Дослідження деформованого стану бурильної колони, що обертається на ділянці похилої свердловини
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9868-2023-2(40)-38-52Ключові слова:
напружено-деформований стан, бурильна колона, похило-скероване буріння, теорія стрижня Кірхгофа, імітаційне моделювання.Анотація
Особливістю процесу спорудження похило-скерованих свердловин є те, що бурильна колона на похилій ділянці свердловини постійно контактує із стінкою. В результаті на неї, окрім традиційних сил ваги та в’язкого опору рухові, також діють нелінійні просторові сили контактної взаємодії, що спричинюють її просторовий напружено деформований стан, чинять опір рухові і є причиною виникнення негативних динамічних явищ. Розуміння даних процесів є важливим для ефективного планування процесу спорудження свердловин. Дана робота присвячена створенню уточненої математичної моделі просторового напружено-деформованого стану бурильної колони, що знаходиться на ділянці похилої свердловини. Модель розроблена на основі модифікованої моделі стрижня Кірхгофа, в якій враховано можливість осьової його деформації. При побудові моделі враховані такі силові фактори, що діють на бурильну колону під час роботи: силу ваги; зусилля, що вникає внаслідок деформації стінки свердловини бурильною колоною; силу тертя між бурильною колоною і стінкою свердловини; силу опору рухові, а також піднімальну силу, яка виникає в результаті переміщення бурильної колони в середовищі промивальної рідини; силові фактори, що виникають внаслідок протікання промивальної рідини бурильною колоною. На основі запропонованої математичної моделі бурильної колони, застосовуючи чисельний метод ліній, розроблено імітаційну модель, що дає змогу досліджувати зміну напружено-деформованого стану бурильної колони в часі. Результати імітаційного моделювання підтвердили адекватність створеної моделі та можливість її застосування для аналізу зміни просторового деформованого стану бурильної колони в часі.
Завантаження
Посилання
Fischer F. J. Analysis of Drillstrings in Curved Boreholes: Fall Meeting of the Society of Petroleum Engineers of AIME, Houston, Texas, 6-9 October, 1974. DOI: 10.2118/5071-MS.
Rocheleau D. N., Dareing D. W. Effect of Drag Forces on Bit Weight in High-Curvature Well Bores. Journal of Energy Resources Technology. 1992: Vol. 114 № 3. P. 175–180. DOI: 10.1115/1.2905938.
Wu J., Juvkam-Wold H. C. Helical Buckling of Pipes in Extended Reach and Horizontal Wells—Part 2: Frictional Drag Analysis. Journal of Energy Resources Technology. 1993: Vol. 115 № 3. P. 196–201. DOI: 10.1115/1.2905993.
Wu J., Juvkam-Wold H. C., Lu R. Helical Buckling of Pipes in Extended Reach and Horizontal Wells—Part 1: Preventing Helical Buckling. Journal of Energy Resources Technology. 1993: Vol. 115 № 3. P. 190–195. DOI: 10.1115/1.2905992.
Payne M. L., Abbassian F. Advanced Torque-and-Drag Considerations in Extended-Reach Wells. SPE Drilling & Completion. 1997: Vol. 12 № 01. P. 55–62. DOI: 10.2118/35102-PA.
Ho H.-S. An Improved Modeling Program for Computing the Torque and Drag in Directional and Deep Wells. SPE Annual Technical Conference and Exhibition: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, 02 - 05 October, 1988. DOI: 10.2118/18047-MS.
Johancsik C. A., Friesen D. B., Dawson R. Torque and Drag in Directional Wells-Prediction and Measurement. Journal of Petroleum Technology. 1984: Vol. 36 № 06. P. 987–992. DOI: 10.2118/11380-PA.
Tikhonov V., Valiullin K., Nurgaleev A., Ring L., Gandikota R., Chaguine P., Cheatham C. Dynamic Model for Stiff String Torque and Drag. SPE/IADC Drilling Conference: SPE Drilling and Completion, Amsterdam, The Netherlands, 05-07 March, 2013. DOI: 10.2118/163566-MS.
Mitchell R. F., Miska S., Aadnøy B. S. Fundamentals of drilling engineering. Richardson, TX: Society of Petroleum Engineers, 2011: Vol. 12: SPE Textbook Series. 710 p. ISBN: 978-1-55563-338-7.
Mason C. J., Chen D. C.-K. Step Changes Needed To Modernize T&D Software. SPE/IADC Drilling Conference: SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam, The Netherlands, 20 - 22 February, 2007. DOI: 10.2118/104609-MS.
Musa N., Gulyayev V., Shlyun N., Aldabas H. Critical Buckling of Drill Strings in Cylindrical Cavities of Inclined Bore-Holes. Journal of Mechanics Engineering and Automation. 2016: Vol. 6 № 1. P. 25–38. DOI: 10.17265/2159-5275/2016.01.004.
Melakhessou H., Berlioz A., Ferraris G. A Nonlinear Well-Drillstring Interaction Model. Journal of Vibration and Acoustics. 2003: Vol. 125 № 1. P. 46–52. DOI: 10.1115/1.1523071.
Tikhonov V. S., Safronov A. I. Analysis of Postbuckling Drillstring Vibrations in Rotary Drilling of Extended-Reach Wells. Journal of Energy Resources Technology. 2011: Vol. 133 № 4 Art. ID 043102. DOI: 10.1115/1.4005241.
Tikhonov V. S., Safronov A. I., Gelfgat M. Y. Method of Dynamic Analysis for Rod-in-Hole Buckling. ASME 8th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis: Volume 3: Dynamic Systems and Controls, Symposium on Design and Analysis of Advanced Structures, and Tribology, Torino, Italy, 04 - 07 July, 2006. P. 25–32. DOI: 10.1115/ESDA2006-95059.
Christoforou A. P., Yigit A. S. Dynamic modelling of rotating drillstrings with borehole interactions. Journal of Sound and Vibration. 1997: Vol. 206 № 2. P. 243–260. DOI: 10.1006/jsvi.1997.1091.
Tran Q.-T., Nguyen K.-L., Manin L., Andrianoely M.-A., Dufour R., Mahjoub M., Menand S. Nonlinear dynamics of directional drilling with fluid and borehole interactions. Journal of Sound and Vibration. 2019: Vol. 462 Art. ID 114924. DOI: 10.1016/j.jsv.2019.114924.
Nguyen K.-L., Tran Q.-T., Andrianoely M.-A., Manin L., Baguet S., Dufour R., Mahjoub M., Menand S. Nonlinear rotordynamics of a drillstring in curved wells: Models and numerical techniques. International Journal of Mechanical Sciences. 2020: Vol. 166 Art. ID 105225. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2019.105225.
Wang N., Cheng Z., Lu Y., Jiang W., Zhou J., He B., Ren G. A multibody dynamics model of contact between the drillstring and the wellbore and the rock penetration process. Advances in Mechanical Engineering. 2015: Vol. 7 № 5. P. 1-12. DOI: 10.1177/1687814015582117.
Gulyayev V., Shlyun N. Influence of friction on buckling of a drill string in the circular channel of a bore hole. Petroleum Science. 2016: Vol. 13 № 4. P. 698–711. DOI: 10.1007/s12182-016-0122-5.
Ma Y., Hong D., Cheng Z., Cao Y., Ren G. A multibody dynamic model of the drilling system with drilling fluid. Advances in Mechanical Engineering. 2016: Vol. 8 № 7. P. 1-16. DOI: 10.1177/1687814016656703.
Ren F., Wang B., Zhao L., Zhu A. Experimental Investigation and Analysis of Dynamic Buckling of Drill String in Horizontal Well. Shock and Vibration. 2017: Vol. 2017. P. 1–15. DOI: 10.1155/2017/1658435.
Tikhonov V., Giers M., Yakhimovich V., Shemyakinsky B., Ring L. Multi-component friction testing of full-scale drill pipe specimen. Tribology and Design 2012: Tribology and Design II: WIT Transactions on Engineering Sciences, Kos, Greece, 03 - 05 September, 2012. P. 65–76. DOI: 10.2495/TD120061.
Long Y., Wang X., Wang P., Zhang F. A Method of Reducing Friction and Improving the Penetration Rate by Safely Vibrating the Drill-String at Surface. Processes. 2023: Vol. 11 № 4 Art. ID 1242. DOI: 10.3390/pr11041242.
Wang X., Chen P., Rui Z., Jin F. Modeling Friction Performance of Drill String Torsional Oscillation Using Dynamic Friction Model. Shock and Vibration. 2017: Vol. 2017. P. 1–14. DOI: 10.1155/2017/4051541.
Mitchell R. F. Tubing Buckling—The State of the Art. SPE Drilling & Completion. 2008: Vol. 23 № 04. P. 361–370. DOI: 10.2118/104267-PA.
Sparks C. P. The Influence of Tension, Pressure and Weight on Pipe and Riser Deformations and Stresses. J. Energy Resour. Technol. 1984: Vol. 106. P. 46–54. DOI: 10.1115/1.3231023.
Samuel R., Kumar A. Effective Force and True Force. IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition held, San Diego, California, USA, 6–8 March. SPE, 2012. P. 1–9. DOI: 10.2118/151407-MS.
Mitchell R. F. Forces on Curved Tubulars Caused By Fluid Flow. SPE Production & Facilities. 1996: Vol. 11 № 01. P. 30–34. DOI: 10.2118/25500-PA.
Li Z. Fundamental Equations for Dynamical Analysis of Rod and Pipe String in Oil and Gas Wells. SPE Journal. 1999. P. 1–5.
Sun X., Ji X., Li W., Zhang L., Song Y. Dynamic Simulation Analysis of Carbon-Steel Hybrid Sucker Rod String in Vertical and Directional Wells. Mathematical Problems in Engineering. 2022: Vol. 2022. P. 1–14. DOI: 10.1155/2022/5239355.
Wang P., Ni H., Wang X., Wang R., Lu S. Research on the characteristics of earthworm-like vibration drilling. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2018: Vol. 160. P. 60–71. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.10.027.
Goicoechea H. E., Buezas F. S., Rosales M. B. A non-linear Cosserat rod model for drill-string dynamics in arbitrary borehole geometries with contact and friction. International Journal of Mechanical Sciences. 2019: Vol. 157-158. P. 98–110. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2019.04.023.
Mitchell R. F. Comprehensive Analysis of Buckling With Friction. SPE Drilling & Completion. 1996: Vol. 11 № 03. P. 178–184. DOI: 10.2118/29457-PA.
Lazarus A., Miller J. T., Reis P. M. A quaternion-based continuation method to follow the equilibria and stability of slender elastic rods, 2012. 46 p. (. Preprint. . DOI: 10.48550/arXiv.1212.5739).
Светлицкий В. А. Строительная механика машин. Механика стержней. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2009: Т. 2: Динамика. 384 c. ISBN: 978-5-9221-1143-0.
Gazzola M., Dudte L. H., McCormick A. G., Mahadevan L. Forward and inverse problems in the mechanics of soft filaments. Royal Society open science. 2018: Vol. 5 № 6 Art. ID 171628. DOI: 10.1098/rsos.171628.
Sumer B. M., Fredsøe J. Hydrodynamics around cylindrical strucures. Singapore. London: World Scientific Publishing, 2006: Vol. 26: Advanced series on ocean engineering. 530 p. ISBN: 9812700390.
Bai Y., Bai Q. Subsea pipelines and risers. Amsterdam. London: Elsevier, 2005. 841 p. ISBN: 0-080-4456-67.
Slabyi O. Studying the coupled axial and lateral oscillations of the drilling riser under conditions of irregular seaways. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018: Vol. 3 № 7 (93). P. 27–33. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.132661.
Association Modelica. Modelica - A Unified Object-Oriented Language for Systems Modeling, Version 3.3 Revision 1. 2014. URL: https://modelica.org/documents/ModelicaSpec33Revision1.pdf (дата звернення: 26.08.2017).
Meyer G. H. The time-discrete method of lines for options and bonds. New Jersey: World Scientific Pub, 2015. 269 p. ISBN: 978-981-4619-67-7.
Schiesser W. E., Griffiths G. W. A compendium of partial differential equation models. Cambridge. New York: Cambridge University Press, 2009. 474 p. ISBN: 0511576277.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Нафтогазова енергетика
TЦя робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
.png)
1.png){kind=logo}
