Experimental Verification of Optimal Tripping Curve

Abstract

To dynamiske semianalytiske modeller ble foresl˚att av Hovda 2019 for ˚a minimere aksiale vibrasjoner involvert i en boreoperasjon. En for n˚ar borkronen er p˚a bunnen og en for n˚ar borkronen er over bunnen. Sistnevnte ble brukt som grunnlag for dette prosjektet, og det ble forsøkt ˚a eksperimentelt verifisere denne modellen. Denne modellen foresl˚ar en optimal ”innkjøringskurve” for borestrengen med hensyn til systemets egenfrekvens. Fremgangsm˚aten innebærer ˚a senke borestrengen med konstant akselerasjon til en forh˚andsdefinert maksimal hastighet, og deretter bremses med samme hastighet. En storskala eksperimentell infrastruktur som ligger p˚a NTNUPetroleumsteknisk-senter, ble brukt for ˚a eksperimentelt verifisere den optimale innkjøringskurven. Det eksperimentelle oppsettet best˚ar av en 66 meter foriringsrør sammen med en borestreng, vektrør, tilhørende sensorer og en programmerbar motor øverst for ˚a generere ønsket kurve. I følge modellen, n˚ar akselerasjonstiden er satt til perioden for systemets første egenfrekvens, eksisterer det et optimalt sted med minst vibrasjoner. Med andre ord forutsier modellen den raskeste innkjøringskurven med minst vibrasjoner. Eksperimentelle resultater viser imidlertid at denne ”optimale innkjøringskurven” skjer ved en lengre akselerasjons- og retardasjonsperiode enn modellen foresl˚ar. Forskjellen vil sannsynligvis være som et resultat av ˚a betrakte strukturen p˚a toppen og motoren som et stivt system uten vibrasjoner, noe som ikke er tilfelle i eksperimentoppsettet, og i mindre grad vibrasjoner den ved siden av borestrengen. En journalartikkel er skrevet basert p˚a denne forskningen og skal sendes til ”ELSEVIER-Journal of Petroleum Science and Engineering”.

Two dynamic-semi-analytic-lumped-multi-element models were proposed by Hovda 2019 to minimize the axial vibrations involved in a drilling operation. One for when the drill bit is on bottom and one for when the drill bit is off bottom. The latter has been used as the basis for this project and an attempt was made to experimentally verify this model. This model proposes an optimal tripping curve for the drill-string with respect to the eigenfrequency of the system. The procedure entails lowering the drill-string with constant acceleration to a predefined maximum velocity and then being decelerated at the same rate. The acceleration and deceleration periods are equal and no constant velocity exists in between. A large-scale experimental infrastructure situated at NTNU-Petroleumsteknisk-senter laboratory was employed to experimentally verify the optimal tripping curve. The experimental setup consists of a 66 meters cased whole alongside the drill-string, Bottom Hole Assembly (BHA), associated sensors, and a programmable motor at the top to generate the desired curve. According to the model, when the acceleration time is set to the period of the first eigenfrequency of the system, there exists a sweet spot with the least vibrations. In other words, the model predicts the fastest lowering curve with the least vibrations. However, the experimental results show that this ”optimal tripping curve” happens at a longer acceleration and deceleration period than proposed by the model. The difference is likely to be as a result of considering the top-side structure and engine as a rigid system with no vibrations which is not the case in the experimental setup and to a lower extent, it vibrates alongside the drill-string. A journal paper has been extracted out of this research and is submitted to ”ELSEVIER-Journal of Petroleum Science and Engineering”.