Control of friction-induced torsional vibrations in drilling

Ullah, Farooq Kifayat GND

The thesis deals with the control of torsional oscillations in drill strings. Self-excited torsional oscillations occur due to friction and complex coupling between the torsional,axial and lateral drill string dynamics. The focus is on the control of friction-induced torsional oscillations in the drill string. In this work the torsional oscillations caused by the Stribeck effect of friction are studied using an experimental setup that is designed and built for the purpose. The experimental setup is a scaled model of a 150m long drill string bottom hole assembly. A nonlinear finite dimensional two degree of freedom model is used to mathematically model and simulate the drill string. The system identification of the experimental drill string setup is undertaken using the trust region reflective nonlinear least square algorithm. Extensive validations of the model using the estimated parameters are performed. It is observed that the identified model reproduces the measured response with some error. The variable nature of friction makes exact system identification unlikely. To overcome this adaptive and robust backstepping control algorithms are devised for the drill string torsional oscillation control. Furthermore, to be able to implement the control algorithms in the experimental setup where not all the states are available for feedback, observer based nonlinear controllers are designed. A tuning function based adaptive observer backstepping control algorithm is first evaluated but is not robust to the measurement noise therefore a robust nonlinear observer based control algorithm known as dynamic surface control is devised. The closed loop stability of the dynamic surface control algorithm and designed observer is established. The combination of the dynamic surface control with the observer used is to the best of the author’s knowledge novel contribution to the literature on drill string control. The dynamic surface control successfully attenuated torsional oscillations due to stick slip in the experimental setup and avoided exciting higher frequency vibrations in the setup.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Regelung von Torsionsschwingungen in Bohrsträngen. Selbst aufgeregt Torsionsschwingungen treten aufgrund von Reibung und komplexer Kopplung zwischen Torsions-, Axial- und Querbohrstrangdynamik auf. Der Fokus liegt auf der Steuerung von reibungsbedingten Torsionsschwingungen im Bohrstrang. In dieser Arbeit die Torsion Schwingungen, die durch den Stribeck-Effekt der Reibung verursacht werden, werden mit einem Experiment untersucht Setup, das für diesen Zweck entwickelt und gebaut wurde. Der Versuchsaufbau ist a maßstabsgetreues Modell einer 150 m langen Bohrstrangbohrung. Ein nichtlineares, endliches Modell mit zwei Freiheitsgraden wird verwendet, um den Bohrstrang mathematisch zu modellieren und zu simulieren. Die Systemidentifikation des experimentellen Bohrstrangaufbaus wird unter Verwendung des „Trust region reflective nonlinear least squares“ Algorithmus durchgeführt. Umfangreiche Validierungen des Modells unter Verwendung der geschätzten Parameter werden durchgeführt. Es wird beobachtet, dass das identifizierte Modell die gemessene Antwort mit einem gewissen Fehler reproduziert. Aufgrund der variablen Reibung ist eine genaue Systemidentifikation unwahrscheinlich. Um dies zu überwinden, wurden adaptive und robuste Algorithmen für die Steuerung der Torsionsschwingung des Bohrstrangs entwickelt. Um die Regelalgorithmen auch im Versuchsaufbau implementieren zu können, in dem nicht alle Zustände für die Rückführung zur Verfügung stehen, werden beobachterbasierte nichtlineare Regler entwickelt. Zunächst wird ein „Tuning function based adaptive backstepping algorithm“ ausgewertet, der jedoch gegenüber dem Messrauschen nicht robust ist. Daher wird ein robuster Regelalgorithmus auf Beobachterbasis entwickelt, der als „Dynamic surface control“ bekannt ist. Die Regelkreisstabilität des „Dynamic surface control“ und des entworfenen Beobachters wird festgelegt. Die Kombination der Dynamic surface control mit dem verwendeten Beobachter ist nach bestem Wissen des Autors ein neuartiger Beitrag zur Literatur zur Bohrstrangregelung. Die dynamic surface control dämpfte erfolgreich Torsionsschwingungen aufgrund von Stick Slip im Versuchsaufbau und vermied es, höherfrequente Schwingungen im Aufbau zu erregen.

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Ullah, Farooq: Control of friction-induced torsional vibrations in drilling. 2019.

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