Study on the dynamic behavior of articulated flexible drilling tools in wellbore based on semi-implicit method

Technische Samenvatting: Studie naar het dynamisch gedrag van gelede flexibele boorinstrumenten in een boorgat op basis van de semi-impliciete methode

Probleemstelling
Gelede flexibele boorinstrumenten zijn cruciaal voor sidetracking in ultra-korte radius horizontale putten (USRHW's), met name voor de revitalisering van volwassen en verlaten olieputten. Hun compliant structuur, bestaande uit meerdere korte segmenten verbonden door kogelgewrichten, maakt ze echter zeer gevoelig voor bewegingen van starre lichamen (rigid-body displacements), plotselinge attitude-mutaties en hevige trillingen tijdens het boren. Bestaand onderzoek heeft zich voornamelijk gericht op structureel ontwerp en statische analyse, waardoor er een lacune is in dynamische onderzoekingen. De dynamische analyse van deze instrumenten wordt bemoeilijkt door rand-nietlineariteiten die voortvloeien uit meerlaagse contacten (tussen de flexibele boorpijp, de geleideschermpijp en het boorgat) en de computationele uitdagingen die gepaard gaan met het oplossen van massieve Jacobiaan-matrices voor kinematische beperkingen in grootschalige multi-body systemen. Conventionele volledig impliciete algoritmen kampen onder deze complexe omstandigheden vaak met een slechte convergentie.

Methodologie
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben de auteurs een uitgebreid numeriek kader ontwikkeld dat combineert met de dynamica van flexibele multibody-systemen en een semi-impliciete oplossingsstrategie.

1. Mechanische Modellering:

   • Flexibele Boorpijp: Gemodelleerd als een variabele sectie gelede balk. Elk segment wordt gediscretiseerd in ruimtelijke balkelementen. Kinematische beperkingsvergelijkingen voor de scharnierverbindingen worden geïntroduceerd met behulp van de Lagrange-multiplier methode om translationele en rotationele continuïteit af te dwingen.
   • Geleideschermpijp: Gemodelleerd als een gecombineerde balk met excentrische interfaces door variabele dwarsdoorsneden. Kinematische koppelingsvergelijkingen worden geformuleerd om verplaatsing en lastcompatibiliteit tussen aangrenzende segmenten te waarborgen.
   • Contactmodellering: Een twee-laags dynamisch gap-elementmodel wordt toegepast om botsing en contact te simuleren. De binnenste laag vangt interacties op tussen de flexibele boorpijp en de geleideschermpijp, terwijl de buitenste laag het contact modelleert tussen de geleideschermpijp en de boorgatwand.

2. Numerieke Oplossingsstrategie:

   • De studie stelt een semi-impliciet oplossingsalgoritme voor als een adaptief hybride framework.
   • Het proces begint met een robuuste impliciete solver (Newmark-methode gecombineerd met Newton-Raphson iteratie).
   • Als het impliciete schema faalt om te convergeren vanwege ernstige nietlineariteiten (bijv. contactimpacten), schakelt het algoritme automatisch terug naar de laatst geconvergeerde staat en schakelt het over naar een semi-impliciete (expliciete) formulering met behulp van de Central Difference Method.
   • Zodra de gelokaliseerde tracking-obstakels zijn overwonnen, schakelt het algoritme terug naar het impliciete framework. Deze aanpak maakt gebruik van de stabiliteit van impliciete methoden en de efficiëntie van expliciete methoden voor het afhandelen van contact-nietlineariteit.

3. Validatie:

   • Het voorgestelde computationele framework werd gevalideerd tegenover een exacte analytische oplossing afgeleid voor een vereenvoudigde multi-segment gelede planaire dynamische balk. De numerieke resultaten vertoonden een maximale relatieve fout van 5,75% in dynamische doorbuiging, wat de nauwkeurigheid van het model bevestigt.

Belangrijkste Resultaten
De studie voerde een dynamische analyse uit van het boren van ultra-korte radius horizontale putten, waarbij de nadruk lag op de interacties tussen de flexibele boorpijp, de geleideschermpijp en het boorgat.

• Dynamisch Gedrag: De flexibele boorpijp induceert laterale oscillaties in de geleideschermpijp. De boorpijp vertoont periodiek, intermitterend botsings-impactgedrag met de geleideschermpijp, terwijl de geleideschermpijp een continu lijncontactgedrag handhaaft met de boorgatwand.
• Effecten van Axiale Kracht (Boordruk):
  • Het verhogen van de bovenste axiale kracht (boordruk) heeft een remmend effect op de amplitude van de laterale oscillatie van de gelede instrumenten.
  • Echter, deze verhoogde axiale kracht verergert de gelokaliseerde randbeperkingen aanzienlijk, wat leidt tot een substantiële toename van de gemiddelde en maximale instantane botsingskrachten tussen de geleideschermpijp en het boorgat.
  • Hogere axiale krachten verhogen ook de axiale krachtverliesratio en de inclinatie-reducerende kracht bij de boorkop, terwijl ze de azimuth-reducerende kracht verminderen.
• Effecten van Rotatiesnelheid:
  • Rotatiesnelheid heeft een relatief kleine impact op de totale laterale verplaatsingsrange van de gelede instrumenten.
  • Echter, het verhogen van de rotatiesnelheid vergroot het laterale bewegingsbereik van de flexibele boorpijp, wat op zijn beurt de laterale beweging van de geleideschermpijp vergroot.
  • Hogere snelheden leiden tot heftigere fluctuaties in de rotatiesnelheid aan het uiteinde (stick-slip oscillatie) en verhogen de frequentie van azimuthale oscillaties bij de boorkop, wat nadelig is voor de laterale stabiliteit.
• Contactmechanica: De meest ernstige contactimpacten treden op bij specifieke putinclinatiehoeken (bijv. 2,74° voor interne pijpbotsingen en 40° voor geleidescherm-naar-boorgat botsingen). De transversale sleuven in de geleideschermpijp ervaren hoogfrequente oscillerende contactkrachten, met name bij de structurele uiteinden.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de voorgestelde semi-impliciete oplossingsstrategie effectief de convergentieknelpunten overwint die geassocieerd worden met het oplossen van de dynamische regeringsvergelijkingen van gelede flexibele boorinstrumenten onder complexe contactcondities. Door een twee-laags contactdynamisch model en een robuuste numerieke berekeningsmethode vast te stellen, biedt de studie:

1. Theoretisch Inzicht: Een dieper begrip van de dynamische mechanismen van gelede flexibele boorinstrumenten onder complexe downhole belastingen, specifiek met betrekking tot de koppeling tussen flexibele boorpijpen en geleideschermpijpen.
2. Engineering Toepassing: De resultaten bieden waardevolle theoretische referenties voor de veilige constructie van ultra-korte radius horizontale putten. Specifiek suggereren de bevindingen dat hoewel het verhogen van de boordruk de laterale afwijking kan onderdrukken, dit in balans moet worden gebracht met het risico op verhoogde contactkrachten en slijtage. Evenzo is het optimaliseren van de rotatiesnelheid cruciaal voor het beheren van de azimuthale stabiliteit en het verminderen van trillingen.
3. Ontwerpoptimalisatie: De studie ondersteunt het optimalisatieontwerp van trillingsreductie van boorinstallaties en de verfijning van trajectcontrole, met als doel het succespercentage van de voltooiing van volwassen en verlaten putten te verbeteren en de integrale boorkosten te verlagen.

De auteurs concluderen dat hun werk een robuust theoretisch referentiekader biedt voor het ontwerp en de analyse van gelede flexibele boorinstrumenten, waarmee een kritieke lacune in de dynamische analyse van deze systemen wordt opgevuld.