ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ БУРОВОЙ НАКОНЕЧНИК
ELECTRIC PULSE DRILL BIT

Изобретение относится к техническим средствам для бурения горизонтальных скважин большого диаметра (350 мм и более) в крепких горных породах электроимпульсным способом высоковольтными разрядами, развивающимися непосредственно внутри горных пород, с отрывом крупных кусков шлама, и может быть использовано в горнодобывающей и строительной отраслях промышленности, а также при бурении гидрогеологических, геотермальных и других скважин, в том числе наклонных и веерных.
Известен электроимпульсный буровой наконечник [Б.В. Семкин, А.Ф. Усов, В.Н. Курец «Основы электроимпульсного разрушения материалов». - СПб.: Наука, 1995. - С. 11-14, 234-237], состоящий из разделённых высоковольтным изолятором, выполненным с продольными промывочными каналами, заземленной и высоковольтной электродных систем, снабженных чередующимися стержневыми заземленными и высоковольтными электродами. Заземленные электроды прикреплены к нижнему концу трубчатого корпуса наконечника. Высоковольтные электроды, чередующиеся с заземленными, прикреплены к центральному высоковольтному электроду, выполненному без осевого промывочного канала.
Однако при использовании этого наконечника из-за плохих условий промывки не обеспечивается своевременный, бесперебойный вынос крупного шлама из горизонтальной скважины, что существенно снижает эффективность бурения и в отдельных случаях происходит полное прекращение процесса углубки скважины из-за подклинки бурового наконечника. Для транспортировки бурового шлама по горизонтальной скважине требуется скорость движения жидкости большая, чем для выноса шлама из скважины, проходимой сверху вниз. Основные причины этого следующие. Так как при электроимпульсном бурении разрушение горных пород происходит крупным сколом, наибольшие частицы шлама при бурении в крепких ненарушенных горных породах имеют длину, равную межэлектродному промежутку между разнополярными электродами, толщину до 1/3, а ширину до 40-50% от величины межэлектродного промежутка. Так, при межэлектродном промежутке 50 мм длина наибольших частиц шлама достигает 50 мм, ширина - 20-25 мм, толщина - 17 мм; следует учитывать, что электрические разряды развиваются и в стенках скважины, при межэлектродном промежутке 50 мм на глубину 17 мм. Но в горизонтальной скважине буровой наконечник лежит непосредственно на нижней (горизонтальной) стенке скважины и перекрывает необходимый для промывки зазор между ним и этой стенкой скважины. Основной поток жидкости наибольшую часть шлама, в том числе весь крупный, вынужден поднимать и подавать в верхний зазор между буровым наконечником и верхней стенкой горизонтальной скважины. Но проблемы промывки создает не только крупный шлам. Так, если при бурении электроимпульсным способом вертикальной скважины в ненарушенных горных породах зазор между буровым наконечником и стенкой скважины везде одинаков, то при бурении горизонтальной скважины он увеличивается от нулевого значения между буровым наконечником и нижней стенкой скважины до максимального между этим наконечником и верхней стенкой скважины. Мелкий шлам и шлам средних размеров загоняется потоком промывочной жидкости и в узкий зазор ниже его максимального значения, что дополнительно способствует подклиниванию шламом бурового наконечника в скважине. Подклинивания шламом, прихваты иногда удается ликвидировать путем создания дополнительной осевой нагрузки, но при использовании электроимпульсных буровых снарядов такая нагрузка не должна превышать 6-8 кН. Следует заметить, что уже несколько десятилетий высоковольтные изоляторы для буровых устройств изготавливают в основном из полиэтилена высокого давления. При высоком осевом давлении выполненные из полиэтиленовых заготовок элементы буровых наконечников и колонн бурильных труб выходят (выдавливаются) из мест своего крепления, что приводит к прекращению процесса разрушения горных пород.
Известен электроимпульсный буровой наконечник [RU 2286432 C1, МПК Е21В 7/00 (2006.01), опубл. 27.10.2006], выбранный в качестве прототипа, который состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделённых изолятором с продольными промывочным окнами, и выполнен с осевым промывочным каналом, в призабойной части которого в седле установлен временный гидрозатвор, а над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод. Временный гидрозатвор выполнен шаровым из эластичного материала или из тающего, или растворяющегося в промывочной жидкости материала. Центральный высоковольтный электрод выполнен с осевым промывочным каналом. Стержневые высоковольтные электроды верхними концами прикреплены к центральному высоковольтному электроду. Нижние (призабойные) концы стержневых высоковольтных электродов загнуты в сторону торца бурового наконечника.
Конструкция такого электроимпульсного бурового наконечника по сравнению с аналогом позволяет удалять шлам и из центральной части забоя скважины промывочной жидкостью, поступающей по осевому промывочному каналу, но благодаря этому эффективность бурения горизонтальных скважин существенно не повышается, так как проблемы полного выноса шлама из горизонтальной скважины остаются те же.
Техническим результатом предложенного решения является повышение эффективности бурения за счёт улучшения условий промывки и своевременного бесперебойного выноса из скважины всего шлама, в том числе его крупных фракций, снижение количества прихватов и заклинок бурового наконечника в горизонтальной скважине,при существенно меньшем количестве подаваемой в скважину промывочной жидкости.
Предложенный электроимпульсный буровой наконечник, также как в прототипе, состоит из разделенных изолятором, выполненным с продольными промывочными окнами, заземленной и высоковольтной электродных систем, снабженных чередующимися, равномерно расположенными по окружности стержневыми заземленными и высоковольтными электродами, причем стержневые заземленные электроды прикреплены к нижнему концу трубчатого корпуса электроимпульсного бурового наконечника, а чередующиеся с ними стержневые высоковольтные электроды верхними концами прикреплены к выполненному с осевым промывочным каналом центральному высоковольтному электроду, нижние же призабойные концы прикрепленных к нему электродов, загнуты в сторону торца бурового наконечника.
Согласно изобретению два соседних стержневых заземленных электрода и расположенный между ними призабойный конец загнутого стержневого высоковольтного электрода снабжены наружными, контактирующими непосредственно с горизонтальной нижней стенкой скважины токопроводящими накладками, толщина каждой из которых составляет не менее 1/3 величины межэлектродного промежутка между двумя соседними разнополярными электродами, а ширина не превышает ширину электрода, к которому накладка прикреплена.
Каждая наружная токопроводящая накладка выполнена как одно целое с соответствующим ей электродом.
Призабойная часть центрального высоковольтного электрода выполнена с промывочными прорезями, например, пилообразной формы.
На фиг. 1 представлен продольный разрез предложенного устройства, размещенного в горизонтальной скважине.
.
На фиг. 2 (вид А) показаны торцевые поверхности всех электродов устройства
На фиг. 3 приведена фотография горизонтальной скважины, пробуренной электроимпульсным буровым наконечником с образованием в ее нижней стенке промывочного желоба.
Электроимпульсный буровой наконечник (фиг. 1) содержит разделённые изолятором 1, выполненным с продольными промывочными окнами 2, заземленную и высоковольтную электродную системы, которые снабжены чередующимися, равномерно расположенными по окружности стержневыми заземленными 3 и высоковольтными 4 электродами. Стержневые заземленные электроды 3 прикреплены к нижнему концу трубчатого корпуса 5 электроимпульсного бурового наконечника, а чередующиеся с ними стержневые высоковольтные электроды 4 верхними концами прикреплены к выполненному с осевым промывочным каналом 6 центральному высоковольтному электроду 7. Нижние концы высоковольтных электродов 4 загнуты в сторону торца бурового наконечника. Два соседних стержневых заземленных электрода 3 (фиг. 2) и расположенный между ними загнутый конец стержневого высоковольтного электрода 4 снабжены наружными, токопроводящими накладками 8, толщина F каждой из которых составляет не менее 1/3 величины электродного промежутка между двумя соседними разнополярными электродами 3 и 4, а ширина S не превышает ширину электрода, к которому накладка прикреплена, так как в противном случае частично или все высоковольтные электрические разряды будут развиваться не в горной породе, а с выступающих граней накладок на соседние электроды другой полярности.
На фиг. 1 токопроводящие накладки 8 изображены таким образом, чтобы показать их продольную форму и продольное расположение на наружных поверхностях электродов 3 и 4, а на фиг. 2 видны только торцевые поверхности всех токопроводящих накладок и электродов.
Увеличить механическую прочность электродных систем позволяет изготовление каждой наружной токопроводящей накладки как одного целого с соответствующим электродом, например, путем ее крепления к электроду электросваркой. Наружные токопроводящие накладки изготавливают из того же материала, что и электроды, в частности, из стали ШХ15.
Выполнение призабойной части центрального высоковольтного электрода 7 (фиг. 1 и фиг. 2) с промывочными прорезями 9, например, пилообразной формы, позволяет дополнительно повышать эффективность бурения, так как при таком конструктивном решении неравномерность электрического поля в призабойной части увеличивается, в связи с чем снижается число холостых (не в горной породе) разрядов; также улучшается вынос шлама из центральной зоны забоя скважины. Для предотвращения поворота одной электродной системы относительно другой в трубчатом корпусе 5 (фиг. 1) установлено и закреплено винтами два стопорных сегмента 10; втулка 11 плотно насажена в изоляторе 1 при его изготовлении в пресс-форме из гранул полиэтилена высокого давления; верхняя (хвостовая) часть центрального высоковольтного электрода 7 и внутренняя часть втулки 11 выполнены с подвижными шлицевыми соединениями. Подвижность необходима для поддержания постоянного контакта высоковольтных электродов с горной породой на забое скважины за счёт давления пружины 12. Две гайки 13 препятствуют выпадению высоковольтный электродной системы из бурового наконечника и служат для регулирования уровня опережения электродами этой системы стержневых заземленных электродов 3. Для подвода к высоковольтной электродной системе импульсов высокого напряжения полый высоковольтный токовод 14 выполнен контактирующим с втулкой 11. С заземляемой бурильной трубой 15 трубчатый корпус 5 бурового наконечника соединен с помощью трапецеидальной резьбы 16.
Диаметр бурового наконечника (фиг. 1) с межэлектродным промежутком 50±2 мм без учёта толщины токопроводящих накладок 8 составляет 308 мм, радиус 154 мм, а радиус с учетом толщины токопроводящих накладок равен 174 мм; наибольший межэлектродный промежуток между соседними разнополярными накладками равен 64 мм.
При работе электроимпульсный буровой наконечник устанавливают на забой горизонтальной скважины. Бурильную трубу 15 заземляют, в полость между этой трубой и полым высоковольтным тоководом 14, а также внутрь токовода подают диэлектрическую промывочную жидкость (в частности, неочищенное трансформаторное масло) в количестве 1100 л/мин, которая через продольные промывочные окна 2 изолятора 1, через полый высоковольтный токовод 14 и осевой промывочный канал 6 поступает на забой скважины. По тоководу 14 импульсы высокого напряжения (400 кВ) с частотой 5-6 импульсов в секунду подают на втулку 11 и через неё на центральный высоковольтный электрод 7, а через него на все остальные высоковольтные электроды 4. Между высоковольтными электродами 4 и заземленными 3 непосредственно в горной породе развиваются высоковольтные электрические разряды, отрывающие от массива кусочки горной породы (шлам), которые по зазору между стенкой скважины и трубчатым корпусом 5, бурильной трубой 15 выносятся из скважины промывочной жидкостью.
На фиг. 3 видно, что при бурении горизонтальной скважины буровым наконечником в нижней стенке скважины образуется промывочный желоб, глубина которого (фиг. 2) равна 41 мм. 41 мм - это сумма толщины токопроводящий накладки 8 (20 мм) и глубины внедрения высоковольтного разряда в стенку скважины (21 мм, что составляет 1/3 от наибольшего электродного промежутка между соседними разнополярными накладками, то есть от 64 мм). Ширина промывочного желоба превышает расстояние между двумя однополярными накладками 8 на заземленных электродах 3,между которыми на высоковольтном электроде 4 расположена накладка 8 противоположной полярности, то есть ширина промывочного желоба существенно превышает наибольшую длину самых крупных кусков шлама, в конкретном случае 50 мм, при глубине желоба 41 мм.
При бурении горизонтальных скважин известными электроимпульсными буровыми наконечниками, выбранными за аналог и прототип, они лежат непосредственно на нижней (горизонтальной) стенке скважины, полностью перекрывая зазор между буровым наконечником и этой стенкой, из-за чего мощный поток промывочной жидкости вынужден поднимать весь крупный шлам в верхнюю часть призабойной зоны и вымывать его из горизонтальной скважины через узкий верхний зазор между буровым наконечником и верхней стенкой скважины. Этот зазор не позволяет без дополнительного дробления беспрепятственно выносить крупный шлам, так как высота зазора составляет всего 1/3 от величины электродного промежутка, то есть при промежутке 50 мм высота зазора не превышает 17 мм, тогда как длина наибольших частиц шлама может быть равной величине этого промежутка (50 мм), а ширина составлять 40-50% от размера межэлектродного промежутка, т.е. 20-25 мм. Все это приводит к заклинкам и прихватам, а также к необходимости повышать расход промывочной жидкости.
Бурение горизонтальных скважин предложенным буровым наконечником позволяет исключить эти проблемы, так как промывочный желоб позволяет беспрепятственно и бесперебойно выносить из горизонтальной скважины все крупные куски шлама без их додрабливания и при меньшем (в 1,5 раза) расходе промывочной жидкости (1100 л/мин вместо 1700 л/мин). При полномасштабном бурении в реальных условиях расход промывочной жидкости может быть снижен в несколько раз.
Бурение с образованием промывочного желоба весьма эффективно и при бурении вертикальных скважин диаметром 350 мм и более, особенно при образовании в процессе проходки скважины большого количества крупного шлама, например, в трещиноватых, нарушенных выветриванием горных породах.