Analysis, modeling and control of an oilwell drilling system

• Auteur / Autrice : Martha Belem Saldivar Marquez
• Direction : Sabine Mondie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et application
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes en cotutelle avec Cinvestav (Mexique)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes (1962-2021)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations d'onde

Oscillations

Forage

Mots clés libres

Vibrations d'une tige de perforation

Résumé

L'interaction de la tige de forage avec le puits mène à une variété d’oscillations indésirables. Trois principaux types de vibrations peuvent être distingués: torsion (stick-slip), axiale (bit-bounce) et latérale (whirling). Ces vibrations représentent une source d'échecs qui réduisent le taux de pénétration et augmentent le coût du processus. La première partie de ce travail concerne le problème de modélisation d'un système de forage vertical. Un modèle à paramètres distribués du système de forage décrit par une équation aux dérivées partielles hyperbolique avec conditions aux limites mixtes est présenté. Ce modèle initial motivé par la description physique du système peut être réduit à un système à retards de type neutre, soit par la transformation d'Alembert, soit en utilisant des techniques du domaine fréquentiel. L'intérêt du modèle obtenu est dû au fait que son analyse et sa simulation sont plus simples que celles du modèle initial aux dérivées partielles. De plus, il permet l'utilisation des méthodes de commande de systèmes de type neutre. La validation du modèle obtenu est faite de façon indirecte, en montrant qu’il reproduit les phénomènes vibratoires observés pendant le processus de forage aussi que les principales stratégies fondées sur l’expérience utilisées pour leur réduction. Dans la seconde partie de cette contribution, on développe des contrôleurs efficaces pour la stabilisation des systèmes à retards de type neutre. Les techniques de Lyapunov-Krasovskii conduisent à la synthèse de commandes en rétroaction par le biais de la solution d'inégalités matricielles linéaires ou bilinéaires (LMI, BMI). Basés sur différentes approches de modélisation, nous avons développé divers contrôleurs de stabilisation pour la réduction de vibration dans le système de forage. Les résultats des simulations corroborent leur efficacité.

In drilling operations, the drillstring interaction with the borehole gives rise to a wide variety of non-desired oscillations. Three main types of vibrations can be distinguished: torsional (stick-slip), axial (bit-bounce) and lateral (whirling). Drilling vibrations represent a source of failures which reduces the penetration rate and increases the operation cost. The first part of this work concerns the modeling problem of a vertical oilwell drilling system. A distributed parameter model described by a hyperbolic partial differential equation subject to mixed boundary conditions is presented. This physically motivated model can be reduced to a neutral-type time-delay system by means of the D’Alembert transformation or by using frequency domain techniques. The interest of this modeling strategy relies in the fact that it clearly simplifies the analysis and simulation regarding partial differential equation models. Additionally, the simplified model takes advantage of the existing control methods for neutral-type time-delay systems. The proposed modeling strategy is indirectly validated by simulations in close agreement with vibrational phenomena occurring during the drilling process; the main experience-based techniques to avoid undesirable behaviors are tested. The second part of the work is devoted to the control design to stabilize neutral-type time-delay systems. Lyapunov-Krasovskii techniques allow us to synthesize feedback controllers by means of the solution of linear and bilinear matrix inequalities (LMI, BMI). Based on the different modeling approaches, we develop effective control strategies to reduce drilling vibrations. The performance of the proposed approaches is highlighted through simulations showing an effective suppression of the undesirable phenomena stick-slip and bit-bounce.