УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ РАЗРЯДАМИ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ДАВЛЕНИЕМ
DEVICE FOR RESEARCH OF DESTRUCTION BY HIGH VOLTAGE DISCHARGES OF MINING ROW UNDER PRESSURE

Изобретение относится к техническим средствам для исследования разрушения горных пород высоковольтными импульсными разрядами в близких к реальным условиях в скважинах на больших глубинах и может быть использовано в нефте- и газодобывающей отрасли для изучения возможности и эффективности бурения скважин глубиной несколько тысяч метров.
Известен стенд для исследования разрушения горных пород при одновременном действии механических и электрических нагрузок [SU 368401 А1, МПК Е21С 39/00, G01N 3/38, опубл. 26.01.1973, бюл. №9], который содержит заземленный корпус, крышку, поршень, фиксирующий цилиндрический образец, выполненный с осевым цилиндрическим отверстием, электрод, размещенный в отверстии этого образца, а также маслонасос, создающий высокое давление на внешнюю поверхность образца, который покрыт нитроэмалью для предотвращения проникновения в него масла.
Одним из недостатков этого устройства является то, что форма образцов горных пород, выполненных цилиндрическими с осевыми цилиндрическими отверстиями, не соответствует плоской поверхности забоя скважины в реальных условиях. Другой недостаток заключается в том, что острие высоковольтного электрода, с которого развивается разряд, расположено над заземленным электродом, но в реальных скважинах высоковольтные и заземленные электроды можно размещать на забое лишь на одной поверхности горной породы. Третий недостаток связан с тем, что поверхность образца предусмотрено покрывать изолирующей нитроэмалью для предотвращения проникновения в него масла, но при бурении промывочная жидкость в скважине пропитывает горную породу, поэтому исследования с целью использования их результатов в реальных условиях бурения целесообразно вести на пропитанных жидкостью образцах. Четвертый недостаток вызван тем, что известное устройство не обеспечивает давление на образец в местах его электрического пробоя, а создает его только на внешней поверхности образца, что также не соответствует реальным условиям на забое скважины.
Известна камера давления [И.И. Каляцкий, В.В. Кривко. Камеры давления с вводами высокого импульсного напряжения / Приборы и техника эксперимента. 1964, №4, - рис. 1], содержащая стальной цилиндрический корпус, нижний съемный фланец, через текстолитовую втулку которого вовнутрь стального цилиндра введен отрезок кабеля РК-162 со снятой оплеткой для подачи высокого напряжения (до 300 кВ), верхнюю стальную крышку, ввинчиваемую в стальной цилиндр, в котором над верхним концом кабеля укреплен электродный узел для размещения в нем между высоковольтным и заземленным электродами образцов твердых диэлектриков, в том числе кварцита, порфира, мрамора, каменной соли. Камера давления снабжена ручным гидравлическим прессом поршневого типа, обеспечивающим давление жидких диэлектриков внутри камеры на твердые образцы до 200-250 ат. Емкость камеры составляет 8 л.
Недостатком этой камеры давления является то, что она не обеспечивает условия исследований разрушения горных пород высоковольтными разрядами, аналогичные условиям бурения в глубоких скважинах, так как высоковольтный и заземленный электроды расположены в ней не на одной стороне образца, что является обязательным при бурении скважины, а на двух противоположных. Два других недостатка связаны с тем, что в этой камере нельзя установить одновременно более одного образца горной породы, что существенно увеличивает сроки исследований, а также с тем, что электроды невозможно перемещать по поверхности образца, так как это не предусмотрено в конструкции камеры давления. Отсутствие возможности перемещения электродов не позволяет вести исследования разрушения горных пород одновременно высоковольтными разрядами и механическим вращательным способом. Такое разрушение осуществляют, например, с помощью известного электроимпульсного бурового долота [RU 69152 U1, МПК Е21С 37/18, опубл. 10.12.2007, бюл. №34].
Техническим результатом предложенного решения является возможность вести исследования в условиях, близких к реальным на забое глубоких скважин, снижение времени на установку внутри устройства каждого испытуемого образца (минимум в 5 раз), возможность получения результатов разрушения горных пород, необходимых для бурения скважин комбинированным способом: разрушение и ослабление прочности горных пород высоковольтными разрядами и последующее разрушение (доразрушение) горных пород твердосплавными резцами.
Предложенное устройство для исследования разрушения высоковольтными разрядами горных пород под давлением, также как в прототипе, содержит цилиндрический корпус с прикрепленными к нему торцевыми крышками, высоковольтный изолятор с высоковольтным тоководом, узел создания в цилиндрическом корпусе высокого давления жидкости, а также расположенные внутри цилиндрического корпуса высоковольтный и заземленный электроды.
Согласно изобретению внутри цилиндрического корпуса установлен ходовой винт, на котором с возможностью перемещения по нему размещена каретка, к которой сверху прикреплен поддон из диэлектрического материала для размещения на нем образцов горных пород, расположенных под высоковольтным и заземленным электродами. Один конец ходового винта жестко соединен с ведомой частью бесконтактной магнитной муфты, а напротив ведомой части за перегородкой, выполненной из немагнитного материала, размещена ведущая часть бесконтактной магнитной муфты.
Целесообразно высоковольтный электрод размещать над поверхностью образца горной породы с зазором 4-6 мм, а заземленный электрод выполнять контактирующим с этой поверхностью.
Целесообразно выполнять высоковольтный электрод в виде гребенки с упругими зубьями, а заземленный электрод - в виде подпружиненной пластины.
На фиг. 1 изображено продольное сечение горизонтально расположенного устройства.
На фиг. 2 приведена фотография устройства при снятой торцевой крышке.
На фиг. 3 показаны плоские заземленный и высоковольтный электроды над обработанным высоковольтными разрядами образцом габбро.
На фиг. 4 показана часть бесконтактной магнитной муфты с четырьмя магнитами.
На фиг. 5 представлена фотография обработанного высоковольтными разрядами образца песчаника.
На фиг. 6 представлена фотография обработанного высоковольтными разрядами образца габбро.
Устройство для исследования разрушения высоковольтными разрядами горных пород под давлением (фиг. 1 и фиг. 2) содержит цилиндрический корпус 1, к фланцам 2 которого через алюминиевые герметизирующие прокладки с помощью болтов присоединены торцевые крышки 3. Снизу к цилиндрическому корпусу 1 с помощью электросварки прикреплен штуцер 4, к которому электросваркой подсоединена трубка из нержавеющей стали, соединяющая штуцер 4 с маслостанцией (насосной станцией) МЭ 7,5-8.0, выполненной на номинальное давление 630 ат. Внутри цилиндрического корпуса 1 в концевых подшипниках 5 установлен ходовой винт 6 с кареткой 7. Опоры 8 концевых подшипников 5 жестко прикреплены к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Один конец ходового винта 6 жестко соединен с ведомой частью бесконтактной магнитной муфты 9, а напротив нее за перегородкой 10, выполненной из немагнитного материала (нержавеющей стали) в виде стакана, приваренного к торцевой крышке 3, размещена ведущая часть бесконтактной магнитной муфты 11, снабженная валом 12, предназначенным для передачи вращения в ту или иную сторону от электродвигателя через клиноременную передачу (на фиг. 1, 2 не показаны) на ходовой винт 6. Магниты ведомой 9 и ведущей 11 частей бесконтактной магнитной муфты имеют форму таблеток высотой 70 мм и толщиной 30 мм (фиг. 1 и фиг. 4). Каретка 7 (фиг. 1) выполнена из диэлектрика (полиэтилена высокого давления) с возможностью перемещения вперед или назад при вращении ходового винта 6. Сверху к каретке 7 прикреплен выполненный поддон 14 из диэлектрического материала, предназначенный для размещения в нем до пяти образцов горных пород 15 длиной 140 мм, шириной 75 мм и толщиной 28 мм каждый. Ходовой винт 6 снабжен трубчатым кожухом 16, предохраняющим ходовой винт от шлама, образующегося при исследованиях разрушения горных пород высоковольтными разрядами. Сверху в трубчатом кожухе 16 выполнена продольная прорезь (на фиг. 1, 2 не видна), чтобы опоры поддона 14 могли перемещаться вместе с кареткой 7. Для ввода в цилиндрический корпус 1 импульсов высокого напряжения сверху к нему приварен отрезок трубы 17, в который плотно вставлен первый высоковольтный изолятор 18, выдерживающий максимальное давление трансформаторного масла внутри рассматриваемого устройства 300 ат. Над первым изолятором 18 укреплен второй высоковольтный изолятор 19. По продольной оси изоляторов 18 и 19 пропущен высоковольтный токовод 20, который через высоковольтный изолятор 19 проходит с зазором 21. Этот зазор 21 предназначен для того, чтобы через отверстие, закрываемое пробкой 22, заливать в него (зазор) трансформаторное масло, предотвращая, таким образом, развитие разрядов по поверхности высоковольтного токовода 20. К нижнему концу высоковольтного токовода 20, который плотно посажен во второй высоковольтный изолятор 19, прикреплен высоковольтный электрод 23. Заземленный электрод 24 прикреплен к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Заземленный электрод 24 касается верхней поверхности одного из образцов горной породы 15. Высоковольтный электрод 23 расположен над образцом породы 15 с зазором 4-6 мм. Для наблюдений за перемещениями образцов горных пород 15 цилиндрический корпус 1 выполнен с двумя смотровыми окнами 25 (фиг. 2), расположенными друг против друга так, что в них видны оба электрода (23 и 24) и находящийся под ними во время наблюдений исследуемый образец горной породы 15. В качестве прозрачного материала при изготовлении смотровых окон использовано органическое стекло, а для обеспечения герметичности использованы паронитовые прокладки.
Высоковольтный электрод 23 и заземленный электрод 24 могут быть различной формы. На фиг. 1 изображены стержневые электроды: высоковольтный 23 и заземленный 24, а на фиг. 3 представлены подпружиненный пластинчатый заземленный электрод 24 и высоковольтный электрод 23, имеющий вид гребенки с упругими зубьями 26, которые выполнены из кусков стального троса с опаянными концами.
Исследования предусмотрено вести на образцах горных пород 15 (фиг. 1), погруженных в трансформаторное масло 27. Чтобы предотвратить образование ржавчины, практически все металлические элементы предложенного устройства, в том числе упругие зубья 26 (фиг. 3), выполнены из нержавеющей стали. При длине цилиндрического корпуса 1 (фиг. 1 и 2) 1460 мм и внутреннем его диаметре 244 мм, объем устройства составляет около 70 л. Толщина стенки цилиндрического корпуса 1 равна 14 мм.
Исследование разрушения высоковольтными разрядами горных пород под давлением с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом. С помощью подъемного крана устройство устанавливают горизонтально (фиг. 1 и фиг. 2), снимают правую торцевую крышку 3 и, вращая вал 12 против часовой стрелки электродвигателем через клиноременную передачу (на фиг. 1, 2 не представлены), вращают ведущую часть бесконтактной магнитной муфты 11, которая передает вращение на ведомую часть бесконтактной магнитной муфты 9. В результате этого вращается ходовой винт 6, и каретка 7 с поддоном 14 перемещаются вправо, как показано на фиг. 2. В поддон 14 укладывают образцы горных пород 15 (при указанных выше размерах образцов до пяти штук). Затем вал 12 (фиг. 1) вращают по часовой стрелке, и поддон 14 на каретке 7 перемещается влево. За перемещением образцов 15 наблюдают в одно из смотровых окон 25 (фиг. 2) при одновременной подсветке через противоположное смотровое окно 25. Когда первый (левый) образец горной породы 15 (фиг. 1) оказывается под высоковольтным электродом 23 и заземленным 24, вращение вала 12 прекращают, и образцы горных пород оказываются на заданном месте. Правую торцевую крышку 3 через алюминиевую герметизирующую прокладку вновь плотно прикрепляют к цилиндрическому корпусу 1. Вывернув пробку 22, в зазор 21 верхнего высоковольтного изолятора 19 и полость в основании этого изолятора заливают трансформаторное масло, которое находится здесь под атмосферным давлением. Пробку 22 завинчивают. Через штуцер 4 (фиг. 1) во внутреннюю полость цилиндрического корпуса 1 с помощью маслостанции из ее бака (емкостью 80 л) подают трансформаторное масло, доводя его давление до 300 ат. Затем на высоковольтный токовод 20 от источника импульсов высокого напряжения (на фиг. 1, 2 не показан), заземлив предварительно цилиндрический корпус 1, подают высоковольтные импульсы.
Межэлектродный промежуток между нижними (призабойными) концами высоковольтного 23 и заземленного 24 электродов составлял 15 мм, импульсное напряжение было равно 220 кВ. На фиг. 5 приведена фотография образца песчаника на известковом цементе (РФ, Кемеровская обл.) с откольными воронками, образованными внедрившимися в песчаник электрическими разрядами с отрывом горной породы. Исследования проведены при использовании стержневых электродов 23 и 24 (фиг. 1). Образец горной породы 15 вместе с другими образцами периодически перемещали влево на 15 мм. На высоковольтный электрод 23 через высоковольтный токовод 20 после каждого прекращения перемещения образцов подавали по три импульса напряжением 220 кВ с интервалами между импульсами в 4-5 с, чтобы образующиеся при разрядах газы успели покинуть межэлектродную зону, и последующие разряды не развивались в этих газах. В среднем размеры одной откольной воронки в процентах от межэлектродного промежутка таковы: глубина 30-35%, ширина 40% и более, длина близка к величине межэлектродного промежутка, т.е 100%. Такую длину откольной воронки удалось получить за счет того, что высоковольтный электрод 23 расположен над поверхностью образца на расстоянии 4-6 мм, и высоковольтные разряды внедрялись в горную породу строго под высоковольтным электродом. Если этот электрод 23 касается образца горной породы 15, то электрический разряд вначале развивается по поверхности горной породы (до 6 мм) в сторону заземленного электрода 24 и лишь потом внедряется в нее. Соответственно, на величину такого перекрытия образца оказывается короче и длина откольной воронки, а значит меньше и эффективность разрушения. При межэлектродном промежутке 15 мм и расположении высоковольтного электрода 23 над поверхностью образца горной породы 15 на высоте 4-6 мм эффективность разрушения горных пород разрядами увеличилась в среднем на 25-30%. При приподнятом над поверхностью образца 15 высоковольтном электроде 23 повышение эффективности разрушения горных пород происходит не только за счет отсутствия зоны перекрытия (до 6 мм) образца электрическими разрядами, но и за счет увеличения вероятности внедрения разрядов в горную породу, например, в мелкозернистый гранит до 8%. Кроме песчаника при исследованиях использовали образцы известняка (РФ), мелкозернистого гранита (РФ, Горный Алтай), а также образцы габбро, известняка, гранита, песчаника, мрамора из Англии. Следует отметить, что практическое значение имеет не только электроимпульсное разрушение, но и ослабление прочности горных пород в зоне откольных воронок за счет образования микротрещин. Это приводит к повышению эффективности последующего разрушения горных пород механическим способом, например твердосплавными резцами при комбинированном (электроимпульсном и механическом) разрушении, в том числе бурении, горных пород.
При использовании подпружиненного пластинчатого заземленного электрода 24 (фиг. 3) и высоковольтного 23, имеющего вид гребенки с упругими зубьями 26, перемещение образцов горных пород (на фиг. 3 габбро) проводилось с остановками также через 15 мм. На неподвижный образец воздействовали двумястами высоковольтными импульсами, и поддон 14 с образцами снова перемещали влево на 15 мм до восьми раз. Представленные на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 образцы горных пород сфотографированы после того, как их извлекли из устройства и убрали с них шлам, образующийся после развития высоковольтных разрядов в горных породах. При электроимпульсном разрушении наибольший размер частиц шлама близок к величине межэлектродного промежутка, в рассматриваемом примере к 15 мм. Жесткое крепление электродов с широкими призабойными концами во время перемещения образцов горных пород с находящимся на образцах крупным шламом приводит к поломке электродов. Чтобы это предотвратить, заземленный электрод 24 (фиг. 3) выполнен подпружиненным, а высоковольтный 23 в виде гребенки с упругими зубьями 26. После последовательной обработки высоковольтными разрядами всех пяти образцов горных пород 15 (фиг. 1) через штуцер 4 с помощью маслостанции в ее бак откачивают трансформаторное масло из цилиндрического корпуса 1, снимают правый фланец 2, вращают вал 12 против часовой стрелки, передавая вращение ведущей части бесконтактной магнитной муфты 11, чье вращение передается на ведомую часть бесконтактной магнитной муфты 9, а от нее на ходовой винт 6. Каретка 7 с закрепленным на ней поддоном 14 и размещенные в нем пять образцов горных пород 15, поверхность которых частично разрушена высоковольтными импульсными разрядами, перемещаются вправо, и образцы на поддоне 14 вместе со шламом выходят из цилиндрического корпуса 1. Эти образцы предназначены для изучения эффективности их последующего разрушения механическими способами. Таким образом, предложенное устройство позволяет исследовать разрушение высоковольтными разрядами горных пород под давлением в условиях, близких к условиям на забое глубоких скважин, причем в нем можно одновременно размещать несколько образцов одной или нескольких горных пород. Устройство показало работоспособность и при использовании вместо трансформаторного масла под давлением буровых растворов на нефтяной основе. Однако в этом случае требуется точная установка образцов горной породы без контроля через смотровые окна 25, так как после развития внутри устройства электрических разрядов с образованием шлама видимость через смотровые окна недостаточна.