Вестник нефтегазовой отрасли Казахстана

2707-42262957-806X

KMG Engineering

108959

10.54859/kjogi108959

Stability Analysis of Bottom-hole Drilling Bits Utilizing an Advanced Reamer-Stabilizer Configuration

Zhanturin

Zhomart K

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasaing-zhomart@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-4944-1850Abishev

Murat N

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasm_abishev_nik@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-5793-3800Ahmetov

Nurken M

Doctor of Technical Sciences, Professor at Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasn.akhmetov@aogu.edu.kzhttps://orcid.org/0009-0008-5892-2530

Atyrau University of Oil and Gas named after Safi Utebayev82

06032026

09042026

ABSTRACT Background. During deep drilling of oil and gas wells, the dynamic instability of the drill string caused by radial and axial vibrations of the drill bit results in a reduction in the rate of penetration (ROP), intensive tool wear, and deterioration of the wellbore gauge. This problem becomes particularly significant when drilling formations with alternating lithology and rock strength. An analysis of existing technical solutions, including the roller-cone reamer–stabilizer design implemented in the Patent of the Republic of Kazakhstan No. 22228 (E21B 10/30), revealed the need to improve the geometric and dynamic parameters of stabilizing devices intended to ensure stable dynamic equilibrium of the “bit–drill string–rock formation” system. Aim. The objective of this study is to provide theoretical and experimental justification of the causes of radial vibrations of the drilling tool and to develop a near-bit roller-cone reamer–stabilizer capable of ensuring the stability of the bottom-hole assembly (BHA) at the well bottom. The stability is achieved through the efficient arrangement of the working elements at an angle of 120° and by satisfying the conditions governing the formation of the roller-cone elements through their minimum dimension. Materials and Methods. The study is based on the principles of drill string dynamics, the laws governing energy dissipation in rotational mechanical systems, and the principle of least action. A mathematical model was developed to determine the dependence of the minimum size of the roller-cone forming elements on the nominal radius of the reamer–stabilizer. The geometric parameters of an experimental prototype of a near-bit stabilizer with a diameter of 269.9 mm, manufactured on the basis of a 203 mm heavy-weight drill pipe (HWDP), were theoretically substantiated. Experimental studies were conducted under field conditions during deep drilling operations. Results. It was established that satisfying the structural condition ensures stable dynamic equilibrium of the drilling tool relative to the wellbore axis. Field tests demonstrated a 5% increase in the rate of penetration (ROP) and a 7.3% increase in bit run length. A reduction in bit balling and clogging was also observed, indicating improved hydrodynamic bottom-hole cleaning. Conclusion. The developed design of the near-bit roller-cone reamer–stabilizer confirms theoretical concepts regarding the nature of radial vibrations in drill string dynamic systems and contributes to improving the efficiency of deep oil and gas well drilling. The obtained results demonstrate the feasibility of industrial implementation of the proposed technical solution and its effectiveness for application in the design of bottom-hole assembly (BHA) configurations.

Keywords: drill bit, radial vibrations, stabilizer-reamer, dynamic stability, rate of penetration (ROP), footage.

Кілт сөздер: бұрғы қашауы, радиалды тербелістер, тұрақтандырғыш-кеңейткіш, динамикалық тұрақтылық, бұрғылаудың механикалық жылдамдығы, бұрғылау көлемі.

Ключевые слова: буровое долото, радиальные колебания, стабилизатор-расширитель, динамическая устойчивость, механическая скорость бурения, проходка.

<h1 data-section-id="1v0wn0i" data-start="91" data-end="101">Введение</h1> Буровые работы являются важным процессом в геологической разведке, а также при добыче нефти и газа. В результате сложных взаимодействий между буровым долотом и горными породами, а также между буровым раствором и бурильной колонной динамическая система претерпевает изменения, которые могут оказывать негативное влияние на процесс бурения. Для исследования устойчивости динамических систем в процессе бурения необходимо построение эффективной динамической модели буровой системы [1]. В производственных условиях бурение неоднородных горных пород, состоящих из чередующихся мягких и твердых пластов, часто приводит к возникновению вредных вибраций и колебаний. Сильные вибрации бурового инструмента могут привести к выходу из строя бурового долота на забое скважины. Осевые и крутильные колебания бурового инструмента в определенной степени носят случайный характер. Основными причинами этого являются различия в литологии пластов и трение бурового долота о горную породу [2]. Во многих случаях в научных исследованиях неизвестные динамические системы приходится объяснять не путем построения математических моделей или разработки теорий, а посредством изучения реальных условий. Такие исследования часто проводятся при изучении явлений, возникающих в процессе глубокого бурения скважин, в частности при работе породоразрушающих буровых инструментов. Долгое время наблюдаемое в реальных условиях радиальное смещение (колебание) буровых долот на забое скважины, а также формирование многогранных поперечных сечений скважин невозможно было объяснить с точки зрения классического изопараметрического принципа. Следует отметить, что данное явление отчетливо проявляется при сверлении металлов. Однако в этом случае оно объяснялось не окружностью поперечного сечения отверстия заданного диаметра, а малой площадью образующейся многогранности. Тем не менее впоследствии было установлено, что изопараметрические зависимости не играют никакой роли при исследовании явлений, происходящих в динамических системах. Иными словами, статические показатели никогда не могут быть причиной динамических явлений. Лишь разработанные методы исследования процессов, протекающих в динамических системах, принцип наименьшего действия и закономерности потерь энергии в динамических системах позволили дать научное объяснение указанным явлениям. В настоящее время динамические системы не могут находиться в состоянии динамического равновесия ни в одном из трех режимов работы, если они не ограничены определенными ограничителями. В нашем случае в качестве ограничителей используются стабилизаторы. Известно, что потери энергии в динамических системах при прочих равных условиях ограничиваются снизу вращательной парой. В этом случае возникает необходимость ограничить потери энергии заданным уровнем эксцентриситета (0 ε ∞). При отсутствии ограничителей принцип наименьшего действия заставляет любую динамическую систему искать режим работы с минимальными энергетическими потерями. Однако при функционировании динамических систем существование таких режимов невозможно. Лишь в окрестности точки (ε ≈ 0, i = −1) возможен режим вращательной пары с бесконечно малыми потерями энергии. Однако при (ε = 0, i = −1) потери энергии резко возрастают, поскольку динамическая система мгновенно переходит в первый режим работы. Первый режим (вращение вокруг собственной оси) является общим для всех механических систем и полностью их характеризует. Иными словами, данный режим работы механизмов требует наибольших энергетических затрат. Эти потери энергии особенно наглядно проявляются в моделях быстро вращающихся валов, где имеет место дисковое трение в газовой или жидкой среде, а также в буровых долотах, где потери энергии возникают вследствие трения зубьев долота о горную породу. Ограничители в виде валов или бурильных труб в определенных условиях не способны ограничивать процессы радиальных колебаний. В результате при стремлении системы к минимальным энергетическим потерям динамическая система может разрушиться. В таких случаях необходимо либо быстро перейти к предельным оборотам, либо установить стабилизаторы, что учитывается при формировании компоновки низа бурильной колонны. <hr data-start="4272" data-end="4275"> <h1 data-section-id="r86hsv" data-start="4277" data-end="4311">Предлагаемое техническое решение</h1> В процессе бурения глубоких скважин практически отсутствуют другие методы стабилизации породоразрушающих буровых инструментов, поскольку разрушение консолей с такими геометрическими размерами не требует значительных усилий. Таким образом, стабилизация буровых долот возможна только за счет использования наддолотных стабилизаторов. Целью данного исследования является подтверждение или опровержение теоретических выводов о причинах радиальных колебаний в динамических системах с использованием устройства, основанного на идее наддолотного стабилизатора, а именно шарошечного расширителя-стабилизатора, выполненного в виде шарошек и защищенного патентом. Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к конструкции шарошечного расширителя-стабилизатора, и может применяться при бурении нефтяных, газовых и других скважин. В технике известны расширители-стабилизаторы, рабочими органами которых являются лопасти, обычно размещаемые на периферии цилиндрического корпуса [3] (аналог). Однако данная конструкция имеет существенные недостатки. В процессе эксплуатации наблюдается интенсивный абразивный износ лопастей. Кроме того, значительный и постоянный контакт лопастей со стенками скважины в процессе бурения приводит к динамической неустойчивости. Наиболее близким техническим решением является шарошечный расширитель-стабилизатор, в котором шарошки расположены по высоте корпуса и в плане под углом 120° [4] (прототип). Такая конструкция повышает износостойкость расширителя-стабилизатора, увеличивает универсальность и работоспособность конструкции долото-расширитель-стабилизатор. Однако недостатком данного технического решения является то, что длительная стабилизация бурового инструмента обеспечивается только при определенном соотношении и высоте шарошек [5]. Целью изобретения является создание шарошечного расширителя-стабилизатора, обеспечивающего гарантированную стабилизацию бурового инструмента на забое скважины за счет устойчивого положения относительно оси скважины при расположении шарошек по высоте корпуса и в плане под углом 120° [6]. Поставленная цель достигается за счет использования шарошечного расширителя-стабилизатора, состоящего из цилиндрического корпуса с тремя вертикально направленными шарошками, расположенными на краях под углом 120° относительно оси скважины (рисунок 1). При этом образующие шарошек по высоте корпуса не пересекаются с высотой вершин зубьев при их минимальных значениях и удовлетворяют следующему условию: <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"><semantics><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo></mo><mo stretchy="false">(</mo><msqrt><mn>7</mn></msqrt><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>P</mi><mi>A</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi mathvariant="normal">/</mi><mn>2</mn></mrow><annotation encoding="application/x-tex">b_{min} (\sqrt{7} \cdot R_{PAC}) / 2</annotation></semantics></math>bmin(7⋅RPAC)/2 где b_min — минимальное расстояние между шарошками по вершинам зубьев, мм; R_PAC — номинальный радиус шарошечного расширителя-стабилизатора, мм. Шарошечный расширитель-стабилизатор работает следующим образом. При вращении бурового инструмента вокруг оси скважины условие (1) обеспечивает устойчивое динамическое равновесие бурового долота относительно его оси. В результате разрушение горной породы на забое осуществляется посредством механизма, заранее закрепленного конструкцией. При уменьшении диаметра скважины шарошечный расширитель-стабилизатор может выполнять функцию расширителя. Использование предложенного расширителя-стабилизатора обеспечивает динамически устойчивую работу бурового долота без уменьшения диаметра скважины, что повышает общую эффективность бурового инструмента. <hr data-start="7639" data-end="7642"> <h1 data-section-id="k84y4" data-start="7644" data-end="7656">Заключение</h1> Проведенные испытания показали следующие результаты: <ol data-start="7712" data-end="8546"> <li data-section-id="1i4wla" data-start="7712" data-end="8023"> Подтверждена правильность теоретического положения о том, что динамически устойчивая работа бурового долота на забое скважины обеспечивается при использовании наддолотного стабилизатора, разработанного на основе нового технического решения. Это подтверждено патентом Республики Казахстан №22228 (E21B 10/30). </li> <li data-section-id="1qc6m53" data-start="8025" data-end="8212"> В ходе промышленных испытаний использование наддолотного стабилизатора обеспечило увеличение механической скорости бурения на 5%, а также увеличение проходки на долото на 7,3%. </li> <li data-section-id="ojfxmz" data-start="8214" data-end="8411"> Отмечено снижение случаев сальникообразования бурового долота, что свидетельствует о положительном влиянии вертикально расположенных лопастей стабилизатора на гидродинамику промывочной жидкости. </li> <li data-section-id="9bf0qy" data-start="8413" data-end="8546"> Буровая организация поддержала внедрение предложенной в статье научной разработки при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин. </li> </ol>

Pengfei Deng, Xing Tan, He Li (и др.). Influence of Blades Shape and Cutters Arrangement of PDC Drill Bit on Nonlinear Vibration of Deep Drilling System. Journal of Sound and Vibration, Vol. 572 (2024). Article 118165. — 38 p. — DOI: 10.1016/j.jsv.2023.118165.

Jiawei Zhang, Meng Cui, Qing Wang, Haitao Ren, Guodong Ji, Fangyuan Shao, Jinping Yu. Experimental Study on Rock Drilling Vibration of PDC Bit in Interbedded Formations. Geoenergy Science and Engineering, Vol. 244 (2025). Article 213452 — DOI: 10.1016/j.geoen.2024.213452.

Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. М., Недра. 1971. 446 с.

А.с. № 595481 (СССР). Шарошечный расширитель-стабилизатор. // Н.Д. Чумаков, Ю.Ф. Кудеков, Ю.М. Скорняков. Б.И., 1978, № 8.

Стеклянов Б.Л., Торгашев А.В., Логинов А.А., Соколов Ю.Н., Валиева К.Г. Повышение эффективности бурового породоразрушающего инструмента. Обзорная информация. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. М., 1991, С. 35-45.

Патент на изобретение (19) KZ (13) B (11) 22228 (51) E21B 10/30 (2006.01)

Ахметов Н.М., Абишев М.Н. Разработка конструкции наддолотного расширителя-стабилизатора. – Атырау: Сборник научных трудов международной научно-практической конференции «Проблемы научно-технического и кадрового обеспечения нефтегазовой промышленности Казахстана». -Атырау: АИНГ, 2008.-С. 273-280.

Обзор классификации опорно-центрирующих элементов и их назначение в бурильной колонне. Н.И. Гирфанова, А.А. Щевелёв, Л.М. Левинсон, Ф.Н. Янгиров (Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Российская Федерация). Проблемы сбора и подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Научно-технический журнал. (3) 2019. С. 35-46. DOI: 10.17122/ntj-oil-2019-3-35-46

Совершенствование конструкции шарошечного расширителя-калибратора. Дмитрий Юрьевич Сериков. Интернет-портал и всероссийский научно-технический журнал СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ. 5/2023 С. 76-78.

10.

Каталог технических решений. Halliburton. Drill Bits & Services. C.50-56. www. halliburton.com