МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ БУРОВОЙ КОЛОННЫ МЕТОДОМ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ
DOI:
https://doi.org/10.26577/JMMCS.2022.v115.i3.012Ключевые слова:
буровая колонна, нелинейность, колебания, метод сосредоточенных параметров, параллельное программированиеАннотация
Моделируется движение буровых колонн при разработке геотехнологических скважин в добывающей промышленности методом сосредоточенных параметров (МСП). Данный метод широко применяется в строительной механике и наиболее оправдан при моделировании динамических систем с переменной структурой. На примере горизонтального бурения геотехнологических скважин рассмотрены продольные колебания буровой колонны со статической сжимающей нагрузкой на ее левом конце [1]. Учтены контактное взаимодействие буровой колонны со стенками скважины и сила инерции долота на разрушаемую породу на правом конце колонны. Посредством верификации полученных результатов с ранее известными данными [1] проведен анализ числа разбиений колонны, задающий размерность системы дискретных уравнений. Для верификации использовалось разработанное программного обеспечение на C#, позволяющее определить погрешность производимых разбиений колонны в сравнении тестовыми данными. Определено оптимальное число разбиений колонны с точки зрения «вычислительное время-погрешность расчета». Численная реализация модели осуществлена методом Рунге-Кутта 4-го порядка. В связи с увеличением времени реализации программного кода за счет роста размерности системы произведена оптимизация численного алгоритма с применением средств параллельного программирования. Проведен анализ целесообразности данной оптимизации.
Библиографические ссылки
[2] International Association of Drilling Contractors IADC Drilling Manual, (USA: Technical Toolboxes Inc, 2000).
[3] Basarygin Yu.M., Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. (2002) Burenie neftianykh i gazovykh skvazhin [Drilling of oil and gas wells] (M.:Nedra-Biznescentr)
[4] Willoughby D.A., Horisontal directional drilling, (USA: The McGraw-Hill Companies Inc, 2005).
[5] Ritto T.G., Sampaio R., “Stochastic drill-string dynamics with uncertainty on the imposed speed and on the bit-rock parameters”, Int. J. Uncertain. Quantification. 2(2) (2012): 111-124.
[6] Lobo D.M., Ritto T.G., Castello D.A., “Stochastic analysis of torsional drill-string vibrations considering the passage from a soft to a harder rock layer”, J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 39(6) (2017): 2341-2349.
[7] Jialin T., Yinglin Ya., Lin Ya., “Vibration characteristics analysis and experimental study of horizontal drill string with wellbore random friction force”, Arch. Appl. Mech. 87 (2017): 1439-1451.
[8] Zhanghua L., Qiang Zh., Tiejun L., Fuhui W., “Experimental and numerical study of drill string dynamics in gas drilling of horizontal wells”, J. Nat. Gas Sci. Eng. 27 (2015): 1412-1420.
[9] Tiejun L., Qiang Zh., Zhanghua L., Zhou X., Tao W. , Gao Li., Jiandong D., “Experimental study on vibrational behaviors of horizontal drillstring”, J. Pet. Sci. Eng. 164 (2018): 311-319.
[10] Kh.A. Sarsenbayev, B.S. Khamzina, G.A. Koldassova, G.B. Issayeva (2017) Primenenie biopolimernykh rastvorov dlia effektivnogo vskrytiia produktivnykh gorizontov gorizontalnykh skvazhin [Application of biopolymer drilling fluid for effective opening productive horizons horisontal wells]. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series Physico-mathematical, vol. 312, no. 2, pp. 161-165.
[11] Salehi M.M., Moradi H., Nonlinear multivariable modeling and stability analysis of vibrations in horizontal drill string”, Appl. Math. Model. 71 (2019): 525-542.
[12] Yiwei H., Zhijiu A., YuchunK., Jianxun L., Wenwu Ya., “Nonlinear dynamic modeling of drill string in horizontal well -A geometrically exact approach”, J. Pet. Sci. Eng. 172 (2019): 1133-1152.
[13] Sadler J.P., A lumped parameter approach to the kineto-elastodynamic analysis of mechanisms ( USA: Rensselaer Polytechn. Institute, 1971)
[14] Sadler J.P., Sandor G.N., “A Lumped parameter approach to vibration and stress analysis of elastic linkages” , J. Eng. Ind. 95(2) (1973): 549-557.
[15] Sadler J.P., Sandor G.N., “Nonlinear vibration analysis of elastic four-bar linkages”, J. Eng. Ind. 96(2) (1974): 411-419.
[16] Sadler J.P., “On the Analytical Lumped-Mass Model of an Elastic Four-Bar Mechanism”, J. Eng. Ind. 97(2) (1975): 561-565.
[17] Wang Y., Huston R.L., “A lumped parameter method in the nonlinear analysis of flexible multibody systems”, Comput. Struct. 20(3) (1994): 421-432.
[18] Salinic S., Nikolic A., “On the free vibration of a multiplestepped cantilever beam”, Fourth Serbian (29th Yu) Congress on Theoretical and Applied Mechanics, Serbia, 4-7 June 2013.
[19] Giorgio I., Dionisio D.V., “Non-linear lumped-parameter modeling of planar multi-link manipulators with highly flexible arms”, Robotics 7(4) (2018): 60.
[20] Khajiyeva L., Sergaliyev A., “About discretization of the horizontal drill-string model with uncertainty on the frictional force by the lumped parameters method”, Appl. Mech. Mater. 665 (2014): 589-592.
