Науковий вісник НГУ

Визначення величини гармонійного спотворення віброакустичних сигналів у процесі бурових робіт

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №2 2025

Останнє оновлення: 28 квітня 2025

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1474

Authors:

В. С. Моркун, orcid.org/0000-0003-1506-9759, Байройтский університет, м. Байройт, Федеративна Республіка Німеччина, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Н. В. Моркун, orcid.org/0000-0002-1261-1170, Байройтский університет, м. Байройт, Федеративна Республіка Німеччина, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

С. М. Грищенко*, orcid.org/0000-0003-4957-0904, Державний податковий університет, м. Ірпінь, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Є. Ю. Бобров, orcid.org/0000-0002-9275-3768, Криворізький національний університет, м. Кривий Ріг, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

І. A. Гапоненко, orcid.org/0000-0002-0339-4581, Криворізький національний університет, м. Кривий Ріг, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025, (2): 088 - 095

https://doi.org/10.33271/nvngu/2025-2/088

Abstract:

Мета. Моделювання та кількісна оцінка гармонійного спотворення віброакустичних сигналів у процесі бурових робіт.

Методика. У роботі використані такі методи: аналіз наукових і практичних рішень; статистичні методи для оброблення результатів експериментальних досліджень; методи аналітичного синтезу; методи комп’ютерного моделювання для синтезу та аналізу математичних моделей.

Результати. Коли долото взаємодіє з гірською породою, воно зазнає нелінійних зв’язаних осьово-крутильних бічних коливань і генерує супровідний віброакустичний сигнал. У різних типів доліт можна спостерігати три фази ефективності буріння. Фаза I характерна для початкового етапу буріння через недостатнє навантаження на долото. На цій фазі буріння домінує механізм вискоблювання, низьке навантаження на долото в поєднанні з високим тертям призводить до втрат енергії та низької швидкості буріння. Зі збільшенням навантаження на долото режим буріння переходить із фази I до фази II, ефективний режим буріння, де існує лінійна залежність між навантаженням на долото та швидкістю проходки. Дуже важливо визначити режим роботи, що відповідає фазі III, оскільки комбінація факторів може призвести до переходу бурової установки до цього неефективного режиму буріння. Як приклад використання нелінійних вимірювань віброакустичних сигналів розглянуто метод кількісної оцінки нелінійності процесу взаємодії долота з породою, що дозволяє продемонструвати перехід бурової установки до неефективного режиму буріння. Для вирішення цієї задачі встановлене спотворення гармонічних складових віброакустичного сигналу у процесі еволюції ефекту прихоплення-ковзання долота за його взаємодії з породою.

Наукова новизна. Запропоновано метод розпізнавання робочих режимів бурової установки у процесі буріння свердловин, зокрема визначення кількісної оцінки процесу еволюції ефекту прилипання-ковзання долота, який відрізняється від відомих тим, що обчислюється відношення потужності гармонічних складових до сигналу основної частоти супутнього віброакустичного сигналу.

Практична значимість. Зазначений підхід дозволяє засвідчити перехід процесу буріння свердловин до неефективного режиму роботи й запобігти зменшенню швидкості проходки та збільшенню питомих енерговитрат.

Ключові слова: віброакустичний сигнал, буріння, нелінійне перетворення, оцінка, моделювання

References.

1. Gan, W. S. (2021). Nonlinear Acoustic Wave Equations for Sound Propagation in Fluids and in Solids. Nonlinear Acoustical Imaging. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-7015-2_2

2. Bucci, F., & Lasiecka, I. (2018). Feedback control of the acoustic pressure in ultrasonic wave propagation. Optimization, 68(10), 1811-1854. https://doi.org/10.1080/02331934.2018.1504051

3. Morkun, V., Morkun, N., & Pikilnyak, A. (2014). Simulation of high-energy ultrasound propagation in heterogeneous medium using k-space method. Metallurgical and Mining Industry, 6(3), 23-27.

4. Morkun, V., & Morkun, N. (2018). Estimation of the crushed ore particles density in the pulp flow based on the dynamic effects of high-energy ultrasound. Archives of Acoustics, 43(1), 61-67. https://doi.org/10.24425/118080

5. Garrett, S. L. (2020). Nonlinear Acoustics. In: Understanding Acoustics. Graduate Texts in Physics. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-44787-8_15

6. Dushaishi, M. A., Nygaard, R., & Stutts, D. (2016). Effect of drilling fluid hydraulics on drill stem vibrations. Journal of Natural Gas Science and Engineering. https://doi.org/10.1016/J.JNGSE.2016.09.041

7. Cui, M., Wang, H. G., Zhao, J. Y., Cui, L., & Chen, Z. X. (2015). Optimizating drilling operating parameters with real-time surveillance and mitigation system of downhole vibration in deep wells. Advances in Petroleum Exploration and Development, 10, 22-26. https://doi.org/10.3968/7386

8. Gan, C., Cao, W.-H., Wang, L.-Z., Liu, K.-Z., & Wu, M. (2023). An Improved Dynamic Optimization Control System for the Drilling Rate of Penetration (ROP) and Its Industrial Application. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70(6), 6201-6208. https://doi.org/10.1109/TIE.2022.3199916

9. Li, C., & Samuel, R. (2017). Buckling of concentric string pipe-in-pipe. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, SPE-187455-MS. https://doi.org/10.2118/187455-MS

10.      Boukredera, F. S., Hadjadj, A., & Youcef, M. R. (2021). Drilling vibrations diagnostic through drilling data analyses and visualization in real time application. Earth Science Informatics, 14, 1919-1936. https://doi.org/10.1007/s12145-021-00649-8

11.      Sloun, R. V., Demi, L., Shan, C., & Mischi, M. (2015). Ultrasound coefficient of nonlinearity imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 62, 1331-1341. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2015.007009

12.      Choi, H., Woo, P.C., Yeom, J.-Y., & Yoon, С. (2017). Power MOSFET linearizer of a high-voltage power amplifier for high-frequency pulse-echo instrumentation. Sensors, 17, 764. https://doi.org/10.3390/s17040764

13.      Saha Ray, S. (2020). New Exact Solutions of Fractional-Order Partial Differential Equations. Nonlinear Differential Equations in Physics. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-1656-6_5

14.      Chen, W., Wang, P., Zhang, Z., Deng, X., Zhang, C., & Ju, S. (2019). Nonlinear ultrasonic imaging in pulse-echo mode using Westervelt equation: a preliminary research. Computer Assisted Surgery, 24(sup2), 54-61. https://doi.org/10.1080/24699322.2019.1649065

15.      Cliff J. Lissenden. Nonlinear ultrasonic guided waves. (2021). Principles for nondestructive evaluation. Journal of Applied Physics, 129, 021101. https://doi.org/10.1063/5.0038340

16.      Yu, T., Li, X., Zhang, H., Duan, C., Zeng, H., & Agila, W. (2022). Nonlinear analysis of axial-torsional vibration of drill string based on a 3 DOF model. Advances in Mechanical Engineering, 14(6). https://doi.org/10.1177/16878132221107778

17.      Real, F. F., Batou, A., Ritto, T. G., Desceliers, C., & Aguiar, R. R. (2018). Hysteretic bit/rock interaction model to analyze the torsional dynamics of a drill string. Mechanical Systems and Signal Processing, 111, 222-233. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.04.014

18.      Wang, W., Li, S., & Yuan, X. (2023). Effect of Power-V on the Stick–Slip Vibration of a Drill String. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 59, 202-212 https://doi.org/10.1007/s10553-023-01517-5

19.      De Moraes, L. P. P., & Savi, M. A. (2019). Drill-string vibration analysis considering an axial-torsional-lateral nonsmooth model. Journal of Sound and Vibration, 438, 220-237. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.08.054

20.      Liu, X., Vlajic, N., Long, X., Meng, G., & Balachandran, B. (2013). Nonlinear motions of a flexible rotor with a drill bit: stick-slip and delay effects. Nonlinear Dynamics, 72, 61-77. https://doi.org/10.1007/s11071-012-0690-x

21.      Hosseinzadeh, A., & Bakhtiari-Nejad, F. (2017). A new dynamic model of coupled axial–torsional vibration of a drill string for investigation on the length increment effect on stick–slip instability. Journal of Vibration and Acoustics, 139, e061016. https://doi.org/10.1115/1.4037299

22.      Cui, M., Sun, M. C., Zhang, J. W., Kang, K., & Luo, Y. C. (2014). Maximizing drilling performance with real-time surveillance system based on parameters optimization algorithm. Advances in Petroleum Exploration and Development, 8(1), 15-24.  https://doi.org/10.3968/5537

23.      Li, S., Albertin, M., Bergeron, J., & Ansari, R. (2021). Constraining Minimum Stress and Fracture Gradient Using Time Based APWD Data and Mud Loss Events. Paper presented at the 55 ^th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, Virtual. Retrieved from http://onepetro.org/ARMAUSRMS/proceedings-pdf/ARMA21/All-ARMA21/2480289/arma-2021-2083.pdf

24.      Akhtarmanesh, S., Atashnezhad, A., Hareland, G., & Al Dushaishi, M. (2021). ROP model for PDC bits in geothermal drilling. In 55 ^th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. Retrieved from https://onepetro.org/ARMAUSRMS/proceedings-abstract/ARMA21/All-ARMA21/ARMA-2021-1214/467911

25.      Sharma, A., Al Dushaishi, M., & Nygaard, R. (2021). Fixed bit rotary drilling failure criteria effect on drilling vibration. American Rock Mechanics Association. Retrieved from http://onepetro.org/ARMAUSRMS/proceedings-pdf/ARMA21/All-ARMA21/2480289/arma-2021-2083

26.      Ong U. Routh (2016). Matrix Algorithms in MATLAB (1 ^st ed.). ISBN-10: 0128038047.

27.      Hongwei Wang (2020). Measurement of Total Harmonic Distortion (THD) and Its Related Parameters using Multi-Instrument. Virtins Technology. Retrieved from https://www.researchgate.net/publication/343107118_Measurement_of_Total_Harmonic_Distortion_THD_and_Its_Related_Parameters_using_Multi-Instrument

28.      Roderick, A. (2021). Total Harmonic Distortion (THD) and Power Factor Calculation. EE Power. Retrieved from https://eepower.com/technical-articles/total-harmonic-distortion-thd-and-power-factor-calculation/#

29.      Mechanical Rotational System with Stick-Slip Motion.Retrieved from https://www.mathworks.com/help/simscape/ug/mechanical-rotational-system-with-stick-slip-motion.html

30.      Rotational Friction. Retrieved from https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/rotationalfriction.html

31.      Mechanical Rotational System with Stick-Slip Motion. Retrieved from https://www.mathworks.com/help/simscape/ug/mechanical-rotational-system-with-stick-slip-motion.html

32.      Nayak, J., Rekha, H. S., & Naik, B. (2023). Fuzzy C-Means Clustering: Advances and Challenges (Part II). In Rokach, L., Maimon, O., Shmueli, E. (Eds.) Machine Learning for Data Science Handbook. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-24628-9_12

• < Попередня
• Наступна >