Исследование измерительной системы для определения импульса осевого удара долота в процессе бурения скважин

АКТУАЛЬНОСТЬ. Фактическая нагрузка на долото состоит из динамической и статической нагрузки. Высокая степень неоднородности горной породы, а также недостаточная объективность оценки напряженно-деформированного состояния бурового инструмента приводит к невозможности определения фактической нагрузки на долото и, как следствие, к снижению эффективности бурения скважин. На практике в телеметрической системе устанавливается трех осевой акселерометр для измерения частоты колебаний бурового долота. Однако измерительные приборы, способные определять объективный импульс ударов, в настоящее время отсутствуют ЦЕЛЬ данной работы является разработка измерительной системы для определения импульса осевых колебаний при бурении скважин на основе динамики слабо сжимаемых жидкостей МЕТОДЫ. В рамках работы проанализированы недостатки существующих измерительных систем, применяемых в роторном бурении скважин. Получена расчетная формула корреляции давления жидкости в герметичной гидравлической системе и динамики внешнего осевого воздействия на систему. Разработан прототип измерительной системы, основанный на теоретически полученных математических закономерностях. Для измерительной системы разработана программа, в которой реализован комбинированный фильтр, повышающий качество выходных данных, а также метод взаимной корреляции для выделения отдельных ударов. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена методология для измерения импульса осевых ударов на основе гидравлического цилиндра, устанавливаемого в непосредственной близости к долоту, и комплекса датчиков для измерения состояния жидкости внутри цилиндра. Была разработана модель измерительной системы.

1. Zherlygina E.S., Kuranova M.E., Gusev V.N., Odintsov E.E. Identification of hazardous sites based on studying the development of man-made fractures within the rock mass. Russian Mining Industry. 2025;(1):162–169. (In Russ.) https://doi.org10.30686/1609-9192-2025-1-162-169

2. Jeong, Cheolkyun, Yu, Yingwei, Patino, Diego, Venkatakrishnan, Sai, and Darine Mansour. "Behavior Anomalies Detection in Drilling Time Series Through Feature Extraction." Paper presented at the IADC/SPE International Drilling Conference and Exhibition, Galveston, Texas, USA, March 2022. doi: https://doi.org/10.2118/208676-MS

3. Isheyskiy, V., Martinyskin, E., Smirnov, S., Vasilyev, A., Knyazev, K., & Fatyanov, T. (2021). Specifics of MWD data collection and verification during formation of training datasets. Minerals, 11(8) doi:10.3390/min11080798

4. Gogolinskiy, K. V., & Syasko, V. A. (2020). Metrological assurance and standardization of advanced tools and technologies for nondestructive testing and condition monitoring (NDT4.0). Research in Nondestructive Evaluation, 31(5-6), 325-339. doi:10.1080/09349847.2020.1841863

5. Dvoynikov, M. V., Kutuzov, P. A. (2025). 'Analysis of Efficiency of Communication Channels for Monitoring and Operational Control of Oil and Gas Wells Drilling Process', International Journal of Engineering, 38(1), pp. 120-131. doi: 10.5829/ije.2025.38.01a.12

6. Gravley, Wilton. "Review of Downhole Measurement-While-Drilling Systems." J Pet Technol 35 (1983): 1439–1445. https://doi.org/10.2118/10036-PA

7. Chin, W.C. (2018). GE Oil & Gas MWD Developments (BakerHughes, a GE Company). In Measurement While Drilling (MWD) Signal Analysis, Optimization, and Design, W.C. Chin (Ed.).DOI 10.1002/9781119479307.ch15

8. Z. Wang, M. Poscente, D. Filip, M. Dimanchev and M. P. Mintchev, "Rotary in-drilling alignment using an autonomous MEMS-based inertial measurement unit for measurement- while-drilling processes," in IEEE Instrumentation , Measurement Magazine, vol. 16, no. 6, pp. 26-34, December 2013, doi: 10.1109/MIM.2013.6704968.

9. Nayeem, A. A., Venkatesan, R. , Khan, F. Monitoring of down-hole parameters for early kick detection. J. Loss Prev. Process Ind. 40, 43–54 (2016) DOI: 10.1016/j.jlp.2015.11.025

10. Isheiskiy, V. A., Martynushkin, E. A., Vasiliev, A. S., & Smirnov, S. A. (2021). DATA COLLECTION FEATURES OF DURING THE BLAST WELLS DRILLING FOR THE FORMATION OF GEOSTRUCTURAL BLOCK MODELS. Sustainable Development of Mountain Territories, 13(4), 608-619. doi:10.21177/1998-4502-2021-13-4-608-619

11. Brett, J. F., Warren, T. M., and S. M. Behr. "Bit Whirl: A New Theory of PDC Bit Failure." Paper presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, October 1989. doi: 10.2118/19571-MS

12. Shigin, A. , Boreyko, D. , Tskhadaya, N. , Serikov, D.. (2021). Comparative analysis of roller drill bit performance. SOCAR Proceedings. 1-7. 10.5510/OGP2021SI200536

13. Teplyakova, A. V., Azimov, A. M., Alieva, L., & Zhukov, I. A. (2022). Improvement of manufacturability and endurance of percussion drill assemblies: Review and analysis of engineering solutions. Mining Informational and Analytical Bulletin, (9), 120-132. doi:10.25018/0236_1493_2022_9_0_120

14. John Watton, Fundamentals of Fluid Power Control, Cambridge University Press, 2009, DOI: 10.1017/CBO9781139175241

15. Martin, H. (2014) Analysis of the Navier-Stokes Equations. Journal of Applied Mathematics and Physics, 2, 938-947. doi: 10.4236/jamp.2014.210106.

16. Wanan Sheng, A revisit of Navier–Stokes equation, European Journal of Mechanics - B/Fluids, Volume 80, 2020, Pages 60-71, DOI: 10.1016/j.euromechflu.2019.12.005.

17. Towhiduzzaman, Md. (2018). Performance Analysis of Continuity Equation and Its Applications. European Journal of Engineering and Technology Research. 1. 40-43. 10.24018/ejeng.2016.1.5.201.

18. V. A. Tolpaev, V. V. Paliev, The Continuity Equation in Two-Dimensional Models of Fluid and Gas Filtration in Curved Reservoirs of Finite Thickness, Izvestiya of SaratovUniversityv. New Ser. Ser.: Mathematics. Mechanics. Informatics, 2007, Vol. 7, Issue 2, pp. 49–53. DOI: 10.18500/1816-9791-2007-7- 2-49-53

19. E.D. Macklen, NTC Thermistor Materials, Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, 1991, Pages 328-331, DOI: 10.1016/B978-0-08-034720-2.50091-5

20. Jung, Taekeon & Yang, Sung. (2015). Highly Stable Liquid Metal-Based Pressure Sensor Integrated with a Microfluidic Channel. Sensors. 15. 11823-11835. 10.3390/s150511823.

21. Андреев В.П. Определение формы препятствия сенсорной системой мобильного робота с помощью ИК-датчиков расстояния типа GP2Y0A (Sharp). Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024;26(1):195-207. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-1-195-207

22. Ivo Mateljan. Basic Definitions of Integrating SPL Meters. - 2010. - DOI: 10.1016/j.prosig.2010.03.013.

23. Decoding time station signals (DCF77 etc.) with a microcontroller. - 2024. - DOI: 10.1007/s43451-024-00095-8.

24. Thomas K. Wright, J. Gorin, B. Zarlingo. Bringing New Power and Precision to gated Spectrum Measurements. - High Frequency Electronics, Aug. 2007. - DOI: 10.1109/MC.2007.332.

25. C. Bayliss, L. Dunleavy. Performing and Analyzing Pulsed Current-Voltage Measurements. - High Frequency Electronics, May 2004. - DOI: 10.1109/MC.2004.332.

26. Гапоненко С.О., Кондратьев А.Е., Калинина М.В., Ахметова Р.В. Система автоматизированного мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса трубопроводного транспорта. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024;26(1):144-150. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-1-144-150

27. Essentials of Microcontroller Use Learning about Peripherals. - 2024. - DOI: 10.1007/s43451- 024-00097-6.

28. Орлов А.А., Крылова Е.В., Щербаков В.М., Авдеев А.Д. Интеллектуальная система мониторинга и диагностики элементов газотурбинной установки (ИСМДЭГТУ). Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2025;27(2):211-221. https://doi.org/10.30724/1998- 9903-2025-27-2-211-221

29. A.P. parliamentary. Pulsed Measurements. - In The RF and Microwave Handbook, CRC Press, 2000. - DOI: 10.1201/9781420039678.ch15.

30. F. Ahmad, M. Ashfaq, A. Ahmad, A. Iqbal, M. A. Rehan. A novel approach to predict the drilling performance of roller cone bits using machine learning. - Journal of Petroleum Science and Engineering, 2022. - DOI: 10.1016/j.petrol.2022.109797.

31. H. Zhai, L. Wang, R. Li, Y. Zhang. A new model for predicting the wear of roller cone bits in hard rock drilling. - Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2020. - DOI: 10.1016/j.jrmge.2020.07.002.

32. M. A. Dar, J. W. deducted, J. A. Hart. Investigation of roller cone bit damage mechanisms using computational fluid dynamics. - Journal of Petroleum Science and Engineering, 2018. - DOI: 10.1016/j.petrol.2018.01.005.

33. A New Methodology of Spatial Cross-Correlation Analysis. - Journal of the European Physical Society, 2015. - DOI: 10.1371/journal.pone.0126158 .

34. Chunchun Gao, Benjamin F. Chao, Bing Tan, Xudong Wu, Significance testing for cross correlation: A critical examination of correlations between ENSO and GRACE-derived terrestrial water storage variabilities, Global and Planetary Change, Volume 241, 2024, 104549, ISSN 0921-8181, https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104549.