geologyИзвестия высших учебных заведений. Геология и разведкаProceedings of higher educational establishments. Geology and Exploration0016-77622618-8708Sergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting10.32454/0016-7762-2022-64-4-91-100geology-811Research ArticleТЕХНИКА ГЕОЛОГО-РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТGEOLOGICAL EXPLORATION TECHNIQUEСнижение критических последствий торсионных вибраций в результате разрушения горной породы долотами PDCReducing critical effects of torsional vibrations induced by PDC bits during rock destructionhttps://orcid.org/0000-0003-0213-8137ОвезовБ. А.OvezovB. A.

Овезов Батыр Аннамухаммедович — старший преподаватель кафедры современных технологий  бурения скважин тел.: +7 (922) 472-20-86

SPIN-код: 1806-6788

 23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997, Россия 

Batyr A. Ovezov — Senior Lecturer of the Department of Modern Well Drilling Technologies

23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997, Russiatel: +7 (922) 472-20-86

SPIN-code: 1806-6788

ovezovba@mgri.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2376-2839ЩербаковаК. О.ShcherbakovaK. O.

Щербакова Ксения Олеговна — преподаватель кафедры современных технологий бурения скважинтел.: +7 (922) 472-26-47

SPIN-код: 2966-3350

 23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997, Россия 

Ksenia O. Shcherbakova — Lecturer of the Department of Modern Well Drilling Technologies

23, Miklukho-Maklaya St., Moscow 117997, Russiatel.: +7 (922) 472-26-47

SPIN-code: 2966-3350

sherbakovak@mgri.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5114-0853КалендароваЛ. Р.KalendarovaL. R.

Календарова Лейли Рустамовна — аспирант кафедры современных технологий бурения скважинтел.: +7 (977) 799-71-02

SPIN-код: 3291-4278

 23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997, Россия 

Leili R. Kalendarova — Graduate student of the Department of Modern Well Drilling Technologies23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997, Russiatel.: +7 (977) 799-71-02

SPIN-code: 3291-4278

kalendarovalr@mgri.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9870-7324РомановП. А.RomanovP. A.

Романов Павел Анатольевич — преподаватель кафедры геологии и разведки месторождений углеводородов

тел.: +7 (960) 300-32-66

SPIN-код: 5640-9573

 23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997, Россия 

Pavel A. Romanov — Lecturer of the Department of Geology and Exploration of Hydrocarbon Deposits

23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997, Russiatel.: +7 (960) 300-32-66

SPIN-code: 5640-9573

romanovpa@mgri.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2830-771XКузнецоваД. А.KuznetsovaD. A.

Кузнецова Дарья Александровна — студентка 4-го курса кафедры современных технологий бурения скважин

тел.: +7 (965) 271-41-72

 23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997, Россия 

Daria A. Kuznetsova — 4th year student of the Department of Modern Well Drilling Technologies23, Miklukho-Maklaya St., Moscow 117997, Russiatel.: +7 (965) 271-41-72

dariyakuz@bk.ruФГБОУ ВО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»РоссияSergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological ProspectingRussian Federation2022141120220491100Copyright © Овезов Б.А., Щербакова К.О., Календарова Л.Р., Романов П.А., Кузнецова Д.А., 20222022Овезов Б.А., Щербакова К.О., Календарова Л.Р., Романов П.А., Кузнецова Д.А.Ovezov B.A., Shcherbakova K.O., Kalendarova L.R., Romanov P.A., Kuznetsova D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.geology-mgri.ru/jour/article/view/811

Введение. В ходе исследования торсионных вибраций при бурении долотом из поликристаллического алмаза (PDC) были рассмотрены данные скважин при различных режимах бурения. Проанализировано возникновение торсионных вибраций во время бурения. Были выявлены два типа торсионных вибраций: вызванная режущим действием долота и вызванная силами трения.Цель. Исследование возникновения торсионных вибраций в результате разрушения горной породы долотами PDC.Материалы и методы. Используется изучение моделей Richard-Germay-Detournay и Tian and Detournay и методы снижения критических последствий торсионных вибраций в результате разрушения горной породы долотами PDC.Результаты. Статистический анализ показал, что эффективная буримость долота (DE — drilling efficiency) хорошо коррелирует с возникновением торсионных вибраций, вызванных долотом. Агрессивность режущей структуры долота PDC может быть представлена средней оценкой DE. Если долото PDC спроектировано так, что его DE превышает критическое значение, то при бурении возникновение торсионных вибраций на долоте маловероятно.Заключение. При бурении долотом из поликристаллического алмаза PDC возникают два типа вибраций. Если торсионная вибрация возникает из-за режущего действия долота, то борьба с данным процессом сосредоточена на конструкции долота и эксплуатационных параметров, нагрузки на долото и скорости вращения долота. Если торсионная вибрация вызвана трением, методы снижения вибраций должны быть сосредоточены на изменении конструкции КНБК и бурильной колонны или профиля скважины. Следовательно, очень важно определить, вызвана ли торсионная вибрация силой трения элементами, режущим действием долота или и тем и другим. В бурении всегда необходим поиск максимальной скорости проходки путем изменения нагрузки на долото при заданных условиях бурения. Для этого необходимо оценить эффективность бурения долота DE, поэтому в данной статье была проведена оценка параметра в зависимости от размера долота, которая позволит определить критическое значение параметра эффективности бурения.

Introduction. Torsional vibrations caused by drilling using a polycrystalline diamond compact (PDC) bit are analysed using wellbore data obtained under various drilling modes. The drilling caused by torsional vibrations are analysed. Two types of torsional vibrations, including those caused by the cutting action of a bit and by frictional forces.Aim. To investigate the induction of torsional vibrations as a result of rock destruction by PDC bits.Materials and methods. The research methodology was based on “Richard-Germay-Detournay” and “Tian-Detournay” bit designs and methods for reducing the critical effects of torsional vibrations induced by PDC bits during rock destruction.Results. Statistical analysis has shown that the drilling efficiency of the bit (DE) correlates well with the occurrence of torsion vibrations caused by the bit. The aggressiveness of the cutting structure of the PDC bit can be represented by an average DE rating. If the PDC bit is designed so that its DE exceeds a critical value, then the occurrence of torsion vibrations on the bit is unlikely during drilling.Conclusion. When drilling with a polycrystalline diamond PCD bit, two types of vibrations occur. If torsional vibration occurs due to the cutting action of the bit, then the fight against this process is focused on the design of the bit and operational parameters, the load on the bit and the speed of rotation of the bit. If the torsional vibration is caused by friction, vibration reduction methods should be focused on changing the design of the BHA and the drill string or the profile of the well. Therefore, it is very important to determine whether the torsional vibration is caused by the friction force of the elements, the cutting action of the bit, or both. In drilling, it is always necessary to search for the maximum penetration speed by changing the load on the bit under specified drilling conditions. To do this, it is necessary to evaluate the drilling efficiency of the DE bit, therefore, this article has evaluated the parameter depending on the size of the bit, which will determine the critical value of the drilling efficiency parameter.

торсионные вибрациидолотобурениетрениеtorsional vibrationsbitdrillingfrictionReferencesАлимова М.М., Машкова А.М., Соловьев Н.В. и др. Анализ природы дифференциальных прихватов и методов их эффективного предупреждения // Молодые — Наукам о Земле: тезисы докладов X Междунар. науч. конф. молодых ученых. В 7 т. Москва, 31 марта 2022 года. М.: РГГУ им. С. Орджоникидзе, 2022. С. 172—176.Alimova M.M., Mashkova A.M., Solov’ev N.V. et al. Analysis of the nature of differential seizures and methods of their effective prevention // Young — Earth Sciences: Proceedings of the IX International Scientific Conference of Young Scientists. In 7 vol. Moscow, 31.03.2022. Moscow: Russian State University for geological Prospecting, 2022. P. 172—176.Борисов К.А., Третьяк А.А., Сидорова Е.В. Влияние вибраций на прочностные свойства буровых долот, армированных PDC // Разведка и охрана недр. 2019. № 12. С. 33—37.Borisov K.A., Tret’yak A.A., Sidorova E.V. Effect of vibrations on the strength properties of PDC-reinforced drill bits // Exploration and subsurface protection. 2019. No. 12. P. 33—37.Мешков С.В., Третьяк А.А., Сидорова Е.В. К вопросу уменьшения коэффициента трения при бурении скважин // Молодые — Наукам о Земле: мат-лы IX Междунар. науч. конф. молодых ученых. В 7 т. Москва, 23 октября 2020 года. М.: РГГУ им. С. Орджоникидзе, 2020. С. 231—233.Meshkov,S.V., Tret’yak A.A., Sidorova E.V. On the issue of reducing the friction coefficient when drilling wells // Young — Earth Sciences: Proceedings of the IX International Scientific Conference of Young Scientists. In 7 vol. Moscow, 23.10.2020. Moscow: Russian State University for geological Prospecting, 2020. P. 231—233.Шихбабаева Е.Г., Соловьев Н.В., Машкова А.М. и др. Инклинометр МГРИ — Вибрации во время бурения // Молодые — Наукам о Земле: тезисы докладов X Междунар. науч. конф. молодых ученых. В 7 т. Москва, 31 марта 2022 года. М.: РГГУ им. С. Орджоникидзе, 2022. С. 300—304.SHihbabaeva E.G., Solov’ev N.V., Mashkova A.M. et al. MGRI inclinometer — Vibrations while drilling // Young — Earth Sciences: Proceedings of the IX International Scientific Conference of Young Scientists. In 7 vol. Moscow, 31.03.2022. Moscow: Russian State University for geological Prospecting, 2022. P. 300—304.Bailey J.R., Payette G. S., Wang L. Improved Methods to Understand and Mitigate Stick-Slip Torsional Vibrations //IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2018.Bailey J.R., Payette G. S., Wang L. Improved Methods to Understand and Mitigate Stick-Slip Torsional Vibrations //IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2018.Chen S., Grosz G., Anderle S., et al. The Role of Rock-Chip Removals and Cutting-Area Shapes in Polycrystalline-Diamond-Compact-Bit Design Optimization // SPE Drill & Compl. 2015. No. 30(40). P. 334—347.Chen S., Grosz G., Anderle S., et al. The Role of Rock-Chip Removals and Cutting-Area Shapes in Polycrystalline-Diamond-Compact-Bit Design Optimization // SPE Drill & Compl. 2015. No.30(40). P. 334—347.Chen S., Khlefat Y., Cleboski C., et al. A New Method of Backup-Cutter Layout To Extend Bit Life without Sacrificing Rate of Penetration // SPE Drill & Compl. 2018. No. 33(2). P. 115—129.Chen S., Khlefat Y., Cleboski C., et al. A New Method of Backup-Cutter Layout To Extend Bit Life without Sacrificing Rate of Penetration // SPE Drill & Compl. 2018. No. 33(2). P. 115—129.Dao N.H., Menand S., Isbell M. Mitigating and understanding stick-slip in unconventional wells // SPE/IADC International Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2019.Dao N.H., Menand S., Isbell M. Mitigating and understanding stick-slip in unconventional wells // SPE/IADC International Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2019.Detournay E., Richard T., Shepherd M. Drilling Response of Drag Bits: Theory and Experiment // Int J Rock Mech Mining Sci. 2008. No. 45(8). P. 1347—1360.Detournay E., Richard T., Shepherd M. Drilling Response of Drag Bits: Theory and Experiment // Int J Rock Mech Mining Sci. 2008. No. 45(8). P. 1347—1360.Jain J. R. et al. Mitigation of torsional stick-slip vibrations in oil well drilling through PDC bit design: putting theories to the test //SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — OnePetro, 2011.Jain J.R. et al. Mitigation of torsional stick-slip vibrations in oil well drilling through PDC bit design: putting theories to the test //SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — OnePetro, 2011.Jain J.R., Ricks G., Baxter B., et al. A Step Change in DrillBit Technology with Self-Adjusting PolycrystallineDiamond-Compact Bits // SPE Drill & Compl. 2016. No. 31(4). P. 286—294.Jain J.R., Ricks G., Baxter B., et al. A Step Change in Drill-Bit Technology with Self-Adjusting Polycrystalline-Diamond-Compact Bits // SPE Drill & Compl. 2016. No. 31(4). P. 286—294.Ledgerwood L.W., Jain J.R., Hoffmann O.J., et al. Downhole Measurement and Monitoring Lead to an Enhanced Understanding of Drilling Vibrations and Polycrystalline Diamond Compact Bit Damage // SPE Drill & Compl. 2013. No. 28(3). P. 254—262.Ledgerwood L.W., Jain J.R., Hoffmann O.J., et al. Downhole Measurement and Monitoring Lead to an Enhanced Understanding of Drilling Vibrations and Polycrystalline Diamond Compact Bit Damage // SPE Drill & Compl. 2013. No. 28(3). P. 254—262.Macpherson J. D. et al. A Framework for Transparency in Drilling Mechanics and Dynamics Measurements // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — OnePetro, 2015.Macpherson J. D. et al. A Framework for Transparency in Drilling Mechanics and Dynamics Measurements // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — OnePetro, 2015.Richard T., Germay C., Detournay E. Self-Excited StickSlip Oscillations of Drill Bits // C R Me´canique. 2004. No. 332(8). P. 619—626.Richard T., Germay C., Detournay E. Self-Excited Stick-Slip Oscillations of Drill Bits // C R Me´canique. 2004. No. 332(8). P. 619—626.Richard T., Germay C., Detournay E. A Simplified Model To Explore the Root Cause of Stick-Slip Vibrations in Drilling Systems with Drag Bits // J Sound Vib. 2007. No. 305(3). P. 432—456.Richard T., Germay C., Detournay E. A Simplified Model To Explore the Root Cause of Stick-Slip Vibrations in Drilling Systems with Drag Bits // J Sound Vib. 2007. No. 305(3). P. 432—456.Schwefe T. et al. Development and testing of stick/slip-resistant PDC bits //IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2014.Schwefe T. et al. Development and testing of stick/slip-resistant PDC bits //IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. — OnePetro, 2014.Shen Y. et al. The origin and mechanism of severe stick-slip //SPE annual technical conference and exhibition. — OnePetro, 2017.Shen Y. et al. The origin and mechanism of severe stick-slip //SPE annual technical conference and exhibition. — OnePetro, 2017.Sugiura J., Jones S. A Drill Bit and a Drilling Motor with Embedded High-Frequency (1600 Hz) Drilling Dynamics Sensors Provide New Insights into Challenging Downhole Drilling Conditions // SPE Drill & Compl. 2019. No. 34(3). P. 223—247.Sugiura J., Jones S. A Drill Bit and a Drilling Motor with Embedded High-Frequency (1600 Hz) Drilling Dynamics Sensors Provide New Insights into Challenging Downhole Drilling Conditions // SPE Drill & Compl. 2019. No. 34(3). P. 223—247.Wilson J.K., Whitacre T., Heisig G. High-Frequency AtBit Measurements Provide New Insights into Torsional Dynamics when Drilling with Steerable Mud Motors in Unconventional Horizontal Wells // SPE Drill & Compl. 2019. No. 34(4). P. 414—425.Wilson J.K., Whitacre T., Heisig G. High-Frequency AtBit Measurements Provide New Insights into Torsional Dynamics when Drilling with Steerable Mud Motors in Unconventional Horizontal Wells // SPE Drill & Compl. 2019. No. 34(4). P. 414—425.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.