Analyzing mechanics of rock breaking under conditions of hydromechanical drilling

Abstract

Purpose is to substantiate design factors and technological parameters of next-generation facilities of hydromechanical drilling basing upon the determined features of interaction between breaking pellets and rock mass. Methods. The studies of directionality features and bottomhole processes for rock mass breaking have been carried out using the current analytical methods and laboratory experiments. Among other things, certain mathematical and physical simulation techniques, methods of theoretical processing and interpretation of the research results under SolidWorks, Statgraphics, and Маthсаd environments, and a number of relevant instruments and materials have been applied. Following their technological sequence, the well bottomhole rock-breaking processes were simulated using a special laboratory stand equipped with a control- and-measuring unit (inclusive of a flowmeter, manometer, tachometer, and coordinate spacer among other things). Findings. Application perspectiveness of the combined techniques for rock breaking has been proved. Structural designs of the next-generation facilities for well drilling have been proposed. The pellet-impact drilling features have been analyzed from the viewpoint of its significant dynamic component during the rock mass breaking. Nature of the effect of breaking load rate on the results of bottomhole deformation processes has been identified. Efficiency of the proposed scheme to improve pellet-impact drilling based upon maximum use of a well bottomhole deformed by pellets has been proved. Measures to increase technical and technological indicators of pellet drilling have been considered. Requirements for the conditions stabilizing operation of a collar of the pellet-impact device have been outlined. Further research tendencies have been specified. Originality. It has been determined that compliance with specific geometrical and hydromechanical ratios, corresponding to the stable mode of a well sinking, is the factor required for reliable operation of hydromechanical drilling facilities. Practical implications. The results of stand-based tests as well as analytical studies may become the foundations to develop efficient engineering decision for hydromechanical well drilling with high technical and economic indicators. The data, concerning bottomhole rock breaking processes, are the basic ones to work out rational standard parameters of well sinking processes.

Мета. Обґрунтування конструктивних і технологічних параметрів модернізованих пристроїв гідромеханічного буріння, виходячи зі встановлених особливостей процесу взаємодії руйнівних куль із породним масивом. Методика. Дослідження особливостей спрямованості та ходу протікання вибійних процесів руйнування гірського масиву, виконано із застосуванням сучасних методів аналітичного аналізу й експериментально-лабораторних досліджень, зокрема шляхом використання окремих прийомів математичного та фізичного моделювання, методик теоретичної обробки та інтерпретації результатів досліджень у середовищі SolidWorks, Statgraphics, Маthсаd і низки відповідних контрольно-вимірювальних приладів та матеріалів. Свердловинні вибійні породоруйнівні процеси у своїй технологічній послідовності моделювались на спеціальному дослідницькому лабораторному стенді, обладнаному контрольно-вимірювальним блоком (зокрема, витратоміром, манометром, тахометром, координатником). Результати. Доведено перспективність застосування комбінованих способів руйнування гірських порід. Запропоновано конструктивні схеми модернізованих пристроїв для буріння свердловин. Вивчено ознаки кулеструминного буріння з позицій наявності в нього значної динамічної складової у процесах руйнування гірського масиву. З’ясовано характер впливу швидкості прикладення руйнівного навантаження на результати вибійних деформаційних процесів. Доведено ефективність запропонованої схеми модернізації кулеструминного буріння, що базується на максимальному використанні особливостей стану деформованого кулями вибою свердловини. Розглянуто заходи щодо підвищення техніко-технологічних показників дробового буріння. Окреслені вимоги до умов забезпечення сталості роботи породоруйнівного кільця кулеструминного пристрою. Перераховані напрями подальших досліджень. Наукова новизна. Встановлено, що показником надійності роботи пристроїв гідромеханічного буріння є дотримання у їх конструкціях і технологічних схемах застосування цілком певних геометричних та параметричних співвідношень, що відповідають стійкому режиму поглиблення свердловини. Практична значимість. Отримані результати стендових і аналітичних досліджень можуть бути покладені в основу створення ефективної технології гідромеханічного буріння свердловин з високими техніко-економічними показниками. Дані з вивчення вибійних породоруйнівних процесів є базовими для розробки раціональних режимних параметрів процесу поглиблення свердловин.

Цель. Обоснование конструктивных и технологических параметров модернизируемых устройств гидромеханического бурения, исходя из установленных особенностей процесса взаимодействия разрушающих шаров с породным массивом. Методика. Исследование особенностей направленности и хода протекания забойных процессов разрушения горного массива выполнено с применением современных методов аналитического анализа и экспериментально-лабораторных исследований, а именно путем использования отдельных приемов математического и физического моделирования, методик теоретической обработки и интерпретации результатов исследований в среде SolidWorks, Statgraphics, Маthсаd и ряда соответствующих контрольно-измерительных приборов и материалов. Скважинные забойные породоразрушающие процессы в своей технологической последовательности моделировались на специальном исследовательском лабораторном стенде, оборудованном контрольно-измерительным блоком (в частности, расходомером, манометром, тахометром, координатником). Результаты. Доказана перспективность применения комбинированных способов разрушения горных пород. Предложены конструктивные схемы модернизируемых устройств для бурения скважин. Изучены особенности шароструйного бурения с позиций наличия у него значительной динамической составляющей в процессах разрушения горного массива. Выяснен характер влияния скорости приложения разрушающей нагрузки на результаты забойных деформационных процессов. Доказана эффективность предложенной схемы модернизации шароструйного бурения, базирующейся на максимальном использовании особенностей состояния деформированного шарами забоя скважины. Рассмотрены мероприятия, повышающие технико-технологические показатели дробового бурения. Обозначены требования к условиям обеспечения устойчивости работы породоразрушающего кольца шароструйного устройства. Перечислены направления дальнейших исследований. Научная новизна. Установлено, что показателем надежности работы устройств гидромеханического бурения является соблюдение в их конструкциях и технологических схемах применения вполне определенных геометрических и параметрических соотношений, отвечающих устойчивому режиму углубки скважины. Практическая значимость. Полученные результаты стендовых и аналитических исследований могут быть положенные в основу создания эффективной технологии гидромеханического бурения скважин с высокими технико-экономическими показателями. Данные по изучению забойных породоразрушающих процессов являются базовыми для разработки рациональных режимных параметров процесса углубки скважин.