БУРОВОЙ СНАРЯД

Полезная модель относится к техническим средствам для бурения скважин и проходки стволов с помощью высоковольтных импульсных разрядов, развивающихся в горной породе, и может найти применение в нефте- и газодобывающей отрасли для бурения скважин глубиной несколько тысяч метров, в том числе в морском дне, а также в горной промышленности для проходки скважин в крепких горных породах в стволах глубиной сотни метров.
Известен электроимпульсный буровой снаряд (авторское свидетельство SU №730022; МПК 4 Е21с 37/18; опубл. 30.12.1987, бюл. №48), состоящий из бурового наконечника, буровой колонны и высоковольтного ввода, причем внутри буровой колонны над буровым наконечником расположен генератор высоковольтных импульсов, соединенный с токопроводящей системой, верхний конец которой пропущен через высоковольтный ввод.
Основными недостатками этого бурового снаряда являются: 1) необходимость подачи в буровой снаряд с дневной поверхности постоянного высокого зарядного напряжения, что предъявляет повышенные требования к изоляции токопроводящей системы, а также 2) ограниченность объема, в котором размещен генератор высоковольтных импульсов, внутренним диаметром буровой колонны.
Первый недостаток устранен в наиболее близком к предложенному по конструктивным особенностям и достигаемому положительному эффекту буровом снаряде для бурения электрическими импульсными разрядами (патент на изобретение RU №2319009; МПК Е21с 37/18 (2006.01), МПК Е21В 7/00 (2006.01), опубл. 10.03.2008, бюл. №7), состоящем из последовательно соединенных бурового наконечника и колонны бурильных труб, а также источника высоковольтных импульсов, расположенного над буровым наконечником непосредственно в колонне бурильных труб, и зарядного устройства источника высоковольтных импульсов, находящегося над этим источником. Кроме того, источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство снабжены рубашкой, которая образует канал для выходящего потока промывочной жидкости между колонной бурильных труб и рубашкой.
Один из основных недостатков этого бурового снаряда связан с ограниченностью объема, в котором размещены источник высоковольтных импульсов и его зарядное устройство, внутренним диаметром колонны бурильных труб, что не позволяет применять большее по габаритам и более надежное в работе высоковольтное оборудование или более мощные источники импульсов. Кроме того, для технического обслуживания, ремонта или замены зарядного устройства и источника высоковольтных импульсов необходимо поднимать из скважины на поверхность весь буровой снаряд.
Техническим результатом предложенного решения является увеличение объема (без изменения длины), в котором размещен источник высоковольтных импульсов и его зарядное устройство. В буровом снаряде для бурения скважин с погружением источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства вместе с буровой коронкой площадь поперечного сечения контейнера, в котором они размещены, больше соответствующей площади прототипа на 15-20% (на столько же процентов увеличен и объем). При бурении в морском дне или в глубоких стволах конструкция предложенного снаряда позволяет увеличить эту площадь в несколько раз. Такое увеличение площади, а следовательно, и объема, создает возможность использовать более надежные источники импульсов высокого напряжения и зарядные устройства или увеличить их выходные параметры, а также снизить затраты времени на их обслуживание, ремонт или замену, т.к. создана возможность поднимать на поверхность контейнер без подъема колонны бурильных труб и буровой коронки.
При этом преобразование бурового снаряда заключается не в элементарном размещении источника импульсов высокого напряжения и его зарядного устройства снаружи колонны бурильных труб. Достаточно отметить, что во всех известных снарядах для бурения высоковольтными импульсными разрядами высокое напряжение подводится к внутренним элементам (электродам) буровых наконечников (коронок), в предложенном же снаряде к наружным. Нетрадиционны в нем и некоторые другие электротехнические решения.
Указанный технический результат достигается тем, что в буровом снаряде для проходки скважин высоковольтными импульсными разрядами, состоящем из буровой коронки с высоковольтными и заземленными электродами, колонны бурильных труб, а также источника высоковольтных импульсов и его зарядного устройства, которые расположены над буровой коронкой, согласно предложенному решению, источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство размещены в контейнере, свободно одетом на колонну бурильных труб над буровой коронкой.
Целесообразно наружную поверхность контейнера выполнять с продольными промывочными каналами, ширина и глубина каждого из которых не менее наибольшего межэлектродного промежутка между соседними высоковольтными и заземленными электродами.
Целесообразно также вдоль колонны бурильных труб размещать грузонесущий кабель, который механически соединен с контейнером, а электрически к нему подключено зарядное устройство.
Кроме того, целесообразно колонну бурильных труб выполнять в виде шлангокабеля, на который свободно надет контейнер.
Также целесообразно между колонной бурильных труб и контейнером с источником высоковольтных импульсов и зарядным устройством размещать трубу направления.
Конкретное выполнение предложенной полезной модели проиллюстрировано пятью рисунками. На фиг.1 представлен продольный разрез бурового снаряда, на фиг.2 приведено его поперечное сечение в области контейнера (для демонстрации продольных промывочных каналов), на фиг.3 показано поперечное сечение снаряда по короночному изолятору, на фиг.4 дано сечение призабойных концов высоковольтных и заземленных электродов. Основное отличие фиг.5 от фиг.1 заключается в том, что на фиг.5 буровой снаряд дополнительно снабжен трубой направления, присоединенной к опорной плите. Буровой снаряд (фиг.1) содержит буровую коронку 1, прикрепленную к колонне бурильных труб 2. Основными элементами буровой коронки 1 являются (фиг.1 и фиг.4) высоковольтные 3 и заземленные 4 электроды, а также короночный изолятор 5. В центральной части короночный изолятор 5 (фиг.3) имеет внутренние каналы 6 для протекания нисходящего потока промывочной жидкости. Короночный изолятор 5 (фиг.1) удерживает плотно посаженную в него стержневую опору 7 (фиг.1) заземленных электродов 4. Электрическую связь этой опоры 7 с колонной бурильных труб 2 осуществляет скользящий контакт 8. Над буровой коронкой 1 установлен контейнер 9, который свободно надет на колонну бурильных труб 2. В контейнере 9 размещены источник высоковольтных импульсов 10 и его зарядное устройство 11. Контейнер 9 снабжен крышкой 12, через которую пропущен грузонесущий кабель 13, который механически соединен с контейнером 9, а электрически с зарядным устройством 11. Высоковольтный контакт 14 предназначен для передачи импульсов высокого напряжения от источника высоковольтных импульсов 10 на буровую коронку 1. На верхний конец колонны бурильных труб 2 навинчен наголовник 15, к которому прикреплен нагнетательный штуцер 16. Для обеспечения выноса на поверхность шлама и газообразных продуктов, образующихся при развитии разрядов, контейнер 9 выполнен с несколькими продольными промывочными каналами 17 (фиг.2).
На фиг.5 тот же буровой снаряд, который приведен на фиг.1÷4, показан при бурении в море 18 с полупогружной буровой установки 19 в морском дне 20. Для выноса шлама на поверхность (на палубу полупогружной буровой установки 19) между контейнером 9 и колонной бурильных труб 2 расположена труба направления 21, нижний конец которой прикреплен к опорной плите 22, а верхний, как и у колонны бурильных труб 2, выходит на палубу полупогружной установки 19. Высоковольтный кабель 23 служит для передачи импульсов высокого напряжения от их источника 10 к высоковольтным электродам 3 буровой коронки 1. Аналогично устройство бурового снаряда при бурении скважин в стволах, что позволяет существенно повысить эффективность последующей проходки стволов в крепких горных породах, например, буровзрывным способом.
Наружный диаметр изготовленной из стали ШХ15 и испытанной буровой коронки 1 (фиг.1) равен 360 мм. Межэлектродные промежутки между соседними высоковольтными 3 и заземленными 4 электродами (фиг.4) составляют 40-60 мм. Наружный диаметр контейнера 9 (фиг.1) выбран равным диаметру буровой коронки 1. В связи с тем, что глубина откольной воронки, образующейся при развитии высоковольтного импульсного разряда в горной породе, равна 30% от величины межэлектродного промежутка (это относится и к развитию разрядов в стенках скважины), наружный диаметр контейнера 9 теоретически может быть увеличен максимально на 36 мм - при промежутках между высоковольтными 3 и заземленными 4 электродами (фиг.4) по наружной окружности в 60 мм. Внутренний диаметр колонны бурильных труб 2 (фиг.1) равен 60 мм. Контейнер 9 и крышка 12 выполнены из полиэтилена. В качестве грузонесущего кабеля 13 использован грузонесущий кабель для геофизических работ в глубоких скважинах. Разрывное усилие этих кабелей - до 70 кН.
Работа бурового снаряда. Буровой снаряд устанавливают на забой скважины. Через нагнетательный штуцер 16 (фиг.1) в колонну бурильных труб 2 подают промывочную жидкость (дизельное топливо), которая по внутренним каналам 6 (фиг.3) короночного изолятора 5 поступает к буровой коронке 1, откуда по затрубному пространству, в том числе через продольные промывочные каналы 17 (фиг.2) контейнера 9, поднимается на дневную поверхность. Затем (фиг.1) по грузонесущему кабелю 13 подают переменное напряжение 380 В к зарядному устройству 11, с которого постоянное напряжение 35 кВ поступает к источнику высоковольтных импульсов 10, а тот преобразует его в импульсное напряжение. Импульсы амплитудой 350 кВ от этого источника через высоковольтный контакт 14 поступают к высоковольтным электродам 3. В зоне забоя скважины между высоковольтными 3 и заземленными 4 электродами с частотой 5 имп/с в горной породе происходит развитие высоковольтных импульсных разрядов, отрывающих и частично разрушающих частицы горной породы, образуя шлам, который выносится промывочной жидкостью на поверхность. Опытное бурение проводилось в блоках крупнозернистого гранита со скоростью, как и прототипом, около 2 м/ч. Но в предложенном буровом снаряде за счет увеличения площади поперечного сечения контейнера 9 (без изменения длины), а значит, и объема, в котором размещены зарядное устройство 11 и источник высоковольтных импульсов 10, надежность работы этих блоков повышается примерно в 2 раза. Причем для устранения неполадок, для профилактических осмотров не поднимают на поверхность и не разбирают весь буровой снаряд, а свинчивают с колонны бурильных труб 2 наголовник 15 и с помощью грузонесущего кабеля 13 поднимают на поверхность только контейнер 9 и заменяют его на другой контейнер, в котором размещены исправные зарядное устройство 11 и источник высоковольтных импульсов 10, что позволяет существенно увеличить время чистого бурения.
Как описано выше, для быстрого спуска или подъема всего бурового снаряда без развинчивания на секции (свечи) колонны бурильных труб 2 ее выполняют в виде шлангокабеля, на который свободно надет контейнер 9. Лебедка, на барабаны которой наматывают такую колонну бурильных труб 2 и грузонесущей кабель 13, на фиг.1÷5 не показана.
При бурении в море 18 (фиг.5) с полупогружной буровой установки 19 перед подачей в колонну бурильных труб 2 промывочной жидкости между этой колонной 1 и контейнером 9 размещают трубу направления 21, и промывочная жидкость в процессе бурения поднимается на дневную поверхность между колонной бурильных труб 2 и трубой направления 21. Так как с полупогружных установок 19 бурят скважины в морях глубиною до нескольких километров, то предложенная конструкция бурового снаряда позволяет существенно приблизить к буровой коронке 1 источник высоковольтных импульсов 10 и зарядное устройство 11 (на величину глубины моря). При этом нет существенных ограничений объема контейнера 9, в котором размещают эти блоки, что позволяет сделать их более надежными в работе. Одновременно созданы условия оперативного их спуска и подъема при установленном на забой скважины буровом снаряде без спуска или подъема коронки 1 и колонны бурильных труб 2, что увеличивает время чистого бурения.