ارتعاشات رشته حفاری

بررسی ارتعاشات ایجاد شده در رشته حفاری همانند دیگر ماشین دوار،از اهمیت خاصی برخوردار است. ارتعاشات یکی از عوامل موثر بر میزان عمر و همچنین عمل کرد رشته های حفاری می باشد.ارتعاشات موجود در رشته حفاری می تواند باعث ایجاد خستگی در آن شود و اگر این مقدار خستگی از حد مجاز فراتر رود،باعث شکست در رشته حفاری می شود. قیمت زیاد رشته حفاری و مشکلات خارج کردن رشته حفاری شکسته شده از چاه و همچنین صدمات جبران ناپذیری که در اثر شکست رشته حفاری به چاه وارد می شود،سبب شده تا شرکت های حفاری توجه زیادی به بررسی ارتعاشات رشته های حفاری نمایند. همچنین ارتعاشات ایجاد شده در رشته حفاری می تواند نرخ نفوذ آن در زمین را کاهش دهد و یا باعث انحراف رشته حفاری از مسیر از پیش تعیین شده برای آن شود.

در رشته های حفاری به طور هم زمان ارتعاشات طولی،عرضی و پیچشی وجود دارد. پیوستگی بین این سه نوع ارتعاش،باعث پیچیدگی مطالعه ارتعاشات رشته حفاری شده و سبب شده تا نتوان به طور کامل ارتعاشات رشته های حفاری را مدل سازی کرد. در ضمن وجود تماس رشته حفاری با دیواره چاه،طول زیاد رشته حفاری و احتمال کمانش آن در قسمت های انتهایی،وجود گل حفاری در اطراف و داخل رشته حفاری،چسبش و لغزش تیغه مته در سنگ و وارد آمدن ضربه های پیچشی به رشته حفاری،ضربه های وارد آمدن ضربه های پیچشی به رشته حفاری،ضربه های وارده به رشته حفاری در اثر جهش تیغه مته در هنگام رها شدن از تماس با سنگ و.... باعث مضاعف شدن پیچیدگی بررسی ارتعاشات رشته های حفاری شده است.

در فصل اول اين پروژه مدل ديناميكي كوپل شده بين ارتعاشات پيچشي و خمشي رشته حفاري استخراج گرديده و سپس مورد بررسي قرار مي گيرد. رشته حفاري با تجهيزات بالا و پايين آن (مته، پايدار كنندها،لوله ها و...) به صورت سيستم سه درجهآزادي مدل گرديده است . رشته به صورت يك فنر پيچشي كه ممانهاي جرمي معادل مته و ميزدوار، پايداركننده ها وديگر اجزادر بالا و پايين آن قرار دارند در نظر گرفته شده است. اصطكاك، غير خطي و بصورت پيوسته مدل شده است .علاوه بر اينبخشي از رشته كه ميان دو پايدار كننده قرار دارد به يك سيستم جرم- فنرمعادل مدل شده است. در ادامه اثر عوامل غير خطي مانند اصطكاك گل حفاري، سرعت چرخشي رشته برروي پايداري اين ارتعاشات بررسي شده است. در نهايت با استفاده از سيمولينك مطلب برنامه كامپيوتري براي حل معادلات حركت به روش عددي تهيه شده است. با استفاده از اين برنامه مسير حركت مركز رشته،تغيير شكل شعاعي رشته و سرعت چرخشي آن پيش بيني مي شود.

به منظور کنترل اثرات نامطلوبی ناشی از کوبش شمع مانند آلودگی های صورتی، و ارتعاشات ایجاد شده در خاک و پی سازه های مجاور روش های متفاوتی وجود دارد. یکی از رایج ترین این روش ها،روش پیش حفاری می باشد. در این روش بخشی از خاکی که شمع باید در آن اجرا شود،برداشته می شود تا شمع در اعماق نزدیک به سطح زمین به راحتی و بدون ایجاد ارتعاش و سروصدا نفوذ نماید. تأثیر روش پیش حفاری تابعی از عمق پیش حفاری و قطر اوگر می باشد. در فصل دوم، با ارائه موارد عملی که در آنها پیش از کوبش شمع حفاری صورت گرفته است، به بررسی میزان تأثیر روش پیش حفاری در کنترل ارتعاشات پرداخته شده است.

در فصل سوم، به بررسی اثر وجود گِل حفاری و سرعت حرکت آن،بر ارتعاشات رشته حفاری¹،پرداخته شده است. معادلات حاکم بر ارتعاشات طولی و عرضی رشته حفاری با در نظر گرفتن نیروی وزن،نیروی وارده از کف و دیواره چاه و نیروهای وارده از طرف سیال،استخراج شده است. این معادلات با نوشتن معادلات انرژی های پتانسیل و جنبشی سیستم و بدست آوردن کار انجام شده توسط نیروهای خارجی بر روی سیستم انجام شده است. سپس به کمک روش جمع مودها² و استفاده از رابطه لاگرانژ،معادلات با مشتقات جزیی سیستم،به معادلات با مشتقات زمانی تبدیل شده است. با انجام این کار،دبی های گل حفاری و نیروهای محوری وارده از کف چاه که می توانند باعث کمانش در رشته های حفاری شوند، بدست آورده شده اند.فرکانس طبیعی و نیروی محوری و دبی های لازم برای کمانش، با مقدار ارائه شده در مراجع مطابقت دارند. نتایج حاصله نشان دهنده آن است که فرکانس طبیعی رشته حفاری با افزایش دبی گل کاهش می یابد. همچنین گِل حفاری مانندیک جرم و میرایی معادل عمل کرده و با افزایش سرعت آن،جرم و میرایی اش بیشتر شده و ارتعاشات رشته حفاری چه در حالت زیر کمانش و چه در حالتت فراکمانش،زودتر میرا می شود.

در فصل چهارم، از روش اجزا محدود براي شبيه سازي و تحليل رفتار رشته حفاری استفاده شده است. با استفاده از آناليزهاي مودال و هارمونيك،فركانسهاي طبيعي خمشي رشته حفاري بدست آمده است. سپس ضمن مقايسه نتايج با داده های تجربی،تاثير پارامترهايي همچون ميرايی ناشی از گل حفاری، ضريب جرم اضافه گل، زاويه انحراف چاه و وزن روی مته بر اين فركانسها مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاصل نشان دهنده آن است که پارامترهای فوق با تغيير در طول موثر رشتهحفاری، باعث جابجايي فرکانسهای طبيعی خمشی رشته حفاری ميشوند.

و سرانجام در فصل آخر ابن پروژه، مدل دینامیکی کوپل بین ارتعاشات محوری و جانبی رشته حفاری دوار بررسی می شود. در مدلسازی انجام شده پارامترهایی که در بررسی رفتار ارتعاشی (بخصوص در مورد لنگ زدن) مهم هستند همانند، برخورد رشته حفاری با دیواره چاه،اثرات گل حفاری، وزن اعمال شده روی مته، بر هم کنش مته حفاری و بستر زمین، اثرات مربوط به نگهدارنده ها، مشخصات ابعادی رشته حفاری، سرعت صفحه دوار، اثرات مربوط به پدیده ژیرسکوپی، نابالانسی رشته حفاری تاثیر داده می شوند. معادلات حاکم با استفاده از روش مدهای مفروض که یک سری دستگاه معادلات دیفرانسیل کوپل غیرخطی می باشند بدست می آیند. سپس این معادلات با استفاده از روشهای عددی حل می شوند.