Analysis and Control of Oilwell Drilling Vibrations: A Time-Delay Systems Approach

این کتاب نتایج کار تحقیقاتی جامع در مورد مدل‌سازی و کنترل سیستم‌های حفاری چاه نفت عمودی را گزارش می‌کند. تمرکز آن بر تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی سیستم و حذف مضرترین حالت‌های ارتعاش رشته مته است که بر عملکرد کلی سوراخ تأثیر می‌گذارند: لغزش چسبنده (ارتعاش پیچشی) و bit-bounce (ارتعاش محوری). متن در سه بخش سازماندهی شده است.

بخش اول، مدل‌سازی، مدل‌های پارامترهای توده‌ای و توزیع‌شده را ارائه می‌کند که اجازه می‌دهد رفتار دینامیکی رشته مته مشخص شود. یک مدل ریاضی جامع با در نظر گرفتن اجزای مکانیکی و الکتریکی سیستم کلی حفاری نیز ارائه شده است. ماهیت توزیع شده سیستم با در نظر گرفتن سیستمی از معادلات موجی که تحت شرایط مرزی غیرخطی هستند، تطبیق داده می شود. این مدل به یک جفت معادله تاخیر زمانی نوع خنثی تبدیل می شود که می تواند بر پیچیدگی موجود در تحلیل و شبیه سازی مدل معادلات دیفرانسیل جزئی غلبه کند.

بخش دوم، تجزیه و تحلیل، به مطالعه پاسخ سیستم توصیف شده توسط مدل تاخیر زمانی؛ خواص مهم مفید برای تجزیه و تحلیل پایداری سیستم بررسی شده و تکنیک‌های حوزه فرکانس و زمان بررسی می‌شوند.

بخش سوم، کنترل، مربوط به طراحی قوانین کنترل تثبیت‌کننده با هدف حذف ارتعاشات حفاری نامطلوب است. تکنیک‌های کنترل متنوع بر اساس نمایش‌های سیستم بی‌بعدی طراحی و ارزیابی می‌شوند. نشان داده شده است که پیشنهادات کنترلی در سرکوب لغزش چوب و پرش بیت موثر هستند، به طوری که می توان به بهبود قابل توجهی در عملکرد کلی حفاری دست یافت.

این کتاب مستقل دستورالعمل های عملیاتی را برای جلوگیری از ارتعاشات حفاری ارائه می دهد. . علاوه بر این، از آنجایی که تکنیک‌های مدل‌سازی و کنترل ارائه‌شده در اینجا را می‌توان برای درمان مشکلات مهندسی متنوع تعمیم داد، منبع مفیدی برای محققانی است که روی کنترل و کاربرد مهندسی آن در حفاری چاه‌های نفت کار می‌کنند.

This book reports the results of exhaustive research work on modeling and control of vertical oil well drilling systems. It is focused on the analysis of the system-dynamic response and the elimination of the most damaging drill string vibration modes affecting overall perforation performance: stick-slip (torsional vibration) and bit-bounce (axial vibration). The text is organized in three parts.

The first part, Modeling, presents lumped- and distributed-parameter models that allow the dynamic behavior of the drill string to be characterized; a comprehensive mathematical model taking into account mechanical and electric components of the overall drilling system is also provided. The distributed nature of the system is accommodated by considering a system of wave equations subject to nonlinear boundary conditions; this model is transformed into a pair of neutral-type time-delay equations which can overcome the complexity involved in the analysis and simulation of the partial differential equation model.

The second part, Analysis, is devoted to the study of the response of the system described by the time-delay model; important properties useful for analyzing system stability are investigated and frequency- and time-domain techniques are reviewed.

Part III, Control, concerns the design of stabilizing control laws aimed at eliminating undesirable drilling vibrations; diverse control techniques based on infinite--dimensional system representations are designed and evaluated. The control proposals are shown to be effective in suppressing stick-slip and bit-bounce so that a considerable improvement of the overall drilling performance can be achieved.

This self-contained book provides operational guidelines to avoid drilling vibrations. Furthermore, since the modeling and control techniques presented here can be generalized to treat diverse engineering problems, it constitutes a useful resource to researchers working on control and its engineering application in oil well drilling.