A Lumped Multi-element Model for Analysing the Effects of the Top Drive Mass and the Drill Line Elasticity

Abstract

Heisespillet i boreta ̊rnet har enda ikke blitt inkludert i de eksisterende multi-element mod- ellene for aksielle vibrasjoner av borestrengen. Eksperimentelle resultater tyder derimot pa ̊ at heisespillet kan ha en effekt pa ̊ de aksielle nedihulls vibrasjonene. Pa ̊ bakgrunn av dette har det blitt utviklet en dynamisk multi-element modell, hvor heisespillet er inklud- ert. Modellen er basert pa ̊ et konvensjonelt heisespill, hvor de to hoved komponentene er boremaskinen og vaieren som trekke den. Denne modellen er derfor en forlengelse av eksisterende modeller av Hovda 2018. Det er derimot blitt gjennomført betydelige justeringer for a ̊ ta hensyn til heisespillet. Disse justeringene omfatter matematiske utreg- ninger og kode implementering. Resultatene fra den fysiske undersøkelsen av modellen indikerer at det er en tydelig sammenheng mellom borestrengs vibrasjoner og heisespillet. Den største observasjonen fra dette studiet er høyfrekvente vibrasjoner som fora ̊rsakes av den tunge boremaskinen. En grundig analyse av disse vibrasjonene indikerer at frekvensen er tilnærmet lik kvadra- troten av elastisiteten i vaieren delt pa ̊ massen av boremaskinen. En sammenligning av effekten fra en tung BHA og en tung boremaskin konstaterer at en tung BHA har en større innflytelse pa ̊ den første egenfrekvensen til systemet. I tillegg ble effekten av en posision- savhengig og en konstant vaier stivhet sammenlignet. Resultatene viser til en neglisjerbar forskjell. Etter den fysiske undersøkelsen ble det gjennomført simuleringer basert pa ̊ realistiske boreparametere. Vibrasjonene som ble observert under disse simuleringene var neglis- jerbare. Dette kan grunnes i det faktum at borestrengen senkes sakte ned i hullet under normale operasjoner. Konklusjonen er derfor at disse vibrasjonene er minimale na ̊r en tilstrekkelig sakte fart opprettholdes under hele nedsenkningsprosedyren. En bevissthet rundt disse vibrasjonene er fremdeles viktig, spesielt med tanke pa ̊ sanntidsparametere som ma ̊les pa ̊ overflaten.

The hoisting system has been analyzed independently multiple times. However, it has not yet been accounted for in the existing lumped multi-element models for axial vibra- tions. Despite of this, experimental results indicate that the hoisting system can affect the axial vibrations. In order to further investigate this hypothesis, a dynamic lumped-multi- element model with the inclusion of the hoisting system has been developed in this thesis. The model is based on a conventional drawwork hoisting system, where the two main components of investigation are the top drive and the drill line wire. Hence, the model developed in this thesis is an extension of the model presented in Hovda 2018. However, extensive modifications have been conducted in order to account for the hoisting system. These modifications involve comprehensive mathematical derivations and code implemen- tation. The results from the physical interpretation of the model indicate a clear correlation be- tween the drillstring vibrations and the hoisting system. The main observation is the high frequency vibrations induced by the mass of the top drive. Moreover, a thorough analysis of these vibrations indicates that the frequencies can be approximated by the square root of the wire stiffness divided by the top drive mass. The comparison between a heavy BHA and a heavy top drive mass confirms that the BHA has a greater impact with regards to the first eigenfrequency. The effect of the wire stiffness as a function of the travelling block position was also investigated. The comparison between a position-dependent and a con- stant wire stiffness show insignificantly small differences. After the physical interpretation, simulations based on realistic drilling parameters were conducted. The vibrations observed in these simulations were insignificant. This is due to the slow speed applied during normal tripping procedures. Hence, the effect of the hoisting system is minimal for tripping procedures where a sufficiently low velocity is obtained. However, this study proves that the top drive is subjected to vibrations during tripping procedures. The awareness of such vibrations is important with regards to real time drilling parameters measured at the top-site.