Improving the Performance Properties of Drill Rods for Drilling and Blasting Operations

ENG: The article examines the operating conditions of drilling equipment, particularly drill pipes. The purpose of this study is to develop drill pipes based on the load they experience and the material they are made of. Factors influencing the wear of drill pipes are identified, including friction at pipe joints, thermal wear, abrasive wear, oxidative wear, and others. The working conditions and loads on drill pipes under various drilling scenarios are analyzed, including the maximum loads encountered during the drilling of hard rock using roller bits. The functions of drill pipes are considered, such as transmitting axial force and torque, transporting drilling fluid to the drilling site, removing rock debris from the wellbore. The study justifies and selects materials for drill pipes that balance strength and cost while meeting the requirements of drilling equipment. To achieve this goal, the stress-strain state of drill rods during rotary drilling under operational loads was studied, considering the displacement of working loads or the misalignment of the drill rod and bit axes. Mathematical calculations and data processing are performed using the engineering software package MATHCAD for drill pipes with an outer diameter of DD and an inner diameter of dd, depending on the physical and mechanical properties of the pipe material, axial load on the drill string, and the torque transmitted by the drill pipes. The article provides calculations for drill pipes used in roller drilling of 200 mm diameter wells in hard rock. Connections between drill pipes are analyzed, particularly a specialized locking threaded connection with an increased thread profile height. The study reviews designs used in international practice and domestic drilling equipment manufacturing. A design and calculation of the threaded connection for drill pipes made of 40X steel are presented, along with drawings of the calculated thread profile. The operating conditions of drilling equipment and factors affecting the wear of drill pipes are examined, and recommendations for extending their service life are provided, which can be utilized in the design of new drilling equipment. Suggestions and structural solutions to enhance the performance characteristics of drill pipes are proposed, allowing the selection of optimal material parameters and structural elements of drill pipes based on the operating conditions of the drill string.

UKR: У статті розглянуто умови роботи бурового обладнання, зокрема бурових штанг. Метою цієї статті є розробка бурових штанг в залежності від навантаження на них та матеріалу, з якого вони виготовляються. Визначені фактори, які впливають на знос бурових штанг, такі як тертя в місцях з’єднання штанг, тепловий знос, абразивний знос, окислювальний знос та інші. Показані умови роботи бурових штанг та навантаження на штанги у різних умовах буріння, а також значення максимальних навантажень, які виникають при бурінні міцних гірських порід шарошковими долотами. Розглянуті функції бурових штанг, такі як передача осьового зусилля, обертального моменту, транспортування бурового розчину на місце буріння, транспортування продуктів руйнування гірських порід за межі свердловини та інші. Виконано обґрунтування та вибір матеріалу бурової штанги, який забезпечить баланс між міцністю та вартістю, при цьому відповідаючи вимогам, що ставляться до бурового обладнання. Для досягнення даної мети виконано дослідження напружено-деформованого стану штанги для обертового буріння за експлуатаційних навантажень в залежності від наявності зміщення робочого навантаження чи осей штанги та долота. Проведено математичний розрахунок та обробку даних в пакеті інженерних програм MATHCAD для бурових штанг з зовнішнім діаметром D та внутрішнім діаметром d в залежності від фізико-механічних властивостей матеріалу штанг осьового навантаження на буровий став та обертального моменту, що передається буровими штангами. Наведений розрахунок бурових штанг для шарошкового буріння свердловини діаметром 200 мм по міцним гірським породам. Розглянуті місця з’єднання бурових штанг зокрема спеціальне замкове різьбове з’єднання з підвищеною висотою профілю. В роботі розглянуті варіанти, які використовуються в закордонній практиці і на вітчизняних заводах бурової техніки. Показано виріб та розрахунок різьбового з’єднання між даними штангами для матеріалу штанг зі сталі 40Х та наведені креслення профілю розрахованої різьби. Розглянуто умови роботи бурового обладнання та фактори, які впливають на знос бурових штанг, запропоновано пропозиції щодо підвищення терміну служби штанг бурового обладнання, які можуть бути використані при проектуванні нового бурового обладнання. Запропоновано пропозиції та конструктивні рішення для підвищення експлуатаційних властивостей штанг бурового обладнання, що дозволяють при проектуванні нового обладнання вибирати раціональні параметри матеріалів та конструкційних елементів штанг в залежності від умов експлуатації бурового ставу.