Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS
Буровая труба – важная часть в системе бурения скважин. Аналитическим методом трудно точно проанализировать вибрации буровой трубы в процессе бурения. Это можно осуществить с помощью программного обеспечения ANSYS. Посредством ANSYS было изу- чено крутильное колебание снаряда буровой трубы при ус...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23401 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS // Jiang Jinguo, Wang Dan // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 187-192. — Бібліогр.: 3 назв. — анг. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859675207420084224 |
|---|---|
| author | Jinguo, Jiang Dan, Wang |
| author_facet | Jinguo, Jiang Dan, Wang |
| citation_txt | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS // Jiang Jinguo, Wang Dan // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 187-192. — Бібліогр.: 3 назв. — анг. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | Буровая труба – важная часть в системе бурения скважин. Аналитическим методом
трудно точно проанализировать вибрации буровой трубы в процессе бурения. Это можно
осуществить с помощью программного обеспечения ANSYS. Посредством ANSYS было изу-
чено крутильное колебание снаряда буровой трубы при условии, что глубина вертикальной
скважины не превышает 2000 м. При этом не учитывалось влияние переходников и разме-
ров коронок. В результате были получены законы влияния толщины стенки буровой трубы,
длины удлинителя и буровой трубы на частоту трубы, а также модели первого-
четвертого порядков для анализа крутильного колебания снаряда буровой трубы.
|
| first_indexed | 2025-11-30T15:43:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
187
При бурении алмазными коронками образуется шлам горной породы различной зерни-
стости, в котором преобладают мелкие зерна фракции. При этом частицы шлама крупного раз-
мера, соизмеримого с высотой выступания алмазов, имеют высокую степень вероятности рас-
клиниваться между забоем скважины и рабочим торцом коронки и активно деформировать мяг-
кий материал матрицы. Снижение предела прочности на сжатие частиц шлама с увеличением их
размера способствует дроблению образующихся при разрушении горной породы крупных час-
тиц шлама при их расклинивании между рабочим торцом коронки и забоем скважины и сниже-
нию вероятности их дальнейшего активного участия в деформировании матрицы.
Определяющую роль в снижении абразивного воздействия частиц шлама играют
прочностные параметры материала матрицы буровой коронки и высота выступания алмазов
на ее рабочей поверхности.
Гидроабразивный износ поверхности матрицы коронки происходит в большей степе-
ни в результате пластического оттеснения (передеформирования) материала матрицы вслед-
ствие упруго-пластических деформаций. Это свидетельствует о том, что частицы шлама раз-
рушатся раньше, чем будут достигнуты условия, необходимые для осуществления микроре-
зания ими материала матрицы.
Литература
1. Исонкин А. М., Богданов Р. К., Закора А. П. Эффективность разрушения горной по-
роды буровыми коронками, оснащенными синтетическими алмазами разной прочно-
сти // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и тех-
нология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. –К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля
НАН Украины, 2006. – Вып. 9. – С. 21–24
2. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Камбалов В. С. Основы расчетов на трение и из-
нос. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.
3. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970. – 252 с.
4. Справочник по трибологии. / Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. – М.: Машино-
строение, 1989. – 398 с.
Поступила 07.06.10
УДК 622.243
Jiang Jinguo, Professor, Exploration Machinery, Wang Dan, Master, Construction Machinery
Faculty of Mechanics & Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan, China
ANALYSIS OF DRILL PIPE TORSIONAL VIBRATION BASED ON SOFTWARE ANSYS
Буровая труба – важная часть в системе бурения скважин. Аналитическим методом
трудно точно проанализировать вибрации буровой трубы в процессе бурения. Это можно
осуществить с помощью программного обеспечения ANSYS. Посредством ANSYS было изу-
чено крутильное колебание снаряда буровой трубы при условии, что глубина вертикальной
скважины не превышает 2000 м. При этом не учитывалось влияние переходников и разме-
ров коронок. В результате были получены законы влияния толщины стенки буровой трубы,
длины удлинителя и буровой трубы на частоту трубы, а также модели первого-
четвертого порядков для анализа крутильного колебания снаряда буровой трубы.
1. Introduction
Drill pipe is a very important part in drilling engineering. Drill pipe, is under complicated
external force in complicated operation condition in the process of drilling, which come into being
various intricate states such as distortion according to kinematics and dynamics [1;2]. Analytic me-
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
188
thod is difficult to analyze the drill pipe in a concrete and thorough way. The large-scale software
ANSYS, which is made the finite elements to the level of simulation, provides an effective ap-
proach to the analysis and research of drill pipe, as well as simulation [3]. This paper writing, from
the perspective of the torsional vibration, analyzes the all torsional vibration of the drill pipe in the
vertical hole within 2000 meters depending on the software ANSYS, under the condition of ignor-
ing of the influence of the tie-in and the geometric size of the aiguilles. As a result, we hope that
there is a further analysis in a concrete and thorough way.
2. The analysis procedures for the drill pipe vibration depending on software ANSYS
The ANSYS is large-scale general finite elements analysis software, including the analysis from
the perspective of structures, fluid flow, and heat flow, electromagnetic, acoustic and coupling. It devel-
oped by American ANSYS Corporation--one of the largest finite elements software company. Follow-
ing are the steps of the analysis on drill torsional vibration depending on the software ANSYS:
(1) The preprocessing of establishing the finite elements model.
It includes defining the type of the element, and the attribute to both real constant and materi-
al, as well as establishing node and element and so on. The type of the appointed element is PIPE59.
PIPE59 is a uniaxial three-dimensional flexibility straight-pipe element with tension-compression,
torsion, and bending capabilities, and with member forces simulating ocean waves and current. The
element has six degrees of freedom at each node. The element has stress stiffening and large deflec-
tion capabilities. PIPE59 is very suitable for stimulating the structure and realistic operation condition
of the drillstring. Due to the distributed force per unit length quality by means of density method, in-
stead of the general centralizing quality, the model is more realistic and concrete.
(2) Computation.
It includes the type of the mode shape analysis, setting up the analysis option, loading and
computation etc.
ANSYS mode shape analysis provides 7 mode shape extraction methods such as sub-space
method etc. Sub-spacing, a consistent improving method on the basis of Rayleigh-Ritz method, is
effective to solve the large-scale general eigenvalue problem like drillstring having multiple degrees
of freedom. It can work out the various ranks of the inherent frequency ratio and model of vibration
by sub-spacing. There is little chance solving the problem of the model of the drillstring vibration
beyond 10 ranks. As a result, this paper writing only figures out model of vibration at 10 ranks.
(3) Post-processing.
ANSYS provides strong post-processing function, such as looking over frequency ratio ta-
ble, model of vibration, and cartoon.
3. Analysis of the inherent frequency of the drill pipe vorsional vibration.
(1) The influence of the wall thickness of drill pipe on the inherent frequency ratio.
As the data shown in Table 1, it prove that the thicker the wall thickness (the reduction of the in-
side diameter) of Ø 89 drill pipe, the higher the inherent frequency ratio for drillstring torsional vibration
at the relative rank. But, to the extent, it is not obvious. This rule not only provides a valid reference to
choosing the drill pipe, but also a new reference to optimizing the structure of the drill pipe in the future.
Table 1. 2000 meters drill string (1920 meters Ø 89 drill pipe＋80 meters Ø 121 drill collar)
the inherent frequency ratio for torsional vibration at each rank
Ø 89 drill pipe
inside diameter
(mm)
Inherent frequency ratio (Hz)
1 rank 2 rank 3 rank 4 rank 5 rank 6 rank 7 rank 8 rank 9 rank 10 rank
74.9 0.32989 1.0337 1.7985 2.5957 3.4080 4.2279 5.0521 5.8789 6.7073 7.5369
70.9 0.34130 1.0551 1.8180 2.6113 3.4203 4.2376 5.0597 5.8848 6.7118 7.5402
66.9 0.34887 1.0705 1.8331 2.6238 3.4303 4.2456 5.0661 5.8898 6.7156 7.5429
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
189
(2) The influence of the drill collar on the inherent frequency ratio.
Taking Ø 89 drill pipe with 74.9 mm inside diameter as an example, it research the influence
of the drill collar on the inherent frequency ratio, and the result data is shown in Table 2.
Table 2. The 2000 meters drillstring (Ø 89 drill pipe＋different length Ø 121 drill collar)
inherent frequency ratio for the torsional vibration at each rank
Ø121drill collar
length (m)
Inherent frequency ratio (Hz)
1 rank 2 rank 3 rank 4 rank 5 rank 6 rank 7 rank 8 rank 9 rank 10 rank
80 0.32989 1.0337 1.7985 2.5957 3.4080 4.2279 5.0521 5.8789 6.7073 7.5369
128 0.30157 1.0018 1.7961 2.6230 3.4619 4.3062 5.1530 6.0012 6.8498 7.6979
176 0.28004 0.99163 1.8162 2.6700 3.5330 4.3993 5.2661 6.1310 6.9898 7.8303
Shown in Table 2, as the length of the drill collar increase, the inherent frequency ratio for the
drillstring torsional vibration at low rank decrease, while the inherent frequency ratio at high rank in-
crease quickly. This result, especially the change of inherent frequency ratio at low rank that avoids crit-
ical rotate speed through optimizing the mix of drilling, is quite constructive to avoid resonance.
(3) The influence of the drill pipe on the inherent frequency.
Taking Ø 89 drill pipe with 74.9 mm inside diameter, with 80 meters drill collar, it is to re-
search the influence of the changing length (the depth of the hole) on inherent frequency ratio at
each rank. The result is shown in Table 3.
Table 3. The drill pipe (different length Ø 89 drillstring＋80 meters Ø 121 drill collar)
inherent frequency ratio for torsional vibration at each rank
The total length
of the drillstring
(m)
The inherent frequency ratio (Hz)
1 rank 2 rank 3 rank 4 rank 5 rank 6 rank 7 rank 8 rank 9 rank 10 rank
200 1.9236 13.051 20.124 27.183 38.603 42.619 54.068 62.194 69.077 81.822
404 1.1150 5.1755 9.9104 14.660 18.833 21.096 25.087 29.869 34.702 39.089
602 0.83512 3.3244 6.2454 9.2404 12.247 15.229 18.052 20.074 22.023 24.832
800 0.67786 2.4784 4.5772 6.7448 8.9329 11.127 13.319 15.493 17.603 19.422
1004 0.57148 1.9791 3.6012 5.2842 6.9879 8.7002 10.416 12.132 13.845 15.547
1202 0.49750 1.6638 2.9909 4.3720 5.7727 7.1821 8.5960 10.012 11.429 12.845
1400 0.44122 1.4401 2.5623 3.7321 4.9204 6.1173 7.3188 8.5228 9.7283 10.934
As the curve shown in the Fig. 1, which transform from the data in Table 3, the inherent fre-
quency ratio for drillstring torsional vibration at each rank decreases obviously as the length of the
drillstring increases. It prove that alternation of the inherent frequency ratio for drillstring torsional
vibration at each rank is longer in the drilling of the fleet hole, so that the critical rotate speed at each
rank is quite different, furthermore, the changing rotate speed, to some extent, will not easily result in
resonance. In converse, alternation of the inherent frequency ratio for drillstring torsional vibration at
each rank is short in the drilling of the deep hole, so that the critical rotate speed at each rank is simi-
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
190
lar, furthermore, the changing rotate speed, to some extent, will easily result in resonance. It is same
to the phenomena that the changing rotate speed will result in resonance in realistic practice.
Fig. 1. The curve for the inherent frequency ratio for drillstring torsional vibration at each rank
changing with the length of the drillstring.
There is multiple application value in the inherent frequency ratio eigenvalue of drill pipe
torsional vibration at each rank, for example, it is capable of choosing the rank of the rotate speed in
a rational way, which avoids the relative inherent frequency ratio for critical rotate speed.
4. Analysis of the inherent model of drill pipe torsional vibration
Taking 2000 meters drillstring (1920 meters Ø 89 drill pipe with 74.9 mm inside diameter + 80
meters Ø 121 drill collar) as example, it research the inherent model of drillstring torsional vibration. As
limited, following only show the inherent models of drillstring torsional vibration at 1 to 4 ranks.
From left to right in the Fig. 2, it shows individually the angular displacement of inherent
model of 2000 meters drillstring torsional vibration at 1 to 4 ranks. The radial size in the Fig. 2
magnifies 500 times. The unit of the maximal and minimal displacement, shown in the Fig. 2, is
radian (rad). The plus sign indicate the direction, which is up to the right hand rule according to Z
axis, and it is the same to circle the Z axis in the forward direction to the counterclockwise rotation.
The minus sign is indicating circling the Z axis in the forward direction to the clockwise rotation
Shown in the Fig. 2, the maximal angel of rotation of inherent model of drillstring torsional
vibration at 1 rank is 0.177124 radian, approximately for 10.15°, at the bottom of the drillstring. As
the end of the drillstring is constrained, it doesn’t rotate. The maximal forward angel of rotation of
inherent model of drillstring torsional vibration at 2 rank is 0.196438 radian, approximately for
11.25°. According to the data figured out by the software ANSYS, the maximal forward angular
displacement is located at the place where the drillstring is 776 meters away from the drill hole,
while the maximal negative angular displacement is 0.135101 radian, approximately for 7.74°, lo-
cated at the bottom of the drillstring.
In order to research the angular displacement of inherent model of drillstring torsional vibra-
tion at 1 to 4 ranks changing with the distance between the drillstring and drill hole, there is a curve
Fig. 3 by the data, which is from the result data of the model of vibration at each rank extracted
from the software ANSYS. It directly show the distributing and maximal eigenvalue of the model
of the vibration at 1 to 4 ranks along the drill hole axis towards the angular displacement. It is con-
structive to analyze the force, to learn the concrete vibration in the process of torsional vibration,
and to choose a rational reduced vibration method and so on. Though, it is consistent between the
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
191
inherent model of torsional vibration and the result of tortional vibration wave equation in Fig. 3,
the former is convenient to gain than the latter.
Fig. 2. The inherent model of 2000 meters drillstring torsional vibration at 1to 4 ranks (angular
displacement)
Fig. 3. The curve for the inherent model of the2000 meters drillstring torsional vibration at 1 to 4
ranks
5. Conclusion
1. The analysis result is precise and thorough by software ANSYS.
2. The thicker the wall thickness of the drill pipe, the higher the inherent frequency ratio for
drill pipe torsional vibration, while the amplitude is not obvious.
3. As the length of the drill collar increases, the inherent frequency ratio for the drillstring
torsional vibration at low rank decrease, while the ones at high rank increase quickly.
4. The longer the length of drillstring, the much lower the inherent frequency ratio for the
drillstring torsional vibration.
5. The maximal angular displacement of the drillstring torsional vibration change with the
rank of the main model of drillstring torsional vibration
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
192
Reference
1. Dareing D. W. Drillstring vibrations create crooked holes // Oil & Gas. – 1984. – 82. – № 1. –
P. 83–86.
2. Tang Fenglin, Yang Xuehan. The core drilling. Wuhan. China Univers. of Geosc. Press，1997.
– 1ed.
3. Computin Dynamica Response of Complex Structure with ANYSY Ma Jianmin, Lv Jinglin,
Huang Xieqing, Chen Tianni. // Mechanic. Sci. Tech. – 1998. – 17, № 6. – P. 959–961.
Receipt 25.05.10
УДК 622.236.2
А. Л. Майстренко д-р техн. наук, С. Д. Заболотный, Е. П. Виноградова
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ ВЗАИМОРАСПОЛОЖЕНИЯ РЕЗЦОВ НА ЭНЕР-
ГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
Results of studies of dependence between arguments of interposition of chisels on a cutting
head of a heading machine and specific energy of breaking down of rock of type of Terebovljansky
sandstone are resulted. Optimum arguments of rock breaking proceeding from the minimum energy
output are determined at the max output of its breaking down by chisels of type RP-221.
В настоящей работе описаны результаты анализа взаимосвязи удельной энергии раз-
рушения горной породы и параметров, обусловленных топографией расположения резцов
типа РП-221, в частности, расстоянием между резцами (шагом резания Н) (рис. 1а) и глуби-
ной резания hрез, зависящей от типа резца и мощности привода многорезцового исполнитель-
ного органа, в данном случае горного комбайна. Шаг резания Н выбирали так, чтобы его от-
ношение к радиусу твердосплавной вставки 3 (рис.1 б) , запаянной в корпус резца 2 H/R из-
менялось от 1 до 5 (при R = 11,5 мм), а следовательно, взаимовлияние резцов по мере увели-
чения этого соотношения сводилось бы к нулю, т. е. напряженное состояние в окрестности
резца, установленного на радиусе R2 (рис. 1 а), формировалось бы вследствие влияния формы
и глубины лунки, образованной в породе соседним резцом, установленном на радиусе R1).
а б
Рис.1. Схемы расположения резцов на плоскости блока горной породы (а) (Н- шаг резания;
R1, R2, R3 - радиусы окружностей, на которых устанавливаются твердосплавние резцы) и
взаимодействия твердосплавного резца и массива горной породы (б) ( 1 - фрагмент шлама
песчаника Теребовлянского месторождения; 2 - корпус резца; 3 - твердосплавная вставка;
h- толщина фрагмента шлама ; hрез- глубина резания твердосплавным резцом
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23401 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-11-30T15:43:37Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Jinguo, Jiang Dan, Wang 2011-07-04T13:46:28Z 2011-07-04T13:46:28Z 2010 Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS // Jiang Jinguo, Wang Dan // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 187-192. — Бібліогр.: 3 назв. — анг. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23401 622.243 Буровая труба – важная часть в системе бурения скважин. Аналитическим методом трудно точно проанализировать вибрации буровой трубы в процессе бурения. Это можно осуществить с помощью программного обеспечения ANSYS. Посредством ANSYS было изу- чено крутильное колебание снаряда буровой трубы при условии, что глубина вертикальной скважины не превышает 2000 м. При этом не учитывалось влияние переходников и разме- ров коронок. В результате были получены законы влияния толщины стенки буровой трубы, длины удлинителя и буровой трубы на частоту трубы, а также модели первого- четвертого порядков для анализа крутильного колебания снаряда буровой трубы. en Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS Article published earlier |
| spellingShingle | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS Jinguo, Jiang Dan, Wang Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS |
| title_full | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS |
| title_fullStr | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS |
| title_full_unstemmed | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS |
| title_short | Analysis of drill pipe torsional vibration based on software ANSYS |
| title_sort | analysis of drill pipe torsional vibration based on software ansys |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23401 |
| work_keys_str_mv | AT jinguojiang analysisofdrillpipetorsionalvibrationbasedonsoftwareansys AT danwang analysisofdrillpipetorsionalvibrationbasedonsoftwareansys |