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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2012.tde-26112012-084201
Document
Author
Full name
Hugo Leonardo Salomão Monteiro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2012
Supervisor
Committee
Trindade, Marcelo Areias (President)
Balthazar, José Manoel
Nicoletti, Rodrigo
Title in Portuguese
Análise de desempenho de diferentes leis de controle de vibrações torcionais em colunas de perfuração de poços de petróleo
Keywords in Portuguese
Controle de velocidade
Controle de vibrações torcionais
Dinâmica de colunas de perfuração
Fenômeno stick-slip
Otimização
Perfuração de poços de petróleo
Abstract in Portuguese
O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração.
Title in English
Performance analysis of different control laws for torsional vibrations in oil wells drillstrings
Keywords in English
Drill-string dynamics
Oil well drilling
Optimization
Speed control
Stick-slip
Torsional vibration control
Abstract in English
The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.
 
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Publishing Date
2012-11-27
 
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  • MONTEIRO, H.L.S., e TRINDADE, M.A. Técnicas de controle de perfuração de poços de petróleo para atenuar fenômenos não-lineares de stick-slip. In VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CONEM), São Luís, 2012. VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CONEM). : ABCM, 2012.
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