유한요소법을 이용한 방향성 시추의 동적 분석과 ROP계산
Dynamic Analysis and ROP Calculation of Directional Drilling Using Finite Element Method
정태준(세종대학교); 신영기(세종대학교)
33권 1호, 15~24쪽
초록
Khulief and Al-Naser(4)가 제시한 시추 모델에 Newmark(5) 수치해석법을 사용하여 동적 거동을 분석하였다. 본 연구에서는 시추 파이프 각 노드마다의 분포하중, 시추공과의 접촉마찰 및 Bit-Rock 상호작용을 적용하고 지상부에서 시추 파이프 회전속도를 PI 제어하는 상황에 대하여 시추 파이프의 거동을 계산하였고 결과의 요약은 아래와 같다. (1) 시추 파이프 회전속도를 감소시킨 결과, 스틱슬립 현상이 발생하였다. 이 때 비트부와 지상부에서의 파이프 회전속도 차이가 최대 1.8배 발생하였고, 회전속도 차이로 인하여 시추 파이프의 주기적인 비틀림이 관찰되었다. (2) RPM과 드릴 비트 날 수가 증가할수록 ROP는 증가하지만, 드릴 비트 날 수의 증가에 따른 ROP 증가율은 완만하게 감소하는 경향을 나타낸다. (3) 드릴 직경이 커질수록 ROP는 감소하고 Bit-Rock의 마찰 토크가 증가하여 스틱 슬립 현상이 발생하였다. 셰일가스 채굴 현장에서의 시추 파이프 제어를 모사하기 위한 본 연구 성과는 스틱 슬립 현상을 방지하고 최대 ROP에 대응하는 최적화된 RPM과 WOB를 도출하는 시뮬레이터 및 제어로직 개발의 활용될 수 있으며 추후 현장 데이터와 비교하여 추가 개선의 여지가 있다.
Abstract
The motion of the drill string along the excavation trajectory was analyzed using the Lagrangian approach with the finite-element method (FEM). The circular cross section of the drill string was constructed by joining multiple circular axes, each with 12 degrees of freedom (DOF). FEM analysis reveals vibration and dynamic changes of the entire drill string, and comprehensive boundary conditions can be easily applied to reproduce the simulation of the actual drill string. To apply the FEM program to the actual drill trajectory, the dynamic analysis of the curved beam was compared with the actual value, and the dynamic behavior of the beam was verified by comparing the frequency-domain and time-domain analyses. The performance observed after applying FEM dynamic analysis to the operating conditions corresponding to the actual drilling site, was similar to the results observed in related research papers. Therefore, this method can be used as a dynamic model for developing a simulator for drilling control.
- 발행기관:
- 대한설비공학회
- 분류:
- 기타기계공학