ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИН И БУРОВОЕ ДОЛОТО
ELECTRIC PULSE WELL DRILLING METHOD, AND DRILLING BIT

Изобретение относится к области разрушения горных пород высоковольтными электрическими разрядами, развивающимися внутри горной породы, и доразрушения твердосплавными резцами вращающегося бурового долота. Это изобретение может найти применение при бурении скважин самых разных диаметров без отбора керна: от скважин сравнительно небольших диаметров, необходимых при геологоразведочных работах, при добыче нефти и газа, до скважин диаметром 0,5 м и более, которые требуются в горнодобывающей промышленности и при строительных работах.
Известен электроимпульсный способ разрушения (бурения, резания) горных пород (патент на изобретение RU №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 10.07.2004. Бюл. №19). Основная особенность этого способа разрушения горных пород перемещающимся двухстержневым электродным устройством состоит в том, что шаг перемещения электродов устройства между двумя электрическими импульсами выбирают из следующего условия:
, причем ,
где m - шаг перемещения электродов устройства, мм;
зап
W - энергия, запасаемая источником импульсов, Дж;
L - длина межэлектродного промежутка, мм;
опт1
W - оптимальная энергия разрушения за один импульс для горной породы с коэффициентом по Протодъяконову, равным 5 Дж;
n - число импульсов, поданное на двухстержневое электродное устройство.
Основной недостаток этого способа связан с тем, что способ эффективен только при использовании бурового долота, выполненного в виде двух перемещающихся стержневых электродов, так как при реализации шагов перемещения электродов для многоэлектродного бурового долота процесс разрушения происходит неравномерно по всей поверхности забоя, и остаются отдельные выступающие неразрушенные участки. Причем два электрода (см. чертеж в описании этого изобретения) практически не оказывают механического воздействия на забой скважины (или щели). В связи с этим скорость бурения этим способом другими буровыми устройствами сравнительно низка, и применение способа ограничено.
Известен также выбранный за прототип способ бурения горных пород электрическими импульсными разрядами (патент на изобретение RU 2319009, МПК С2 Е21С 37/18, Е21В 7/00 (2006.01), опубл. 10.03.2008. Бюл. №7), согласно которому основные параметры бурения многоэлектродным вращающимся буровым наконечником выбирают из следующего условия:
,
где f - частота подачи импульсов, имп/с;
υ - окружная скорость вращения бурового наконечника, мм/с;
m - шаг перемещения бурового наконечника между двумя импульсами, мм/имп.
Основным недостатком способа-прототипа является сравнительно низкая эффективность бурения, т.к. в нем не предусмотрено определение величины удельной энергии, необходимой для выделения на единице длины межэлектродного промежутка в конкретной горной породе, а также отсутствует возможность определения шага перемещения при вращении многоэлектродного (число электродов k>3) бурового наконечника. Кроме того, сравнительно низкая эффективность бурения связана с тем, что способ бурения по прототипу не позволяет реализовать эффективное комбинированное разрушение горной породы: высоковольтными импульсными разрядами и твердосплавными резцами (резцы в буровом снаряде по этому способу не предусмотрены), и электроды при вращении снаряда отделяют от горного массива лишь незначительную часть кусочков породы, которые не оторваны электрическими разрядами или промывочной жидкостью и очень слабо соединены с массивом.
Известно буровое долото для электроимпульсного способа бурения скважин вращающимся долотом (патент на изобретение SU №730029, МПК 5 Е21С 37/18, опубл. 30.10.93. Бюл. №39-40), включающее в себя армированную твердосплавными резцами заземленную наружную коронку 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, ослабленную высоковольтными импульсными разрядами, но не оторванную от массива.
Недостатком этого бурового долота является сравнительно низкая эффективность разрушения горной породы. Это связано с тем, что основная часть твердосплавных резцов расположена на значительном удалении от межэлектродных (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 ослабленную горную породу. В рассматриваемом буровом долоте только два резца, расположенные на концах зоны разрушения горной породы разрядами, частично выполняют эту работу. Все остальные резцы, прежде чем оказаться в этой зоне, проходят, не производя эффективного разрушения, значительный путь по забою скважины: почти половина резцов перед зоной разрушения горной породы разрядами, а остальные за ней.
Повысить эффективность разрушения горной породы на забое скважины на 15% и более позволяет выбранное за прототип электроимпульсное буровое долото (патент на полезную модель RU №69152, МПК Е21С 37/18 (2006.01), опубл. 10.12.2007. Бюл. №34), которое реализует эффективное комбинированное разрушение горных пород: высоковольтными импульсными разрядами и твердосплавными резцами и которое содержит заземленный корпус и прикрепленные к нему армированные резцами породоразрушающие элементы, образующие с соседними изолированными высоковольтными электродами электродные ячейки, причем в призабойной части бурового долота в направлении его вращения каждый высоковольтный электрод размещен перед армированными резцами породоразрушающим элементом на расстоянии разрядного (межэлектродного) промежутка, а каждый породоразрушающий элемент, находящийся перед высоковольтным электродом, расположен от него на расстоянии, большем разрядного промежутка. Кроме того, долото выполнено в виде нескольких электродных ячеек, и каждая электродная ячейка снабжена дополнительно одним или несколькими высоковольтными электродами; наружные концы армированных резцами породоразрушающих элементов соединены армированными дополнительными резцами токопроводящими дугами; призабойная часть высоковольтного электрода выполнена в виде пластины, а токоподводящая часть одного или нескольких высоковольтных электродов расположена на наружной поверхности корпуса бурового долота.
Основным недостатком этого бурового долота является сравнительно низкая надежность его работы из-за сложности конструкции. Это вызвано тем, что высоковольтные электроды, в т.ч. дополнительные, расположены равномерно по всей призабойной части долота, и каждый высоковольтный электрод снабжен отдельной изоляцией, способной выдержать импульсное напряжение в сотни киловольт. Особенно сложно сделать надежную изоляцию каждого высоковольтного электрода при диаметре призабойной части долота менее 200 мм. Кроме того, при сравнительно больших диаметрах бурового долота для повышения надежности работы изоляции целесообразно токоподводящие части высоковольтных электродов располагать на наружной поверхности корпуса бурового долота, но это приводит к дополнительному усложнению конструкции долота, что повышает стоимость долота и затрудняет его обслуживание.
сж
Основным техническим результатом предложенного способа является повышение эффективности бурения многоэлектродными долотами при разрушении горной породы высоковольтными импульсными разрядами и дополнительным механическим воздействием на нее твердосплавными резцами за счет определения величины удельной энергии, необходимой для выделения на единице длины межэлектродного промежутка, с одновременным определением шага перемещения электродов бурового долота за время между двумя подаваемыми на долото высоковольтными импульсами, а также глубины разрушения горной породы за один оборот долота. При этом величину удельной энергии определяют по известному табличному значению удельной механической прочности на одноосное сжатие σ (Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. Москва: Изд-во «Недра», 1978; Ерофеев Л.Я., Вахрамеев Г.С., Зинченко B.C., Номоконова Г.Г. Физика горных пород. Томск: Изд-во ТПУ, 2006).
уд
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном способе бурения скважин высоковольтными импульсными разрядами и механическим воздействием на забой при выбранных для многоэлектродного бурового долота оптимальных параметрах, согласно предложенному решению, удельную энергию, выделяемую на единице длины межэлектродного промежутка М, принимают:
уд
сж
М≥0,23σ, Дж/мм,
где 0,23 - коэффициент пропорциональности;
сж
2
σ - удельная прочность горной породы на сжатие, кгс/мм.
При этом шаг перемещения электродов бурового долота за время между двумя высоковольтными импульсами m выбирают из условия:
, мм,
где L - длина межэлектродного промежутка, мм;
n - число импульсов, необходимое для прохождения электродами расстояния, равного L, имп.:
опт
опт
здесь W - оптимальная энергия высоковольтного импульса, необходимая для выделения в межэлектродном промежутке, Дж (материалы о W см. в примере конкретного выполнения).
Кроме того, целесообразно бурение проводить, разрушая горную породу за один оборот бурового долота на глубину:
h=(0,2÷0,3)L, мм.
Такой выбор h связан с тем, что при электрическом пробое горной породы между двумя разнополярными электродами разряд отрывает от массива кусок породы с образованием откольной воронки, глубина которой в разных породах составляет 0,2÷0,3 от длины межэлектродного промежутка. В связи с этим h выбирают не более 0,3L, чтобы механически воздействовать только на ту горную породу, которая расположена выше дна каждой откольной воронки.
Основной технический результат предложенного устройства заключается в повышении надежности работы высоковольтной изоляции за счет упрощения конструкции. Упрощается также обслуживание бурового долота, особенно при замене вышедшей из строя высоковольтной изоляции, и снижается стоимость долота.
Указанный технический результат достигается тем, что в буровом долоте, содержащем высоковольтные и заземленные электроды, а также заземленный корпус, к которому прикреплены армированные твердосплавными резцами породоразрушающие элементы, согласно предложенному решению высоковольтные электроды установлены на одной оси и подвижны в вертикальной плоскости, а длины межэлектродных промежутков между каждым высоковольтным электродом и ближайшим заземленным электродом, а также между внутренними концами породоразрушающих элементов и соседним высоковольтным электродом одинаковы.
Целесообразно также заземленные и/или высоковольтные электроды выполнять подпружиненными.
Кроме того, целесообразно каждый высоковольтный электрод выполнять в виде язычка.
Примеры конкретного выполнения предложенных способа и устройства.
На фиг.1 приведен вид с торца предложенного бурового долота, а на фиг.2 представлена фотография изготовленного долота, на котором проведены экспериментальные работы по реализации способа и устройства. Буровое долото состоит из трех высоковольтных электродов 1 и двух заземленных электродов 2, т.е. общее число электродов k=5. Высоковольтные электроды 1 выполнены в виде подвижных в вертикальной плоскости язычков, закрепленных одним концом на оси 3. При маленьком весе электродов и большей частоте следования высоковольтных импульсных разрядов для улучшения контакта с забоем скважины целесообразно эти электроды, а также заземленные 2 или часть электродов выполнять подпружиненными. Через корпус 4 бурового долота пропущен высоковольтный токопровод 5, который электрически соединен с осью 3 и снабжен высоковольтным изолятором 6. В части призабойного торца корпуса 4, где нет высоковольтных электродов 1 и заземленных электродов 2, укреплены породоразрушающие элементы 7, армированные твердосплавными резцами 8, выполненные из сплава ВК8. Длины межэлектродных промежутков между каждым высоковольтным электродом 1 и ближайшим заземленным электродом 2 равны длинам межэлектродных промежутков между внутренними концами породоразрушающих элементов 7 и соседним высоковольтным электродом 1. Диаметр долота Д=200 мм, а длина каждого межэлектродного промежутка L=28 мм.
сж
p
2
Рассмотрим работу этого долота предложенным способом. Буровое долото устанавливают на блок горной породы, помещенный в промывочную жидкость (очищенную воду) так, чтобы она полностью закрывала все электроды. Использовали блоки песчаника и гранита с удельной механической прочностью на сжатие (σ) 8,6 и 13,0 кгс/мм соответственно. Через внутреннюю полость бурового долота прокачивают промывочную жидкость, корпус 4 заземляют, одновременно заземляя породоразрушающие элементы 7 и заземленные электроды 2, а от источника высоковольтных импульсов с запасенной энергией 75 Дж (рабочее напряжение источника импульсов U=215 кВ) через высоковольтный токопровод 5 на ось 3 высоковольтных электродов 1 подают импульсы высокого напряжения и сразу начинают вращать буровое долото со скоростью 0,177 об/мин при осевом усилии 150 кгс для песчаника и 375 кгс для гранита. При электрических пробоях горной породы между высоковольтными электродами 1 и заземленными 2, а также между внутренними концами породоразрушающих элементов 7 и соседним высоковольтным электродом в горной породе происходят электрические разряды, отрывающие часть горной породы с образованием откольных воронок, которые заполняются промывочной жидкостью, выполняющей роль электроизоляционного материала. Каждый последующий разряд автоматически происходит в неразрушенной горной породе. Вблизи откольных воронок горная порода от действия электрических разрядов находится в ослабленном, нарушенном состоянии, но не оторвана от массива. Твердосплавные резцы 8 срезают оставшиеся между откольными воронками выступы горной породы на глубину, которая не более глубины откольной воронки.
уд
сж
3
3
Основные экспериментальные данные, полученные для обоснования оптимальных параметров предложенного способа, приведены в таблице, где энергия, выделяемая на единице длины межэлектродного промежутка М≥0,23σ, Дж/мм, характеризует энерговклад на единицу длины межэлектродного промежутка L, мм, в зависимости от крепости горной породы, при котором еще возможно ее разрушение высоковольтным разрядом с образованием откольной воронки; Q, см/имп. - производительность разрушения горной породы за один импульс; w - энергия, затраченная на разрушение 1 см горной породы.
Таблица 1
Гранит
М<sub>уд</sub>, Дж/мм
Q, см<sup>3</sup>/имп.
w, Дж/см<sup>3</sup>
Эффект разрушения
3,96
0,13
445
Воронка
2,97
0,10
530
Воронка
2,37
0,08
1018
Нет откола
1,98
0,058
1188
Нет откола
Песчаник
2,83
0,38
118
Воронка
1,96
0,19
158
Воронка
1,64
0,078
309
Нет откола
1,44
0,05
491
Нет откола
уд
сж
уд
сж
уд
сж
уд
сж
Из таблицы видно, что при М=0,23σ (для гранита 2,97 Дж/мм, для песчаника 1,96 Дж/мм) и при М>0,23σ (для гранита 3,96 Дж/мм, для песчаника 2,83 Дж/мм) происходит разрушение горных пород. При М<0,23σ (для гранита 2,37 и 1,98 Дж/мм, для песчаника 1,64 и 1,44 Дж/мм) отсутствует образование откольной воронки, несмотря на то, что канал разряда внедряется в глубь массива горной породы. В таблице для М<0,23σ дан объем лунки при входе и выходе канала разряда из образца без образования откольной воронки.
Для экспериментальной проверки шага перемещения электродной системы
опт
при  используют буровое долото с общим числом электродов k=5. Значение W для песчаника 510 Дж и для гранита 527 Дж взяты из табл.2 на с.8 описания известного изобретения (аналога): патент RU №2232271, МПК 7 Е21С 37/18, Е21В 7/15, опубл. 10.07.2004. Бюл. №19.
зап
уд
зап
В предложенном нами изобретении W=М·L. Энергия, запасаемая используемым нами источником импульсов, составляет W=75 Дж, что соответствует:
уд
Исходя из таблицы, это больше необходимой для песчаника величины М. Следовательно, число импульсов  а шаг перемещения составляет m=L/n=28/27=1,04 мм.
За один оборот бурового долота (340 с) подавалось 560 импульсов, что при L=28 мм соответствует n=25 имп., т.е. имеет место хорошее соответствие экспериментальных результатов расчету по предлагаемой формуле для n.
В результате за один оборот предложенным способом пробурена при т=1,04 мм скважина глубиной 5,5 мм. Без подачи на буровое долото высоковольтных импульсов, т.е. только твердосплавными резцами, за один оборот пробурено 1 мм, т.е. меньше в несколько раз.
Уменьшение шага перемещения электродной системы до m=0,7 мм, т.е. в 1,48 раза по сравнению с m=1,04 мм, привело к увеличению числа импульсов, которые необходимо подать на длине межэлектродного расстояния до n=L/m=28/0,7=40 импульсов. Когда при неизменной частоте следования импульсов от источника высоковольтных импульсов уменьшили скорость вращения долота в 1,48 раза, это, соответственно, привело к уменьшению скорости бурения, т.к. один оборот долота совершался за большее время. При этом глубина бурения одновременно разрядами и резцами за один оборот долота не увеличивалась и составила 5,5 мм, т.к. она определяется глубиной внедрения канала разряда в горную породу h=(0,2÷0,3)L. Избыток энергии, выделенной в межэлектродном промежутке за 40 импульсов, расходовался на переизмельчение отбитой от забоя горной породы - шлама, т.е. при уменьшении шага перемещения электродной системы при неизменных остальных условиях увеличиваются энергозатраты на разрушение единицы объема горной породы и уменьшается скорость комбинированного бурения.
Увеличение шага перемещения m>1,04 мм приводит к увеличению скорости вращения долота и к уменьшению числа поданных импульсов за один оборот при неизменной частоте следования импульсов. Это, в свою очередь, обусловливает уменьшение объема разрушения высоковольтными разрядами вплоть до появления неразрушаемых зон, что уменьшает производительность бурения и увеличивает энергозатраты при комбинированном бурении.
Нами проведено бурение песчаника при шаге перемещения электродной системы m=3 мм при указанных выше параметрах бурения. Число импульсов на длине межэлектродного промежутка L=28 мм составило n=9 имп., что меньше 27 имп. в 3 раза при шаге m=1,04 мм. За один оборот бурового долота предложенным способом пробурена скважина глубиной 2 мм, что в 2 раза больше, чем механическим способом (см. выше), но в 2,75 раза меньше, чем предложенным способом при шаге m=1,04 мм.
При многократном воздействии канала разряда на горную породу максимальная глубина внедрения канала и, следовательно, глубина разрушения электроимпульсным способом составляет до 0,3L, в зависимости от длины межэлектродного промежутка и свойств горных пород. При этом на забое скважины остаются выступы. Поэтому глубина проходки скважины электроимпульсным буровым долотом, не армированным резцами, за один оборот долота меньше чем 0,3L. Вращение электроимпульсного бурового долота с твердосплавными резцами позволяет существенно увеличить глубину бурения, срезая выступы горной породы на забое скважины. При этом осевое давление на буровое долото выбирают из условия бурения на глубину (0,2÷0,3)L.
В нашем опыте при бурении песчаника только высоковольтными электрическими разрядами максимальная глубина разрушения от внедрения канала разряда в песчаник составила 5,6 мм, а глубина проходки буровым долотом - 2,5 мм, что в 2,24 раза меньше, чем максимальная глубина разрушения, поскольку буровое долото располагалось на неразрушенных выступах горной породы. При бурении предложенным способом при осевом давлении на буровое долото 150 кгс глубина проходки буровым долотом за один оборот в песчанике составила 5,5 мм, т.е. практически была равна максимальной глубине откольных воронок.
Эксперименты показали также высокую надежность работы высоковольтной изоляции, которая ни разу не вышла из строя. Это связано с упрощением конструкции бурового долота. В предложенной конструкции бурового долота высоковольтная изоляция выполнена в виде одного изолятора 6 высоковольтного токопровода 5, а в долоте-прототипе каждый высоковольтный электрод снабжен своей высоковольтной изоляцией, причем между этими электродами размещены заземленные элементы. В результате этого толщина высоковольтного изолятора 6 долота предложенной конструкции в несколько раз больше толщины изоляции каждого высоковольтного электрода долота-прототипа, поэтому и его электрическая прочность в несколько раз выше, чем в прототипе.