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http://hdl.handle.net/11422/21944| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Drill-string model for coupled lateral-torsional vibrations with stochastic non-proportional damping |
| Autor(es)/Inventor(es): | Volpi, Lucas Passos |
| Orientador: | Ritto, Thiago Gamboa |
| Resumo: | Nesta dissertação, a dinâmica de uma de perfuração é analisada. A coluna de perfuração é uma estrutura semelhante a um rotor que perfura formações atá atingir o reservatório de petróleo. Esta estrutura é extremamente esbelta e está suscetível à diferentes fenômenos não-lineares. Inicialmente, um modelo é desenvolvido, onde o Método dos Elementos Finitos é utilizado para discretizar uma geometria contínua, levando a um sistema de equações diferenciais. As não-linearidades geométricas obtidas incluem o efeito estático de forças axiais do problema. Este modelo considera uma excentricidade contínua ao longo do seu eixo, não comumente aplicada em uma coluna de perfuração. Em adição, considera-se forças generalizadas no impacto, capazes de causar a torção da coluna. Em sequência, modelos de amortecimento proporcional distintos são apresentados para os graus de liberdade laterais. Nestes, três relações de amortecimento são exploradas. Depois, incertezas globais e não paramétricas são adicionadas aos modelos de amortecimento com a teoria de matrizes aleatórias. Assim, procura-se reconhecer as incertezas inerentes dos modelos, assim como atribuir uma não-proporcionalidade muitas vezes presente em modelos não-lineares com interações fluido-estrutura. Uma técnica de redução de ordem é aplicada e, em sequência, simulações numéricas são realizadas para se obter respostas no domínio do tempo. Com estes resultados, mapas contendo a dinâmica do modelo são criados. Por fim, o Método de Monte Carlo é usado nos modelos estocásticos para se gerar mapas contendo a probabilidade de ocorrência de fenômenos críticos. |
| Resumo: | In this dissertation, drill-string dynamics are analyzed. The drill-string consists of a rotor-like structure that drills rock formations until the oil reservoir is reached. The structure in question is extremely slender and prone to different non-linear phenomena. A numerical model is developed, where the Finite Element Method is used to discretize a continuous drill-string geometry, which leads to a system of non-linear differential equations. Geometric nonlinearities includes the static effects of relevant axial forces of the problem. The model considers a continuous unbalance force approach not commonly used in the literature and lateral-torsional generalized impact forces. In the sequence, distinct damping models are presented for the drill-string lateral dynamics. Three damping ratio relations are explored, originating different proportional damping matrices. Later, uncertainties are introduced in the damping matrices with the random matrix theory, which adds global non-parametric uncertainties to the damping term. With this stochastic model, it is – to some extent – acknowledged that the complete nature of the dissipation forces in the process might be unknown and that a nonlinear dynamic with fluid-structure interaction may present non-proportional damping. A model order reduction technique is used, based on the most relevant modes, and numerical simulations are conducted in order to obtain the time-domain response in different drilling configurations. With these, maps detailing possible regimes are presented. The Monte Carlo Method is applied for numerical simulations of the stochastic models. Maps containing probabilities of events are then calculated. Finally, the impact of the proportional damping hypothesis is qualitatively evaluated. |
| Palavras-chave: | Coluna de perfuração Vibrações não lineares Método do elemento finito |
| Assunto CNPq: | Engenharia Mecânica |
| Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
| Unidade produtora: | Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia |
| Editora: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Data de publicação: | Jul-2020 |
| País de publicação: | Brasil |
| Idioma da publicação: | eng |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| Aparece nas coleções: | Engenharia Mecânica |
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