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

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

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

Prospects for development of technology and facilities of pilot bores horizontal directional drilling for trenchless laying of pipelines

Актуальность. В процессе реализации технологии горизонтально-направленного бурения скважин нередко возникают проблемы, связанные с необходимостью преодоления включений или горных пород высокой твердости, что требует использования рационального способа разрушения их ударом. Однако существующие ударные механизмы современных буровых установок формируют силовые импульсы нерациональной формы, не учитывающей свойства горной породы к сопротивлению для её разрушения. Такая форма силовых импульсов и кратковременность их воздействия на горную породу снижает глубину внедрения в нее коронки, формируя волну растяжения, разрушающую буровой инструмент, прежде всего соединения бурильных труб. В связи с этим возникла необходимость в научном обосновании и разработке принципиально нового формирователя силовых импульсов, соответствующих процессу сопротивления горной породы внедрению в нее породоразрушающего инструмента, а также резьбовых соединений бурильных труб, учитывающих волновой характер распространения силовых импульсов по бурильной колонне. Цель: научное обоснование и разработка принципиально нового формирователя силовых импульсов в бурильной колонне, учитывающего характер изменения сопротивления внедрению породоразрушающего инструмента в грунт, и новой конструкции резьбовых соединений бурильных труб, учитывающей волновой характер распространения через них энергии силовых импульсов на забой применительно к бурению пилотной скважины при бестраншейной прокладке трубопроводов. Объекты: технология и техника процесса горизонтально-направленного бурения пилотных скважин с использованием энергии силовых импульсов, распространяющихся по бурильной колонне. Методы: обобщение и анализ научно-технической информации; методы теоретической и прикладной механики; тензометрирование процессов передачи упругих волн деформаций на стенде, имитирующем искусственные скважины; математическое моделирование работы системы формирования силовых импульсов и процесса распространения их через резьбовые соединения бурильной колонны. Результаты. Приведен обзор способов бестраншейной прокладки трубопроводов. Определены перспективы совершенствования технологии и техники горизонтально-направленного бурения пилотных скважин как начального этапа технологии бестраншейной прокладки трубопроводов. Предложены технические решения по совершенствованию технологии и техники горизонтально-направленного бурения пилотных скважин, обеспечивающих существенное увеличение механической скорости проходки скважины.The relevance. In the process of horizontal directional drilling, it is often necessary to overcome solid inclusions or hard rocks, that requires the use of a rational way of their destruction by an impact. However, the existing percussion mechanisms of modern drill rigs form power impulses of irrational form, which do not take into account the properties of the rock to resist destruction. This form of power pulses and the short duration of their impact on the rock reduces the drilling deeper, forming a tensile deformation wave that destroys the drilling tool. Therefore, there was a need for scientific substantiation and development of a conceptually new technique to improve the technology of pilot bores horizontal directional drilling. The main aim of the research is scientific substantiation and development of a fundamentally new former of power impulses in the drill string, taking into account the behavior penetration resistance into the rock, and new design of thread joints of drill pipes, taking into account the wave nature of the power impulses propagation through them for pilot bores horizontal directional drilling. Object: facilities of horizontal directional drilling of pilot wells using the energy of power pulses propagating through the drill string. Methods: review and analysis of scientific and technical information; methods of theoretical and applied mechanics; strain measurement of the drill string during elastic deformation waves propagation via a bench simulating artificial bores; mathematic simulation of the power pulses forming system and the process of their propagation through thread joints of the drill string. Results. The paper introduces the overview of trenchless technology. The authors have identified the prospects for improving the technology of horizontal directional drilling of pilot bores as the initial stage of trenchless pipe laying technology and proposed the techniques to improve the horizontal directional drilling of pilot wells, providing a significant increase in penetration drilling rate

Research of power impulses transfer through threaded connections of the drill-string during rotary-percussion drilling of pilot holes for trenchless pipeline laying

Актуальность. Пилотные скважины при горизонтально-направленном бурении можно отнести к скважинам малого диаметра, которые находят широкое применение в горном деле, в частности, для детальной разведки и подземной разработки руд цветных металлов, для дегазации горных выработок угольных шахт, а также во многих других отраслях промышленности, где необходимо по технологическим или техническим условиям ограничивать диаметр скважины. Для эффективного бурения таких скважин в перемежаемых по твердости горных породах буровые установки оснащаются ударными механизмами, формирующими в бурильной колонне ударные (силовые) импульсы в виде волн упругой деформации, воздействующие через бурильную колонну на разрушаемую горную породу. При этом неизбежно рассеивание энергии импульсов в резьбовых соединениях. Если соединения бурильных труб предназначены только для вращательного бурения, то потери энергии силовых импульсов в них могут быть недопустимо большими, а работоспособность и прочность существенно снижены. Хотя резьбовые соединения принято считать неподвижными, в действительности при одновременном нагружении их крутящим моментом, усилием подачи на забой бурового инструмента и силовыми импульсами неизбежно возникают малые проскальзывания по контактным поверхностям элементов соединений бурильных труб. На этих относительных перемещениях совершают работу силы трения, вызывая энергетические потери, количественно оценить которые можно экспериментальным путем. Научное обоснование и разработка рекомендаций по проектированию и созданию новых конструкций резьбовых соединений бурильных колонн для повышения эффективности способа вращательно-ударного бурения скважин является актуальной научно-технической задачей. Цель: выполнить анализ динамических процессов в резьбовых соединениях бурильной колонны при передаче силовых импульсов от ударного узла к породоразрушающему инструменту; построить гистерезисные диаграммы, позволяющие на основе выполненных экспериментов оценить энергетические потери, связанные с работой сил неупругого сопротивления в местах контакта сопряженных деталей резьбовых соединений во время распространения через них силовых импульсов; показать на примерах бесполезность попыток добиться эффективной передачи ударных импульсов через соединения труб, применяемых при вращательном способе бурения, и обосновать рекомендации по разработке принципиально новых ниппельных соединений труб, предлагаемых Национальным исследовательским Томским политехническим университетом для бурения пилотных скважин, ранее успешно прошедших производственные испытания на рудниках цветной металлургии в Кыргыстане и Казахстане с непосредственным участием авторов. Объектом исследования являются бурильные колонны с муфтовыми и ниппельными соединениями, которые применяются при вращательно-ударном способе бурения скважин, а также резьбовые соединения труб для пилотных скважин горизонтально-направленного бурения. Методика: обзор источников научной литературы по вопросам передачи ударных импульсов по бурильной колонне; обоснование возможности эффективного использования вращательно-ударного способа бурения для прокладки коммуникаций бестраншейным методом, а также определение величины потерь энергии в резьбовых соединениях труб на основе моделирования нагружения на лабораторном стенде. Результаты. На основе экспериментальной работы и компьютерного моделирования установлены взаимосвязи параметров резьбовых соединений и эффективности передачи ударных импульсов по бурильной колонне; выявлено, что обеспечение минимально возможного значения жесткости соединительного элемента при наибольшей контактной жесткости сопряженных витков соединения приводит к повышению коэффициента передачи амплитуды силы и энергии импульсов. Применяемые в настоящее время соединения бурильных труб для горизонтально-направленного бурения скважин не пригодны для вращательно-ударного способа бурения из-за отражений волн деформации от участков резьбовых соединений бурильных труб без соединительных элементов (муфт или специальных ниппелей закрытого типа).The relevance of the research. Pilot wells for horizontal directional drilling can be attributed to slim holes that are widely used in mining, in particular, for detailed exploration and underground development of non-ferrous metal ores, for degassing mine workings of coal mines, as well as in a lot of other industries to limit the diameter of a hole due to technological or technical conditions. Moreover, to obtain effective drilling of slim holes in rocks with high alteration in hardness, drilling rigs are equipped with percussion mechanisms forming force impulses in a drill-string in the form of elastic deformation waves propagating at sound speed through drill pipes threaded connections towards a rock-breaking tool. Such energy transfer of power impulses is accompanied by its dissipation in the threaded connections. Thereat if the connections of drill pipes are intended only for rotary drilling the energy loss of power impulses in them may be unacceptably large, and efficiency and strength are significantly reduced. Though the threaded connections are considered to be stationary, in reality while simultaneous loading of them by torque, drilling tool feed thrust and power impulses a small slip inevitably arises on the contact surfaces of the elements of drill pipes connections. Friction force works on this relative travel causing energy loss that can be quantified experimentally. Without a clear understanding of the rules of power impulses propagation through threaded connections, it is impossible to assess objectively the possibilities of the efficiency increase of the transfer of their energy on a drill-string to the rock-breaking tool, and therefore, in general at all, the reasonableness of using percussion mechanisms in installations for horizontally directed drilling of pilot wells. Thus, the scientific substantiation and development of recommendations for designing and creating new designs of threaded connections of the drillstrings to improve the efficiency of the rotary-percussion method of drilling slim holes are the urgent scientific and technical task. The aim of the research is to analyze the dynamic processes in the threaded connections of a drill-string during the transfer of the power impulses from the percussion node to the rock-breaking tool; to build hysteresis diagrams which allow assessing the energy loss associated with the work of inelastic resistance force at the contact places of the mated parts of the threaded connections during the propagation of the power impulses through them based on the experiments performed; to show by examples the futility of attempts to achieve the effective transfer of the power impulses through the connections of the drill pipes that are used for rotary drilling and to substantiate the recommendations on the development of fundamentally new nipple connections of the pipes proposed by the National Research Tomsk Polytechnic University for drilling the pilot wells that have previously successfully passed production tests at non-ferrous metallurgy mines in Kyrgyzstan and Kazakhstan with the direct participation of the authors in the rotary-percussion drilling of slim holes from underground mine workings. The object of this study is drill-strings with coupling and nipple connections, used in the rotary-percussion method of drilling wells, as well as the threaded connections of the pipes for the pilot wells for horizontal directional drilling. Methodology: the review of scientific literature on formation of the percussion impulses, the transfer of the waves of deformation on a drillstring; the substantiation of the use of the rotary-percussion method of drilling for horizontal directional drilling as well as the comparison of research results and the assessment of energy friction loss in the threaded connections of the drill pipes. Findings. Based on the percussion-wave theory previously unknown interrelations were obtained which allowed running the computer simulation of threaded connections parameters influence on the efficiency of the power impulses transfer on a drill-string. The main cause of impulses energy loss was found to be the forces of inelastic resistance occurring in case of the relative displacement of the drill pipes and the connecting elements. To increase the transfer ratio of the amplitude of the power and the energy of the impulses it is necessary to take the minimum possible value of connecting element rigidity as well as to increase the contact stiffness of the conjugate turns of the threaded connection. Currently used drill pipes connections for horizontal directional drilling of wells are not suitable for rotary-percussion drilling due to the reflection of the deformation waves from the sections of the threaded connections of the drill pipes without connecting elements (couplings or special closed-type nipples)