ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
ELECTRIC PULSE DRILLING BIT

Изобретение относится к техническим средствам для электроимпульсного бурения с обратной внутренней промывкой скважин сплошного забоя или с отбором керна. Оно может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах.
Известно устройство для бурения (резания) скважин щелеобразной формы высоковольтными импульсными разрядами с обратной внутренней промывкой (авт. свид. на изобретение SU №730033, МПК 5 E21C 37/18, приоритет от 14.01.1975, опубл. 30.10.1993. Бюл. №39-40), которое содержит высоковольтную и заземленную системы, закрепленные на изоляционном корпусе, имеющем в центральной части канал для выноса шлама, а в боковых частях - каналы для подачи промывочной жидкости на забой скважины; призабойная часть корпуса выполнена клинообразной, а прикрепленные к корпусу электроды имеют форму пластинчатых параллельных клиньев.
Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности получения керна и низкая электрическая прочность твердотельной изоляции, т.к. толщина изоляционного корпуса равна межэлектродному расстоянию, но в устройстве конструктивно не предусмотрена возможность превышения толщины изоляционного корпуса над величиной межэлектродного расстояния.
Первый недостаток позволяет устранить выбранное за прототип буровое долото, которым оснащен снаряд для электроимпульсного способа бурения скважин с обратной промывкой (авт. свид. на изобретение SU №699837, МПК 5 E21C 37/18, приоритет от 13.09.1965, опубл. 15.10.1993. Бюл. №37-38). Снаряд содержит наружную и внутреннюю токопроводящие колонны труб с наружной и внутренней коронками бурового долота; колонны труб и коронки разделены изоляторами и выполнены с системой боковых отверстий (окон).
Основным недостатком известного бурового долота является низкий срок службы твердотельной изоляции. Это связано с тем, что его межэлектродное расстояние равно или близко величине зазора между наружной и внутренней коронками над их призабойной частью. Если при неизменной толщине короночного изолятора межэлектродное расстояние снизить путем уменьшения внутреннего диаметра призабойной части наружной коронки и/или увеличения наружного диаметра внутренней коронки, то горная порода разрушается под торцами коронок лишь частично, и буровое долото зависает на стенках скважины и/или керна, т.к. подобные изменения приводят к такому увеличению длины канала разряда, что электрические разряды развиваются не в горной породе, а по ее поверхности или в промывочной жидкости между коронками.
Основным техническим результатом предложенного устройства является увеличение в несколько раз срока службы высоковольтных изоляторов за счет того, что конструкция устройства позволяет сконструировать буровое долото с межэлектродным расстоянием, значительно меньшим, чем величина зазора между наружной и внутренней коронками над их призабойной частью, в котором установлен высоковольтный изолятор.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом долоте, содержащем цилиндрические коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором наружную и внутреннюю коронки, выполненные с боковыми промывочными окнами, согласно предложенному решению призабойная часть наружной коронки снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами, между каждой парой которых равноудаленно установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду внутренней коронки, причем величина зазора между наружной и внутренней коронками, в котором установлен высоковольтный изолятор, больше межэлектродного расстояния в призабойной части электроимпульсного бурового долота.
Целесообразно ширину и высоту или диаметр промывочных окон внутренней коронки выполнять больше максимального межэлектродного расстояния.
Целесообразно также промывочные окна внутренней коронки выполнять на высоте от ее призабойной торцевой поверхности, большей высоты наибольших кусков керна.
Пример конкретного выполнения предложенного устройства проиллюстрирован шестью чертежами. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного бурового долота, на фиг.2 представлен его вид с торца, на фиг.3 изображена часть бурового снаряда, расположенная над буровым долотом, на фиг.4 приведены фотографии внутренней коронки (с надетым на нее высоковольтным изолятором) и наружной коронки, а на фиг.5 и фиг.6 - фотографии блоков песчаника на известковистом цементе и гранита, в которых предложенным буровым долотом пробурены экспериментальные скважины с выносом керна обратной внутренней промывкой. Электроимпульсное буровое долото содержит (фиг.1, фиг.2 и фиг.4) разделенные высоковольтным изолятором 1 наружную и внутреннюю коронки 2 и 3. Над высоковольтным изолятором 1 расположены подпакерные окна 4 наружной коронки 2, а под ним верхние промывочные окна 5 внутренней коронки 3. В нижней части наружной коронки 2 расположены равномерно по окружности призабойные промывочные окна 6. Призабойная внутренняя часть наружной коронки 2 снабжена размещенными равномерно внутренними радиальными ребрами-электродами 7, между каждой парой которых, равноудаленно (на 15-16 мм) от них, установлено по одному наружному радиальному ребру-электроду 8 внутренней коронки 3. Для обеспечения высокой механической прочности обе коронки изготовлены из цельных заготовок для шарикоподшипникового производства (сталь ШХ-15). Однако для снижения стоимости их изготавливают и из стандартных колонковых труб с прикреплением ребер-электродов 7 и 8 с помощью высококачественной электросварки. Часть бурового снаряда (фиг.3), расположенная над буровым долотом, соединена с наружной коронкой 2 с помощью корпуса пакера 9, а с внутренней коронкой 3 - переходником 10 высоковольтного трубчатого токовода 11 (наружный диаметр 73 мм). Корпус пакера 9 выполнен с пакерными отверстиями 12, которые служат для передачи давления нисходящего потока промывочной жидкости на рубашку пакера 13, одетую на корпус пакера 9. Корпус пакера 9 соединен с колонной бурильных труб 14 (наружный диаметр 127 мм), на которую навинчена изоляционная труба 15. Ниже этой трубы расположены заземленные в процессе углубки скважины детали бурового снаряда, а выше - находящиеся под высоким напряжением. Сверху к изоляционной трубе 15 прикреплен корпус сальника 16, к которому сбоку приварен входной штуцер 17. Через верхнее центральное отверстие корпуса сальника 16 и через гайку 18, уплотняющую сальниковую набивку 19, пропущен трубчатый токовод 11. Для сохранения постоянным межтрубного зазора между высоковольтным трубчатым тоководом 11 и колонной бурильных труб 14, а также корпусом пакера 9, в этом зазоре установлены центрирующие изоляторы 20, выполненные с продольными промывочными каналами 21.
Работа предложенного устройства заключается в следующем. Блок горной породы помещают в бак и на этот блок устанавливают вертикально трубу (на фиг.1÷6 не показана), выполняющую роль направляющей (и стенок скважины - при бурении в полевых условиях). Через направляющую трубу на блок горной породы (или на забой скважины - при бурении в полевых условиях) устанавливают буровой снаряд, оснащенный предложенным электроимпульсным буровым долотом. При этом размеры направляющей трубы выбирают так, что рубашка пакера 13 с усилием полностью входит в нее. Вверху снаряда к высоковольтному трубчатому тоководу 11 прикрепляют шланг, обеспечивающий отвод восходящего потока промывочной жидкости в бак для сбора керна и шлама. Колонну бурильных труб 14 (фиг.3), а через нее и наружную коронку 2 (фиг.1), заземляют, по штуцеру 17 (фиг.3) в межтрубное пространство бурового снаряда подают промывочную жидкость (дизельное топливо), а к высоковольтному трубчатому тоководу 11 от источника импульсов высокого напряжения подводят с заданной частотой (5,6 имп./с для песчаника и 4,5 имп./с для гранита) импульсы положительной полярности. Из межтрубного пространства снаряда через подпакерные окна 4 (фиг.1) нисходящий поток промывочной жидкости (600 л/мин) попадает в подпакерное затрубное пространство (ниже рубашки пакера 13), затем через призабойные промывочные окна 6 наружной коронки 2 поступает в призабойную часть между наружной коронкой 2 и внутренней 3, откуда, обогатившись шламом, образующимся при внедрении импульсов высокого напряжения в горную породу, поднимается вверх под высоковольтный изолятор 1 и через верхние промывочные окна 5 внутренней коронки 3 входит во внутреннюю полость этой коронки, далее в переходник 10 и высоковольтный токовод 11 (фиг.3). По шлангу, прикрепленному к высоковольтному тоководу 11, промывочная жидкость стекает в бак для сбора керна и шлама. Крупный шлам под высоковольтным изолятором 1 (фиг.1) не скапливается, т.к. ширина и высота (17 мм) верхних промывочных окон 5 (или их диаметр, когда они круглой формы) больше, чем межэлектродное расстояние (16 мм) в призабойной части электроимпульсного бурового долота. Эффективность такого решения связана с тем, что размеры наибольших частиц шлама практически не превышают величину межэлектродного расстояния. Керн не перекрывает верхние промывочные окна 5, т.к., как отмечено выше, эти окна выполнены на высоте от призабойной торцевой поверхности внутренней коронки 2, большей высоты наибольших кусков керна (фиг.5 и фиг.6), образующихся в конкретных условиях бурения, к которым относятся свойства горной породы, диаметр керна, параметры бурения и другие. Из параметров бурения важной является емкость источника импульсов высокого напряжения в разряде, изменяя которую меняют высоту кусков (столбиков) керна (авт. свидет. на изобретение SU №854084, МПК5 Е21 В25/10, приоритет от 19.03.73, опубл. 15.10.93. Бюл. №37-38). Куски керна, оторванные от забоя, выносятся на поверхность промывочной жидкостью вместе со шламом. Часть этой жидкости действует на керн у самого забоя, поступая во внутреннюю коронку 3 под ее призабойным торцом, т.к. при электроимпульсном бурении поверхность забоя скважины покрыта откольными воронками, глубина которых достигает 1/3 от межэлектродного расстояния. Высота наибольшего куска керна (песчаника) 53 мм, а величина наибольшего диаметра керна (65 мм) близка к величине внутреннего диаметра внутренней коронки 3 в ее призабойном торце.
В таблице приведены результаты ситового анализа бурового шлама.
Порода
Состав шлама по фракциям (в мм), %
Более 10
7-10
5-7
Менее 5
Песчаник
14
21
21
44
Гранит
15
17
18
50
Таким образом, в прототипе величина зазора между наружной и внутренней коронками, в котором установлен высоковольтный изолятор, примерно равна межэлектродному расстоянию; в предложенном нами и испытанном в примере конкретного выполнения буровом долоте величина этого зазора больше межэлектродного расстояния в 1,3 раза, т.е. и толщина стенки высоковольтного изолятора 1 (фиг.1) больше этого расстояния в 1,3 раза. Благодаря этому срок службы высоковольтного изолятора 1 увеличен в несколько раз, особенно при бурении гранита, в котором без электрических пробоев изолятора и перекрытий его разрядами по поверхности буровым долотом-прототипом максимально пройдено 0,6 м, заявляемым же долотом - 7,9 м (это суммарно в нескольких блоках гранита), и высоковольтный изолятор 1 не вышел из строя.