Plant Journal (플랜트 저널)

Korea Institute of Plane Engineering and Construction (한국플랜트학회)
권호 표지

A study on the excavation rate of directional drilling using finite element method

유한요소법을 이용한 방향성 시추의 굴진율 연구

  • Jung, Tae Joon (School of Mechanical Engineering, sejong University) ;
  • Shin, Younggy (School of Mechanical Engineering, sejong University)
  • 정태준 (세종대학교 기계공학부) ;
  • 신영기 (세종대학교 기계공학부)
  • Published : 2021.10.30
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Abstract

The equation of motion of the drill string along the excavation trajectory was analyzed using the Lagrangian approach together with the finite element method (FEM). A drill string of circular cross section is constructed by combining a plurality of circular axes each having 12 degrees of freedom (DOF). FEM analysis can observe the vibration and dynamic changes of the entire drill string, and it is easy to apply comprehensive boundary conditions to reproduce the simulation of a realistic drill string. In this study, the constructed FEM motel was simulated. In order to apply the FEM program to the actual drill trajectory, the dynamic analysis of the curved beam was verified by comparison with the actual values. The dynamic change over time was observed.

드릴 스트링의 진동 문제는 수년간 드릴링 성능 저하의 주요 원인 중 하나로 인식되어 왔으며, 굴착 작업 시 발생하는 과도한 진동은 드릴링의 효율성, 파이프 피로, 비트의 수명 단축으로 인하여 고장을 초래할 수 있다. 이러한 진동의 원인은 드릴 스트링이 굴착 작업 중 궤적에 따라 파이프의 굽힘과 wellbore와의 접촉으로 인해 마찰이 발생하고 이러한 진동은 일반적으로 축 방향, 굴곡 및 비틀림 변형을 일으킨다. 본 연구에서는 Khulief와 Al-Naser가 제시한 모델을 바탕으로 드릴 스트링에 6자유도(DOF)의 구성요소를 갖는 모델을 적용하여 curved beam의 수치해석 값과 Analytical값을 비교하여 검증하고 드릴 스트링에 hookload와 WOB 경계조건을 주어 각 element 마다 동적 거동을 분석하였다. 실제 궤적을 적용하여 드릴 파이프의 굽힘이나 중력으로 인하여 Wellbore와 접촉되는 부분에 마찰을 적용하였고, 또한 마찰 작용 시 일정한 축 방향 속도를 유지하기 위한 PI제어 값을 설계하여 drillstring 전체의 각속도 변화와 실제 드릴 굴착 작업 중 발생하는 stick slip현상을 관찰하였다.

Keywords

Acknowledgement

이 논문은 2020년도 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(20IFIP-B133624-04, Hybrid 방향성 추진체 제어 및 시뮬레이션 평가 연구)

References

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