Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Минобрнауки россии - файл


скачать (83.3 kb.)


МИНОБРНАУКИ РОССИИ

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина


Факультет

Автоматики и вычислительной техники

Кафедра

Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности





































































РАСЧЕТНО – ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА №2


по дисциплине

«Теория электропривода»







на тему

«Крутильные колебания,

возникающие в колонне при бурении скважины»




ПРОВЕРИЛ:




ВЫПОЛНИЛ:










Студент группы

АЭМ-19-03










(номер группы)

профессор, д.т.н. Ершов М.С.




Кузьмина Е.А.

(должность, ученая степень; фамилия, и.о.)




(фамилия, имя, отчество)










(подпись)




(подпись)










(дата)




(дата)






Москва, 20

20







При бурении скважины в колонне бурильных труб (КБТ) возникают колебания, обусловленные наличием упругих связей при передаче вращения от ротора к долоту. Такие вибрации являются причиной как преждевременного износа долота, так и повреждений буровых и забойных скважин, что приводит к снижению производительности бурения. Инженеры из компании Шлюмберже[1] подтверждают возникновение колебаний и различают их в зависимости от направления на радиальные (скачкообразные), тангенциальные (вихревые) и крутильные колебания, а также описывают возможности переходов между ними. Однако, крутильные колебания наиболее опасны, поэтому представляют наибольший интерес для исследования.

Один из примеров иллюстрирует поведение буровой системы на крутильные колебания при взаимодействии долота с породой, причем сначала вибрации уменьшаются по мере того, как колонна вращается для обеспечения необходимого крутильного момента.



During drilling of the well in the drill string there are vibrations due to elastic connections at transfer of rotation from the rotor to the bit. Such vibrations cause both premature bit wear and damage to drilling and downhole wells, resulting in reduced drilling productivity. Engineers from the company Slumberger [1] confirm the occurrence of oscillations and distinguish them depending on the direction to radial (hopping), tangential (vortex) and torsional oscillations, as well as describe the possibilities of transitions between them. However, torsional fluctuations are most dangerous, so are of greatest interest to the study.

One example illustrates the behavior of a drilling system to torsional oscillations when the bit interacts with rock, with first vibrations decreasing as the column rotates to provide the required torsional torque.



Норвежские ученые [2] также затрагивают тему колебаний, характеризующихся сериями «прилипания» и «проскальзывания» долота, при бурении наклонных скважин. Однако колебания отличаются от рассматриваемых выше тем, что для их возникновения не требуется взаимодействие долота и породы. Такие крутильные колебания, называемые «офф-боттом», что означает без дна, вызваны первоначальным внесистемным ударом при запуске ротора, который толкает бурильную колонну, тем самым создавая трение колонны о ствол скважины. Специалисты выводят динамическую модель с учетом определенных приближений, учитывая кулоновское трение. Сравнивая результаты моделирования с полевыми испытаниями, приведенными в статье, можно сделать вывод, что разработанная модель ведет себя по-разному в зависимости от используемых данных. Это объясняется тем, что данная модель не учитывает осевые напряжения в бурильной колонне, что ведет к нарушению принятых допущений и появлению существенных отклонений от экспериментальных результатов.

Norwegian scientists [2] also discuss the subject of torsional vibrations characterized by a series of "stick" and "slip" of the bit when drilling inclined wells. However, vibrations differ from those considered above in that they do not require interaction of the bit and the rock. Such torsional vibrations, called "off-bottom", which means that there is no bottom, are caused by an initial off-system shock at the start of the rotor, which pushes the drill string, thereby creating friction of the string against the wellbore. Experts derive the model at certain approximations, taking into account Coulomb friction. Comparing the simulation results with the field tests given in the article, we can conclude that the developed model behaves differently depending on the data used. This is due to the fact that this model does not take into account the axial stresses in the drill string, which leads to a violation of accepted assumptions and the appearance of significant deviations from the experimental results.



Многие исследователи изучали тему крутильных колебаний. Большинство из них рассматривали возникновение вибраций при определенных жестких условиях (детерминированные модели). По мнению научных работников университета Канады[3], такие модели хороши для качественного анализа динамики, но они могут оказаться недостаточными для более количественного понимания динамики крутильных колебаний. Прежде всего это аргументируется тем, что механизм трения между двумя поверхностями очень сложен и зависит от многих параметров, таких как профиль поверхности, материалы и условия смазки. Кроме того, состояние скважины крайне непредсказуемо из-за множества неопределенных факторов в стволе скважины. Таким образом, рассмотрение динамики вибраций с точки зрения теории вероятности (стохастический метод) в большей степени отражает реальную картину.

Ученые предлагают динамическую модель, основанную на методе конечных элементов. Для нахождения решений используется метод центральной разности, а для получения статистики ответов выполняется моделирование методом Монте-Карло.

В своей работе ученые проводят сравнительный анализ моделирования детерминистской и стохастической модели. Результаты показали, что в случае залипания долота случайная модель, в отличие от детерминистской, позволяет увидеть на фазовой плоскости случайный разброс между точками входа и выхода из стадии прилипания, что крайне важно для контроля и управления крутильными колебаниями.


Many researchers have studied the topic of torsional vibrations. Most of them considered the occurrence of vibrations under certain strict conditions (deterministic models). According to researchers at the University of Canada[3], such models are good for qualitative analysis of dynamics, but they may not be sufficient for a more quantitative understanding of the dynamics of torsional vibrations. This is primarily due to the fact that the friction mechanism between the two surfaces is very complex and depends on many parameters, such as the surface profile, materials and lubrication conditions. In addition, the state of the well is highly unpredictable due to many uncertain factors in the wellbore. Thus, the consideration of vibration dynamics from the point of view of probability theory (stochastic method) reflects the real picture to a greater extent.

Scientists propose a dynamic model based on the Finite Element Method. To find solutions, the Center Difference Method is used, and to get response statistics, the Monte Carlo simulation is performed.

In their work, scientists conduct a comparative analysis of the modeling of deterministic and stochastic models. The results showed that in the case of bit sticking, the random model, in contrast to the deterministic one, allows us to see a random spread on the phase plane between the points of entry and exit from the sticking stage, which is extremely important for controlling and controlling torsional vibrations.


Крутильные колебания при бурении скважины являются существенной проблемой, поскольку чрезмерные вибрации приводят к повреждению оборудования, что влечет за собой сбои в работе производства. Поэтому необходимо предпринимать действия для контроля и уменьшения крутильных колебаний. Именно на эту тему направлена работа Тиаго Дж. Ритто и Марьям Гандчи-Теграни [4].

Существует множество способов контроля вибраций в колонне бурильных труб: с помощью пассивного переноса энергии, путем разложения динамики на две бегущие волны в направлении верхнего привода и долота, с помощью котроллера нечеткой логики. Рассмотрим пропорционально-дифференцированную (PD) теорию управления крутильными колебаниями, предложенную авторами статьи.

Пропорционально-дифференцированная (PD) стратегия управления включает в себя закон управления нагрузкой на долоте. При воздействии на осевую силу кривая взаимодействия долота с породой смещается, и крутильные колебания могут быть подавлены. Основная задача заключается в нахождении коэффициентов усиления и их анализ.

В статье сравниваются 4 различные стратегии контроля крутильными колебаниями, при условии поддержания постоянной скорости верхнего привода:



  1. PD-контроль (два коэффициента усиления) с учетом реакции верхнего привода;

  2. PD-контроль (три коэффициента усиления) с учетом реакции верхнего привода и информации о нагрузке на долоте;

  3. PD-контроль (три коэффициента усиления) с учетом реакции верхнего привода и информации о нагрузке на долоте и реакции на долоте;

  4. PD-контроль (пять коэффициентов усиления) с учетом реакции верхнего привода и информации о нагрузке на долоте и реакции на долоте.

Рассмотрение различного набора коэффициентов необходимо для получения наиболее подходящей функции для управления крутильными колебаниями. Кроме того, рассматривается различное количество состояний и сравнивается производительность контроллеров.

В качестве динамической модели рассматривается двумассовая система буровой колонны, длинного и гибкого тела. Первая часть представляет собой верхний привод, вторая – нижнюю часть колонны с долотом. Верхний привод подчиняется закону управления, а нижняя часть колонны нелинейна в результате взаимодействия долота с породой.

Для создания модели система задавалась следующим уравнением:

где – момент инерции привода; – скорость вращения долота; – расчётная скорость привода; – крутящийся момент на долоте; k – коэффициент прочности КБТ; с – коэффициент затухания параметров.

Уравнения, используемые в построении моделей для каждой из стратегий представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Уравнения для построения моделей

Стратегия

Уравнение

1



2





3





4





В уравнениях – крутящийся момент привода; – скорость вращения привода; – скорость вращения долота; – расчетная скорость привода; – нагрузка на долоте; – пропорциональный коэффициент усиления; – дифференциальный коэффициент усиления; - коэффициент усиления нагрузки.

При применении PD-управления коэффициенты усиления управления k получают путем решения оптимизационной задачи, в которой целевая функция должна быть минимизирована. Для оптимизации вычисленных коэффициентов усиления используется алгоритм внутренней точки, а динамика системы вычисляется с помощью схемы интегрирования Рунге-Кутты. Так, для всех моделей подтверждается, что отклик системы с замкнутым контуром конечен и не стремится к бесконечности.

В результате моделирования были построены зависимости скорости вращения на долоте от времени для различных скоростей верхнего привода. Амплитуды и частоты колебаний для различных скоростей привода различны, причем чем выше скорость, тем больше значение перерегулирования и тем меньше время установления.

Для анализа PD-контроля были построены карты устойчивости. Стратегия управления 1 дает похожие результаты на моделировании без регуляторов. Стратегия управления 2, которая включает в себя информацию о нагрузке на долоте, значительно улучшает результаты. Например, максимальные скорости свыше 100 об/мин приводят к стабильной системе без колебаний. Существует также стабильная область в районе 60 об/мин между двумя нестабильными.

Анализируя результаты, полученные в стратегии 3 можно отметить, что вся область регулирования в устойчивом состоянии. То есть для любой комбинации скорости привода и нагрузки на долоте можно определить коэффициенты усиления управления, которые смягчают крутильные колебания. Аналогичная ситуация наблюдается при моделировании по стратегии 4. Это означает, что знание нагрузки на долоте значительно увеличивает производительность управления.

Таким образом, ученые подтверждают свою теорию контроля, уменьшения и даже устранения крутильных колебаний в колонне бурильных труб. Однако данная модель рассмотрена с многими приближениями по отношению к реальной системе, поэтому для более надежной системы управления требует дальнейших исследований.



Список использованных источников

  1. Bowler, A., Harmer, R., Logesparan, L., Sugiura, J., Jeffryes, B., & Ignova, M. (2016). Continuous High-Frequency Measurements of the Drilling Process Provide New Insights Into Drilling-System Response and Transitions Between Vibration Modes. SPE Drilling & Completion, 31(02), 106–118. doi:10.2118/170713-pa

  2. Ulf Jakob F. Aarsnes, Roman J. Shor (2018). Stick-slip and Torsional Friction Factors in Inclined Wellbores. MATEC Web Conf., 148.
    doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/201814816002

  3. Qiu H., Yang J. & Butt S. (2016). Stick-Slip Analysis of a Drill String Subjected to Deterministic Excitation and Stochastic Excitation. Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration Volume 2016, 7 pages.
    doi http://dx.doi.org/10.1155/2016/9168747

  4. Ritto, T. G., & Ghandchi-Tehrani, M. (2018). Active control of stick-slip torsional vibrations in drill-strings. Journal of Vibration and Control, 107754631877424.
    doi:10.1177/1077546318774240



Скачать файл (83.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации