Drill pipe threaded nipple connection design development

The paper presents the analysis of the behavior of the drill pipe nipple connection under the additional load generated by power pulses. The strain wave propagation through the nipple thread connection of drill pipes to the bottomhole is studied in this paper. The improved design of the nipple thread connection is suggested using the obtained experimental and theoretical data. The suggested connection design allows not only the efficient transmission of strain wave energy to a drill bit but also the automation of making-up and breaking-out drill pipes

Development of small diameter pilot hole directional drilling for trenchless utility installation

The paper overviews trenchless utility installation techniques and prospects of further development of horizontal directional drilling technology to drill small diameter pilot holes. The improved design is suggested for the thread connection of drill pipes and hydraulic system to generate power pulses

The behavior of enclosed-type connection of drill pipes during percussive drilling

Percussion drilling is the efficient method to drill small holes (>= 70 mm) in medium-hard and harder rocks. The existing types of drill strings for geological explorations are not intended for strain wave energy transfer. The description of the improved design of the drill string having enclosed-type nipple connections is given in this paper presents. This nipple connection is designed to be used in drilling small exploration wells with formation sampling. Experimental findings prove the effectiveness of the enclosed nipple connection in relation to the load distribution in operation. The paper presents research results of the connection behavior under quasistatic loading (compression-tension). Loop diagrams are constructed and analyzed in force-displacement coordinates. Research results are obtained for shear stresses occurred in the nipple connection. A mechanism of shear stress distribution is described for the wave strain propagation over the connecting element. It is shown that in the course of operation the drill pipe tightening reduces the shear stress three times

The technology improvement and development of the new design-engineering principles of pilot bore directional drilling

This paper addresses the effectiveness of impact energy use in pilot bore directional drilling at pipe driving. We establish and develop new design-engineering principles for this method. These principles are based on a drill string construction with a new nipple thread connection and a generator construction of strain waves transferred through the drill string. The experiment was conducted on a test bench. Strain measurement is used to estimate compression, tensile, shear and bending stresses in the drill string during the propagation of elastic waves. Finally, the main directions of pilot bore directional drilling improvement during pipe driving are determinated. The new engineering design, as components of the pilot bore directional drilling technology are presented

Optimization of pellet impact drilling regimes by regulation of spacing between a drill bit and a hole bottom

The relevance of the research. One of the main technological parameters of the pellet impact drilling is the spacing between a drill bitand a holebottom. There are several methods and constructions of drill bits that allow keeping this distance with bit feet. In this case, the jet apparatus is held at a certain distance from the blades, which destroy the border zone or central part of the rock by a rotary method. However, no method makes it possible to determine the optimal distance precisely. Since it is quite difficult to calculate the necessary distance for different rocks considering their mechanical characteristics it is very important to identify and keep the optimum spacing between the drill bit and the hole bottom continuously when drilling. The main aim was to analyze the main methods and constructions of keeping the spacing between the drill bit and the hole bottom, also to formulate the requirements. Considering the requirements, to propose a method for keeping the spacing which allows us to determine continuously the necessary distance for current conditions. Object of researches is a bottomhole drilling. Methods: compilation and analysis of the sources; research of technological processes of pellet impact drilling; investigation of the influence of the spacing between the drill bit and the hole bottom on the rock breaking efficiency; representation of a string of drill pipes as an acoustic communication channel in which elastic vibrations spread during impacts of the bounced balls; development of a technological scheme for increasing pellet impact drilling efficiency; experimental studies using an acoustic oscillation sensor and an oscilloscope; analysis of the waveform. Results. The authors have studied the spacing between the drill bit and the hole bottom which affects the efficiency of pellet impact drilling and analyzed the basic methods and constructions. Based on the analysis the requirements were stated. Taking into account the developed requirements the authors proposed the method for keeping the optimal spacing. The paper introduces the experimental results with the proposed method. The results prove the effectiveness of using the method for determining continuously spacing between the drill bit and the hole bottom. The results obtained can be used to select and maintain optimal operating parameters

Analysis and science-based compilation of the results of studying percussion-rotary underground slimhole digging

The relevance of the research is caused by the necessity of improving the engineering and technology of geological explorations and the energy and resource efficiency of drilling. The main aim of the research is to analyse and generalize research results obtained for the possible development and application of the resource-efficient drilling technology using the strain wave generator. The literature review of theoretical and experimental research was carried out in percussion drilling of small holes in medium-hard and harder rocks. To increase the penetration rate, the percussive mechanisms were designed. However, the increase of strain wave energy is reduced by the strength of the drilling tool. At constant hole diameter, the increased impact load should be transmitted over the drill string and their connections having the original size. These very elements of a drill string are the deterrents to implement a new technology. Methodology: theoretical analysis; a vast review of scientific literature on all problems of power pulse formation, strain wave transmission over the drill string, rock failure, appropriate modes of operation of percussion drilling, drilling optimization prior the engineering process, design techniques chosen for percussion drilling systems, work process modeling, energy parameter determination for drilling units, comparison of independent research results Findings. The paper introduces the modern ideas and achievements in the field of small hole percussion drilling. The authors have identified the causes of research results divergence. The expediency of carrying out the research to improve technological and engineering processes and drilling techniques was shown. The authors determined the main trends in researching drilling technology and engineering process and stated the recommendations for improving drilling effectiveness due to intensification of rock failure at well boring

Analysis and science-based compilation of the results of studying percussion-rotary underground slimhole digging

The relevance of the research is caused by the necessity of improving the engineering and technology of geological explorations and the energy and resource efficiency of drilling. The main aim of the research is to analyse and generalize research results obtained for the possible development and application of the resource-efficient drilling technology using the strain wave generator. The literature review of theoretical and experimental research was carried out in percussion drilling of small holes in medium-hard and harder rocks. To increase the penetration rate, the percussive mechanisms were designed. However, the increase of strain wave energy is reduced by the strength of the drilling tool. At constant hole diameter, the increased impact load should be transmitted over the drill string and their connections having the original size. These very elements of a drill string are the deterrents to implement a new technology. Methodology: theoretical analysis; a vast review of scientific literature on all problems of power pulse formation, strain wave transmission over the drill string, rock failure, appropriate modes of operation of percussion drilling, drilling optimization prior the engineering process, design techniques chosen for percussion drilling systems, work process modeling, energy parameter determination for drilling units, comparison of independent research results Findings. The paper introduces the modern ideas and achievements in the field of small hole percussion drilling. The authors have identified the causes of research results divergence. The expediency of carrying out the research to improve technological and engineering processes and drilling techniques was shown. The authors determined the main trends in researching drilling technology and engineering process and stated the recommendations for improving drilling effectiveness due to intensification of rock failure at well boring

Optimization of pellet impact drilling regimes by regulation of spacing between a drill bit and a hole bottom

Актуальность. При бурении шароструйным способом одним из главных технологических параметров является расстояние от снаряда до забоя. Известно несколько методов и конструкций шароструйного снаряда, которые позволяют поддерживать это расстояние при помощи опорных элементов. Струйный аппарат при этом жёстко удерживается на определённом расстоянии от вооружения, разрушающего периферийную или центральную часть забоя вращательным способом. Однако ни один способ не дает возможность точно определить значение оптимального расстояния. Так как рассчитать необходимое расстояние для разных пород с учетом их механических характеристик довольно сложно, большое значение приобретает выявление и поддержание оптимального расстояния от снаряда до забоя непрерывно, в процессе бурения. Цель: провести анализ основных способов и конструкций для поддержания расстояния от снаряда до забоя, сформулировать на их основании требования к снаряду. С учетом требований предложить способ поддержания расстояния от снаряда до забоя при шароструйном бурении, позволяющий непрерывно определять необходимое расстояние для текущих условий. Объектом исследования являются призабойные процессы шароструйного бурения. Методика: обобщение и анализ литературных источников; исследование технологических процессов шароструйного бурения; исследование влияния расстояния между долотом и забоем на эффективность разрушения горных пород; исследование колонны бурильных труб в качестве акустического канала связи, в котором распространяются упругие колебания при ударах отскочивших от забоя шаров по долоту; разработка технологической схемы для повышения эффективности шароструйного бурения; экспериментальные исследования с применением датчика акустических колебаний и осциллографической приставки; считывание и анализ осциллограмм. Результаты. Исследовано расстояние от снаряда до забоя, которое оказывает влияние на эффективность шароструйного бурения. Проведен анализ основных способов и конструкций, на основе которого сформулированы требования к буровому снаряду. С учетом разработанных требований предложен способ поддержания оптимального расстояния от снаряда до забоя при шароструйном бурении. Представлены результаты проведения эксперимента предложенным способом, доказывающие эффективность его использования с целью непрерывного определения расстояния от снаряда до забоя. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования технологии непрерывного поддержания оптимальных режимов бурения.The relevance of the research. One of the main technological parameters of the pellet impact drilling is the spacing between a drill bitand a holebottom. There are several methods and constructions of drill bits that allow keeping this distance with bit feet. In this case, the jet apparatus is held at a certain distance from the blades, which destroy the border zone or central part of the rock by a rotary method. However, no method makes it possible to determine the optimal distance precisely. Since it is quite difficult to calculate the necessary distance for different rocks considering their mechanical characteristics it is very important to identify and keep the optimum spacing between the drill bit and the hole bottom continuously when drilling. The main aim was to analyze the main methods and constructions of keeping the spacing between the drill bit and the hole bottom, also to formulate the requirements. Considering the requirements, to propose a method for keeping the spacing which allows us to determine continuously the necessary distance for current conditions. Object of researches is a bottomhole drilling. Methods: compilation and analysis of the sources; research of technological processes of pellet impact drilling; investigation of the influence of the spacing between the drill bit and the hole bottom on the rock breaking efficiency; representation of a string of drill pipes as an acoustic communication channel in which elastic vibrations spread during impacts of the bounced balls; development of a technological scheme for increasing pellet impact drilling efficiency; experimental studies using an acoustic oscillation sensor and an oscilloscope; analysis of the waveform. Results. The authors have studied the spacing between the drill bit and the hole bottom which affects the efficiency of pellet impact drilling and analyzed the basic methods and constructions. Based on the analysis the requirements were stated. Taking into account the developed requirements the authors proposed the method for keeping the optimal spacing. The paper introduces the experimental results with the proposed method. The results prove the effectiveness of using the method for determining continuously spacing between the drill bit and the hole bottom. The results obtained can be used to select and maintain optimal operating parameters

Results of experimental studies of the hydraulic pulse mechanism for drilling pilot wells during pipeline laying

Актуальность. В горном деле и в других отраслях промышленности широко применяются гидравлические ударные механизмы, которые в настоящее время продолжают активно совершенствоваться. В частности, появляются публикации по возможности управления амплитудой и длительностью формируемых гидромеханическими системами импульсов давления в замкнутых камерах, через которые поршни-ударники передают энергию удара буровому породоразрушающему инструменту. При этом увеличивается длительность силовых импульсов, что существенно повышает эффективность использования их энергии на разрушение грунта, а также сглаживаются чрезмерные динамические нагрузки на элементы бурового инструмента. Однако в таких ударных механизмах остаются поршни-ударники, в процессе работы которых происходят основные динамические потери энергии, связанные с возвратно-поступательными движениями бойков в гидроцилиндре ударного механизма. Был разработан принципиально новый безбойковый гидроимпульсный механизм, который в зависимости от твердости разрушаемой среды регулирует амплитуду и длительность формируемых им силовых импульсов в автоматическом режиме без привлечения каких-либо средств управления. Однако для научного обоснования взаимосвязи его основных параметров и работоспособности в целом необходимо провести специальные экспериментальные исследования, результаты которых позволили бы рекомендовать гидроимпульсный механизм для бурения пилотных скважин при прокладке трубопроводов, что, безусловно, является актуальной научно-технической задачей. Цель: обоснование и экспериментальная проверка в лабораторных условиях работы физической модели принципиально нового гидроимпульсного механизма для интенсификации процесса разрушения горных пород или грунта с возможными включениями повышенной твёрдости при бурении пилотных скважин с бестраншейной прокладкой трубопроводов. Объектом данного исследования является безбойковый гидроимпульсный механизм с замкнутым объёмом жидкости, в котором формируются силовые импульсы, повышающие эффективность разрушения грунта и горных пород с включениями повышенной твердости за счет автоматического управления их амплитудой и длительностью. Предмет: закономерности и взаимосвязи основных кинематических и динамических параметров физической модели гидроимпульсного механизма с целью оценки его работоспособности и преимуществ перед другими ударными механизмами, включающими замкнутый объём жидкости в качестве промежуточного тела, передающего ударные импульсы в буровой инструмент. Методы: анализ научно-технической информации по повышению производительности бурильных машин ударного действия; моделирование динамических процессов гидроимпульсного механизма и проведение экспериментальных исследований его физической модели для выявления взаимосвязей его основных параметров и работоспособности; сравнение разработанного гидроимпульсного механизма с известными гидроударными механизмами, использующими возможности управления амплитудой и длительностью ударных импульсов при передаче их энергии через замкнутый объём жидкости и бурильную колонну на породразрушающий инструмент для интенсификации процесса разрушения горных пород повышенной твердости. Результаты. Дана оценка работоспособности гидромеханического механизма и его преимущества по сравнению с существующими гидроударными механизмами. Поскольку в предлагаемом гидроимпульсном механизме нет бойка, в нем отсутствуют основные динамические потери энергии, которые имеют место при возвратно-поступательном движении поршня-бойка в гидроцилиндре. Кроме того, благодаря возможности работы гидроимпульсного механизма без маслостанции, отсутствуют потери энергии на перекачивание жидкости. Коэффициент полезного действия гидроимпульсного механизма выше, чем у других существующих гидроударных систем ещё и потому, что он формирует силовые импульсы с частотным спектром, в котором практически отсутствуют высокочастотные составляющие, не способствующие интенсификации процесса разрушения горных пород, при этом увеличивается доля энергии силовых импульсов в продольных волнах деформации, что обеспечивает повышение механической скорости бурения скважин. Установлено, что гидроимпульсный механизм автоматически регулирует амплитуду и длительность силовых импульсов в зависимости от твердости разрушаемой среды и не требует дополнительной системы управления этим процессом.The relevance. Hydraulic percussive mechanisms are widely used in mining and other industries. They are currently being actively improved. In particular, numerous publications argue that it is possible to control the amplitude and duration of pressure pulses generated by hydromechanical systems in closed-loop system, through which the plunger transmit the impact energy to the rock-breaking tool. At the same time, increased duration of the power pulses lead to significant increase in the efficiency of rock failure, the excessive dynamic loads on the elements of the drilling tool are reduced. Typically percussion mechanisms have hammer the reciprocating motion of which leads to energy losses. A fundamentally new hammerless hydraulic mechanism was developed. It allows automatic regulating the amplitude and duration of the force pulses it generates, depending on the hardness of the destroyed rock. Nevertheless, it is necessary to conduct special studies in order to substantiate interrelations among its main parameters and operability in general. The main aim of the research is substantiation and experimental verification of the physical model of new hydraulic percussive mechanism in laboratory settings. Object of study is new hydraulic percussive mechanism with a closed chamber, where force pulses are formed, making the rock destruction more efficient. Subject: regularities and relationships of the main kinematic and dynamic parameters of the physical model of the hydraulic percussive mechanism. Methods: analysis of scientific and technical information regarding field of knowledge; modeling the dynamic processes in hydraulic percussive mechanism and laboratory investigation. Results. The efficiency of the hammerless hydraulic mechanisms is assessed; its advantages are revealed in comparison with the existing hydraulic percussion mechanisms; it has been established that the hammerless hydraulic mechanisms automatically regulate the amplitude and duration of power pulses depending on the hardness of the destroyed rock and do not require an additional control system for this process; the efficiency of the hydraulic percussive mechanism is higher than in existing hydro percussive systems as it forms power pulses that practically have no high-frequency components, not conducive to the rocks destruction

Developing recommendations for optimizing the design of the drilling bit for pellet impact drilling

Актуальность. Несмотря на активное развитие возобновляемых источников энергии, ископаемое топливо все еще занимает лидирующую позицию среди известных энергоресурсов. При этом, согласно прогнозам, в ближайшие десятилетия Россия останется одним из их крупнейших мировых экспортеров. Поэтому в нашей стране все более остро стоит вопрос по сохранению объема добычи полезных ископаемых, что требует разведки новых месторождений, разработки новых решений, позволяющих осуществлять работы в сложных условиях. Одним из таких решений может стать шароструйное бурение. Над развитием шароструйного бурения работали ряд исследователей. Было предложено большое количество различных снарядов для шароструйного бурения. При этом до сих пор не существует конструкции, принятой за наиболее рациональную. Цель: разработка рекомендаций к конструкции снаряда для шароструйного бурения, наиболее полно отвечающего требованиям геологоразведочных и горнодобывающих отраслей промышленности. Объектом исследования является буровой снаряд для шароструйного бурения. Методы: обзор литературных источников; систематизация классификационных признаков различных конструкций снарядов для шароструйного бурения; анализ известных конструкций согласно разработанной классификации. Результаты. Установлено, что наибольшая механическая скорость бурения шароструйным способом будет достигаться при использовании снаряда, состоящего из одной камеры смешения цилиндрической формы. При этом подъем шаров выше впускных окон должен быть ограничен задерживающим устройством, а расстояние между снарядом и забоем необходимо поддерживать без использования элементов, контактирующих с забоем скважины. Предложена конструкция снаряда, удовлетворяющего перечисленным критериям.Relevance. Despite the active development of renewable energy sources, fossil fuels still occupy a leading position among the known energy resources. According to forecasts, in the coming decades Russia will remain one of the largest world exporters of fossil fuels. In Russia, the issue of maintaining the volume of extraction of minerals is becoming more and more acute. This requires the exploration of new deposits, as well as the development of new solutions that allow carrying out the work in difficult conditions. Pellet impact drilling can be one of such solutions. Some researchers have worked on the development of this drilling method. A large number of different pellet impact drilling bits have been proposed. At the same time, there is still no design accepted as the most rational one. Purpose: development of recommendations for the design of a drilling bit for pellet impact drilling, which most fully meets the requirements of geological exploration and mining industries. The object of the research is a drilling bit for pellet impact drilling. Methods: review of literary sources; systematization of the classification features of various designs of drilling bits for pellet impact drilling; analysis of previously developed designs according to the classification developed in this work. Results. It was found that the highest mechanical speed of pellet impact drilling is achieved when using a drilling bit consisting of one mixing chamber, cylindrical in shape, with a diffuser on the lower edge. In this case, the rise of the pellets above the inlet ports must be limited by a retarding device, and the distance between the drilling bit and the well bottom must be maintained without using the elements contacting with the well bottom. The paper proposes a design of the drilling bit which meets the mentioned criteria