Zur Generierung von Minimalmodellen für die Dynamik von Tiefbohrsträngen

In der Öl- und Gasindustrie werden Tiefbohrstränge eingesetzt, um Zugänge zu untertägigen Lagerstätten zu erzeugen. Die Simulation des mechanischen Verhaltens dieser Tiefbohrstränge ist jedoch sehr zeitaufwendig. Dies kann zu hohen Kosten führen, beispielsweise durch zeitraubende Fehleranalysen. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur Erzeugung von Minimalmodellen untersucht, die vergleichbare Ergebnisse in kürzerer Zeit liefern. Dazu wird ein nicht-lineares Finite-Balkenelement-Modell nach Ostermeyer neu aufgesetzt und erweitert. Es bildet das statische und dynamische Verhalten des Bohrstranges ab und dient als Testmodell für Verfahren zur Reduzierung der Modellgröße. Zunächst werden projektionsbasierte Reduktionsverfahren in Form der Proper-Orthogonal-Decomposition, des Improved-Reduced-System-Verfahrens und der dynamischen Kondensation untersucht. Die Analysen zeigen, dass eine Reduktion des Bohrstrangmodells prinzipiell schlecht durchführbar ist. Dies liegt insbesondere an wechselnden Kontakten zwischen Bohrstrang und Bohrloch, die zu häufigen und aperiodisch auftretenden Stößen führen. Als Alternative wird die phänomenologische Reduktion entwickelt, die das Bohrstrangmodell auf eine Reihe von Phänomenmodellen reduziert. Das Verfahren wird an den dynamischen Phänomenen Stick-Slip und Whirl demonstriert. Als Anwendung werden eine modellbasierte Regelung und eine Optimierung von Prozessparametern diskutiert. Die Simulationszeit der betrachteten Optimierung sinkt von einer Woche auf wenige Minuten. In der Industrie ermöglicht die phänomenologische Reduktion über schnellere und umfangreichere Optimierungen eine effizientere Steuerung des Bohrprozesses. Schädliche Zustände können verhindert, Verschleiß und Schäden von Bohrwerkzeugen minimiert werden.