نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

توسعه مدل تحلیلی برهم کنش سنگ و سرمته با در نظر گرفتن تنش‌های برجا و موردکاوی برای یکی از میادین نفتی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
حبیب اله ظفریان 1
محمدجواد عامری شهرابی 2
یاسر ارجمند 3
سید مرتضی میرعباسی 4
1 داشجوی دکتری تخصصی؛ دانشکده‌ مهندسی نفت، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی نفت، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
3 دانشجوی دکترای تخصصی، دانشکده مهندسی نفت، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
4 دانشکده نفت دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
10.22107/jpg.2022.280758.1137
چکیده
امروزه استفاده از سرمته‌های دندانه الماسی مصنوعی (PDC)[1] در صنعت نفت به‌ویژه در حفاری‌های عمیق گسترش‌یافته است. از همین رو، با توجه به قیمت بالای این نوع سرمته‌ها، شناخت و تحلیل مدل برهم‌کنش این نوع سرمته با سنگ حائز اهمیت فراوان است. تاکنون مدل‌های ریاضی زیادی برای تبیین برهم‌کنش سنگ و سرمته ارائه‌شده است که یکی از مهم‌ترین این مدل‌ها، مدل تحلیلی نیشیماتسو می‌باشد. تمامی مدل‌های موجود، برهم‌کنش سنگ و سرمته را در شرایط محیطی مدل‌سازی کرده‌اند؛ حال‌آنکه در حفاری واقعی، سنگ تحت تنش‌های برجای زمین نیز قرار دارد. ازاین‌رو میزان نیروی اعمالی توسط سرمته برای کندن سنگ بسیار متفاوت از شرایط محیطی خواهد بود. تلاش‌های بعدی برای توسعه مدل نیشیماتسو در شرایط حفاری، فرض کرده‌اند که سنگ در همان زاویه‌ای دچار شکست می‌شود که در شرایط محیطی می‌شکند؛ این در حالی است که با تغییر عمق و در نتیجه تغییر تنش‌های برجای وارده به سنگ، زاویه شکست متفاوت خواهد بود. در این مقاله، با حذف این فرض ساده شونده، مدل تحلیلی نیشیماتسو برای شکست سنگ، مبتنی بر شرایط واقعی حفاری توسعه داده‌شده و برای داده‌های یکی از میادین ایران، مورد کاوی شده است. نتایج نشان می‌دهد حذف این فرض ساده شونده منجر به کاهش خطای 15-20% در محاسبه زاویه شکست و نیروی لازم برای شکست می‌شود.
کلیدواژه‌ها
برهم کنش سنگ وسرمته
زاویه شکست سنگ
نیروی شکست سنگ
مدل تحلیلی
سرمته دندانه الماسی مصنوعی

عنوان مقاله English

Developing an analytical rock-bit interaction model considering in-situ stresses and case study for one of Iranian oil fields

نویسندگان English

Habib alah Zafarian 1
Mohamad Javad Ameri 2
Yaser Arjmand 3
Seyed Morteza Mirabbasi 4
1 PhD student, Department of Petroleum Engineering,, Amir Kabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Petroleum engineering
3 PhD student, Department of Petroleum Engineering,, Amir Kabir University of Technology, Tehran, Iran
4 Department of Petroleum Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Use of PDC bits in oil industry has been increased in recent years despite the fact that they are more expensive than roller cone bits. Therefore, developing a comprehensive rock-bit interaction model for this type of bits is too important. Previously, several mathematical models have been proposed for modeling rock-bit interaction. Most of these models (e.g. Nishimatsu’s model) do not consider the effects of in-situ stresses at all. Some other models assume that the values of rock failure angle at downhole and ambient conditions are equal. In fact, even though these models use in-situ stresses to calculate the cutting force, they do not consider in-situ stresses in analytical modeling. In this work, an analytical relation for rock failure angle including in-situ stresses is derived. Based on this relation, a novel analytical rock-bit interaction model to predict cutting force is presented. Applying field data on mentioned models results in improving rock failure angle and cutting force calculations for about 15-20%.

کلیدواژه‌ها English

rock-bit interaction
cutting force
analytical model
rock failure angle
PDC bit
Bellin F, D.A., King W, Thigpen M, The current state of PDC bit technology. World Oil, 2010.
Cheatham, J., J. B. and Ho, C. Y., A theoretical model for directional drilling tendency of a drill bit in anisotropic rock. 1981, Rice University: Houston, Texas.
Ho, H.-S., Prediction of drilling trajectory in directional wells via a new rock-bit interaction model., in SPE Annual Technical Conference and Exhibition. 1988, SPE: Houston, Texas. p. 407-418.
Detournay, E.a.D., P., phenomenological model for the drilling action of drag bits. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1992. 29(1): p. 13-23.
Dagrain, F., Detournay, E., and Richard, T., Influence of cutter geometry in rock cutting. Rock Mechanics in the National Interest, 2001. 1-2: p. 927-933.
Perneder, L., Detournay, E., and Downton, G. C., Bit/rock interface laws in directional drilling. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,, 2012. 51: p. 81-90.
Richard, T., Germay, C., and Detournay, E., A simplified model to explore the root cause of stick-slip vibrations in drilling systems with drag bits. Journal of Sound and Vibration, 2007. 305(3): p. 432-456.
Merchant, Mechanics of the metal cutting process. I.Orthogonal cutting and a type 2 chip. J Appl Phys, 1945. 16(5): p. 267-275.
Nishimatsu, Y., THE MECHANICS OF ROCK CUTTING. Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 1972. 9: p. 261-270.
ZhantaoLi, K.-i.I., An analytical drilling model of drag bits for evaluation of rock strength. Soils and Foundations, 2012. 52(2): p. 216-227.
Xin Ling, W.L., Hui Pu, Development of a Cutting Force Model for a Single PDC Cutter Based on the Rock Stress State. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019.
Behnoudfar, P., Drilling Depleted Reservoirs by Using of Thermo-Poro Elastic Model, in Petroleum Engineering Department. 2016, Amirkabir U niversity of Technology (Tehran Polytechnic).
 
نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی
دوره 4، شماره 2
زمستان 1400
صفحه 1-9