ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ БУРОВОЙ НАКОНЕЧНИК
ELECTRIC PULSE DRILL HEAD

Изобретение относится к техническим средствам для бурения скважин без отбора керна сравнительно большого диаметра (400 мм и более). Разрушение забоя скважины осуществляется высоковольтными разрядами, развивающимися в горной породе между стержневыми электродами. Электроимпульсные буровые наконечники со стержневыми электродами обеспечивают наибольшие скорости бурения, т.к. позволяют создать на забое участки горной породы, непосредственно в которых высоковольтные разряды не развиваются, а их разрушение происходит опосредованно при многократном воздействии ударных волн от внедрившихся в горную породу разрядов. Однако при сравнительно больших межэлектродных промежутках (50 мм и более) для разрушения таких (недоступных для развития в них разрядов) участков требуются более мощные источники высоковольтных импульсов с повышенной емкостью в разряде, что приводит к повышению энергозатрат на разрушение горной породы. С этим же связаны ограниченные возможности создания буровых наконечников со стержневыми электродами большого диаметра без значительного увеличения межэлектродных промежутков между соседними разнополярными электродами. Кроме того, при использовании буровых наконечников со стержневыми электродами на забое скважины образуются крупные частицы шлама с наибольшим линейным размером, равным величине межэлектродного промежутка. Между стержневыми электродами высоковольтные разряды развиваются и в стенках скважин, и если горные породы трещиноватые, то частицы шлама превышают величину межэлектродного промежутка. Образование крупных частиц шлама приводит к подклиниванию бурового наконечника в скважине.
Известен электроимпульсный буровой наконечник со стержневыми электродами (патент на изобретение РФ №2286432, МПК 8 E21B 7/00, публ. 27.10.2006), состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем со стержневыми электродами, разделенных изолятором с промывочными окнами, причем буровой наконечник выполнен с дополнительным промывочным каналом. В призабойной части бурового наконечника в седле установлен временный гидрозатвор, а над седлом выполнен один или несколько электродных каналов, в каждом из которых размещен дополнительный подпружиненный электрод.
Одним из основных недостатков этого бурового наконечника является сложность конструкции при увеличении его диаметра без изменения (увеличения) межэлектродного промежутка, т.к. для этого число дополнительных электродов должно быть равным или близким числу межэлектродных промежутков между основными высоковольтными и заземленными электродами, что усложняет конструкцию наконечника до его неработоспособности. Известный буровой наконечник позволяет сравнительно просто устранить отдельные неоднородности на забое скважины, но для равномерного разрушения горной породы по всему забою скважины требуется большое число дополнительных электродов. Кроме того, возможно заклинивание бурового наконечника в скважине крупными частицами шлама.
Наиболее близким к предложенному устройству является электроимпульсный буровой наконечник (патент на полезную модель №82764, МПК 8 E21C 37/18, публ. 10.05.2009), состоящий из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных изолятором с промывочным каналом, причем электроды обеих электродных систем выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположены по окружности, а высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом, к которому прикреплен дополнительный высоковольтный электрод, равноудаленный от электродов заземленной электродной системы. Торцевая поверхность дополнительного высоковольтного электрода выполнена на одном уровне с торцевыми поверхностями призабойных концов стержневых высоковольтных электродов. Причем нижняя часть центрального электрода, расположенная над дополнительным высоковольтным электродом, выполнена конусной, полой и перфорированной, а дополнительный высоковольтный электрод выполнен крестообразным.
Основным недостатком электроимпульсного бурового наконечника-прототипа является то, что при сравнительно больших межэлектродных промежутках (50 мм и более) разрушение забоя скважины происходит неравномерно, что снижает эффективность бурения. Это видно на фиг.1, где представлена фотография забоя скважины, пройденной буровым наконечником-прототипом в бетоне. Аналогичная картина и забоя скважины в граните. Темные пятна на забое, в том числе в центре - это углубления, заполненные промывочной жидкостью. Для разрушения выступающих участков забоя требуется подача дополнительных высоковольтных импульсов с повышенной емкостью в разряде. Существенными недостатками известной конструкции бурового наконечника являются также ограниченная возможность увеличения его диаметра без увеличения межэлектродных промежутков и возможность заклинивания наконечника в скважине крупными кусками шлама.
Техническим результатом предложенного решения является равномерное разрушение забоя скважины без снижения эффективности бурения, что следует из фиг.2, на которой приведена фотография забоя скважины в бетоне, пробуренной предложенным буровым наконечником. Другим результатом предложенного решения является создание сравнительно простой конструкции электроимпульсного бурового наконечника со стержневыми электродами, позволяющей увеличить его диаметр без увеличения межэлектродных промежутков. Так, если электроимпульсный буровой наконечник-прототип при межэлектродном промежутке 50 мм имеет наибольший диаметр 360 мм, то предложенный буровой наконечник с двумя кольцевыми электродами при таком же межэлектродном промежутке имеет диаметр 460 мм, т.е. больше на 100 мм (на 27,8%), а по площади торцевой части, ограниченной наружным диаметром коронки, больше на 63%. Повышению эффективности бурения способствует и выполнение призабойной части электродных систем предложенного бурового наконечника конусной. Это связано с тем, что при бурении с помощью высоковольтных импульсных разрядов некоторые частицы шлама имеют размеры, близкие к величине межэлектродных промежутков, а при бурении в сильнотрещиноватых их размер заметно больше этих промежутков, что затрудняет вынос шлама или приводит к заклиниванию бурового наконечника в скважине. При конусной поверхности забоя скважины крупные частицы шлама под действием собственного веса и промывочной жидкости перемещаются в направлении центра забоя и дробятся высоковольтными импульсными разрядами на мелкие частицы. Среднее повышение скорости бурения предложенным буровым наконечником по сравнению с прототипом составляет 15% (при наружных диаметрах сравниваемых буровых наконечников 360 мм).
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом наконечнике, состоящем из заземленной и высоковольтной электродных систем, разделенных изолятором, имеющим промывочный канал, причем периферийные высоковольтные и заземленные электроды этих систем выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположены по окружности, высоковольтная электродная система снабжена полым центральным электродом, и буровой наконечник снабжен дополнительным электродом, согласно предложенному решению дополнительный электрод выполнен кольцевым, установлен в торцевой части заземленной электродной системы и заземлен путем его соединения заземленными перемычками с электродами этой электродной системы.
Кроме того, вокруг дополнительного заземленного кольцевого электрода коаксиально размещен дополнительный высоковольтный кольцевой электрод, соединенный высоковольтными перемычками с периферийными высоковольтными электродами.
Целесообразно также электродные системы призабойной части электроимпульсного бурового наконечника выполнять конусными. Примеры конкретного выполнения.
На фиг.3 приведен продольный разрез А-А предложенного бурового наконечника с дополнительным заземленным кольцевым электродом, на фиг.4 дан его вид Б снизу (с торца), на фиг.5 показан вид снизу бурового наконечника с двумя дополнительными кольцевыми электродами, и на фиг.6 представлена фотография бурового наконечника с одним дополнительным (заземленным) кольцевым электродом, причем электродные системы призабойной части этого наконечника выполнены конусными. Основными элементами предложенного электроимпульсного бурового наконечника (фиг.3 и фиг.4) являются коаксиально расположенные высоковольтная и заземленная электродные системы, разделенные изолятором 1, через промывочный канал 2 которого пропущена стеклоэпоксидная промывочная труба 3. Высоковольтная электродная система состоит из полого центрального электрода, выполненного из разогнутых вверху и сваренных в нижней части стержней 4, в месте соединения которых просверлено продольное промывочное отверстие 5. Верхние концы стержней 4 прикреплены к опорному высоковольтному фланцу 6, к которому так же прикреплены периферийные высоковольтные электроды 7, которые выполнены стержневыми и равномерно распределены по окружности. Между изолятором 1 и промывочной трубой 3 продольно закреплен трубчатый высоковольтный токоввод 8 с фланцем 9 в нижней части. Между фланцем высоковольтного токоввода 9 и высоковольтным фланцем 6 установлен поджимающий фланец 10, сжимающий уплотнительное кольцо 11. Поджимающий фланец 10 присоединен к фланцу высоковольтного токоввода 9 болтами 12, а высоковольтный фланец 6 - к поджимающему фланцу 10 болтами 13. Болты 13 позволяют присоединять к поджимающему фланцу 10 высоковольтный фланец 6 с прикрепленным к нему полым центральным электродом (4, 5) и периферийными высоковольтными электродами 7 или отсоединять от него, т.к. головки болтов 12 свободно проходят через отверстия в высоковольтном фланце 6. Заземленная электродная система состоит из опорного фланца 14, к которому прикреплены верхние концы заземленных электродов 15, выполненных стержневыми, чередующимися с периферийными высоковольтными электродами 7 и которые равномерно расположены по окружности. В центральной части торца бурового наконечника расположен дополнительный заземленный электрод 16, который выполнен кольцевым и который механически соединен с помощью заземленных перемычек 17 с заземленными электродами 15. К колонне бурильных труб 18 буровой наконечник прикреплен шпильками 19. Реально был разработан, изготовлен и испытан буровой наконечник такой конструкции диаметром 360 мм с межэлектродными промежутками 48-53 мм.
На фиг.5 приведен пример выполнения предложенного бурового наконечника, у которого вокруг дополнительного заземленного кольцевого электрода 16 коаксиально установлен дополнительный высоковольтный кольцевой электрод 20, соединенный высоковольтными перемычками 21 с периферийными высоковольтными электродами 7. Наружный диаметр бурового наконечника такой конструкции при межэлектродном промежутке 50 мм составляет 460 мм.
На фиг.6 приведен пример выполнения предложенного бурового наконечника, аналогичного по конструктивным особенностям и параметрам приведенному на фиг.3 и фиг.4. Отличительной особенностью его является конусное выполнение электродных систем в призабойной части. У разработанного и успешно испытанного бурового наконечника угол наклона к горизонтальной плоскости конусных поверхностей его элементов составляет 20°.
Работа предложенного бурового наконечника осуществляется следующим образом. Буровой наконечник устанавливают на забой скважины. Для выноса шлама и газообразных продуктов, образующихся при развитии высоковольтных электрических разрядов, по промывочной трубе 3 (фиг.3) к забою скважины подают диэлектрическую промывочную жидкость, которая между стержнями 4 и через продольное промывочное отверстие 5 поступает на забой скважины, откуда по затрубному пространству (прямая схема промывки) поднимается на дневную поверхность. Колонну бурильных труб 18 заземляют. Затем от источника импульсов высокого напряжения на трубчатый высоковольтный токоввод 8 подают импульсы высокого напряжения. Во время опытов использовался погружной источник импульсов, размещенный в нижней части колонны бурильных труб 18. Возможно применение источника импульсов высокого напряжения, размещенного на дневной поверхности. Через трубчатый высоковольтный токоввод 8 импульсы высокого напряжения поступают на высоковольтную электродную систему, между элементами которой (периферийными высоковольтными электродами 7, стержнями 4) и элементами заземленной электродной системы (заземленными электродами 15, дополнительным заземленным электродом 16) в горной породе на забое скважины развиваются высоковольтные разряды, отрывающие от массива кусочки горной породы, которые промывочной жидкостью выносятся на поверхность, как и газообразные продукты, образующиеся при развитии разрядов.
Работоспособность предложенных буровых наконечников (фиг.3, фиг.4 и фиг.6) была показана при бурении скважин в блоках песчаника на известковистом цементе, крупнозернистого гранита и бетона. В качестве промывочной жидкости применялось трансформаторное масло. Промывка составляла 1700 л/мин, амплитуда импульсов высокого напряжения равнялась 360 кВ, емкость в разряде 13200 пФ. Импульсы подавались с частотой 5 имп./с. Было пробурено несколько скважин диаметром 390-395 мм, глубиной 0,6-1,8 м. Увеличение скорости чистого бурения по сравнению с буровым наконечником-прототипом с межэлектродным промежутком 50 мм составило в песчанике 12%, в граните - 16%, в бетоне - 18%. При бурении в бетоне применялся буровой наконечник, приведенный на фиг.6. Подклиниваний его шламом не было, тогда как при испытании бурового наконечника-прототипа были единичные случаи его подклинивания шламом.