ANÁLISE DA VIBRAÇÃO TORCIONAL-LONGITUDINAL DE COLUNAS DE PERFURAÇÃO À PARTIR DE MODELOS NÃO-SUAVES

Abstract

During oil drilling operations the drill-string can be subjected to severe vibrations, which leads to an onerous and inefficient process. In essence, drill-string dynamics may be analyzed by considering different vibration modes: axial, torsional and lateral. The coupled analysis of these modes gives a proper comprehension of the drill-string dynamics, elucidating several critical vibration responses. In this regard, it is important to highlight bit-bounce, associated with drill-string contact lost; stick-slip, related to drill-string rotating stops; whirl, characterized by a rotational response of a deflected drill- string around the well center. Many models have been proposed in order to investigate all related phenomena of drill-string vibrations. The most important issue related to drill-string dynamics is nonsmooth nonlinearities imposed by bit-rock interactions and contact between the drill-string and the wellbore. In general, lumped models present a proper description of the system dynamics. A four-degrees of freedom nonsmooth model is adopted considering the coupling between modes, bit- rock and wellbore interaction, eccentricity and hydrodynamic forces due to fluid resistance to lateral bending. A parametric study is done through phase spaces and bifurcation diagrams. The goal is to understand how the vibration modes interact with each other and to assess under what operational conditions the drill-string exhibits critical vibrations. Numerical results are qualitatively compared with experimental field observations confirming the main conclusions.

Durante a operação, uma coluna de perfuração pode ser submetida a fortes vibrações que resultam em um processo oneroso e ineficiente. As vibrações das colunas de perfuração podem ser analisadas considerando-se três modos diferentes: axial, torcional e lateral. A análise combinada desses modos fornece uma compreensão adequada da dinâmica da coluna e esclarece várias respostas de vibração consideradas críticas. Neste sentido, é importante destacar o bit-bounce, associado a perda de contato entre a broca e o leito marinho; stick-slip, relacionado as paradas na rotação; whirl, caracterizado pela flexão da coluna em torno do centro do poço. Muitos modelos têm sido propostos visando investigar todos os fenômenos relacionados com as vibrações de colunas de perfuração. A questão mais importante relacionada ao seu estudo dinâmico são as não- linearidades impostas por interações broca-rocha e pelo contato entre a paredes da coluna e do poço. Em geral, o uso de modelos com parâmetros concentrados apresenta uma boa descrição da dinâmica de uma coluna. Neste trabalho, considera-se um modelo não-suave de parâmetros concentrados com quatro graus de liberdade acoplando os três modos vibração. O modelo considera ainda excentricidade e forças hidrodinâmicas de arrasto devido à resistência do fluido a flexão lateral. Uma análise paramétrica é realizada visando entender como as vibrações interagem entre seus modos e avaliar condições operacionais críticas. Simulações numéricas investigam uma grande variedade de condições que são qualitativamente comparadas às observações experimentais.