Development of empirical models to describe drilling tool performance in the laboratory core drilling

Abstract

W niniejszej rozprawie doktorskiej przedstawiono badania laboratoryjne czterech różnych polskich skał w celu opracowania nowych zależności empirycznych do modelowania chwilowej prędkości wiercenia (ROP) i mechanicznej energii właściwej (MSE) w laboratoryjnych testach wiercenia rdzeniowego. Badania obejmowały eksperymenty wiercenia rdzeniowego oraz pomiary fizycznych i dynamicznych właściwości geomechanicznych badanych skał. Po przeprowadzeniu badań eksperymentalnych zastosowano metodę statystyczną do ilościowego określenia wpływu różnych parametrów operacyjnych i skał na ROP i MSE. Parametry takie jak nacisk na narzędzie wiercące (WOB), obroty (RPM), porowatość skały, gęstość skały, prędkość fali ultradźwiękowej i średnica koronki rdzeniowej zostały wybrane do uwzględnienia w modelach ROP i MSE. Następnie zastosowano analizę wymiarową w celu opracowania nowych zależności. W rezultacie wykładniki dla WOB, RPM, porowatości skały, gęstości skały, prędkości fali ultradźwiękowej, średnicy zewnętrznej świdra oraz stosunku średnicy zewnętrznej do średnicy wewnętrznej obliczono jako +1, +2, + 1,7, -1, -1, -1 i -2. W efekcie sformułowano nowe równanie do modelowania ROP. Wykorzystując wyniki pomiarów i uwzględniając opracowane równanie ROP, sformułowano nowy model MSE. Nowe wzory ROP i MSE są łatwe w użyciu i mogą stanowić podstawę przyszłych badań w dziedzinie operacji rdzeniowych.

In this dissertation, laboratory research is presented on four different Polish rock types to develop new empirical formulas for modelling rate of penetration (ROP) and mechanical specific energy (MSE) in the laboratory coring drilling tests. The investigations included coring drilling experiments as well as measurements of the physical and dynamic geomechanical properties of the subjected rocks. Following experimental tests, the statistical method was used to quantify the impact of different operational and rock parameters on ROP and MSE. Parameters of weight on the bit (WOB), rotation per minute (RPM), rock’s porosity, rock’s density, compressional wave velocity, and core bit diameter were selected for inclusion in the ROP and MSE models. Subsequently, dimensional analysis was employed to develop new formulas. As a result, the exponents of WOB, RPM, rock’s porosity, rock’s density, compressions! wave velocity, bit’s outer diameter, and the ratio of outer diameter to the inner diameter were computed as +1, +2, + 1.7, -1, -1, -1, and -2. Consequently, a new equation was formulated for ROP modelling. Leveraging measurements results and incorporating the developed ROP equation, a new MSE model was formulated. The new ROP and MSE formulations are easy to use and can be the basis for future research in the area of coring operations.