplante Abweichungen erleiden jedoch gelegentlich Ermüdungsversuche an den männlichen Enden, da sich die Karosserie aufgrund unerwarteter dynamischer Belastungsbewegungen verbiegt (siehe unten).

Materialeigenschaften des mittleren Körpers

Abbildung 2 zeigt eine typische Kurve der Belastung (Spannung) gegenüber der Verformung (Dehnung) für ein typisches Material für den Bohrkörper eines mittleren Körpers. Alle Stähle kehren elastisch in eine unbelastete Form zurück, wenn sie unterhalb der Elastizitätsgrenze (gerader Abschnitt der Kurve) belastet werden, verformen oder biegen sich jedoch, wenn sie darüber hinaus belastet werden. Wenn ein Stabstrang dauerhaft gebogen ist, steigt das zum Drehen des Stranges erforderliche Drehmoment aufgrund der seitlichen Belastung und der Reibung gegen das Loch und das Gehäuse erheblich an, was zu einem starken Verschleiß des Mittelkörpers und möglicherweise zu einem Wärmekontakt der weiblichen Enden führt (eine dünne Außenhaut wird durch Reibung versprödet Erwärmung und Abschreckung in der Bohrflüssigkeit). Ferner können die damit verbundenen Biegebelastungen Ermüdungsfehler des männlichen Endes verursachen, ähnlich wie die Biegebelastungen bei Abweichungen.

Abbildung 2 - Materialeigenschaften des mittleren Körpers

In der Vergangenheit verblieben Restspannungen in dem Material, das die Elastizitätsgrenze verringerte, hauptsächlich durch den letzten Richtschritt im herkömmlichen kaltgezogenen Rohrwalzverfahren. Infolgedessen lag die typische Elastizitätsgrenze deutlich unterhalb der Streckgrenze des Materials, wie in Abbildung 2 dargestellt. Vor einigen Jahren entwickelte Boart Longyear mit nordamerikanischen Rohrmühlenpartnern einen abschließenden thermischen Verarbeitungsschritt, der Restspannungen eliminierte und maximierte die elastische Grenze. Es wurde ein einzigartiges Biegeprüfgerät für den gesamten Körper entwickelt, das bei wechselnden Biegebelastungen einige Mikrospannungen der Verformung des mittleren Körpers detektiert, die jetzt zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden und eine marktführende Leistung sicherstellen. Diese wesentliche Verbesserung berücksichtigt jedoch nicht die dynamische Lastantwort.

Dynamische Lastantwort und harmonische Resonanz

Im Laufe der Jahre wurden dauerhaft gebogene Bohrstabproben gelegentlich zur Beurteilung zurückgegeben, z. B. Rohre aus verschiedenen Mühlen, unterschiedliche Chemie und Verarbeitung. Zusätzlich zu den metallurgischen Untersuchungsergebnissen hat der Ganzkörper-Biegeversuch immer bestätigt, dass der Bohrer getestet wurde Die Materialeigenschaften der Stangen haben sich nicht verändert oder verschlechtert (es sei denn, die Stange wurde einer Kaltbearbeitung durch einen Walzenstangenhandler unterzogen, wodurch die Elastizitätsgrenze verringert wird). Tatsächlich richten einige Bediener die Stangen unter Verwendung von Press-Richtverfahren (für minimale Kaltumformungsverschlechterung) nach und richten sich oft aus, um einen zweiten Biegungsfall zu vermeiden, jedoch nicht immer.

Eine detaillierte 3D-Laserabtastung der verformten Stabformen zeigt, dass jede Bohrstange tatsächlich zu einer Teilspirale verdreht ist, die zu einer Spiralform (Korkenzieher) passt und normalerweise eine vollständige Umdrehung (Steigung) über vier Längen von drei Metern Länge mit einem Gesamtdurchlauf bildet -out (Amplitude), das den Ringspalt füllt, der normalerweise zwischen den Stangen und dem Loch oder dem Gehäuse vorhanden ist. Diese helikale Form kann typischerweise visuell durch ein starkes einseitiges Abnutzungsmuster bestätigt werden, dessen Mittelpunkt sich um eine Vierteldrehung auf dem Umfang von einem Ende zum anderen bewegt.

Die Verformung, die erforderlich ist, um einen Stab in diese Form zu verdrehen, ist ziemlich gering, nur etwa 0,015% Dehnung. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist diese Verdrehungsspannung ein Dehnungsbetrag, der signifikant geringer ist als die Dehnung von 0,2%, die zur Bestimmung der herkömmlichen Streckgrenze verwendet wird. Das heißt, dauerhaft gebogene Bohrstangen haben sich aufgrund einer Überlastung knapp über der Elastizitätsgrenze einfach etwas nachgegeben. Sobald sie in diese Form gebogen und verdreht ist, wird die Belastung in das Loch oder das Gehäuse übertragen, was zu übermäßigem Drehmoment und zu hohem Vorschub führt, wodurch ein produktives Bohren oder ein festsitzender Faden und ein möglicher Ausfall der Stangenverbindung verhindert werden.

Sobald sie in diese Form gebogen und verdreht ist, wird die Belastung in das Loch oder das Gehäuse übertragen, was zu übermäßigem Drehmoment und zu hohem Vorschub führt, wodurch ein produktives Bohren oder ein festsitzender Faden und ein möglicher Ausfall der Stangenverbindung verhindert werden.

Mit Hilfe der Bohrkenntnisse von Boart Longyear wurde dieses Ladeszenario bestätigt, indem verdrehte Vorfälle in separaten Boart Longyear-Betriebswerken mit verschiedenen Bohrgeräten neu erstellt wurden, um verschiedene Teststrings der Größe N zu bewerten. Das Bohren mit kurzen Testschnüren von der Oberfläche bei einem 45-Grad-Abstieg in trockenen Boden ohne Spülung gewährleistet einen maximalen Widerstand bei Kompression der Stangen. Zu den Testsaiten gehörten neue und gebrauchte RQ-Stäbe (guter Zustand), Q ™ -Stäbe und konkurrierende Bohrstäbe, einschließlich solcher, die Wärmebehandlungen für eine höhere Körperfestigkeit fordern. Es wurden auch Prototyp-Stäbe mit Wärmebehandlungen im mittleren Körperbereich mit einer Festigkeit von bis zu 140% (ähnlich wie bei Stangengelenken) getestet, die zu Rekordergebnissen bei den Ganzkörper-Biegeprüfgeräten führten. Unabhängig vom Material des mittleren Körpers oder der wärmebehandelten Festigkeit kann jeder Stabstrang problemlos in eine unkontrollierte dynamische Lastreaktion getrieben werden. Dies erzeugt Widerstand und Widerstand gegen einen Überlastpunkt (teilweise vom Rigg und teilweise von der Trägheit des Stabstranges) und die Verformung zu einer Korkenzieherform, die das Loch ausfüllt und einen plötzlichen Aufbau von Lasten ermöglicht, bis der Rigg oder ein Stangengelenk blockiert schlägt fehl

SPITZE: Wenn Bohrvibration sichtbar ist, ermöglichen Smartphone-Videoaufzeichnungen häufig die visuelle Bestätigung einer dynamischen Lastreaktion und von spiralförmigen Wirbeln, die mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind.

Glücklicherweise litt auch die Energiebohrbranche (Öl und Gas) unter einem Knick der Schnüre, Rissbildung bei Wärmeüberprüfungen, Ermüdungsversagen und einem Verbiegen des Mittelkörpers infolge dynamischer Lastreaktionen. Boart Longyear hat in den letzten Jahren das Fachwissen mehrerer Öl- und Gastechnikberater eingesetzt, um ein umfassendes Verständnis dieser Phänomene einschließlich der folgenden „dynamischen“ Elemente zu entwickeln.

Bedenken Sie zunächst, dass alle Stabketten schnell instabil werden.

Bedenken Sie zunächst, dass alle Stabketten schnell instabil werden. Stangensaiten biegen sich unter ihrem eigenen Gewicht elastisch ein und biegen sich tatsächlich "spiralförmig" (Korkenzieherform) bei deutlich geringerem Gewicht bei Drehmoment und Drehung (spiralförmiges Wirbeln). In der geknickten Form ist jedoch normalerweise eine ausreichende Steifigkeit vorhanden, um das Bohren ohne übermäßigen Widerstand gegen das Loch zu ermöglichen, und die Stangenketten kehren elastisch zu einer geraden Stellung zurück, wenn die Drehung angehalten wird, ohne jegliche Verformung.

Die ersten 100 Stäbe stehen je nach Gewicht auf dem Meißel immer in Kompression und Knicken, während die Stangen oben mit der Rückzugspannung gedämpft werden. Die maximal möglichen Biege- und Verdrehungsbelastungen werden durch den Ringspalt zwischen den Stangen und der Bohrung oder dem Gehäuse begrenzt. Bei Stäben, die mit Stäben zu großen Tiefen ummantelt werden, entsteht ein größerer Ringraum, der eine engere Korkenzieherdeformation mit deutlich höheren Spannungen ermöglicht. Darüber hinaus haben einige Bediener V-Wall-Stäbe als Gehäuse verwendet, die mit einem noch größeren Ringraum beträchtliche Längen bereitstellten, und dann eine erhöhte Häufigkeit von Verdrehungsereignissen gemeldet. Ebenso verfügen die neuen PHD W-Wall-, NXQ- und HXQ W-Wall-Stangen (in Kürze erhältlich) über einen mittig platzierten Abschnitt mit Standard-Wandstärke, der die Unterstützung von verschachtelten Stabketten (wenn sie als Gehäuse verwendet werden) bietet, während sie gleichzeitig eine Gewichtsreduzierung bewirken .

Zweitens wirkt der Stabstrang, sobald er in einen elastischen Korkenzieher geknickt ist, wie eine lange Schraubenfeder, wobei plötzliche Änderungen der Bohrlasten oder des Lochwiderstands dynamisch vergrößert werden und in Wellen nach oben und unten reflektiert werden. Diese Last- und Widerstandsänderungen können überall in der Stangenkette auftreten, typischerweise durch plötzliche Änderungen der Bodenbedingungen oder der Lochabweichung. Durch Richtungsbohranwendungen werden zum Beispiel Reaktionslasten gegen das Loch induziert, wodurch Punkte mit hohem Anpressdruck entstehen, an denen Stick-Slip-Bedingungen auftreten können, die dann eine dynamische Lastreaktion auslösen.

Drittens unterliegen wie bei jedem langgestreckten Vibrations- oder Rotationssystem Stangenketten Eigenresonanzfrequenzen oder Oberschwingungsresonanzen, wobei bei kritischen Rotationsgeschwindigkeiten kleine Eingangslasten (Erregung) sehr große Ausgangslasten und Verformungen (Resonanz) erzeugen. Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt, wie die kritischen Geschwindigkeiten für jede Stangenkette mit kleinen Geschwindigkeitseinstellungen bei niedrigeren Tiefen vermieden werden können. Dies wird jedoch mit zunehmender Tiefe schwieriger. Die Ergebnisse der Datenerfassung im Feldversuch, die in Abbildung 4 dargestellt sind, zeigen beispielsweise, wie die Torsionsschwingung mit nur einer kleinen Geschwindigkeitsanpassung drastisch reduziert wurde.

Abbildung 3 - Vermeidung kritischer Geschwindigkeiten

Abbildung 4 - Dynamische Lastreaktion vermeiden

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass alle Stabketten in ihrer Biegefähigkeit begrenzt sind und auf Lochabweichungen ansprechen. Abweichungen sollten minimiert und gut geplant werden, um ein dynamisches Lastverhalten und eine mögliche Überlastung zu vermeiden. Vibrationen sollten durch Einstellen der Drehzahl minimiert werden, um die Lastverstärkung der Eigenfrequenzen zu vermeiden. Wählen Sie für anspruchsvolle Anwendungen immer eine Bohrstange mit dem geeignetsten Mittelkörpermaterial und eine Gewindeverbindung mit verschleißfester Einsatzhärtung und hochfester Durchlaufhärtung, um sowohl Bohrlasten als auch dynamischem Lastverhalten besser standzuhalten.

CORING RODS UND CASING CATALOG

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HERUNTERLADEN

  • Meine Herren, es gibt fragliche Stangenmüdigkeit in Richtungsbohrungen (mit DHM oder Wedging). Was sollte empfohlen werden, um ein maximales Hundebein (Grad pro 30 Meter) für Drahtseil-Bohrstangen (NQ und HQ) zu erhalten.
    Oleg

    • Tolle Frage! Als Richtlinie empfehlen wir die Begrenzung der Abweichungen basierend auf 3,0 m Stablänge, für NQ ™ auf 0,8 Grad und für das HQ auf 0,6 Grad. Wenn Sie zusätzliche Funktionen benötigen, möchten Sie wahrscheinlich unsere RQ ™ - und XQ ™ -Ruten sehen, für die wir bis zu 1,0 Grad für NRQ V-Wall ™ und NXQ W-Wall ™ und bis zu 0,8 Grad für HRQ V- empfehlen. Wall ™ und HXQ W-Wall ™.

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Chris Drenth

TREFFEN SIE DEN AUTOR Chris Drenth Chris Drenth ist seit über 23 Jahren als technischer Leiter für Leistungswerkzeuge bei Boart Longyear maßgeblich an der Entwicklung und Innovation von Mineral-Explorationsbohrstangen und Drahtseilwerkzeugen beteiligt. Er ist ein Erfinder, der in mehr als 25 Patenten genannt wurde, für die Boart Longyear Schutz gesucht hat. Als angesehener und geschätzter Mitwirkender und Innovator in der Branche ist Drenth auch dafür bekannt, junge Talente bei Boart Longyear zu fördern. Mit seinen Erfolgen in der innovativen Produktentwicklung und seiner Führungsrolle im Engineering hat Chris erfolgreich ein globales Engineering-Team entwickelt und geleitet, das sich auf Boart Longyears 'Performance Tooling'-Angebot für Explorations- und Produktionsbohrungen konzentriert. Chris hat einen Bachelor of Science in Maschinenbau mit Auszeichnung von der Queen's University erhalten und wurde kürzlich vom Mining Magazine mit dem Innovationspreis 2017 ausgezeichnet. Chris erhielt 2011 auch den "Utah Genius Award" als Top-Ten-Patentanwärter. Chris leitet derzeit die Konstruktionsteams von "Performance Tooling" in Mississauga, Ontario; Wuxi, China; und in Salt Lake City, Utah. Chris ist ein Maschinenbauingenieur mit über 20 Jahren internationaler Erfahrung im Ingenieurwesen in Bezug auf Bergbau- und Bohrausrüstung und Werkzeuge.

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