СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДОЛОТА С ПОРОДОЙ ПРИ КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ДИНАМИКИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Дмитрий Юрьевич Погорелов, Николай Николаевич Лысиков

Аннотация


Рассмотрены модели сил взаимодействия долота с породой, которые используются для компьютерного исследования динамики процесса бурения. Приводится подробная модель момента сопротивления бурению, имеющая режимы сцепления и скольжения и позволяющая исследовать автоколебания бурильной колонны. В динамической модели момента могут быть использованы зависимости для стационарных значений момента сопротивления, в частности, значения удельного момента или модель Уоррена для шарошечного долота. Приведена также альтернативная модель момента сопротивления, предложенная Такером и Вангом для исследования крутильных автоколебаний. В простейшем случае для расчета осевой силы используется упруго-диссипативная модель с возможностью добавления гармонических и стохастических возмущений. Поперечные силы также могут быть заданы гармоническими и случайными функциями времени, параметры которых подбираются на основе экспериментальных данных. Приведена реализация значительно более сложной модели PDCдолота (модель RGD), учитывающей связь между осевым и угловым движениями долота и позволяющей исследовать процессы колебаний бура с учетом изменения геометрии забоя в процессе моделирования.В работе предложена уточненная модель шарошечного долота, основанная на расчете сил, возникающих при взаимодействии отдельного зубца с породой.Приведены примеры использования описанных моделей для исследования автоколебаний и вибраций БК длиной 1 км в криволинейной скважине.Разработанные модели реализованы в программном комплексе «Универсальный механизм».

Ключевые слова


динамика бурильной колонны;взаимодействие бура с породой;автоколебания;вибрации;drillstring dynamics;bit–rock interaction;self–excited oscillations;vibrations;

Полный текст:

PDF

Литература


Погорелов Д.Ю. Компьютерное моделирование динамики технических систем с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2005. № 4. С. 27-34.

Сайт «Универсальный механизм». URL: http://www.universalmechanism.com (дата обращения: 07.02.2019).

Tucker R.W., Wang. C. Torsional Vibration Control and Cosserat Dynamics of a Drill-Rig Assembly // Meccanica. 2003. Vol. 38. No.1. pp. 145-161. DOI: https://doi.org/10.1023/A:102203582.

Christoforou A.P., Yigit A.S. Fully Coupled Vibrations of Actively Controlled Drill Strings // Journal of Sound and Vibrations. 2003. Vol. 267. No. 5. pp. 1029-1045. DOI: 10.1016/S0022-460X(03)00359-6.

Sampaio R., Piovan M. T., Venero Lozano G. Coupled Axial/Torsional Vibrations of Drill Strings by Means of Non-Linear Model // Mechanics Research Communications. 2007. Vol. 34. No. 5-6. pp. 497-502. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2007.03.005.

Khulief Y.A., Al-Sulaiman F.A., Bashmal S. Vibration Analysis of Drill Strings with Self-Excited Stick-Slip Oscillations // Journal of Sound and Vibration. 2007. Vol. 299. No. 3. pp. 540-558. DOI: 10.1016/j.jsv.2006.06.065.

Юнин Е.К. Низкочастотные колебания бурильного инструмента. М.: Недра, 1983. 132 с.

Пальмов В.А., Ветюков Ю.М. Неравномерное вращение бурильной колонны, обусловленное существенно нелинейным взаимодействием долота со скальной породой // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2003. № 4. С. 51-56.

Коронатов В.А. Новая динамическая модель бурильной колонны и численное описание крутильных автоколебаний во время проходки – углубления забоя скважины // Системы. Методы. Технологии. 2015.№ 1 (25). С. 48-59.

Погорелов Д.Ю., Павлюков А.Э., Юдакова Т.А., Котов С.В. Моделирование контактных взаимодействий в задачах динамики систем тел // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: сб. науч. тр. Брянск: БГТУ, 2002. С. 11-23.

Detournay E., Defourny P. A Phenomenological Model for the Drilling Action of Drag Bits // Int. J. Rock Mech. Min. 1992. Vol. 29. No. 1. pp. 13-23.

Richard T., Germay C., Detournay E. Self-Excited Stick-Slip Oscillations of Drill Bits // Mecanique. 2004. Vol. 332. pp. 619-626. DOI: https://doi.org/10.1016/j.crme.2004.01.016.

Richard T., Germay C., Detournay E. A Simplified Model to Explore the Root Cause Of Stick-Slip Vibrations in Drilling Systems with Drag Bits // Journal of Sound and Vibration. 2007. Vol. 305. No. 3. pp. 432-456. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.04.015.

Pogorelov D., Mikheev G., Lysikov N., Ring L., Gandikota R., Abedrabbo N. A Multibody System Approach to Drill String Dynamics Modeling // Proc. ASME 11th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis (ESDA2012). France, 2012. Vol. 4. pp. 53-62. DOI: 10.1115/ESDA2012-82316.

Dmitrochenko O., Mikheev G., Pogorelov D., Gandikota R. A Nonlinear Finite Element for Simulation of Dynamics of Beam Structures Using Multibody System Approach // Proc. 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI). Spain, 2014. pp. 655-666.

Brakel J.D. Prediction of Wellbore Trajectory Considering Bottom Hole Assembly and Drillbit Dynamics // PhD Thesis. University of Tulsa, 1986.

Spanos P.D., Chevallier A.M., Politis N.P. Nonlinear Stochastic Drill-String Vibrations // Journal of Vibration and Acoustics. 2002. Vol. 124. No. 4. pp. 512-518. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1502669.

Григорян Н.А., Багиров Р.Е. Анализ процесса турбинного бурения. М.: Недра, 1982. 207 с.

Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1994. 264 с.

Калинин А.Г., Левицкий А.З., Мессер А.Г., Соловьев Н.В. Практическое руководство по технологии бурения скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые. М.: Недра, 2001. 450 с.

Stribeck R. Die wesentlichen eigenschaften der Gleit– und Rollenlager // VDI-Zeitschrift. 1902. Vol. 46. No. 36. pp. 1341-1348; 1432-1438; 1463-1470.

Warren T.M. Penetration-Rate Performance Of Roller-Cone Bits // SPE Drilling Engineering. 1987. Vol. 2. No. 1. pp. 9-18. DOI: https://doi.org/10.2118/13259-PA.

Warren T.M. Factors Affecting Torque for a Roller Cone Bit // Journal of Petroleum Technology. 1984. Vol. 36. No. 9. pp. 1500-1508. DOI: https://doi.org/10.2118/11994-PA.

Sheppard M.C., Lesage M. The Forces at the Teeth of a Drilling Roller Cone Bit: Theory and Experiment // Society of Petroleum Engineers. 1988. SPE-18042. pp. 253-260.




DOI: http://dx.doi.org/10.17122/ogbus-2019-3-211-236

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.