In dieser Arbeit wird eine umfassende Studie über das instationäre thermische Verhalten des
Bohrlochs unter verschiedenen Bohrbedingungen vorgestellt. Dazu gehören die Modellierung des
Wärmeübertragung zwischen verschiedenen Teilen des Bohrlochsystems, die Untersuchung des
konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten im ringförmigen Abschnitt während der Rohrdrehung
und die Entwicklung eines Computercodes, der die dynamische thermische Reaktion des
Bohrlochsystems während verschiedener Bohrvorgänge simuliert. Basierend auf den grundlegenden
Gesetzen der Thermodynamik und der Wärmeübertragung wird ein neuartiges numerisches Lösungs
und Diskretisierungsschemata verwendet, um ein umfassendes thermisches Modell des Bohrlochs zu
formulieren. Die Wärmebilanzgleichungen beschreiben die Wärmeübertragung zwischen den
verschiedenen Komponenten des Bohrlochsystems, einschließlich der Bohrspülung, des
Bohrgestänges, der Verrohrung, des Zements und der Gesteinsformation mit unterschiedlichen
physikalischen und thermischen Eigenschaften. Es werden verschiedene Modellierungsverfahren für
die Bohrlochtemperatur vorgestellt. Zunächst wird eine instationäre numerische Modellierung der
Bohrlochtemperatur unter Verwendung einer vorgegebenen Formation durchgeführt. Zweitens wird
das thermische Verhalten des Bohrlochs modelliert, indem die Wärmeleitung in der Formation
berücksichtigt wird, anstatt sie mit einer konstanten Temperatur zu betrachten. Es werden mehrere
Validierungs- und Verifizierungsverfahren für die vorgestellten Modelle durchgeführt. Dazu gehören
theoretische, rechnerische und experimentelle Validierung einschließlich Temperaturmessungen aus
Felddaten. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung in jedem der Validierungsverfahren.
Außerdem zeigt das vorgestellte Modell Verbesserungen gegenüber den in der Literatur vorhandenen
Modellen. Zusätzlich wurde ein Computercode entwickelt, um die dynamischen
Temperaturschwankungen während des Bohrvorgangs zu simulieren. Eine Kopplung zwischen dem
entwickelten Modell und einem umfassenden virtuellen Bohrsimulator DrillSIM-600 über eine
Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) wird erfolgreich durchgeführt. Dies ermöglicht die
Kopplung des thermischen Modells mit anderen physikalischen Modellen, was zu realistischeren
Simulationen führt. Außerdem wird eine numerische Untersuchung des konvektiven
Wärmeübergangskoeffizienten (CHTC) in einem ringförmigen spalt mit einem inneren rotierenden
Zylinder durchgeführt. Die Simulationsparameter sind so ausgelegt, dass sie die Spezifikation der
tatsächlichen Bohrparameter erfüllen. Dazu gehören die Durchflussmenge, die Drehzahl und das
Ringspaltverhältnis. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Rohrinnenrotation auf die
CHTC oberhalb eines kritischen Wertes der Taylor-Zahl (Ta). Das Modell zeigt auch eine breite
Palette von Anwendungen, die über die Temperaturvorhersage beim Bohren hinausgehen. Es ist in der
Lage, die Leistung eines koaxialen Erdwärmetauschers (CO-BHE) vorherzusagen. Ein direkter Vergleich
zwischen den simulierten Ergebnissen und der gemessenen Temperatur des CO-BHE in Asker-Norwegen zeigte eine genaue Vorhersage der CO-BHE-Leistung. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse
besteht ein gutes Potenzial für die Nutzung des vorgeschlagenen Modells für die Simulation
komplexerer geothermischer Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die weiter entwickelt werden
müssen. Die Kopplung zwischen dem thermischen Bohrlochmodell und der Strömung und dem
Transport im Modell der porösen Medien ermöglicht die Untersuchung weiterer geothermischer
Systeme wie des konventionellen offenen Doppelbrunnensystems und des erweiterten
geothermischen Systems.This work presents a comprehensive study on the transient thermal behaviour of a wellbore during
different drilling conditions. This includes modelling the heat transfer between various parts in the
wellbore system, investigation of the convective heat transfer coefficient in the annular section during
pipe rotation, and developing a computer code that simulates the dynamic thermal response of the
wellbore system during various drilling operations. Based on the basic laws of thermodynamics and
heat transfer, a novel numerical solution and discretization scheme is utilized to formulate a
comprehensive wellbore thermal model. The thermal balance equations describe the heat transfer
between the various components of the wellbore system including the drilling fluid, drill string, casing
strings, cement, and rock formation with different physical and thermal properties. Different modelling
techniques of the wellbore temperature are presented. First, the transient heat transfer in the
wellbore using a prescribed formation temperature is considered. Second, modelling of the thermal
wellbore behaviour is performed by including the conduction in the formation instead of considering
it with a constant temperature. Several validations and verification procedures for the presented
models are performed. This includes theoretical, computational and experimental validation including
temperature measurements from field data. The results show good agreement in each one of the
validation procedures. Furthermore, the presented model shows improvement over the existing
models in the literature. Additionally, a computer code is developed to simulate the dynamic
temperature variations during drilling operations. A coupling between the developed model and a
comprehensive virtual drilling simulator DrillSIM-600 through an application programming interface
(API) is successfully performed. This allows the coupling of the thermal model with other physical
models, which leads to more realistic simulations. Besides, a numerical investigation on the convective
heat transfer coefficient (CHTC) in an annular cavity with an inner rotating cylinder are conducted. The
simulation parameters are designed to meet the specification of actual drilling parameters. This
included the flow rate, rpm and annular gap ratio. The results show a significant effect of the inner
pipe rotation on CHTC above a critical value of Taylor Number (Ta). The model also shows a wide
range of applications, other than temperature prediction in the drilling operations. It is able to predict
the performance of a coaxial borehole heat exchanger (CO-BHE). A direct comparison between the
simulated results and the measured temperature from CO-BHE located in Asker-Norway showed an
accurate prediction of the CO-BHE performance. Based on these results, there is a good potential to
utilize the proposed model for the simulation of more complex closed-loop geothermal systems, which
needs further development. Coupling between the borehole thermal model and flow and transport in
the porous media model well allow the investigation of additional geothermal systems as the
conventional double-well open system and the enhanced geothermal system
