Моделювання механізму взаємодії бурового долота з гірською породою
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-294-8-45-51Ключові слова:
керування, автоматизація, буріння, свердловина, вібрація, моделювання, характеристикиАнотація
У дослідженні виконано моделювання основних складових взаємодії бурового долота з гірською породою при бурінні свердловин в процесі розробки рудних покладів для формування інформаційної бази автоматизованого керування буровою установкою. При обертальному способі буріння має місце реалізація п'яти механізмів взаємодії робочого органу установки з гірською породою: втискання інструменту; зріз шару породи; ударне сколювання породи; тертя інструменту об стінки свердловини; видалення бурового щламу із вибою. Наведені механізми взаємодії робочого органу бурової установки з гірською породою призводять до складної динаміки рухів її основних функціональних блоків, що включає обертальні та поступальні складові. Її динамічна модель може бути представлена у вигляді сукупності з'єднаних елементарних базових коливальних блоків, що складаються з пружини (засобу для зберігання потенційної енергії), маси або інерції (засобу для зберігання кінетичної енергії) та демпфера (засобу, за допомогою якого енергія поступово губиться). Математичну модель бурової установки можна представити рівнянням руху приводної системи в надземній частині, рівнянням руху бурового інструменту в свердловинній частині та рівнянням взаємодії долота з гірською породою. Механізм руйнування гірської породи в процесі буріння свердловин носить яскраво виражений динамічний характер енергоємної контактної взаємодії, впродовж якої кожен елемент долота є джерелом високоамплітудних віброакустичних коливань, які в сукупності характеризують цей процес. Запропоновано моделі як обертальної, так і поступальної складових взаємодії. Супутнім ефектом обертальної складової є «прихват-прослизання» бурового інструменту, яке відбувається, коли механізм зачеплення бурового долота з пластом має нелінійний характер. Це змушує всю бурову колону ковзати або зупинятися. Однак, якщо накопичена крутильна енергія досягне певного рівня, долото раптово відпускається і починає обертатися з високою швидкістю. Результуюча торсіонна біжуча хвиля передається у верхню частину системи обертання. Також змодельовано аксіальний рух основних структурних складових бурової установки в залежності від динаміки бурового інструменту.
Посилання
1. Bourgoyne A. T., Millheim K. K., Chenevert M. E. and Young F. S. Rotary Drilling Bits, in Applied Drilling Engineering, SPE Textbook Series no. 2 Richardson, TX, USA: Society of Petroleum Engineers, 1986, ch. 5.
2. National Oilwell Varco. RockForce™ Bits in Products, 2014 [online]. Available: http://www.nov.com/Segments/Wellbore_Technologies/Downhole/Drill_Bits/Roller _Cone/RockForce_Bits/RockForce.aspx.
3. Liou J. The Hughes Christensen Talon PDC, 2016 [online]. Available: http://www.drillingcontractor.org/new-bits-look-beyond-design-at-overall-wellbore16693.
4. Warren T. M. Penetration-Rate Performance of Roller-Cone Bits. SPE Drill Eng 2, 1987, p. 9–18. doi: https://doi.org/10.2118/13259-PA.
5. Patil P. A., Teodoriu C. Analysis of Bit–Rock Interaction During Stick–Slip Vibration Using PDC Cutting Force Model. OIL GAS European Magazine 3/2013, p. 124-129. https://www.researchgate.net/publication/271192233_Analysis_of_Bit-Rock_Interaction_ During_Stick-Slip_Vibration_Using_PDC_ Cutting_ Force_Model.
6. Detournay D., Defourny P. A phenomenological model for the drilling action of drag bits. International Journal of Rock Mechanics and Geomechanics.1992, vol. 29, no. 1, p. 13–23. https://doi.org/10.1016/0148-9062(92)91041-3.
7. Kessai I., Benammar S., Doghmane M.Z., Tee K.F. Drill Bit Deformations in Rotary Drilling Systems under Large-Amplitude Stick-Slip Vibrations. Applied Science. 2020, 10, 6523. https://doi.org/10.3390/app10186523.
8. Zhou Z., Hu, Y., Liu B., Dai K., Zhang Y. Development of Automatic Electric Drive Drilling System for Core Drilling. Applied Science. 2023, 13, 1059. https://doi.org/10.3390/app13021059.
9. Simscape Block Libraries. https://se.mathworks.com/help/simscape/ug/introducing-the-simscape-block-libraries.html.
10. Rotational Friction. https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/rotationalfriction.html
11. Armstrong B. and C.C. de Wit. Friction Modeling and Compensation, The Control Handbook, CRC Press, 1995.
12. Mechanical Rotational System with Stick-Slip Motion. https://www.mathworks.com/help/ simscape/ ug/mechanical-rotational-system-with-stick-slip-motion.html
