Use of the energy of parametric oscillations to improve drilling indices

Purpose. Increase of the efficiency of using energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom by means of solving nonlinear-parametric equations of a “bit – drive motor – drilled-out rock” system to improve drilling indices. Methods. The paper applies the method of mathematical modeling of a mechanical system as well as impedance method to study oscillations. While modeling the system, a bit is considered to be an absolutely solid body; elastic elements are non-inertial, drive motor is ideal, and resistance in elastic relations is viscous. While modeling dynamic parameters of a drill string and its interaction with a near-bit system and bottom hole, mechanical system is represented in the form of blocks interacting with each other. Drill string in models is a sequential system of uniform rods. Findings. In the course of analytical studies, it has been proved that use of energy of parametric oscillations within the assembly of drilling string bottom makes it possible to increase axial load on a bit as well as rise mechanical velocity especially while drilling horizontal areas of inclined boreholes. Dynamic parameters of mechanical system of a drill string and its interaction with near-bit system and bottom hole have been substantiated. It has been determined that limitation of the amplitude of resonant vertical oscillations for a bit is possible at the expense of toothed surface of cone rollers in terms of periodical positioning from one tooth to two teeth, physical and mechanical pro-perties of the drilled-out rocks, and features of correcting elements mounted above the bit. Originality. Innovative mathematical model describing dynamics of the operation of a “bit – drive motor – drilled-out rock” mechanical system has been developed taking into consideration the effect of parametric oscillations. Practical implications. Limited amplitude of resonant vertical oscillations of a bit is the condition of efficient assembly operation and long service life of its components in the context of parametric excitations. The obtained results may be useful while designing drill rigs.Мета. Підвищення ефективності використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони шляхом розв’язання нелінійно-параметричних рівнянь системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” для підвищення показників буріння. Методика. В роботі використано метод математичного моделювання механічної системи та імпедансний метод дослідження коливань. При моделюванні системи долото вважається абсолютно твердим тілом, пружні елементи – безінерційними, приводний двигун – ідеальним, а опір у пружних зв’язках – в’язким. При дослідженні динамічних параметрів бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм механічна система представлена у вигляді блоків, які взаємодіють поміж собою. Бурильна колона в моделях становить послідовну систему однорідних стрижнів. Результати. В ході аналітичних досліджень було доведено, що використання енергії параметричних коливань у компоновці низу бурильної колони дає можливість збільшити осьове навантаження на долото та підвищити механічну швидкість, особливо під час буріння горизонтальної частини похило спрямованих свердловин. Обґрунтовано динамічні параметри механічної системи бурильної колони та її взаємодії з наддолотною системою і вибоєм. Виявлено, що обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань досягається долотом за рахунок зубчатої поверхні шарошок при періодичному переступанні з одного зуба на два, фізико-механічних властивостей розбурюваних порід і властивостей коректуючих елементів, встановлених над долотом. Наукова новизна. Розроблено нову математичну модель, що описує динаміку роботи механічної системи “долото – приводний двигун – розбурювана порода” з урахуванням впливу параметричних коливань. Практична значимість. Наявність обмеження амплітуди резонансних вертикальних коливань долота створює умови працездатності компоновок і довговічності її елементів із параметричними коливаннями. Отримані результати можуть бути корисними при проектуванні бурових конструкцій.Цель. Повышение эффективности использования энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны путем решения нелинейно-параметрических уравнений системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” для повышения показателей бурения. Методика. В работе использован метод математического моделирования механической системы и импедансный метод исследования колебаний. При моделировании системы долото считается абсолютно твердым телом, упругие элементы – безинерционными, приводной двигатель – идеальным, а сопротивление в упругих связях – вязким. При исследовании динамических параметров бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем механическая система представлена в виде блоков, которые взаимодействуют между собой. Бурильная колонна в моделях составляет последовательную систему однородных стержней. Результаты. В ходе аналитических исследований было доказано, что использование энергии параметрических колебаний в компоновке низа бурильной колонны позволяет увеличить осевую нагрузку на долото и повысить механическую скорость, особенно при бурении горизонтальной части наклонно-направленных скважин. Обоснованы динамические параметры механической системы бурильной колонны и ее взаимодействия с наддолотной системой и забоем. Выявлено, что ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний достигается долотом за счет зубчатой поверхности шарошек при периодическом перешагивании с одного зуба на два, физико-механических свойств разбуриваемых пород и свойств корректирующих элементов, установленных над долотом. Научная новизна. Разработано новую математическую модель, описывающую динамику работы механической системы “долото – приводной двигатель – разбуриваемая порода” с учетом влияния параметрических колебаний. Практическая значимость. Наличие ограничения амплитуды резонансных вертикальных колебаний долота создает условия работоспособности компоновок и долговечности ее элементов с параметрическими колебаниями. Полученные результаты могут быть полезными при проектировании буровых конструкций.The results of the study were obtained without any support from any project or financing

Fuzzy determination of informative frequency band for bearing fault detection

Detecting early faults in rolling element bearings is a crucial measure for the health maintenance of rotating machinery. As faulty features of bearings are usually demodulated into a high-frequency band, determining the informative frequency band (IFB) from the vibratory signal is a challenging task for weak fault detection. Existing approaches for IFB determination often divide the frequency spectrum of the signal into even partitions, one of which is regarded as the IFB by an individual selector. This work proposes a fuzzy technique to select the IFB with improvements in two aspects. On the one hand, an IFB-specific fuzzy clustering method is developed to segment the frequency spectrum into meaningful sub-bands. Considering the shortcomings of the individual selectors, on the other hand, three commonly-used selectors are combined using a fuzzy comprehensive evaluation method to guide the clustering. Among all the meaningful sub-bands, the one with the minimum comprehensive cost is determined as the IFB. The bearing faults, if any, can be detected from the demodulated envelope spectrum of the IFB. The proposed fuzzy technique was evaluated using both simulated and experimental data, and then compared with the state-of-the-art peer method. The results indicate that the proposed fuzzy technique is capable of generating a better IFB, and is suitable for detecting bearing faults

Elastodynamic and finite element analysis of coupled lateral-axial vibration of a drillstring with a downhole vibration generator and shock sub

Axial vibration generators improve oilwell drilling efficiency by reducing drillstring-wellbore friction. However, tool vibration can cause unwanted vibrations of the drillstring, and thus premature failure of components. The only effective way to benefit from the positive consequences of these tools is to develop vibration models to predict the vibration pattern of the drillstring for any mode of interest, and implement suppression tools, such as a shock sub to isolate the imposed vibration from the rest of the drillstring. -- Transverse vibration, which is coupled to axial vibration, is the main cause of premature failure of drillstrings. Nonlinear coupled axial-transverse vibration of a drillstring with a downhole vibration generator and shock sub is investigated. Analytical elastodynamic and finite element models are developed. -- The Newtonian approach and the "Bypassing PDEs" method were implemented in developing the analytical models and the ABAQUS Explicit solver package® was used to develop finite element method (FEM) models. The bottom-hole assembly was assumed as a multi-span bottom-hole assembly (BHA) and realistic boundary conditions were assumed. The lateral comparison functions for a multi-span BHA and axial comparison functions for a system of hybrid continuous (step-beam drillstring) and discrete elements (springs and dampers of the shock sub and the equivalent top boundary condition) were developed analytically. The effects of mud damping, spatially varying axial force along the drillstring, bit-rock interaction and lateral contacts were included. Nonlinearities due to strain energy, geometry, axial stiffening and Hertzian contact forces were also captured in the models. -- The simulation results were used to extract modal characteristics and analyze the downhole vibration trends of a drill string with a shock sub and vibrating tool installed on the BHA. Multi-mode analysis in the expanded Galerkin's method with accurate comparison functions enabled a multi-point contact analysis, multi mode modal dynamic analysis, and prediction of more realistic critical rotary speeds. A simulated shock sub effectively isolated the vibrating tool from the drillstring, while amplifying the tool force at the bit. Analytical and FEM models showed excellent agreement. The models in their current form can be used to guide the design of drillstrings and to predict drilling parameters such as speed and weight-on-bit (WOB) that will result in acceptable vibration levels

Gear Tooth Failure Detection by the Resonance Demodulation Technique and the Instantaneous Power Spectrum Method – A Comparative Study

The role of gears in industry for speed and torque variation purposes is obvious. The gearbox diagnostic methods have been improved quickly in recent years. In this paper, two of the newest methods, the resonance demodulation technique (R.D), and the instantaneous power spectrum technique (IPS) are applied to gearbox vibration signals and their capabilities in fault detection are compared. Yet, the important role of time averaging should not be dispensed with, as it is the primary step for both techniques. In the present study, the mathematical method of these techniques, according to the mathematical vibration model of gears, is introduced, these techniques are applied to the test rig data, and finally the results of both methods are compared. The results indicate that in each method, the location of fault can be estimated and it is located in the same angular position in both methods. The IPS method is applicable to severe faults, whereas the resonance demodulation technique is a simple tool to recognize the fault at each severity and at the early stages of fault generation

Supplemental material 2 for Automatic band selection algorithm for envelope analysis

<p>Supplemental material 2 for Automatic band selection algorithm for envelope analysis by Peng Xu, Ahmad Ghasemloonia and Qiao Sun in Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science</p