Technical Analysis of Directional Drilling for Infrastructure and Geothermics

Abstract

Denne bacheloroppgaven undersøker muligheten for å oppskalere en drill fra Ø75 mm til Ø165 mm for retningsstyrt boring i infrastruktur- og geotermiske prosjekter. Målet er å finne ut om den skalerte versjonen av GeoRaptor kan tåle kreftene som oppstår ved de oppskalerte størrelsene uten ødeleggelser i kritiske komponenter, og om det opprinnelige designet må endres for å unngå dette.

For å bestemme gjennomførbarheten av oppskaleringen, ble analytiske beregninger utført for å definere de maksimale spenningene og kreftene som virker på kritiske komponenter, og for å sjekke om de overskrider materialets flytegrense. Dette ble gjort for Ø75 mm, Ø120 mm og Ø165 mm for å se om spenningene og kraften øker lineært, og om materialegenskapene endres lineært sammen med skaleringen. Noen kritiske deler, som universalkoblingen og lagerene, ble ikke analytisk beregnet, men simulert med FEM i enten SolidWorks eller Abaqus. Universalkoblingen ble simulert i SolidWorks med en ikke lineær statisk tilnærming. For koblings simuleringen, som ikke påvirkes av aksialt kraft, påføres kun dreiemoment. Simuleringen av koblingen i SolidWorks gjorde det mulig med raske endringer i modellen og er et mer tilgjengelig programvare. Lagerene og kraftfordelingen som virker på akselen, ble gjort i Abaqus. Modellen ble importert fra SolidWorks, og en implisitt statisk studie ble utført. En lineær materialresponskurve ble brukt i både SolidWorks- og Abaqus-simuleringer.

De analytiske beregningene for knekk, vridning, gjenger og moment viser ingen tegn til flyt for noen kritiske komponenter. Disse beregningene er kun basert på et statisk tilfelle, hvor faktorer som sikkerhetsfaktorer, vibrasjoner, stick-slip eller temperatur er ikke tatt i betraktning.

Simuleringsresultatene for aksler og foringer viser spenninger og reaksjonskrefter under flytegrensen. Det er spenningskonsentrasjoner i områder der det er slitasje i en fysisk modell. Disse belastningene alene anses ikke som store nok til å forårsake den mengden slitasje som oppserveres. Det er tegn til buling på foringer og spenningskonsentrasjoner ved skarpe kanter på grunn av forenkling av geometri. Simuleringsresultatene for universalkoblingen viser tegn til flyt ved Ø75 mm, og enda mer for Ø165 mm. Flyt skjer i drivehub og deflection shaft. Kulene laget av 52100 stål legering, er mer enn sterke nok. Simuleringen forutsetter perfekt geometri, noe som skaper spenningskonsentrasjon ettersom kulene har et lite kontaktområde med delene de berører. Denne simuleringen tar ikke hensyn til herding eller underflate deformasjon, som er kritisk for rullelagre.

Basert på resultater fra de analytiske beregningene og simuleringene, kan GeoRaptor skaleres opp. Det bør imidlertid gjøres en mindre modifikasjon av designet med hensyn til antall og størrelse på kulene i koblingen. Resultatene viser at det er muligheter for strukturelle enrdinger av flere deler, for å gi et bedre forhold mellom kostnad og ytelse, da flere av delene er overdimensjonert.

This bachelor thesis investigates the feasibility of upscaling a drill from Ø75 mm to Ø165 mm for directional drilling in infrastructure and geothermic projects. The object is to find if the scaled version of the GeoRaptor can withstand the forces occurring at the imagined size without yielding in critical components and if the original design has to be altered as a result.

To derive the feasibility of the upscaling, analytical calculations were done to figure out the maximum stress and forces acting on critical parts and to check if they exceed the material yield strength. This was done to Ø75 mm, Ø120 mm, and Ø165 mm to see if the stress and force scale linearly, and if the material properties progress linearly along the scaling. Some critical parts, like the universal coupling and bushings, were not analytically derived but were simulated with FEM in either SolidWorks or Abaqus. The universal coupling was simulated in SolidWorks with a nonlinear static approach. For the coupling that is not affected by the axial thrust force, only torque is applied. Simulating the coupling in SolidWorks allowed for fast changes to the model and is more widely available software. The bushings and force distribution acting on the shaft were done in Abaqus. The model was imported from SolidWorks, and an implicit static study was carried out. A linear material response curve was used for both SolidWorks and Abaqus simulations.

The analytical calculations for buckling, torsional shear stress, threads, and moments show no signs of yield or near yield for any critical components. These calculations are only based on a static case; factors such as safety factors, vibrations, stick-slip, or temperature are not taken into consideration.

The simulation results for shafts and bushings show stresses and reaction forces below yield. There are stresses located in areas where there is wear in a physical model. These stresses alone are not considered large enough to create the amount of wear experienced. There are signs of barreling on bushings and stress concentrations at sharp edges due to geometry simplification. Simulation results for the universal joint show signs of yielding at Ø75 mm and even more so for Ø165 mm. The yield happens in the drivehub and deflection shaft. The balls made of 52100 alloy steel are more than strong enough. The simulation assumes perfect geometry, which creates clear signs of stress concentration as the balls have a small contact area with the connecting parts. This simulation does not consider hardening or sub-surface deformation, which is substantial for roller bearings.

Based on the data from the analytical calculations and the simulations, the GeoRaptor can be upscaled. However, there should be a minor modification to the design regarding the number and size of the balls in the coupling. The data indicates that structural rework in several parts is possible, to obtain a better cost-to-performance ratio. This is due to many parts being over-dimensioned, as the stresses and forces acting on them are far below the yield limit of the material.