Стендові випробування бурового амортизатора з багатозахідним гвинтовим вузлом при бурінні твердої породи PDC-долотом
DOI:
https://doi.org/10.31471/1993-9868-2026-1(45)-100-114Ключові слова:
стендові випробування, буровий амортизатор, гвинтовий вузол, PDC-долото, тарілчасті пружини, механічна швидкість бурінняАнотація
У процесі глибокого буріння твердих і перешарованих порід бурильна колона працює як довгомірна пружно-деформівна система, чутлива до змін режимних параметрів буріння та умов контакту долота з вибоєм. Небезпечним проявом нестійкої динаміки такої системи є явище переривчастого обертання долота – stick-slip, що супроводжується піковими крутильними навантаженнями та ризиком пошкодження PDC-доліт. У роботі представлено лабораторний взірець, конструктивно подібний до вибійного амортизатора поздовжньо-крутильних коливань бурильної колони. Основними вузлами взірця є багатозахідна несамогальмівна гвинтова пара та пакет тарілчастих пружин. У процесі їх взаємодії приріст крутного моменту перетворюється на осьове переміщення вихідного вала з подальшим додатковим стисканням пружного елемента. Метою дослідження була стендова перевірка працездатності взірця амортизатора під час буріння твердої породи PDC-долотом і оцінювання його впливу на механічну швидкість проходки порівняно з жорсткою схемою передавання навантаження. Випробування виконували на радіально-свердлильному верстаті 2А554 із використанням PDC-долота діаметром 92 мм та гранітних зразків. Порівнювали два компонування – жорстке з’єднання долота зі шпинделем і встановлення амортизатора між шпинделем та долотом. Для кожного режиму фіксували час проходження контрольного інтервалу 10 мм і розраховували механічну швидкість буріння. Перед бурінням виконано статичне калібрування гвинтового та пружного вузлів і встановлено, що зафіксований на стенді діапазон осадки амортизатора 10–15 мм відповідає крутному моменту 170–225 Н·м і зусиллю стиску 1253–1773 Н. Використання амортизатора підвищило механічну швидкість буріння в досліджених режимах. Відносний приріст становив 22,3–34,6%, інтегральний приріст за сумарним часом проходки – близько 25,3%, а виразніший ефект спостерігався при інтенсивніших режимах буріння. Отримані результати підтверджують працездатність взірця амортизатора та обґрунтовують перехід до розроблення дослідного вибійного амортизатора для польових випробувань.
Завантаження
Посилання
1. Mantegazini D. Z., Nascimento A., Dornelas V. F., Mathias M. H. Analysis and Multi-Objective Optimization of the Rate of Penetration and Mechanical Specific Energy: A Case Study Applied to a Carbonate Hard Rock Reservoir Based on a Drill Rate Test Using Play-Back Methodology. Applied Sciences. 2024. Vol. 14, no. 6. P. 2234. https://doi.org/10.3390/app14062234
2. Song J., Liu S., He Y., Jiang S., Zhou S., Zhu H. The state-of-the-art review on the drill pipe vibration. Geoenergy Science and Engineering. 2024. Vol. 243. P. 213337. https://doi.org/10.1016/j.geoen.2024.213337
3. Zhang H., Tian K., Detournay E. A high-fidelity model for nonlinear self-excited oscillations in rotary drilling systems. Journal of Sound and Vibration. 2024. Vol. 573. P. 118193. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.118193
4. Richard T., Germay C., 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. Vol. 305, no. 3. P. 432–456. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.04.015
5. Leine R. I., van Campen D. H., Keultjes W. J. G. Stick-slip Whirl Interaction in Drillstring Dynamics. Journal of Vibration and Acoustics. 2002. Vol. 124, no. 2. P. 209–220. https://doi.org/10.1115/1.1452745
6. Jansen J. D., van den Steen L. Active damping of self-excited torsional vibrations in oil well drillstrings. Journal of Sound and Vibration. 1995. Vol. 179, no. 4. P. 647–668. https://doi.org/10.1006/jsvi.1995.0042
7. Tang L., Guo B., Zhu X., Shi C., Zhou Y. Stick–slip vibrations in oil well drillstring: A review. Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2020. Vol. 39, no. 4. P. 885–907. https://doi.org/10.1177/1461348419853658
8. Landar S., Velychkovych A., Ropyak L., Andrusyak A. A Method for Applying the Use of a Smart 4 Controller for the Assessment of Drill String Bottom-Part Vibrations and Shock Loads. Vibration. 2024. Vol. 7, no. 3. P. 802–828. https://doi.org/10.3390/vibration7030043
9. Landar S., Velychkovych A., Vytvytskyi V., Ropyak L. Threshold vibration metrics of drilling tools as indicators of bit wear and rate of penetration decline: Field trials and data interpretation. Mining of Mineral Deposits. 2025. Vol. 19, no. 4. P. 147–157. https://doi.org/10.33271/mining19.04.147
10. Srivastava S., Sharma A., Teodoriu C. Optimizing sampling frequency of surface and downhole measurements for efficient stick-slip vibration detection. Petroleum. 2024. Vol. 10, no. 1. P. 30–38. https://doi.org/10.1016/j.petlm.2023.02.004
11. Watson W., Witt-Doerring Y., Sugiura J., Pastusek P., Daechsel D., Vallet L., Amish M., Oluyemi G. IADC Code Upgrade: Interpretation of Surface and Downhole Data to Support Drilling Forensics. SPE Journal. 2023. Vol. 28, no. 6. P. 2693–2712. https://doi.org/10.2118/210243-PA
12. Brett J. F., Warren T. M., Behr S. M. Bit Whirl: A New Theory of PDC Bit Failure. SPE Drilling Engineering. 1990. Vol. 5, no. 04. P. 275–281. https://doi.org/10.2118/19571-PA
13. Fear M. J., Abbassian F., Parfitt S. H. L., McClean A. The Destruction of PDC Bits by Severe Slip-Stick Vibration. SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam, The Netherlands, 4–6 March 1997. Paper SPE-37639-MS. https://doi.org/10.2118/37639-MS
14. Huang Z., Xie D., Xie B., Zhang W., Zhang F., He L. Investigation of PDC bit failure base on stick-slip vibration analysis of drilling string system plus drill bit. Journal of Sound and Vibration. 2018. Vol. 417. P. 97–109. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2017.11.053
15. Abbas R. K. A review on the wear of oil drill bits: conventional and the state of the art approaches for wear reduction and quantification. Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 90. P. 554–584. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.03.026
16. Kanyanta V., Dormer A., Murphy N., Ivankovic A. Impact fatigue fracture of polycrystalline diamond compact (PDC) cutters and the effect of microstructure. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014. Vol. 46. P. 145–151. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.06.003
17. Rahmani R., Pastusek P., Yun G., Roberts T. Investigation of PDC Cutter Structural Integrity in Hard Rocks. SPE Drilling & Completion. 2021. Vol. 36, no. 01. P. 11–28. https://doi.org/10.2118/199598-PA
18. Selnes K. S., Clemmensen C., Reimers N. Drilling Difficult Formations Efficiently With the Use of an Antistall Tool. SPE Drilling & Completion. 2009. Vol. 24, no. 04. P. 531–536. https://doi.org/10.2118/111874-PA
19. Nessjøen P. J., Kyllingstad A., D’Ambrosio P., Fonseca I. S., Garcia A., Levy B. Field Experience With an Active Stick-Slip Prevention System. SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition. Amsterdam, The Netherlands, 1–3 March 2011. Paper SPE-139956-MS. https://doi.org/10.2118/139956-MS
20. Vromen T., Detournay E., Nijmeijer H., van de Wouw N. Dynamics of Drilling Systems With an Antistall Tool: Effect on Rate of Penetration and Mechanical Specific Energy. SPE Journal. 2019. Vol. 24, no. 05. P. 1982–1996. https://doi.org/10.2118/194487-PA
21. Sharma A., Abid K., Srivastava S., Baena Velasquez A. F., Teodoriu C. A review of torsional vibration mitigation techniques using active control and machine learning strategies. Petroleum. 2024. Vol. 10, no. 3. P. 411–426. https://doi.org/10.1016/j.petlm.2023.09.007
22. Velychkovych A., Mykhailiuk V., Andrusyak A. Evaluation of the Adaptive Behavior of a Shell-Type Elastic Element of a Drilling Shock Absorber with Increasing External Load Amplitude. Vibration. 2025. Vol. 8, no. 4. P. 60. https://doi.org/10.3390/vibration8040060
23. Dutkiewicz M., Velychkovych A., Shatskyi I., Shopa V. Efficient Model of the Interaction of Elastomeric Filler with an Open Shell and a Chrome-Plated Shaft in a Dry Friction Damper. Materials. 2022. Vol. 15, no. 13. P. 4671. https://doi.org/10.3390/ma15134671
24. Aribowo A. G., Aarsnes U. J. F., Chen K., Detournay E., van de Wouw N. Analysis of a downhole passive regulator in drilling: A distributed parameter modeling approach. Journal of Sound and Vibration. 2025. Vol. 618, Part B. P. 119300. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2025.119300
25. Moisyshyn V. M., Slabyi O. O. Creation of the Vibroprotective Device for Adjustment of Dynamics of a Column of Steel Drill Pipes and a Bit. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2018. Vol. 40, no. 4. P. 541–550. https://doi.org/10.15407/mfint.40.04.0541
26. Moisyshyn V. М., Vekeryk, V. I. Analysis of shock absorbers structures of longitudinal torsional vibrations of the drilling columns. Precarpathian Bulletin of the Shevchenko Scientific Society. Number, 2024. Vol. 19, no. 73. P. 140–154. https://doi.org/10.31471/2304-7399-2024-19(73)-140-154
27. Srivastava S., Teodoriu C. An extensive review of laboratory scaled experimental setups for studying drill string vibrations and the way forward. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 182. P. 106272. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.106272
28. Velychkovych A., Bedzir O., Shopa V. Laboratory experimental study of contact interaction between cut shells and resilient bodies. Engineering Solid Mechanics. 2021. Vol. 9. P. 425–438. https://doi.org/10.5267/j.esm.2021.5.003
29. Barnett L., Al Dushaishi M. F., Khan M. F. M. H. Experimental investigation of drillstring torsional vibration effect on rate of penetration with PDC bits in hard rock. Geothermics. 2022. Vol. 103. P. 102410. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2022.102410
30. Zhang J., Cui M., Wang Q., Ren H., Ji G., Shao F., Zhuo L., Li H., Yu J. Experimental study on rock drilling vibration of PDC bit in interbedded formations. Geoenergy Science and Engineering. 2025. Vol. 244. P. 213452. https://doi.org/10.1016/j.geoen.2024.213452
31. Moisyshyn V. M., Lyskanych M. V., Zhovniruk R. A., Majkovych Ye. P. Analysis of stand research results of axial dynamic force in drilling by three roller cone bit. Precarpathian Bulletin of the Shevchenko Scientific Society. Number. 2019. Vol. 1, no. 53. P. 81–93. https://doi.org/10.31471/2304-7399-2019-1(53)-81-93
32. Landar S., Velychkovych A., Mykhailiuk V. Numerical and analytical models of the mechanism of torque and axial load transmission in a shock absorber for drilling oil, gas and geothermal wells. Engineering Solid Mechanics. 2024. Vol. 12, no. 3. P. 207–220. https://doi.org/10.5267/j.esm.2024.3.002
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Нафтогазова енергетика
TЦя робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
.png)
1.png){kind=logo}
