Development of bit design for breaking rocks with different mechanical properties

• Autorzy: Seniushkovych Mykola , Vytvytskyi Ivan , Martsynkiv Oleh , Tyrlych Volodymyr V. , Vytiaz Andrii

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.10.02

Warianty tytułu

PL

Opracowanie konstrukcji świdra wiertniczego do zwiercania skał o różnych właściwościach mechanicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a description of a bit design with a combined cutter layout, aimed at increasing the efficiency of breaking rocks with different mechanical properties. The results from industrial testing of the manufactured bits are analyzed, revealing the need to improve their hydraulic flushing system. Computer modeling was conducted using the Flow Simulation CAD/CAM package of the Solid Works system, where various models of the design options for the bit, the borehole bottom, and a segment of the drill string were created. For each variant, numerical calculations of the fluid motion were carried out using the finite element method. Based on the simulation results, optimal angles of inclination for the jet nozzles relative to the bit axis and their distance from this axis were determined. Key factors influencing the stability of the bit cutters, which destroy the rock by cutting with axial vibrations, were identified, and analytical dependencies for their predictive stability were derived. The wear rate of the bit cutters was determined by instantaneous values of such physical parameters as: the degree of wear, rock cutting speed, temperature, axial loading force on the cutter, and the friction coefficient at the contact between the cutter and rock. Temperature is especially impactful, reaching levels exceeding 1000°C in the cutting zone; it is often regarded as the primary factor influencing bit cutter stability. To maximize the efficiency of rockbreaking in the process of drilling wells, it is necessary to set the following vibration parameters: frequency, amplitude, and vibration mode, which can be determined from the results of mathematical modeling.

PL

W artykule przedstawiono opis konstrukcji świdra wiertniczego z kombinowanym układem ostrzy, mającym na celu zwiększenie efektywności rozkruszania skał o różnych właściwościach mechanicznych. Przeanalizowano wyniki testów przemysłowych wyprodukowanych świdrów, które wykazały potrzebę ulepszenia ich systemu płukania hydraulicznego. Modelowanie komputerowe przeprowadzono przy użyciu pakietu Flow Simulation CAD/CAM systemu Solid Works, w którym utworzono różne modele wariantów projektowych świdra, dna otworu wiertniczego oraz segmentu przewodu wiertniczego. Zidentyfikowano kluczowe czynniki wpływające na trwałość ostrzy, które kruszą skałę poprzez skrawanie drganiami osiowymi oraz wyprowadzono zależności analityczne dla ich przewidywanej stabilności. Stopień zużycia ostrzy określono na podstawie chwilowych wartości takich parametrów fizycznych jak: stopień zużycia, prędkość skrawania skały, temperatura, siła obciążenia osiowego ostrza oraz współczynnik tarcia na styku ostrza ze skałą. Temperatura jest czynnikiem mającym szczególny wpływ, ponieważ osiąga poziomy przekraczające 1000°C w strefie skrawania; jest ona często uważana za główny czynnik decydujący o trwałości ostrza. W celu zmaksymalizowania wydajności rozkruszania skał w procesie wiercenia otworów, konieczne jest określenie następujących parametrów drgań: częstotliwości, amplitudy i trybu drgań, które można określić na podstawie wyników modelowania matematycznego.

Słowa kluczowe

EN

bit; outflow rate; cutters; rock-breaking zone; rock; cutting speed; axial vibration; durability; drilling

PL

świder wiertniczy; natężenie wypływu; ostrza; strefa rozkruszania skał; skała; prędkość skrawania; drgania osiowe; trwałość; wiercenie

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 10
• Strony: 615–--624
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Seniushkovych Mykola

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Vytvytskyi Ivan

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Martsynkiv Oleh

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Tyrlych Volodymyr V.

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

autor

Vytiaz Andrii

• Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas

Bibliografia

• Biletskyi Ya., Biletskyi M., Kotskulych Ya., Seniushkovych М., Tsyfra Yu., 2012. The method of correlation of drilling modes according to the determined temperature state of the thermodynamic system. Patent of Ukraine for the invention. No. 99668. Bull. No. 17, dated: 10.09.2012.
• Biletskyi Ya., Biletskyi М., Hunchak М., Shymko Т., Seniushkovych М., Chudyk І., 2014. A drill head with a combined drilling and well cleaning scheme. Ukrainian patent for a utility model. No. 92096. Bull. No. 14, dated: 07.25.2014.
• Biletskyi Ya., Seniushkovych М., Mykhailiuk V., Savchuk N., 2020a. Drill head with variously oriented hydromonitor nozzles. Patent of Ukraine for a utility model. No. 144638. Bull. No. 19, dated: 12.10.2020.
• Biletskyi Ya., Seniushkovych М., Vriukalo V., Biletska І., 2016. Development and testing of a drill head with a rock cutting generator circuit. Pre-Carpathian Bulletin of NTSH, Numeric, Ivano-Frankivsk, 33(1): 224–235.
• Biletskyi Ya., Shymko Т., Biletska І., Mykhailiuk V., Seniushkovych M., Deineha R., 2020b. Study of hydrodynamic parameters and modernization of PDC drill bit elements. Oil and Gas Energy, Ivano-Frankivsk, 34(2): 46–55.
• Bondarenko М., 2006. Scientific basis of creating a diamond drilling tool with increased workability. Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas. Dr. Tech. Sciences Thesis: specialist 05.15.10. Drilling wells, 351.
• Jones S., Sugiura J., Barton S., 2008. Results From Systematic Rotary-Steerable Testing With PDC Drill-Bits Depict the Optimal Balance Between Stability, Steerability, and Borehole Quality. IADC/SPE Drilling Conference, Orlando, Florida, USA. DOI:10.2118/112579-MS.
• Karkashadze H., 2004. Mechanical destruction of rocks. Moscow State Publishing House, Mining University, 222.
• Kryzhanivskyi Ye., Kotskulych Ya., Biletskyi Ya., Biletskyi S., Seniushkovych M., Kolos I., 2013. Drill head with generator cutting scheme. Patent of Ukraine for the invention. No. 101904.Bull. No. 9, dated: 13.05.2013.
• Liang E.-G., Li Z.-F., Zou D.-Y., 2009. Experimental research on integrated mechanical model of PDC bit. Rock and Soil Mechanics, 30(4): 938–942.
• Moisyshyn V., Biletskyi Ya., Seniushkovych М., Vytvytskyi І., 2020. Study of the parameters of the hydromonitoring bit jet. Pre- Carpathian Bulletin of NTSH, Ivano-Frankivsk, 59(1): 98–110.
• Shatskyi І., Velychkovych A., Seniushkovych M., Vytvytskyi I., 2019. Analytical models of contact interaction of casing centralizers with well wall. Engineering Solid Mechanics, 7(4): 355–366. DOI: 10.5267/j.esm.2019.6.002.
• Shatskyi І., Velychkovych A., Seniushkovych M., Vytvytskyi I., 2021. Modeling of nonlinear properties of casing centralizers equipped with axial thrust. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. DOI: 10.1088/1757-899X/1018/1/012003.
• Vytyaz O., Chudyk I., Mykhailiuk V., 2015. Study of the effects of drilling string eccentricity in the borehole on the quality of its cleaning. New Developments in Mining Engineering, Theoretical and Practical Solutions of Mineral Resources Mining. CRC Press, 591–595. DOI: 10.1201/b19901-102.
• Wang J., He M., Yuan Z., Luo B., Ma X., 2023. Ductile-brittle failure transition of rocks in process of drilling with high confining pressure: Model and experiment. Geoenergy Science and Engineering, 223(2): 211505. DOI: 10.1016/j.geoen.2023.211505.
• Xiaofeng X., Wei S., Kuanliang Z., Changhao W., Yan Z., Yunfeng L., Shibin L., 2022. PDC bit optimization scheme for tight oil reservoirs in the Jidong Oilfield based on rock anti-drilling characteristics. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 12(1): 2869–2881. DOI: 10.1007/s13202-022-01493-2.
• Zhu X., Li H., 2015. Numerical simulation on mechanical special energy of PDC cutter rock-cutting. Journal of Basic Science nad Engineering, 23(1): 182–191.