ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО

Полезная модель относится к техническим средствам для бурения скважин электроимпульсным способом с промывкой электропроводящими и электроизоляционными жидкостями и может найти применение при бурении скважин самого разного назначения в крепких горных породах диаметром более 100 мм и глубиной от десятков сантиметров до сотен метров.
Известен электроимпульсный буровой наконечник (Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. СПб.: Наука, 1995. - с.11-16), который представляет собой разделенные изолятором системы высоковольтных и заземленных (низковольтных) электродов, причем электроды равномерно распределены в призабойной части с примерно одинаковой величиной промежутков между разнополярными электродами.
Основным недостатком этого бурового инструмента является сравнительно низкая эффективность разрушения горной породы. Это связанно с тем, что при электроимпульсном разрушении крепких горных пород на забое образуются ослабленные электрическими разрядами неровности, которые могут выступать на 10 мм и более. У рассматриваемого бурового наконечника нет твердосплавных резцов, которые разрушали бы такие неровности.
Частично этот недостаток устранен в выбранном за прототип буровом долоте (патент РФ №730029, МПК5 Е21С 37/18, опубл. 30.10.93 г., бюл. №39-40), состоящем из армированной твердосплавными резцами заземленной наружной коронки с выступающим в центре электродом, внутри которой размещены снабженные изоляцией высоковольтные электроды, при этом электродная система бурового долота выполнена в виде электродной ячейки, электроды которой расположены так, что образуют форму, близкую к сектору круга. При вращении бурового долота вокруг центральной оси
бурового снаряда твердосплавные резцы доразрушают породу, нарушенную высоковольтными импульсными разрядами, но не оторванную от массива.
Недостатком известного бурового долота является сравнительно низкая эффективность разрушения горной породы на забое скважины. Это связано с тем, что основная часть твердосплавных резцов расположена на значительном удалении от разрядных промежутков, где находится зона разрушения горной породы высоковольтными разрядами. В идеальном случае при вращении бурового наконечника резцы должны сразу попадать в разрушенную разрядами зону и доразрушать в ней горную породу. В известном буровом долоте только два резца, расположенные по концам зоны разрушения горной породы разрядами, лишь частично выполняют эту работу. Все остальные резцы, прежде чем оказаться в этой зоне, не производя эффективного разрушения, проходят значительный путь по забою скважины: почти половина резцов перед зоной разрушения горной породы разрядами, а остальные за ней.
Основным техническим результатом предложенного решения является повышение эффективности разрушения горной породы на забое скважины на 15-30%.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом долоте, состоящим из заземленного корпуса и прикрепленного к нему армированного резцами породоразрушающего элемента, образующего с изолированным высоковольтным электродом электродную ячейку, согласно предложенному решению, в призабойной части бурового долота в направлении его вращения высоковольтный электрод размещен перед армированным резцами породоразрушающим элементом на расстоянии разрядного промежутка, а породоразрушающий элемент, находящийся перед высоковольтным электродом, расположен от него на расстоянии, большем разрядного промежутка.
Кроме того, целесообразно электроимпульсное буровое долото выполнять в виде нескольких электродных ячеек, а каждую электродную
ячейку снабжать дополнительно одним или несколькими высоковольтными электродами.
Целесообразно наружные концы армированных резцами породоразрушающих элементов соединять армированными дополнительными резцами токопроводящими дугами.
Целесообразно также призабойную часть высоковольтного электрода выполнять в виде пластины.
Также целесообразно токоподводящую часть одного или нескольких высоковольтных электродов располагать на наружной поверхности корпуса бурового долота.
На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного электроимпульсного бурового долота, а на фиг.2 представлен вид долота с торца (вид по стрелке А). Это устройство состоит из полого заземленного корпуса электроимпульсного бурового долота 1, в нижней части которого укреплен один или несколько породоразрушающих элементов 2, армированных резцами 3. Внутри корпуса бурового долота 1 или на его наружной поверхности укреплен один или несколько снабженных электроизоляционным покрытием 4 изолированных высоковольтных электрода 5. Армированный резцами 3 породоразрушающий элемент 2 и изолированный высоковольтный электрод 5 образуют электродную ячейку. На фиг.2 приведены три электродные ячейки, имеющие некоторые отличия друг от друга. Нижняя электродная ячейка снабжена дополнительным высоковольтным электродом 6, покрытым изолятором 7. У правой электродной ячейки призабойная часть высоковольтного электрода выполнена в виде пластины 8. Правее этой пластины 8 показана токопроводящая дуга 9, армированная резцами 10 и прикрепленная концами к двум соседним армированным резцами породоразрушающим элементам. Токопроводящая дуга 9 служит для увеличения механической прочности бурового долота и для создания разрядного промежутка в направлении стенки скважины. Важным является то, что в призабойной части бурового
долота в направлении его вращения каждый высоковольтный электрод 5 размещен перед армированным резцами породоразрушающим элементом 2 на расстоянии разрядного промежутка, а породоразрушающий элемент 2, находящийся перед высоковольтным электродом 5, расположен от него на расстоянии, большем разрядного промежутка. Наглядно это видно из рассмотрения работы предложенного бурового долота (фиг.2).
1
2
Рассмотрим работу бурового долота, образованного левой электродной ячейкой, состоящей из породоразрушающего элемента 2, армированного резцами 3, и высоковольтного электрода 5. При подаче на высоковольтный электрод 5 импульсов высокого напряжения электрические разряды развиваются в горной породе под слоем промывочной жидкости между этим электродом и ближайшим краем породоразрушающего элемента 2, в интервале от а до б, в котором разрядный промежуток одинаков и равен 1. Выше точки а промежуток увеличивается до величины l, l и более, где могут быть лишь единичные разряды или вообще не развиваться. При вращении бурового долота по часовой стрелке породоразрушающий элемент 2 попадает непосредственно в зону, разрушенную электрическими разрядами (в интервале от а до б), и его резцы 3 доразрушают горную породу, нарушенную, ослабленную, но не оторванную от забоя скважины.
Из рассмотрения правой верхней электродной ячейки видно, что выполнение призабойной части высоковольтного электрода в виде пластины 8, особенно при наличии между двумя соседними электродными ячейками токопроводящих дуг 9, позволяет существенно увеличить разрушаемую электрическими разрядами зону (интервал от а до б) и повысить эффективность разрушения горной породы в пристенной части забоя скважины за счет резцов 10.
Благодаря снабжению электродной ячейки (см. нижнюю электродную ячейку) дополнительными электродами (на фиг.2 показан один дополнительный электрод 6) интервал а-б, разрушаемый электрическими разрядами, можно увеличивать неограниченно.
Экспериментальная проверка предложенного бурового долота и прототипа в одинаковых условиях показала, что эффективность разрушения горной породы при бурении в песчанике и мраморе предложенным долотом выше на 8-13%, а в крупнозернистом граните на 14-18%.