Die Wirtschaftlichkeit beim Bohrbetrieb stellt heutzutage eines der wichtigsten Themen bei der Aufsuchung von Kohlenwasserstoffen und geothermaler Energie dar. Das Ziel dabei ist eine Verbesserung der Leistung beim Bohren bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten indem die Grenzen der Werkzeuge neu definiert werden. Einer der begrenzenden Faktoren sind die Vibrationen des Bohrstrangs während des Betriebs. Unter den verschiedenen Typen von Vibrationen fügen insbesondere tangentiale Vibrationen der Leistung des Bohrbetriebs Schaden zu, wodurch werden, das die Bohrköpfe beschädigt Bohrgarnitur ausfallt, Rohrverbinder brechen, das Gestänge durch Ermüdungsbrüche zerstört wird, etc. In der Vergangenheit war man in der Industrie der Meinung, dass der Grund für die schweren Zerstörungen der Bohrköpfe und der Geräte im Bohrloch in den lateralen Vibrationen, dem Vorwärts und Rückwärts Taumeln des Bohrstrangs und Mischungen aus diesen Vibrationen zu suchen sind und welche sehr detailliert untersucht wurden. Durch die Entwicklung von Sensoren, die Vibrationen im Bohrkopf feststellen konnten, wurde klar, dass Vibrationen, die beim Bohren mit Diamantbohrköpfen in harten Gesteinen auftreten, rotatorische (stick-slip) Vibrationen die häufigste Fehlerursache darstellen. Als Ursache dafür konnten die Interaktion zwischen Bohrstrang und Bohrloch und die Kontaktfläche zwischen Bohrlochgrund und Bohrkopf identifiziert werden. In dieser Studie wurde ein mathematisches Modell des Bohrstrangs als Modell einer gedämpften Schwingung basierend auf nichtlinearen Gleichungen entwickelt, die den Einfluss des Bohrstrangs und des BHA getrennt betrachten. Das Modell der Interaktion zwischen Bohrlochsohle und Bohrkopf, das mit dem mathematischen Modell des Bohrstrangs verknüpft ist, repräsentiert die nichtlinearen Reibungskräfte. Die Vorhersage des Bohrfortschritts eines bestimmten Szenarios ist dabei möglich. Die Ableitung des Modells unter Berücksichtigung der verschiedenen Typen von Vibrationen stellte wegen der Komplexität des Phänomens eine große Herausforderung dar. Zur Modellierung und zur Analyse wurden MATLAB und SIMULINK eingesetzt. Untersuchungen mit verschiedenen Parametern wurden durchgeführt, um den Einfluss der Drehzahl des Bohrkopfs und des weight-on-bit (WOB) auf die Torsionsschwingungen festzustellen. Einflüsse von Eigenschaften wie Steifigkeit oder Massenträgheit, die bisher unbekannt oder ungenügend untersucht sind, auf die Torsionsschwingungen und stick-slip wurden ebenfalls geprüft. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen einen Zusammenhang mit den Ergebnissen Die Modellierung der Interaktion zwischen Bohrkopf und Fels hilft bei der Analyse der Kräfte, die auf die Schneidflächen der PDC Bohrköpfe wirken. Das phänomenologische Modell, das Detourny und Defourny 1992 eingeführt haben, wurde bei dieser Studie benutzt, um das Bohrklein, das aus der Interaktion von Bohrbit und Fels entsteht, sowie die Reibung durch das auf das Bit wirkende Moment und die wirkende Last zu identifizieren. Das auf das Bit wirkende Moment wurde als Funktion der Eigenschaften des Bohrstrangs analysiert. Es wurden mathematische Modelle basierend auf experimentell ermittelten Daten entwickelt, um das auf das Bit wirkende Moment und die wirkende Last zu ermitteln. Es kann gefolgert werden, dass Sie äußeren Bedingungen beim Bohren, die Bohrparameter und das Design der DriHbits die Abnutzung und damit die Bohrrate beeinflussen. Weitere Untersuchungen in diesem Bereich könnten helfen, die technische Grenze für den Wechsel des Bohrkopfs festzulegen. Um die Torsionsschwingungen und den stick-slip zu reproduzieren wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, indem 150m des BHA auf 5m eines Laborbohrstrangs heruntergerechnet wurden. Der Torsionsschwingungssimulator repräsentiert das Profil eines vertikalen Bohrlochs mit dem sich darin drehenden Bohrstrang. Die Daten aus diesem Aufbau wurden für weitere Analysen gesammelt. Als Materialien für die Simulation des Bohrstrangs wurden Stahl, PVC und Aluminium benutzt Die Torsionssteifigkeit wurde für diese Testbohrstränge experimentell ermittelt. Um den Einfluss der Steifigkeit auf die Torsionsschwingungen abschätzen zu können, wurde ein stick-slip Index benutzt. Die weitere Entwicklung dieser Studie sollte lateral Schwingungen im mathematischen Modell berücksichtigen. Der Aufbau des Versuchsstands sollte dahingehend modifiziert werden, was ermöglichen würde, Zusammenhänge der unterschiedlichen Vibrationen zu untersuchen.

    Drilling economics, now-a-days, has become a one the hot topics in the drilling industry due to higher drilling cost for producing hydrocarbons and geothermal energy. Industry wants to maximize the drilling performance and to reduce drilling cost by pushing the limits of drilling tools. One of the limiting factors for maximizing drilling performance is drillstring vibration/dynamics. Among all the types of drillstring -vibrations, torsional vibration is one of the sever types which deteriorates the overall drilling performance, causing damaged bit, failure of bottom-hole assembly, over-torqued tool joints, torsional fatigue of drillstring, etc.. In the past, industry believed that the severe damage to the PDC bits and downhole equipment is caused due to lateral vibrations, backward and forward whirl and coupling of these vibrations and were studied in great details. Later with the development of new technologies like in-bit vibration monitoring sensors, it has been reported that while drilling with PDC bits in hard formations, stick-slip is mostly observed compared to other modes of vibrations. It has been identified that the weEbore-drillstring interaction and well face-drill bit interaction are the sources of excitation of torsional oscillations. This study develops a mathematically model of a torsional drillstring, which is a spring-mass system similar to torsional pendulum. The model is based on nonlinear differential equations which are formulated considering drill pipes and bottomhole assembly separately. The bitrock interaction model, which is linked to the torsional drillstring model, is represented by nonlinear friction forces. Prediction of rate of penetration is also possible during a particular scenario. MA.TLAB/SIMULINK is used for the modeling and analysis purpose. Parametric study for analyzing the influence of drilling parameter such as surface rotations (RPM) and weight-on-bit (WOB) on torsional oscillations is performed. Influences of properties of drillstring like stiffness and inertia on torsional oscillation/stick-slip are also studied. The effects of rock strength on rate of penetration considering the drilling parameters are analyzed. The simulation results when compared with that of the field data shows that they are in accordance with each other. The nonlinear bitrock interaction is modeled to analyze the forces acting on the PDC bit cutters. Detailing further, the cutting and the friction components of the torque on bit and weight on bit are calculated using bit-rock interaction model and phenomenological model introduced by Detournay and Defourny in 1992. Torque on bit is analyzed as a function of drilling parameters and shows the similar behavior as that of the published field data. This study also analyses torque on bit as a function of drillstring properties. In order to determine the torque on bit and the weight on bit based on the values experienced by the PDC bit cutters, mathematical models are written. It can be concluded that the drilling environment, drilling parameters and the drill bit design govern the wear mechanism of the PDC bit cutter and which ultimately governs the rate of penetration. Measures can be taken by putting developed models together to control torsional vibrations for improving fate of penetration. Further study in this area could help to determine the technical time limit for a bit change while drilling. An experimental study is also conducted to reproduce the torsional vibrations/stick-slip in the laboratory by downscaling the 150 meters of bottomhole assembly to 5 meters of laboratory test string. The torsional vibration simulator represents the vertical wellbore profile with the drillstring rotating in it. The data has been acquired from the experimental study for further analysis. Experimentation uses steel, PVC and aluminum pipe as a test string. Torsional stiffness for these test string have been experimentally determined. In order to evaluate the influence of the stiffness on torsional vibration, stick-slip index have been used. Further development in this study should consider lateral vibration in the mathematical model The experimental setup should also be modified in order to introduce lateral vibration in the setup which will also allow to study coupling effects due to other modes of vibrations.


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    Titel :

    Investigation of torsional vibrations in a drillstring using modeling and laboratory experimentation


    Beteiligte:

    Erscheinungsdatum :

    2013


    Format / Umfang :

    148 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch





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