PID control design of strongly coupled axial-torsional vibrations in rotary drilling systems

• Autorzy: Meddah Sabrina , Idir Abdelhakim , Tadjer Sid Ahmed , Doghmane Mohamed Zinelabidine , Kidouche Madjid

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.03.35

Warianty tytułu

PL

Projektowanie sterowania PID silnie sprzężonych drgań osiowo-skrętnych w obrotowych systemach wiertniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Drilling operations can encounter considerable challenges posed by strong, coupled vibrations that exert a complex influence on rotary drilling system performance. These vibrations are classified into three distinct types based on their propagation direction: axial, lateral, and torsional. Previous research efforts have predominantly focused on examining each vibration type in isolation. However, the effectiveness and resilience of developed controllers are profoundly affected by the often overlooked coupling effects arising from other types of vibrations. In this study, we propose the implementation of a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller for the coupled Axial-Torsional vibration system. The research presented herein is dedicated to investigate the performance of the controller under strongly coupled vibrations. To address the dynamic vibrations encountered during drilling, it is imperative to understand the intricate behavior of the drill bit in response to these vibrations before designing controllers to mitigate their impact. Numerous models have been proposed in the existing literature to elucidate the behavior of the drill string under axial-torsional vibrations. The objective of this research is to develop a comprehensive model of the drilling system and investigate the robustness of the PID controller to mitigate the adverse effects of coupled Axial-Torsional vibrations. By effectively analysing the obtained results, this study has contributed to the optimization and improvement of drilling operations under sever coupled vibrations.

PL

Operacje wiercenia mogą napotkać znaczne wyzwania stawiane przez silne, sprzężone wibracje, które wywierają złożony wpływ na wydajność obrotowego systemu wiercącego. Te wibracje są klasyfikowane na trzy różne typy na podstawie kierunku propagacji: osiowe, boczne i skrętne. Dotychczasowe wysiłki badawcze skupiały się głównie na badaniu każdego rodzaju wibracji oddzielnie. Jednak skuteczność i odporność opracowanych regulatorów są głęboko dotknięte często pomijanymi efektami sprzężenia wynikającymi z innych rodzajów wibracji. W niniejszym badaniu proponujemy zastosowanie kontrolera Proporcjonalno-Całkowo-Różniczkowego (PID) dla sprzężonego systemu wibracji osiowo-skrętnych. Przedstawione w tym badaniu badania są poświęcone zbadaniu wydajności kontrolera w warunkach silnie sprzężonych wibracji. Aby skutecznie radzić sobie z dynamicznymi wibracjami napotykanymi podczas wiercenia, niezwykle istotne jest zrozumienie złożonego zachowania wiertła w odpowiedzi na te wibracje przed zaprojektowaniem kontrolerów w celu złagodzenia ich wpływu. W istniejącej literaturze zaproponowano wiele modeli w celu wyjaśnienia zachowania struny wiertniczej pod wpływem wibracji osiowo-skrętnych. Celem tego badania jest opracowanie wszechstronnego modelu systemu wiercenia i zbadanie odporności kontrolera PID na mitigację niekorzystnych skutków sprzężonych wibracji osiowo-skrętnych. Poprzez skuteczną analizę uzyskanych wyników, to badanie przyczyniło się do optymalizacji i poprawy operacji wiercenia w warunkach silnie sprzężonych wibracji.

Słowa kluczowe

EN

axial-torsional coupled vibrations; decoupled non-linear control; PID Controller; rotary drilling system

PL

sprzężone drganie osiowo-torsyjne; rozłączona nieliniowa regulacja; regulator PID; System wiercenia obrotowego

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 3
• Strony: 196--201
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Meddah Sabrina

• Applied Automation Laboratory, F.H.C., University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria
• Institute of Electrical and Electronic Engineering (IGEE), University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria

• https://orcid.org/0000-0002-3510-5932

autor

Idir Abdelhakim

• Applied Automation Laboratory, F.H.C., University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria
• Electrical Engineering Department, Mohamed Boudiaf University of M’sila - Algeria

• https://orcid.org/0009-0004-3896-5702

autor

Tadjer Sid Ahmed

• Laboratory for the electrification of industrial enterprises, University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria

• https://orcid.org/0000-0002-9715-8992

autor

Doghmane Mohamed Zinelabidine

• Applied Automation Laboratory, F.H.C., University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria
• Reservoirs Evaluation Department, OPE, Exploration Division, SONATRACH, Hassi Messaoud 30500, Algeria

autor

Kidouche Madjid

• Applied Automation Laboratory, F.H.C., University of Boumerdes, 35000 Boumerdes, Algeria

Bibliografia

• [1] Doghmane M. Z., Bacetti A., Kidouche M., “Stick-Slip Vibrations Control Strategy Design for Smart Rotary Drilling Systems, ” ICAIRES 2020. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 174. Springer(2021), Cham.
• [2] Kessai I., Benammar S., Doghmane M. Z., “Dynamic failure analysis and lifetime estimation of Tool-string in rotary drilling system under Torsional-Axial coupled vibrations,” Engineering Failure Analysis, (2022), vol. 134, no. 202,
• [3] Mendil C., Kidouche Madjid., Doghmane M. Z., “Hybrid sliding PID controller for torsional vibrations mitigation in rotary drilling systems,” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, (2021), vol. 22, no. 1, pp. 146-158,
• [4] Riane R., Kidouche M., Doghmane M. Z., Illoul R., “Modeling of torsional vibrations dynamic in drill-string by using PI-observer,” Lecture Notes in Electrical Engineering, vol. 682. Springer, Singapore (2021).
• [5] Kuang-Chen L., Friend J. Yeo L., “The axial–torsional vibration of pretwisted beams,” Journal of Sound and Vibration, (2009), vol. 321, no. 1–2, pp.115-136,
• [6] Mendil C., Kidouche M., Doghmane, M. Z., “Hybrid Backstepping Sliding Mode Controller for Stick–slip Vibrations Mitigation in Rotary Drilling Systems,” IETE Journal of Research, (2021), vol.69, no.6, pp.3477-3487.
• [7] Mendil C., Kidouche M., Doghmane M.Z., “Modeling of Hydrocarbons Rotary Drilling Systems Under Torsional Vibrations: A Survey”. ICAIRES 2020. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 174. Springer, Cham.
• [8] Idir A., Canale L., Bensafia Y., Khettab, K. “Design and Robust Performance Analysis of Low-Order Approximation of Fractional PID Controller Based on an IABC Algorithm for an Automatic Voltage Regulator System”, Energies, (2022), vol. 15, 8973.
• [9] Idir A., Canale L., Tadjer S. A., Chekired F., "High Order Approximation of Fractional PID Controller based on Grey Wolf Optimization for DC Motor,". 2022 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2022 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Jun 2022, Prague, Czech Republic. pp.1–6.
• [10] Kessai I., Doghmane M.Z., Benammar S., “Weight-On-Bit Variations Analyses in the Drillstring of Rotary Drilling Systems Under Stick-Slip Vibrations,” Lecture Notes in Networks and Systems, vol 361. Springer, Cham.
• [11] Kamel J. M., Yigit A., “Modeling and Analysis of Axial and Torsional Vibrations of Drillstrings with Drag Bits,” International Petroleum Technology Conference, Doha, Qatar, January 2014.
• [12] Riane R., Doghmane, M. Z., Kidouche M., Djezzar S., “Observer-Based H∞ Controller Design for High Frequency Stick-Slip Vibrations Mitigation in Drill-String of Rotary Drilling Systems,” Vibration, (2022), vol.5, pp. 264-289.
• [13] Hosseinzadeh A., and Bakhtiari-Nejad F., “A New Dynamic Model of Coupled Axial–Torsional Vibration of a Drill String for Investigation on the Length Increment Effect on Stick–Slip Instability,” ASME. J. Vib. Acoust., (2017), vol. 139, no. 6, pp. 061016.
• [14] Kim B. J., Palazzolo A., and Gharib M., “Drillstring Simulator: A Novel Software Model for Stick–Slip And Bit-Bounce Vibrations,” In ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, (2021), vol. 85611, pp. V07AT07A048, American Society of Mechanical Engineers.
• [15] Sergey A. V., Alexander M. G., Alexey S. K., et al., “Influence of Torsional Motion on the Axial Vibrations of a Drilling Tool,” J. Comput. Nonlinear Dynam., (2007), vol. 2, no.1, pp. 58-64.
• [16] Yu T., Xinye L., Huabiao Z., “Nonlinear analysis of axial-torsional vibration of drill string based on a 3 DOF model,” Advances in Mechanical Engineering, (2022), vol.14, no.6.
• [17] Mohamed Helaimi M., Taleb R., Gabbar H. A., Othman M., “ Frequency control of microgrid system based renewable generation using fractional PID controller,” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science (IJEECS), (2019), vol. 19, no. 2, pp. 745-755.
• [18] Idir, A., Bensafia, Y., Khettab, K., and Canale, L., Performance improvement of aircraft pitch angle control using a new reduced order fractionalized PID controller, Asian J Control 25 (2023), 2588–2603.
• [19] Doghmane M. Z., “Optimal Decentralized Control Design with Overlapping Structure,” Magister Thesis, University M’hamed Bougara of Boumerdes, Algeria, 2011.
• [20] Doghmane M. Z., Kidouche M., and Ahriche A., “Decentralized Overlapping Control Design with Application to Rotary Drilling System,” IETE Journal of Research, (2023), vol.69, no.4, pp.2070-2079.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).