2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2020.5.5 pmi-13439 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13439 Горное дело Mining Method of drilling process control and experimental studies of resistance forces during bits drilling with PDC cutters Методика управления процессом бурения и экспериментальные исследования сил сопротивления при бурении долотами с резцами PDC Neskromnykh Vyacheslav V. Нескоромных В. В. Neskromnykh Vyacheslav V. sovair@bk.ru Институт горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета (Красноярск, Россия) Siberian Federal University (Krasnoyarsk, Russia) Popova Marina S. Попова М. С. Popova Marina S. alleniram83@mail.ru Институт горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета (Красноярск, Россия) Siberian Federal University (Krasnoyarsk, Russia) Golovchenko A. E. Головченко А. Е. Golovchenko A. E. antong77@yandex.ru Институт горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета (Красноярск, Россия) Siberian Federal University (Krasnoyarsk, Russia) PETENEV P. G. Петенёв П. Г. PETENEV P. G. antong77@yandex.ru Институт горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета (Санкт-Петербург, Россия) Siberian Federal University (Saint Petersburg, Russia) Baochang Liu Баочанг Лиу Baochang Liu liubc@jlu.edu.cn Университет Цзилинь (Чанчунь, Китай) Jilin University (Changchun, China) 24 11 2020 2020 245 539 546 09 06 2020 02 11 2020 24 11 2020 © 2020 В. В. Нескоромных, М. С. Попова, А. Е. Головченко, П. Г. Петенёв, Лиу Баочанг © 2020 Vyacheslav V. Neskromnykh, Marina S. Popova, A. E. Golovchenko, P. G. PETENEV, Liu Baochang 2020 В. В. Нескоромных, М. С. Попова, А. Е. Головченко, П. Г. Петенёв, Лиу Баочанг Vyacheslav V. Neskromnykh, Marina S. Popova, A. E. Golovchenko, P. G. PETENEV, Liu Baochang Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13439

Рациональная, теоретически обоснованная и эмпирически верифицированная система управления является условием оптимального управления процессом бурения с соблюдением критериев минимизации затрат временных и материальных ресурсов. Новое поколение породоразрушающего инструмента с применением резцов PDC (polycrystalline diamante cutters), крайне эффективных при бурении скважин различного целевого назначения в горных породах средней твердости, диктует необходимость разработки методики и критериев оптимального управления процессом бурения с использованием данного инструмента. В работе представлен аналитический анализ силового взаимодействия породоразрушающих элементов, горной породы, вмещающей забой, и бурового раствора, насыщенного шламом, выделены влияющие факторы, приведены зависимости для определения параметров разрушения горных пород. Эмпирическая верификация теоретических положений проведена на основе анализа данных экспериментального бурения мрамора коронкой с резцами PDC диаметром 76,2 мм, обработанных с применением метода полного факторного эксперимента с получением математических моделей факторов и их графической интерпретации. Рассмотрена методика управления процессом бурения, основанная на оптимальном соотношении частоты вращения инструмента, осевой нагрузки и углубления за один оборот, позволяющая определить по косвенным признакам режим разрушения горной породы на забое скважины и выбрать оптимальные значения параметров режима бурения, которые соответствуют наиболее оптимальным условиям с точки зрения достижения максимальной механической скорости бурения в совокупности с рациональным режимом работы породоразрушающего инструмента. Представлена схема, содержащая возможные варианты режима отработки долота и способы их распознавания по соотношению углубления за один оборот и частоты вращения породоразрушающего инструмента.

A rational, theoretically proved and empirically verified control system is a condition for optimal management of the drilling process in compliance with the criteria for minimizing the cost of time and material resources. A new generation of rock-cutting tools using PDC cutters (polycrystalline diamante cutters), which are extremely effective when drilling wells for various purposes in medium-hard rocks, dictates the need to develop methods and criteria for optimal control of the drilling process using this tool. The paper presents an analysis of the force interaction between rock-cutting elements, face rock, and drilling mud saturated with slam, highlights the influencing factors and provides dependencies for determining the parameters of rock failure. Empirical verification of the theoretical propositions was carried out based on the data analysis from experimental bit drilling of marble with PDC cutters with a diameter of 76.2 mm, processed using the method of full factor experiment to obtain mathematical models of factors and their graphical interpretation. The method of controlling the drilling process based on the optimal ratio of the tool rotation frequency, axial weight and deepening per one turnover is considered, which allows determining the rock failure mode at the well bottom by indirect signs and choose the optimal values of the drilling mode parameters that correspond to the most optimal conditions in terms of achieving the maximum mechanical drilling speed in conjunction with the rational mode of rock-cutting tool operation. A scheme is presented that contains possible variants of the bit run mode and ways to recognize them by the ratio of the deepening per turnover and the rotation frequency of the rock-cutting tool.

 Ключевые слова алмазное бурение полный факторный эксперимент управление процессом бурения отработка бурового инструмента резцы PDC режимы бурения Борисов К.И. Современные методы оценки сопротивления горных пород резанию-скалыванию при бурении долотами PDC. Томск: Из-во ТПУ, 2013. 166 с. Borisov K.I. Modern methods for evaluating rock resistance to cutting and chipping when drilling with PDC bits. Tomsk: Iz-vo TPU, 2013, p. 166 (in Russian). Литвиненко В.С. Обоснование выбора параметров режима бурения скважин роторными управляемыми системами / В.С.Литвиненко, М.В.Двойников // Записки Горного института. 2019. Т. 235. С. 24-29. DOI 10.31897/PMI.2019.1.24 Litvinenko V.S., Dvoinikov M.V. Justification of the Technological Parameters Choice for Well Drilling by Rotary Steerable Systems. Journal of Mining Institute. 2019. Vol. 235, p. 24-29. DOI: 10.31897/PMI.2019.1.24 (in Russian). Нескоромных В.В. Аналитическое исследование процесса резания-скалывания горной породы долотом с резцами PDC / В.В.Нескоромных, К.И.Борисов // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 323. № 1. С. 191-195. Neskoromnykh V.V., Borisov K.I. Analytical study of the cutting-chipping rock process with PDC cutters bits. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2013. Vol. 323. N 1, p. 191-195 (in Russian). Нескоромных В.В. Оптимизация в геологоразведочном производстве. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2013. 246 с. Neskoromnykh V.V. Optimization in exploration production. Krasnoyarsk: Sibirskii federalnyi universitet, 2013, p. 246 (in Russian). Нескоромных В.В. Применение материала нового поколения в качестве элементов современного породоразрушающего инструмента / В.В.Нескоромных, М.С.Попова, А.Е.Головченко // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2019. № 10. С. 15-20. DOI: 10.30713/0130-3872-2019-10-15-20 Neskoromnyh V.V., Popova M.S., Golovchenko A.E. Use of the New Generation Material as Elements of Modern Rock Cutting Tools. Construction of Oil and Gas Wells on Land and Sea. 2019. N 10, p. 15-20. DOI: 10.30713/0130-3872-2019-10-15-20 (in Russian) Нескоромных В.В. Методика оптимальных параметров режима и условий бурения скважин / В.В.Нескоромных, П.С.Пушмин // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. 2011. № 1 (38). С. 151-157. Neskoromnyh V.V., Pushmin P.S. Methods to Determine Optimum Parameters of the Mode and Conditions of Borehole. Iz-vestija Sibirskogo otdelenija Sekcii nauk o Zemle RAEN. 2011. N 1 (38), p. 151-157 (in Russian). Третьяк А.Я. Инновационные подходы к конструированию высокоэффективного породоразрушающего инструмента / А.Я.Третьяк, В.В.Попов, А.Н.Гроссу, К.А.Борисов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 8. С. 225-230. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-225-230 Tretyak A.Ya., Popov V.V., Grossu A.N., Borisov K.A. Innovative approaches to the design of highly efficient rock cutting tools. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten. 2017. N 8, p. 225-230. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-225-230 (in Russian). Brook B. Principles of diamond tool technology for sawing rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2002. Vol. 39. Iss. 1. P. 41-58. DOI: 10.1016/S1365-1609(02)00007-2 Brook B. Principles of diamond tool technology for sawing rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci-ences. 2002. Vol. 39. Iss. 1, p. 41-58. DOI: 10.1016/S1365-1609(02)00007-2 Hasan A.R. Wellbore heat-transfer modeling and applications / A.R.Hasan, S.Kabir // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2012. Vol. 86-87. Р. 127-136. DOI: 10.1016/S.petrol.2012.03.021 Hasan A.R., Kabir S. Wellbore heat-transfer modeling and applications. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2012. Vol. 86-87, р. 127-136. DOI: 10.1016/S.petrol.2012.03.021 Huang H. Discrete element modeling of tool-rock interaction I: Rock cutting / H.Huang, B.Lecampion, E.Detournay // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2013. Vol. 37. Iss. 13. P. 1913-1929. DOI: 10.1002/nag.2113 Huang H., Lecampion B., Detournay E. Discrete element modeling of tool-rock interaction I: Rock cutting. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2013. Vol. 37. Iss. 13, p. 1913-1929. DOI: 10.1002/nag.2113 Integrated FEA modeling offers system approach to drillstring optimization / H.Aslaksen, M.Annand, R.Duncan, A.Fjaere, L.Paez, U.Tran // Society of Petroleum Engineers / SPE Drilling Conference. 2006. 21-23 February. Miami, Florida, USA. P. 669-684. DOI: 10.2118/99018-MS Aslaksen H., Annand M., Duncan R., Fjaere A., Paez L., Tran U. Integrated FEA modeling offers system approach to drillstring optimization. Society of Petroleum Engineers. SPE Drilling Conference. 2006. 21-23 February. Miami, Florida, USA, p. 669-684. DOI: 10.2118/99018-MS Litvinenko V.S. (ed). XVIII International Coal Preparation Congress: Saint-Petersburg, Russia, 28 June – 01 July 2016. Springer International Publishing, 2016. Vol. 1. 1196 p. DOI: 10.1007/978-3-319-40943-6 Litvinenko V.S. (ed). XVIII International Coal Preparation Congress: Saint-Petersburg, Russia, 28 June – 01 July 2016. Springer International Publishing, 2016. Vol. 1, p.1196. DOI: 10.1007/978-3-319-40943-6 Optimization model for polycrystalline diamond compact bits based on reverse design / Z.Ai, Y.Han, Y.Kuang, Y.Wang, M.Zhang // Advances in Mechanical Engineering. 2018. Vol. 10. Iss. 6. DOI: 10.1177/1687814018781494 Ai Z., Han Y., Kuang Y., Wang Y., Zhang M. Optimization model for polycrystalline diamond compact bits based on reverse design. Advances in Mechanical Engineering. 2018. Vol. 10. Iss. 6. DOI: 10.1177/1687814018781494 Production of coarse-grained high-strength microgrits to be used in drilling tools / O.A.Zanevskii, S.A.Ivakhnenko, G.D.Ilnitskaya, A.P.Zakora, R.K.Bogdanov, A.A.Karakozov, M.C.Popova // Journal of Superhard Materials. 2015. Vol. 37. Iss. 2. P. 85-96. DOI: 10.3103/S1063457615020082 Zanevskii O.A., Ivakhnenko S.A., Ilnitskaya G.D., Zakora A.P., Bogdanov R.K., Karakozov A.A., Popova M.C. Production of coarse-grained high-strength microgrits to be used in drilling tools. Journal of Superhard Materials. 2015. Vol. 37. Iss. 2, p. 85-96. DOI: 10.3103/S1063457615020082 Product Catalog. Smith Bits. A Schlumberger Company. 17_BDT_310907 Copyright 2018 Schlumberger. All rights reserved. URL: https://www.slb.com/_/media/files/smith/catalogs/bits_catalog (дата обращения 10.04.2020). Product Catalog. Smith Bits. A Schlumberger Company. 17_BDT_310907 Copyright 2018 Schlumberger. All rights re-served. URL: https://www.slb.com/_/media/files/smith/catalogs/bits_catalog (дата обращения 10.04.2020).