مدل سازی عملکرد اصطکاک کاهش دهنده یک ابزار نوسان محوری با استفاده از مدل اصطکاک پویا

یک ابزار نوسان محوری (AOT) ابزاری مؤثر برای حل مشکل اصطکاک بالا مشاهده شده در چاههای ساختاری پیچیده در هنگام حفاری کشویی است. با این حال ، مدل Coulomb کلاسیک مکانیسم کاهش اصطکاک ناشی از AOT را توضیح نمی دهد. برای حل این مشکل ، یک مدل نظری برای تجزیه و تحلیل نیروی اصطکاک بر اساس مدل اصطکاک پویا و نظریه تغییر شکل تماس میکروسکوپی ارائه شده است. مدل DAHL ، یک مدل اصطکاک پویا نوآورانه ، در این مدل برای تعیین تغییرات نیروی اصطکاک در حین حفاری اسلاید با لرزش محوری تحمیل شده استفاده می شود. یک برنامه محاسباتی در محیط Matlab/Simulink تهیه شده است. نتایج نشان می دهد که نتایج محاسبه با استفاده از مدل حاضر و نتایج آزمایشی در توافق خوبی است (میانگین خطای فقط 5. 09 ٪ است) ، و صحت مدل و روش حاضر را تأیید می کند. کاهش اصطکاک با فرکانس لرزش و ضریب سفتی تماس مماس افزایش می یابد. ابتدا با دامنه لرزش افزایش می یابد و سپس قبل از رسیدن به دامنه بهینه کاهش می یابد ، اما با افزایش سرعت کشویی نسبی کاهش می یابد. نیروی اصطکاک فوری پدیده ناگهانی را نشان نمی دهد. پیش نیازهای کاهش اصطکاک ناشی از AOT این است که سرعت کشویی نسبی باید کمتر از حداکثر سرعت لرزش محوری باشد. مدل حاضر می تواند کمی لرزش محوری و رابطه بین نیروی اصطکاک و تغییر شکل آسمان در هنگام حفاری کشویی را توصیف کند ، و همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل تغییرات نیروی اصطکاک در زمان واقعی استفاده شود. علاوه بر این ، این مدل می تواند یک محاسبه کمی برای پیش بینی مقاومت اصطکاک در حفاری افقی ارائه دهد.

معرفی

بررسی کشیدن و گشتاور بین یک مته و سنگ مته یک موضوع اصلی تحقیق در مهندسی حفاری است. مقاومت در برابر اصطکاک بالا هنگامی مشاهده می شود که چاههای ساختاری پیچیده (مانند چاه های افقی ، چاه های دسترسی گسترده و چاه های چند جانبه) با استفاده از حالت کشویی حفر می شوند و در نتیجه میزان نفوذ کم (ROP) و فاصله فرمت نهایی (لی ، 1998). تحقیقات تریبولوژی به سمت ترکیبی از تجزیه و تحلیل و کنترل حرکت کرده است و حتی به کنترل خصوصیات تریبولوژیکی نیز گسترش یافته است (ون و هوانگ ، 2002). با استفاده از آزمایشات و روشهای نظری ، بسیاری از مطالعات نشان داده اند که ارزش و جهت نیروهای اصطکاک را می توان با استفاده از ارتعاشات کاربردی با فرکانس بالا و دامنه کم اصلاح کرد (Pohlman and Lehfeldt ، 1966 ، Godfrey ، 1967 ، Hess and Soom ، 1991 ، Grudziński andکوستک ، 2005). محققان نتیجه گرفته اند که نیروی اصطکاک با استفاده از ارتعاشات محوری نسبت به ارتعاشات جانبی به طور مؤثر کاهش می یابد. بنابراین ، تحریک لرزش محوری برای پرداختن به اصطکاک زیاد ناشی از حفاری چاههای ساختاری پیچیده در حالت کشویی به یک ابزار فنی مؤثر در توسعه پیچیده نفت و گاز تبدیل شده است (نیومن و همکاران ، 2009 ؛ بارتون و همکاران ، 2011 ، عللی وبارتون ، 2011 ، مک کارتی و همکاران ، 2009).

ابزار نوسان محوری (AOT) ، از یک ابزار Downhole ، اغلب برای تولید ارتعاشات محوری برای بهبود راندمان انتقال وزن روی بیت (WOB) و کاهش اصطکاک بین مونتاژ سوراخ پایین (BHA) و حفره در حین حفاری استفاده می شود. بشردر سالهای اخیر ، استفاده از ابزارهای AOT به سرعت در مزارع اصلی نفتی در داخل و خارج از کشور گسترش یافته است (مک کارتی و همکاران ، 2009 ، زو و همکاران ، 2013 ، لیو و لی ، 2012 ، لی ، 2014). با این حال ، مهندسان حفاری بیشتر علاقه مند به سوءاستفاده از تأثیر کاهش اصطکاک ناشی از لرزش و کاربردهای میدانی آن هستند و ممکن است بر درک کاملی از مکانیسم کاهش اصطکاک ناشی از لرزش تأکید نکنند. National Oilwell Varco (نوامبر) و گزارش های داخلی چین حاکی از آن است که توانایی AOT برای تبدیل اصطکاک استاتیک به اصطکاک پویا ، کلید کاهش اصطکاک بود (Xu et al. ، 2013 ، Liu and Li ، 2012 ؛ Skyles et al. ،2012 ، Gee et al. ، 2015 ، Dong et al. ، 2014). با این حال ، Matunaga and Onoda ، 1992 ، Kumar and Hutchings ، 2004 ، and Leus and Gutowski (2008) نتیجه گرفتند که لرزش جهت اصطکاک فوری را تغییر می دهد و از این طریق کل اصطکاک تجربه شده در یک چرخه نوسان واحد را کاهش می دهد. Olofsson (1995) به طور تجربی یک پدیده میکرو لغزش بین سطوح تماس خشک در حین حرکت نوسان مشاهده کرد. تانی (1996) خاطرنشان كرد كه مدل اصطكاك كولوم برای تجزیه و تحلیل مشکلات تماس با میکرو لغزش مستقیماً قابل اتخاذ نیست. Broniec and Lenkiewicz ، 1982 ، Littmann et al. ، 2001a ، Littmann et al. ، 2001b ، and Kumar and Hutchings (2004) به طور تجربی مکانیسم کاهش اصطکاک ناشی از لرزش مماس را مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که نتایج به دست آمده در تحقیقات تجربی اختلافات آشکاری را در مقایسه با نیروی اصطکاک محاسبه شده برای مدلهای اصطکاک استاتیک نشان می دهد. این مدل های اصطکاک استاتیک به طور کلی مبتنی بر مدل کلاسیک کولوم است که در آن تغییر شکل تماس بین دو بدن که در رابطه با یکدیگر حرکت می کنند در نظر گرفته نمی شوند. با این حال ، Tsai و Tseng (2006) گزارش دادند که نتایج تعیین شده توسط مدل DAHL به خوبی با نتایج تجربی ذکر شده در بالا ارتباط دارد. دال (1976) یک مدل اصطکاک پویا را ارائه داد ، که ویژگی های تماس الاستیک و پلاستیک واقعی را در نظر گرفت. مدل DuPont (2002) و مدل Lugre (Canudas de Wit et al. ، 1995) پسوند مدل DAHL هستند ، اما چالش شناسایی پارامترها باعث استفاده از این مدل ها در مهندسی حفاری شده است.

علاوه بر این ، هیچ یک از این گزارش ها شامل یک مطالعه جامع در مورد لرزش محوری ، فرآیندهای کشویی و مشکل میکرو تماس نیست.

مطالعه حاضر ، تئوری میکرو تماس با مدل اصطکاک DAHL را برای تجزیه و تحلیل عملکرد کاهش اصطکاک AOT در هنگام حفاری کشویی ترکیب می کند. به وضعیت تماس واقعی بین AOT و سنگ Borehole پرداخته شده است. مکانیسم کاهش اصطکاک ناشی از ارتعاشات AOT با استفاده از مدل حاضر بررسی شده است و ویژگی های عملیاتی AOT نیز مورد بحث قرار گرفته است.

قطعه قطعه

فرم ها و مخاطبین سطحی

نظریه تغییر شکل تماس میکروسکوپی یک فرضیه آسایش را برای سطح تماس واقعی ارائه می دهد ، که فرض می کند که نیروی اصطکاک با تغییر شکل مماس بر روی سطح تماس ایجاد می شود. مدل های تماس میکروسکوپی ، مانند مدل G-W (Greenwood and Williamson ، 1966) و مدل M-B (Majumdar and Bhushan ، 1991) ، فرض می کنند که این رابط شامل یک هواپیما در یک طرف است که طرف دیگر شامل یک سطح خشن استتعداد زیادی از

برنامه محاسبه شبیه سازی

بر اساس مدل فوق الذکر ، برنامه های محاسباتی در محیط MATLAB/Simulink برای تسهیل شبیه سازی تغییرات در نیروی اصطکاک و نیروی محرکه در هنگام حرکت کشویی تحت تأثیر ارتعاشات محوری تحمیل شده تهیه شده است. شکل 4 ماژول محاسباتی را برای موردی که در آن نیروی اصطکاک مطابق با مدل DAHL تعیین می شود ، ارائه می دهد. ماژول محاسباتی از سه قسمت تشکیل شده است (I ، II و III). قسمت اول نمایانگر دیفرانسیل است

تأثیر سرعت کشویی_{شکل 7 اثرات آن را نشان می دهد که دامنه سرعت لرزش ثابت (V}آ

= 2. 5 میلی متر بر ثانیه) و سرعت کشویی مختلف در کاهش اصطکاک است. هنگامی که سرعت کشویی از دامنه سرعت لرزش بیشتر است ، نیروی اصطکاک آنی یکسان باقی می ماند و با اصطکاک کشویی و بدون هیچ گونه لرزش محوری برابر است. این نشان می دهد که لرزش محوری برای این شرایط نمی تواند به طور مؤثر بر اصطکاک غلبه کند. هنگامی که سرعت کشویی بیشتر از است

نتیجه گیری

یک مدل نظری برای تجزیه و تحلیل نیروی اصطکاک بر اساس مدل اصطکاک پویا و نظریه تغییر شکل تماس میکروسکوپی ارائه شده است. برای پرداختن به محدودیت های مدل Coulomb ، که بسیار محافظه کار است ، مدل DAHL در این مدل گنجانیده شده است تا تغییرات نیروی اصطکاک را در حین حفاری اسلاید تحت تأثیر ارتعاشات محوری تحمیل پیش بینی کند. یک برنامه محاسباتی برای حل مدل حاضر تهیه شده است. از این مدل می توان برای محاسبه استفاده کرد

تصدیق