Розроблення шестишарошкового долота для ефективного буріння міцних та надміцних порід шляхом оптимізації конфігурації забою

Сергій Мінєєв Олександр Пащенко Володимир Антончик Валентин Ганкевич В’ячеслав Кіба
Отримано 07.06.2025, Доопрацьовано 20.11.2025, Прийнято 24.12.2025
Анотація

 Дослідження присвячено вирішенню проблеми ефективного буріння міцних та надміцних гірських порід, яка характеризується високими енерговитратами, значним зносом бурового інструменту та низькою швидкістю проходки. Метою роботи було розроблення технології буріння, спрямованої на оптимізацію процесу руйнування порід шляхом створення спеціальної конфігурації забою свердловини для забезпечення ефективного сколювання матеріалу за рахунок дотикових напружень. Методологія дослідження базувалася на аналізі закономірностей руйнування порід, математичному моделюванні напружено-деформованого стану породи з використанням програмного забезпечення ANSYS, а також експериментальних випробуваннях на зразках гранітів і базальтів із міцністю на стиск 150-200 МПа. Було розроблено конструкцію шестишарошкового бурового долота, яка включає окремі шарошкові колеса для створення випереджаючого кільцевого врубу в кутовій зоні забою, головні шарошки для ступінчастого сколювання породи та кернові шарошки для руйнування центральної частини забою, що запобігає утворенню керну та пошкодженню інструменту. Результати експериментальних випробувань показали, що запропонована технологія забезпечує руйнування приблизно 80 % поверхні забою за рахунок дотикових напружень, що дозволило знизити енерговитрати в 1,4-1,7 рази порівняно з традиційними методами шарошкового буріння, як встановлено вимірюваннями енергоспоживання. Швидкість буріння зросла в 1,2-1,5 рази, що підтверджено даними польових випробувань. Лабораторні вимірювання засвідчили, що несучі ролики підшипникового вузла сприймають навантаження в середньому 1 000 кг на кожен сантиметр діаметра долота, а пікові навантаження від реакції забою, зафіксовані динамометричним обладнанням, перевищують робоче навантаження в 3-4 рази. Система охолодження підшипників із використанням водяної емульсії та стиснутого повітря знизила температуру підшипникових вузлів із 200-300 °C у традиційних конструкціях до 80-100 °C, як показали тепловізійні вимірювання, що подовжило ресурс долота в 1,7-2 рази. Статистичний аналіз результатів із довірчим інтервалом 95 % підтвердив стабільність показників продуктивності, із середньою похибкою вимірювань швидкості буріння ±0,2 м/ год і енерговитрат ±0,5 кВт·год/м. Запропонована технологія сприяє зниженню зносу зубків і підшипників, подовжуючи термін служби інструменту в 2,7-3 рази. Отримані результати відкривають можливості для широкого застосування технології в гірничодобувній промисловості, зокрема в складних геологічних умовах із міцними породами, забезпечуючи зниження витрат і підвищення продуктивності буріння

Ключові слова:
бурове долото; шарошка; забій; дотичні напруження; кільцевий вруб

Взято з Том 59, № 2, 2025

Сторінки 46–55

Використані джерела ЦИТУВАТИ
  1. Alsaihati, A., Ismail, M., & Elkatatny, S. (2024). Optimization of drilling parameters while drilling surface holes using machine learning and differential evolution. SPE Journal, 30(2), 591-604. doi: 10.2118/223965-pa.
  2. Chen, L., Cao, Q., Qi, Q., Niu, S., Yang, Y., Chen, X., Zhao, Z., & Wu, B. (2023). Development and application of hobbing-cone hybrid PDC bit. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, 9, article number 139. doi: 10.1007/s40948-023-00679-0.
  3. Dewangan, S., Anjan, K.L., Sagar, N.M.V., & Reddy, A.P. (2023). Analysis of critical wear phenomena and stress induced in WC-co-based twist drill bits used for drilling hard rock. Journal of The Institution of Engineers (India): Series D, 105, 689-700. doi: 10.1007/s40033-023-00538-y.
  4. DSTU 4260:2003. (2003). Consumer packaging and containers. Marking. General requirements. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=73719.
  5. DSTU 4489:2005. (2005). Books and magazines. Requirements for formats. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=104622.
  6. Fan, K. (2025). Advancements in digital drilling technology for deep engineering: A review. Frontiers in Earth Science, 13. doi: 10.3389/feart.2025.1604584.
  7. GOST 17013-71. (1973). Carbide ring drills. Main dimensions (67092). Retrieved from https://dnaop.com/ html/67092/doc- %D0 %93 %D0 %9E %D0 %A1 %D0 %A2_17013-71#google_vignette.
  8. Guo, Z., Ye, X., Gou, J., Gong, Y., & Xie, S. (2023). Research on rock breaking mechanism of composite cone single cone bit. Geoenergy Science and Engineering, 231, article number 212302. doi: 10.1016/j.geoen.2023.212302.
  9. Hankevich, V., Moskalova, T., Kabakova, L., & Livak, O. (2019). The feasibility evaluation of using cyclic thermal effect in the rock-cutting tools during drilling hard rock. E3S Web of Conferences, 109, article number 00026. doi: 10.1051/e3sconf/201910900026.
  10. Kong, C., Zhu, R., Zhang, D., & Li, S. (2021). Research on kinematics analysis of spherical single-cone PDC compound bit and rock breaking simulation verification. Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies Nouvelles, 76, 52-67. doi: 10.2516/ogst/2021034.
  11. Koroviaka, Y.A., Ihnatov, A.O., Pavlychenko, A.V., Valouch, K., Rastsvietaiev, V.O., Matyash, O.V., Mekshun, M.R., & Shypunov, S.O. (2023). Studying the performance features of drilling rock destruction and technological tools. Journal of Superhard Materials, 45, 466-476. doi: 10.3103/S1063457623060059.
  12. Liu, Y., et al. (2023). Engineered bit design with new cutter technology improved drilling efficiency in abrasive sandstone in China Ordos basin. In Gas & oil technology showcase and conference (article number SPE-214139MS). Dubai: SPE. doi: 10.2118/214139-ms.
  13. Mi, H.D., Zhou, X., Yan, J.B., Jin, J., & Zhang, Y.B. (2022). Drilling-induced cracking in hard rock excavation. Strength of Materials, 54, 1155-1164. doi: 10.1007/s11223-023-00490-y.
  14. Nelms, D. (2023). Case study: Drilling at the cutting edge of performance with shaped-cutter technology. Journal of Petroleum Technology, 75(3), 42-44. doi: 10.2118/0323-0042-jpt.
  15. Park, J.-S., Cha, H.-J., & Oh, T.-M. (2024). Development of hard rock drilling method using waterjet system for pile foundation installation. In International foundation congress and equipment exposition 2024 (pp. 325-331). Reston: American Society of Civil Engineers. doi: 10.1061/9780784485408.032.
  16. Pashchenko, O., Kamyshatskyi, O., Omirzakova, E., & Ratova, S. (2025). Development and optimization of hard alloy compositions for rock destruction. In Engineering for rural development (pp. 512-518). Jelgava: Latvia University of Life Sciences and Technologies. doi: 10.22616/erdev.2025.24.tf110.
  17. Pashchenko, O., Ratov, B., Khomenko, V., Gusmanova, A., & Omirzakova, E. (2024). Methodology for optimizing drill bit performance. In Proceedings of 24th international multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2024 (pp. 623-632). Sofia: STEF92 Technology. doi: 10.5593/sgem2024/1.1/s06.78.
  18. Pastusek, P.E., Cherry, M.M., Payette, G.S., Bijai, R.R., Gjertsen, O.J., & Durairajan, B. (2024). Modeling PDC cutter loads when drilling interbedded formations at constant penetration per revolution vs. weight on bit. In SPE annual technical conference and exhibition (article number SPE-220789-MS). New Orleans: SPE. doi: 10.2118/220789-MS.
  19. Ratov, B., Fedorov, B.V., Syzdykov, A.Kh., Zakenov, S., & Sudakov, A. (2021). The main directions of modernization of rock-destroying tools for drilling solid mineral resources. In 21st SGEM international multidisciplinary scientific geoconference proceedings 2021 (pp. 503-514). Sofia: STEF92 Technology. doi: 10.5593/sgem2021/1.1/s03.062.
  20. Wang, Q., Zhang, H., Xu, K., Yuan, F., Yin, G., & Wang, H. (2025). Key geomechanical issues in efficient development of ultra deep oil and gas. In International petroleum technology conference (article number IPTC-24728-EA). Kuala Lumpur: IPTC. doi: 10.2523/iptc-24728-ea.
  21. Wang, X.-H., Zhao, Z.-Q., & Jing, W. (2025). Simulation and experimental research on drilling and rock breaking mechanisms of anchor drill rigs with analysis of drilling feedback signals. Scientific Reports, 15, article number 14537. doi: 10.1038/s41598-025-99329-6.
  22. Whittem, V., Meehan, M.T., Roetzel, A., Nakai Kidd, A., Sadick, A.-M., Raphael, J., & O’Mara, J. (2024). Bridging the gaps – а mixed methods approach to evaluating novel feedback surveys of children on school buildings. Building and Environment, 266, article number 112067. doi: 10.1016/j.buildenv.2024.112067.
  23. Xi, Y., Xing, J., Li, J., Wang, H., Li, J., & Liu, G. (2025). Research on rock breaking mechanism of rotary-percussion drilling in marine hard rock strata and the influence of engineering and tool parameters on ROP. Geoenergy Science and Engineering, 249, article number 213781. doi: 10.1016/j.geoen.2025.213781.
  24. Zhang, L., Wang, X., & Niu, Z. (2023). Mesoscopic damage and fracture characteristics of hard rock under high-frequency ultrasonic vibration excitation. Applied Sciences, 13(22), article number 12424. doi: 10.3390/ app132212424.
Minieiev, S., Pashchenko, O., Antonchyk, V., Hankevych, V., & Kiba, V. (2025). Development of a six-cone drill bit for efficient drilling of hard and ultra-hard rocks through optimised borehole bottom configuration. Mining Journal of Kryvyi Rih National University, 59(2), 46-55. https://doi.org/10.31721/2306-5435-2025-2-46-55
uk