Bending vibrations of a heavy horizontal composite rotating shaft limited by a cylindrical baffle | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2022. № 79. DOI: 10.17223/19988621/79/12

Bending vibrations of a heavy horizontal composite rotating shaft limited by a cylindrical baffle

Drilling of wells, especially inclined and horizontal ones, is accompanied by the intense interaction of drilling tools with the borehole walls. Inborehole impacts negatively affect the drill pipe connections, electrical connections, strength characteristics of downhole motor structural elements, etc. The impact interaction of a drilling tool with a well is experimentally studied using a test bench, where the drilling tool sample is fixed in the middle of a heavy composite shaft arranged in cylindrical roller bearings. The rotating shaft is involved in the impact interaction with a cylindrical baffle due to bending vibrations. In this paper, a beam model of the described shaft is used to study the effect of the rotation speed, gravity forces, damping, and unbalance on the shaft motion. The research is carried out numerically using the ANSYS engineering software package. It is shown that the gravity forces shift the line of centers of gravity in shaft sections, relative to which it rotates. Damping, which is proportional to the speed, provides the shaft centering. The imbalance of the shaft causes bending vibrations. The possible modes of the shaft motion and the conditions for unstable motion are revealed. The mode of the shaft motion within a cylindrical baffle that ensures a steady periodic impact interaction is determined. This interaction induces elastic waves of the acceleration, transverse force and moments in the shaft.

Download file

Counter downloads: 29

Keywords

heavy rotating shaft, bending vibrations, impact interaction, acceleration waves, test bench, forward and backward whirl

Authors

Name	Organization	E-mail
Pestrenin Valeriy M.	Perm State National Research University	pestreninvm@mail.ru
Pestrenina Irina V.	Perm State National Research University	ipestrenina@gmail.com
Perelman Oleg M.	Novobur LLC	perelman@novobur.com
Fadeykin Aleksandr S.	Novobur LLC	fadeikin.as@novobur.com
Derkach Nikolay D.	Novobur LLC	nikolaiderkach@gmail.com

Всего: 5

References

Wolf S.F., Zacksenhouse M., Arlan A. Field Measurements of Downhole Drillstring Vibrations // Society of Petroleum Engineers. 1985. January. Art. 14330. doi: 10.2118/14330-MS

Macpherson J.D., Mason J.S., Kingman J.E.E. Surface Measurement and Analysis of Drillstring Vibrations While Drilling // Society of Petroleum Engineers. 1993. January. doi: 10.2118/25777-MS

Heisig G., Neubert M. Lateral Drillstring Vibrations in Extended-Reach Wells // Society of Petroleum Engineers. 2000. January. doi: 10.2118/59235-MS

Wang Y., Shen Y., Charter M., Skoff G. High Frequency Vibration Measurement Coupled with Time-Based Dynamic Simulations: New System to Predict/Solve Instability Issues // Society of Petroleum Engineers Annual Technical Conference and Exhibition, Amsterdam, The Netherlands, October 2014. SPE-170708-MS. doi: 10.2118/170708-MS

Хузина Л.Б., Фаткуллин Р.Х., Шайхутдинова А.Ф., Фахрутдинов Ш.Х., Еромасов А.В. Промысловые испытания компоновки низа бурильной колонны с усиленной динамической нагрузкой на долото // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 12. С. 20-24.

Xie D., Huang Z., Ma Y.,.., Kapitaniak M., Wiercigroch M. Nonlinear dynamics of lump mass model of drillstring in horizontal well // International Journal of Mechanical Sciences. 2020. V. 174. Ary. 105450. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105450

Pabon J., Wicks N., Chang Y., Dow B., Harmer R. Modeling transient vibrations while drilling using a finite rigid body approach // Society of Petroleum Engineers - SPE Deepwater Drilling and Completions Conference. 2010. P. 293-307. doi: 10.2118/137754-MS

Yigit A.S., Christoforou A.P. Coupled torsional and bending vibrations of actively controlled drillstrings // Journal of Sound and Vibration. 2000. V. 234 (1), P. 67-83. doi: 10.1006/jsvi.1999.2854

Vijayan K., Vlajic N., Friswell M.I. The influence of drillstring-borehole interaction on back ward whirl // Proceedings of ISMA 2014 - International Conference on Noise and Vibration Engineering on Uncertainty in Structural Dynamics 2014. 2014. P. 1267-1280. URL: https://www.researchgate.net/publication/267208240

Jansen J.D. Nonlinear dynamics of oil well drill strings : Thesis for PhD. Delft : Delft University Press, 1993. 241 р.

Сунцов В.В., Быков И.Ю., Заикин С.Ф. Исследование динамики КНБК в процессе бурения скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. № 2 (326). С. 10-15.

Деркач Н.Д., Пестренин В.М., Пестренина И.В. Влияние КНБК на динамику винтового забойного двигателя ,3P-240.NGT при бурении долотами большого диаметра // Нефть. Газ. Новации. 2017. № 11. С. 35-39.

Шадрина А.В. Теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в колонне труб при бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок : дис.. д-ра техн. наук : 25.00.14. Томск, 2014. 272 с.

Хузина Л.Б., Шайхутдинова А.Ф., Габзалилова А.Х. Аналитические исследования работы элемента динамической компоновки низа бурильной колонны // Нефтяная провинция. 2018. № 3 (15). С. 117-126. doi: 10.25689/NP.2018.3.117-126

Zhong W., Li S., Xiong Y., Fu J., Su Y. The Dynamics Characteristics and Strength Check of Drilling String in Ultra-deep Horizontal Well // Journal of Southwest Petroleum University. 2020. V. 42 (4). P. 135-143.

Li Z., Zhang C., Ren W., Ma J. Study of Radial Vibration Impact on Friction and Torque of Rotary Drill String // Shock and Vibration. 2020. Art. 8852530. doi: 10.1155/2020/8852530

Заляев М.Ф. Исследование вибрации при бурении скважин на термокарстовом газоконденсатном месторождении // Нефтегазовое дело. Геология. Геофизика. Бурение. 2015. Т. 13 (4). С. 36-40.

Заляев М.Ф., Ямалиев В.У. Исследования влияния искривления ствола скважины на колебательные процессы компоновки низа бурильной колонны // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Машиностроение и машиноведение. 2017. Т. 19, № 1 (2). С. 229-234.

Cunha A., Soize C., Sampaio R.Computational modeling of the nonlinear stochastic dynamics of horizontal drillstrings //Computational Mechanics. 2015. V. 56 (5). P. 849-878. doi: 10.1007/s00466-015-1206-6

Zhao D., Hovda S., Sangesland S. The effect of stick slip vibration on the backward whirl of bottom hole assembly in drillstring // Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2016. Art. OMAE 8, V008T11A042. doi: 10.1115/OMAE2016-54478

Christoforou A.P., Yigit A.S. Fully coupled vibrations of actively controlled drillstrings // Journal of Sound and Vibration. 2003. V. 267 (5). P. 1029-1045. doi: 10.1016/S0022-460X(03)00359-6

Yamaliev V., Imaeva E., Salakhov T. About the deep drilling equipment technical condition recognition method // Oil and Gas Business. 2009. № 1. P. 1-7. doi: 10.1.1.611.4021

Малюгин А.А., Казунин Д.В. Расчет колебаний бурильной колонны в режиме реального времени в составе тренажерных систем // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2017. Т. 13 (1). C. 91-101. doi: 10.21638/11701/spbu10.2017.109

Li W., Huang G., Ni H.,.., Huang B., Jiang W. Experimental study and mechanism analysis of the motion states of bottom hole assembly during rotary drilling // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. V. 195. Art. 107859. doi: 10.1016/j.petrol.2020.107859

Муртазин И.Р., Лукин А.В., Попов И.А. Исследование изгибных колебаний вращающихся валов с распределенными инерционными, упругими и эксцентриситетными характеристиками // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19 (4). С. 756-766. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-4-756-766

Деркач Н.Д., Перельман О.М., Пестренин В.М., Пестренина И.В., Коротаев А.Ю., Ландик Л.В., Мингараев В.Г., Фадейкин А.С. Балочная модель роторно управляемой системы с электродвигателем // Булатовские чтения : сб. ст. Краснодар : Юг, 2020. Т. 6: Технические и технологические разработки. Электрооборудование в нефтегазовой отрасли. С. 92-102. URL: http://id-yug.com/images/id-yug/Bulatov/2020/6/PDF/2020-6.pdf

Басов К.А. ANSYS : справочник пользователя. М. : ДМК Пресс, 2005. 640 с.

Леонтьев Н.В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармонического анализа : учеб.-метод. материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». Н. Новгород, 2006. 101 с.

Дьяков И.Ф., Чернов С.А., Черный А.Н. Метод конечных элементов в расчетах стержневых систем : учеб. пособие. Ульяновск : УлГТУ, 2010. 133 с.

Сильченко П.Н., Кудрявцев И.В., Гоцелюк О.Б., Новиков Е.С. Способ расчета протяженных тонкостенных конструкций с не осесимметричным поперечным сечением // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана : электронный журнал. 2014. № 11. С. 724-747. doi: 10.7463/1114.0737276

Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. 3-е изд. М. : Наука, 1991. 256 с.