Fractional-order controllers for stick-slip vibration mitigation in oil well drill-strings

Drillstring–borehole interaction can produce severely damaging vibrations. An example is stick–slip vibration, which negatively affects drilling performance, tool integrity and completion time, and costs. Attempts to mitigate stick–slip vibration typically use passive means and/or change the operation parameters, such as weight on bit and rotational speed. Automating the latter approach, by means of feedback control, holds the promise of quicker and more effective mitigation. The present work presents three separate fractional-order controllers for mitigating drillstring slip–stick vibrations. For the sake of illustration, the drillstring is represented by a torsional vibration lumped parameter model with four degrees of freedom, including parameter uncertainty. The robustness of these fractional-order controllers is compared with traditional proportional-integral-derivative controllers under variation of the weight on bit and the drill bit’s desired rotary speed. The results confirm the proposed controllers effectiveness and feasibility, with rapid time response and less overshoot than conventional proportional-integral-derivative controllers.This publication was made possible by an NPRP grant (NPRP10-0101–170081) from the Qatar National Research Fund (a member of Qatar Foundation)

Use of the energy of parametric oscillations to improve drilling indices

Purpose. Increase of the efficiency of using energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom by means of solving nonlinear-parametric equations of a “bit – drive motor – drilled-out rock” system to improve drilling indices. Methods. The paper applies the method of mathematical modeling of a mechanical system as well as impedance method to study oscillations. While modeling the system, a bit is considered to be an absolutely solid body; elastic elements are non-inertial, drive motor is ideal, and resistance in elastic relations is viscous. While modeling dynamic parameters of a drill string and its interaction with a near-bit system and bottom hole, mechanical system is represented in the form of blocks interacting with each other. Drill string in models is a sequential system of uniform rods. Findings. In the course of analytical studies, it has been proved that use of energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom makes it possible to increase axial load on a bit as well as rise mechanical velocity especially while drilling horizontal areas of inclined boreholes. Dynamic parameters of mechanical system of a drill string and its interaction with near-bit system and bottom hole have been substantiated. It has been determined that limitation of the amplitude of resonant vertical oscillations for a bit is possible at the expense of toothed surface of cone rollers in terms of periodical positioning from one tooth to two teeth, physical and mechanical pro-perties of the drilled-out rocks, and features of correcting elements mounted above the bit. Originality. Innovative mathematical model describing dynamics of the operation of a “bit – drive motor – drilled-out rock” mechanical system has been developed taking into consideration the effect of parametric oscillations. Practical implications. Limited amplitude of resonant vertical oscillations of a bit is the condition of efficient assembly operation and long service life of its components in the context of parametric excitations. The obtained results may be useful while designing drill rigs.Мета. Підвищення ефективності використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони шляхом розв’язання нелінійно-параметричних рівнянь системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” для підвищення показників буріння. Методика. В роботі використано метод математичного моделювання механічної системи та імпедансний метод дослідження коливань. При моделюванні системи долото вважається абсолютно твердим тілом, пружні елементи – безінерційними, приводний двигун – ідеальним, а опір у пружних зв’язках – в’язким. При дослідженні динамічних параметрів бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм механічна система представлена у вигляді блоків, які взаємодіють поміж собою. Бурильна колона в моделях становить послідовну систему однорідних стрижнів. Результати. В ході аналітичних досліджень було доведено, що використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони дає можливість збільшити осьове навантаження на долото та підвищити механічну швидкість, особливо під час буріння горизонтальної частини похило спрямованих свердловин. Обґрунтовано динамічні параметри механічної системи бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм. Виявлено, що обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань досягається долотом за рахунок зубчатої поверхні шарошок при періодичному переступанні з одного зуба на два, фізико-механічних властивостей розбурюваних порід і властивостей коректуючих елементів, встановлених над долотом. Наукова новизна. Розроблено нову математичну модель, що описує динаміку роботи механічної системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” з урахуванням впливу параметричних коливань. Практична значимість. Наявність обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань долота створює умови працездатності компоновок і довговічності її елементів із параметричними коливаннями. Отримані результати можуть бути корисними при проектуванні бурових конструкцій.Цель. Повышение эффективности использования энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны путем решения нелинейно-параметрических уравнений системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” для повышения показателей бурения. Методика. В работе использован метод математического моделирования механической системы и импедансный метод исследования колебаний. При моделировании системы долото считается абсолютно твердым телом, упругие элементы – безинерционными, приводной двигатель – идеальным, а сопротивление в упругих связях – вязким. При исследовании динамических параметров бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем механическая система представлена в виде блоков, которые взаимодействуют между собой. Бурильная колонна в моделях составляет последовательную систему однородных стержней. Результаты. В ходе аналитических исследований было доказано, что использование энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны позволяет увеличить осевую нагрузку на долото и повысить механическую скорость, особенно при бурении горизонтальной части наклонно-направленных скважин. Обоснованы динамические параметры механической системы бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем. Выявлено, что ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний достигается долотом за счет зубчатой поверхности шарошек при периодическом перешагивании с одного зуба на два, физико-механических свойств разбуриваемых пород и свойств корректирующих элементов, установленных над долотом. Научная новизна. Разработано новую математическую модель, описывающую динамику работы механической системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” с учетом влияния параметрических колебаний. Практическая значимость. Наличие ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний долота создает условия работоспособности компоновок и долговечности ее элементов с параметрическими колебаниями. Полученные результаты могут быть полезными при проектировании буровых конструкций.The results of the study were obtained without any support from any project or financing

Use of the energy of parametric oscillations to improve drilling indices

Purpose. Increase of the efficiency of using energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom by means of solving nonlinear-parametric equations of a “bit – drive motor – drilled-out rock” system to improve drilling indices. Methods. The paper applies the method of mathematical modeling of a mechanical system as well as impedance method to study oscillations. While modeling the system, a bit is considered to be an absolutely solid body; elastic elements are non-inertial, drive motor is ideal, and resistance in elastic relations is viscous. While modeling dynamic parameters of a drill string and its interaction with a near-bit system and bottom hole, mechanical system is represented in the form of blocks interacting with each other. Drill string in models is a sequential system of uniform rods. Findings. In the course of analytical studies, it has been proved that use of energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom makes it possible to increase axial load on a bit as well as rise mechanical velocity especially while drilling horizontal areas of inclined boreholes. Dynamic parameters of mechanical system of a drill string and its interaction with near-bit system and bottom hole have been substantiated. It has been determined that limitation of the amplitude of resonant vertical oscillations for a bit is possible at the expense of toothed surface of cone rollers in terms of periodical positioning from one tooth to two teeth, physical and mechanical pro-perties of the drilled-out rocks, and features of correcting elements mounted above the bit. Originality. Innovative mathematical model describing dynamics of the operation of a “bit – drive motor – drilled-out rock” mechanical system has been developed taking into consideration the effect of parametric oscillations. Practical implications. Limited amplitude of resonant vertical oscillations of a bit is the condition of efficient assembly operation and long service life of its components in the context of parametric excitations. The obtained results may be useful while designing drill rigs.Мета. Підвищення ефективності використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони шляхом розв’язання нелінійно-параметричних рівнянь системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” для підвищення показників буріння. Методика. В роботі використано метод математичного моделювання механічної системи та імпедансний метод дослідження коливань. При моделюванні системи долото вважається абсолютно твердим тілом, пружні елементи – безінерційними, приводний двигун – ідеальним, а опір у пружних зв’язках – в’язким. При дослідженні динамічних параметрів бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм механічна система представлена у вигляді блоків, які взаємодіють поміж собою. Бурильна колона в моделях становить послідовну систему однорідних стрижнів. Результати. В ході аналітичних досліджень було доведено, що використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони дає можливість збільшити осьове навантаження на долото та підвищити механічну швидкість, особливо під час буріння горизонтальної частини похило спрямованих свердловин. Обґрунтовано динамічні параметри механічної системи бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм. Виявлено, що обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань досягається долотом за рахунок зубчатої поверхні шарошок при періодичному переступанні з одного зуба на два, фізико-механічних властивостей розбурюваних порід і властивостей коректуючих елементів, встановлених над долотом. Наукова новизна. Розроблено нову математичну модель, що описує динаміку роботи механічної системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” з урахуванням впливу параметричних коливань. Практична значимість. Наявність обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань долота створює умови працездатності компоновок і довговічності її елементів із параметричними коливаннями. Отримані результати можуть бути корисними при проектуванні бурових конструкцій.Цель. Повышение эффективности использования энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны путем решения нелинейно-параметрических уравнений системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” для повышения показателей бурения. Методика. В работе использован метод математического моделирования механической системы и импедансный метод исследования колебаний. При моделировании системы долото считается абсолютно твердым телом, упругие элементы – безинерционными, приводной двигатель – идеальным, а сопротивление в упругих связях – вязким. При исследовании динамических параметров бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем механическая система представлена в виде блоков, которые взаимодействуют между собой. Бурильная колонна в моделях составляет последовательную систему однородных стержней. Результаты. В ходе аналитических исследований было доказано, что использование энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны позволяет увеличить осевую нагрузку на долото и повысить механическую скорость, особенно при бурении горизонтальной части наклонно-направленных скважин. Обоснованы динамические параметры механической системы бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем. Выявлено, что ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний достигается долотом за счет зубчатой поверхности шарошек при периодическом перешагивании с одного зуба на два, физико-механических свойств разбуриваемых пород и свойств корректирующих элементов, установленных над долотом. Научная новизна. Разработано новую математическую модель, описывающую динамику работы механической системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” с учетом влияния параметрических колебаний. Практическая значимость. Наличие ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний долота создает условия работоспособности компоновок и долговечности ее элементов с параметрическими колебаниями. Полученные результаты могут быть полезными при проектировании буровых конструкций.The results of the study were obtained without any support from any project or financing

Parametric analysis of a sliding-mode controller to suppress drill-string stick-slip vibration

Open Access via the Springer Compact AgreementPeer reviewedPublisher PD

Delay-robust stabilization of an n + m hyperbolic PDE-ODE system

International audienceIn this paper, we study the problem of stabilizing a linear ordinary differential equation through a system of an n + m (hetero-directional) coupled hyperbolic equations in the actuating path. The method relies on the use of a backstepping transform to construct a first feedback to tackle in-domain couplings present in the PDE system and then on a predictive tracking controller used to stabilize the ODE. The proposed control law is robust with respect to small delays in the control signal

Fluid induced drilling dynamics: A mechanically scaled experimental investigation

Drillstring vibration is an unavoidable detrimental dynamic response due to continuous acting external forces and dynamic loading applied during the drilling operations. Drillstring vibration is one of the primary reasons behind downhole equipment malfunctioning and premature fatigue failure. Laboratory scaled experiments gained much popularity to investigate the physics of induced vibrations by replicating the downhole vibrations phenomena, due to their economic design and versatility. The majority of laboratory scaled experiments oftentimes are only scaled geometrically and address isolated phenomena. Thus, most downscaled investigations provide limited insight and cannot relate to the overall dynamics of field conditions. The objective of this work is to design and fabricate a fully functioning mechanically scaled experiment and fulfill the experimental lacking of fluid hydrodynamic effects on drillstring vibrations. The developed experimental setup is equipped with a high-frequency vibration measurement system and the capability to capture the BHA trajectory. The setup was used to investigate the effect of WOB fluctuation on lateral motion and the effect of fluid flow on drillstring stability

Bridging the Gap Between Humans and Machines for the Drilling Industry

Drilling is perhaps the most revolutionary advancement humanity has ever experienced. Since its invention, man has seen extraordinary and rapid improvements in quality of life. At the core of drilling’s rapid evolution are the deep motivations for improving performance, profit margins, and efficiency. But with all of the advances also comes more significant risks to humans and more demanding operational settings. One issue of late is the growing divide between drilling technologies and the humans who invented them. Human involvement in the drilling process is dramatically decreasing while all the new technological solutions keep moving in. Yes, machines and technology might be bearing more of the workload, but there will always be a need for humans during the drilling process – invention, input, intervention, and termination. Furthermore, as long as companies continue to preach “safety” and “efficiency,” there will always be a requirement for keeping humans in the loop of drilling’s future innovations. This thesis spans many essential topics from both sides of this growing divide. Perspectives helping push the human-centric concept forward include practical applications borrowed from cognitive psychology, design, human factors engineering, and crew resource management. The machine perspective is a review of drilling simulators and mathematical approaches, plus a proposal of the future of drilling machines due to spec-driven technological requirements and future drilling applications. This thesis also presents a series of drilling simulator experiments that test humans' communication and attention abilities, and the cumulative results suggest that the drilling industry might benefit from a standardized or universal drilling language. This thesis concludes with ideas for future research and a new framework to adopt. Above all, this thesis encourages a new paradigm that promotes innovation while bridging the gap between humans and drilling machines