NONLINEAR DYNAMIC ANALYSIS OF DRY FRICTION-INDUCED TORSIONAL VIBRATION IN A DRILL-STRING EXPERIMENTAL SET-UP

• Main Author: BRUNO CESAR CAYRES ANDRADE
• Other Authors: HANS INGO WEBER
• Language: English
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2018
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35486@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=35486@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA === Os últimos leilões do pré-sal para exploração e produção de petróleo e gás no Brasil indicam que as operações de perfuração se tornarão mais intensas nos próximos anos. O processo de perfuração rotativo é amplamente utilizado para alcançar os reservatórios de petróleo e devido à relação diâmetro/comprimento do sistema de perfuração, o modo de vibração torcional está presente em quase todos os processos de perfuração, podendo chegar a um estado crítico indesejável: o fenômeno de stick-slip. Com o intuito de abordar este problema, o modo torcional é isolado e o stick-slip é observado em uma coluna de perfuração em escala reduzida completamente instrumentada. Durante o stick-slip, outro torque pode ser aplicado em uma posição intermediária da bancada de teste. O modelo matemático de parâmetros concentrados é obtido e o modelo é comparado com dados experimentais com o propósito de verificar se o modelo matemático representa o aparato experimental. Uma análise de estabilidade é feita usando o modelo validado com o objetivo de identificar soluções estáveis do sistema. Com isso, observou-se que existe uma faixa do parâmetro de bifurcação na qual soluções de equilíbrio e periódicas estáveis coexistem. Para uma dada situação de stick-slip na faixa de biestabilidade, duas estratégias de mitigação de vibração torcional foram consideradas e consistiram em impor perturbações no sistema por meio do torque na posição intermediária da bancada de teste: (i) torques aplicados apenas contra a direção de movimento do sistema, e (ii) torques aplicados em ambas as direções. As estratégias foram testadas numericamente e apresentaram eficiência de tal modo que o stick-slip foi completamente mitigado: as energias do sistema e o trabalho gerado pelo torque intermediário aplicado foram comparados com o propósito de avaliar a factibilidade e razoabilidade da estratégia. Experimentalmente, o sistema continuou a oscilar, porém apresentou uma significante redução na fase de stick mesmo com limitações de aplicações de torque. === The latter round bids of the pre-salt for exploration and production of oil and natural gas in Brazil indicate the drilling operations will become more intense in coming years. The rotational drilling process is largely used to reach the oil reservoirs and because of diameter-to-length ratio of the drilling system, torsional vibration mode is present in most all drilling processes and may reach an undesired severe stage: the stick-slip phenomenon. In order to address this problem, the torsional vibration mode is isolated and the stick-slip is observed in a fully instrumented drill-string experimental set-up in this work. During this phenomenon, another torque may be applied on an intermediate position of the test bench. The lumped parameter mathematical model is obtained and it is compared to experimental data to validate whether the mathematical model represents the experimental apparatus. A stability analysis is performed using the validated mathematical model in order to identify stable solutions of the system. Therewith, one observed that there is a range of the bifurcation parameter in which stable equilibrium and periodic solutions may coexist. For a given stick-slip situation in bi-stability range, two mitigation strategies of torsional vibration were considered which consisted of imposing perturbations in the system via torques on the intermediate position of the test bench: (i) torques applied only against the direction of motion of the system, and (ii) torques applied in both directions. The strategies were tested numerically and presented eciency so that the stickslip was completely mitigated: the energies of the system and the work created by the intermediate torque were compared in order evaluate the feasibility and reasonableness of the strategy. Experimentally, the system continued to oscillate, however it presented a significant reduction of stick phase even with limitations of torque applications.