بررسی اثر گل حفاری بر ارتعاشات ساقه‌های مته

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، دانشکده مکانیک

چکیده

در این مقاله، تأثیر وجود گل حفاری و سرعت حرکت آن بر ارتعاشات ساقه مته، مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر ارتعاشات طولی و عرضی ساقه مته با در نظر گرفتن نیروی وزن، نیروی وارده از کف و دیواره چاه و نیروهای وارده از طرف سیال، استخراج شده است. این معادلات از طریق نوشتن معادلات انرژی‌های پتانسیل و جنبشی سیستم و به دست آوردن کار انجام شده توسط نیروهای خارجی بر روی سیستم حاصل شده است. سپس به کمک روش جمع حالت‌ها و استفاده از رابطه لاگرانژ، معادلات با مشتقات جزیی سیستم، به معادلات با مشتقات زمانی تبدیل شده است. با انجام این کار، دبی‌های گل حفاری و نیروهای محوری وارده از کف چاه که می‌توانند باعث کمانش در ساقه‌های مته شوند، محاسبه شده‌اند. فرکانس طبیعی و نیروی محوری و دبی‌های لازم برای کمانش، با مقدار ارائه شده در مراجع مطابقت دارند. نتایج حاصل نشان دهنده آن است که فرکانس طبیعی ساقه مته با افزایش دبی گل کاهش می‌یابد. همچنین گل حفاری مانند یک جرم و میرایی معادل عمل کرده و با افزایش سرعت آن، اثر جرم و میرایی آن بیشتر شده و ارتعاشات ساقه مته در هر دو حالت زیرکمانش و فراکمانش، زودتر میرا می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Effect of Drilling Mud on the Vibration of Drill String

نویسندگان [English]

  • Reza Kazami
  • Ali Asghar Jafari
  • Mohammad Faraji Mahyari
Department of Mechanical Engineerireg, Khajeh Nasir Toosi Univercity of Tecnology
چکیده [English]

In this paper, the effect of drilling mud and its velocity on the vibration of drill string is studied. Considering drill string weight, weight on bit, borehole interaction, and drilling mud forces, the vibrational equations of drill string in axial and lateral directions are derived. These equations are derived by kinetic and potential energy of drill string and the works of external forces. Using mode summation methods and Lagrangian formula, these equations with partial derivative are converted to equations with time derivative. By these equations, the drilling mud flow rate and weight on bit, which lead to drill string buckling, can be found. Natural frequencies, drilling mud flow rate, and weight on bit for buckling are verified by the validated results. The results show that the natural frequencies decrease as the drilling mud flow rate increases. Also, drilling mud acts as mass and damper; these effects of drilling mud increase as drilling mud flow rate rises. These effects cause more damping in drill string vibration in both pre-buckling and post-buckling.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drill String
  • Drilling Mud
  • Vibration
  • Buckling
  • Wall Contact
مراجع

[1]. Jansen J. D., “Non-linear rotor dynamics as applied to oil well drill string vibrations”, Journal of sound and vibration, Vol. 147(1), pp. 115-135, 1990.

[2]. Jasen J. D., and Van Den Steen L., “Active damping of self excited torsional vibrations in oil well drill strings”, Journal of sound and vibration, Vol. 179(4), pp. 647-668, 1993.

[3]. Yigit S., and Christoforou A. P., “Coupled axial and transverse vibration of oil well drill string”, Journal of sound and vibration, Vol. 195(4), pp. 617-627, 1996.

[4]. Yigit A. S., and Christoforou A. P., “Dynamic modeling of rotating drill strings with borehole interactions”, Journal of sound and vibration, Vol. 206(2), pp. 243-260, 1997.

[5]. Khuleif Y. A., and Al-naser H., “Finite element dynamic analysis of drill strings”, Finite element analysis and design, Vol. 41, pp. 1270-1288, 2005.

[6]. Paidoussis M. P., and Issid N. T., “Dynamic stability of pipes conveying fluid”, Journal of sound and vibration, Vol. 33(3), pp. 267-294, 1973.

[7]. Paidoussis M. P., “Dynamics of flexible slender cylinders in axial flow”, Part 1. Experiment, Journal of fluid mechanics, Vol. 26(4), pp 736-753, 1966.

[8]. K. Gu, and Tongue B. H., “A method to improve the modal convergence for structures with external forcing”, Journal of applied mechanics, Vol. 54, pp. 904-909, 1987.

[9]. Timoshenko, Theory of elastic stability, McGraw Hill. 1961.