The impact of vibration mechanism’ installation place on the process of retrieving stuck drill pipe

Abstract

Purpose. The present paper studies the dependence of the dynamic oscillatory movements in the area of drill string sticking on the parameters of vibrating mechanism and place of its installation in the heavy weight drill pipe. The authors focus specifically on conditions responsible for resonant vibrations excitation in the drill string, which facilitates the release of stuck drill pipe. The aim is to use the results of the research in the development of the method for vibrator application, to work out recommendations concerning the choice of its installation place in the heavy weight drill pipe, its tuning to the resonant frequency, the choice of induced force amplitude. Methods. The authors proposed a mathematical model of the drill string functioning with vibration mechanism installed into the heavy weight drill pipe. The vibrator is needed to eliminate sticking of the drilling tool. The suggested discrete-continuum model which takes wave processes into account allows to conduct grounded experimental research. Findings. The developed mathematical model served as the basis for designing a computer program aimed to visualize oscillatory processes taking place in the string of pipes, and to calculate basic dynamic and kinematic characteristics of the analyzed system. Frequency oscillation spectrum was calculated for the selected layout of the drill string and the resonant amplitudes at these frequencies. Originality. The proposed technique allows to significantly determine strains, stresses and safety margins in the arbitrary drill string section more accurately and to predict its sticking while drilling oil and gas boreholes. Practical implications. A specific method of selecting a place for the vibrator installation was elaborated. Recommendations concerning the choice of installation site, amplitude of excitation force, resonant frequencies for elimination of pipes’ sticking and prevention of drill strings destruction are provided.

Цель. Исследовать зависимости динамических характеристик колебательных движений в месте прихвата бурильной колонны от параметров вибрационного механизма и места его установки в утяжеленной бурильной трубе. Отдельно рассмотреть условия возбуждения резонансных колебаний в бурильной колоне. По результатам проведенных исследований разработать методику использования вибратора, рекомендации по выбору места его установки в утяжеленной бурильной трубе, настраивания на резонансную частоту, выбора амплитуды вынужденной силы. Методика. Для проведения экспериментальных исследований получена дискретноконтинуальная модель, в которой учтены волновые процессы. Предложенная математическая модель работы бурильной колонны с вибрационным механизмом, вмонтированным в утяжеленную бурильную трубу. Вибратор используется для ликвидации прихватов бурильного инструмента. Результаты. На основании этой модели составлена компьютерная программа с целью визуализации колебательных процессов, происходящих в колонне труб, и числового расчета основных кинематических и динамических характеристик исследуемой системы. Произведен расчет частотного спектра собственных колебаний для выбранной компоновки бурильной колонны, а также резонансных амплитуд на этих частотах. Научная новизна. Предложенная методика позволяет обеспечить существенное повышение точности определения усилий, напряжений и запасов прочности в произвольном сечении колонны труб и прогнозировать прихваты бурильных колонн при бурении нефтяных и газовых скважин. Практическая значимость. Приведена методика выбора места монтирования вибратора. Даны рекомендации по выбору места установки, амплитуды возбуждающей силы и резонансных частот для ликвидации прихвата труб и предупреждения разрушения бурильных колонн.

Мета. Дослідити залежності динамічних характеристик коливальних рухів у місці застрявання бурильної колони від параметрів вібраційного механізму та місця його установки в обтяжненій бурильній трубі. Окремо розглянути умови збурення резонансних коливань у бурильній колоні. За результатами проведених досліджень розробити методику застосування вібратора, рекомендації з вибору місця його встановлення в обтяжненій бурильній трубі, настроювання на резонансну частоту, вибору амплітуди збурювальної сили. Методика. Для проведення експериментальних досліджень отримана дискретноконтинуальна модель, в якій враховано хвильові процеси. Запропоновано математичну модель роботи бурильної колони з вібраційним механізмом, вмонтованим в обтяжену бурильну трубу. Результати. На основі математичної моделі складено комп’ютерну програму для візуалізації коливальних процесів, що відбуваються в колоні труб, та чисельного розрахунку основних кінематичних і динамічних характеристик досліджуваної системи. Розраховано частотний спектр власних коливань для вибраної компоновки бурильної колони, а також резонансні амплітуди на цих частотах. Наукова новизна. Запропонована методика дозволяє забезпечити суттєве підвищення точності визначення зусиль, напружень і запасів міцності у довільному перерізі колони труб, а також прогнозувати прихоплення бурильних колон при бурінні нафтових і газових свердловин. Практична значимість. Наведено методику вибору місця монтування вібратора. Розроблено рекомендації з вибору місця установки, амплітуди збуреної сили й резонансних частот для ліквідації прихоплень труб и попередження руйнування бурильних колон.