Мобильная электрогидродинамическая буровая установка
MOBILE ELECTROHYDRODYNAMIC DRILLING RIG

Предлагаемое изобретение относится к установкам, предназначенным для бурения скважин в геолого-исследовательских, изыскательских работах, бурения скважин под воду, в изготовлении фундаментов при строительстве объектов, в старательской добыче золота.
Известно электроимпульсное породоразрушающее устройство по патенту РФ №2441127, МПК, опубликовано 27.01.2012 г. - аналог.
Это электроимпульсное породоразрушающее устройство состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем, электроды которых выполнены стержневыми, чередующимися и равномерно расположенными по окружности. Высоковольтная электродная система снабжена центральным высоковольтным электродом, проходящим через изоляционный узел. Изоляционный узел выполнен в виде расположенных одна над другой звездообразных изоляционных пластин заземленной и высоковольтной электродных систем, в которых, за исключением центрального высоковольтного электрода, закреплены верхние концы заземленных и высоковольтных электродов.
Недостаток - низкая производительность процесса бурения, сложность организации процесса.
Известно электрогидроударное устройство для бурения скважин по патенту РФ на полезную модель №144631 - прототип.
Рассмотрим работу этого устройства подробнее.
Здесь задача повышения производительности процесса бурения решается, по мнению автора, в электрогидроударном устройстве, содержащем колонну бурильных труб, систему промывки скважины, источник гидродинамического воздействия, установленный на конце колонны бурильных труб, соединенный при помощи геофизического кабеля с источником высокого напряжения, находящимся на поверхности, соединенным, в свою очередь, с источником электрической энергии, тем, что источник гидродинамического воздействия выполнен в виде электробура, содержащего металлический корпус с, по меньшей мере, одной парой высоковольтных электродов, изолированных электрически друг от друга. Источник гидродинамического воздействия может быть выполнен с возможностью изменения амплитуды и/или частоты разрядов. Металлический корпус может быть выполнен открытым снизу. Металлический корпус может быть выполнен открытым сбоку. Металлический корпус может быть выполнен открытым снизу и сбоку. Верхняя стенка металлического корпуса может быть выполнена параболической. Электрогидроударное устройство для бурения скважины может содержать компьютер, соединенный электрическими связями с источником высокого напряжения. После источника высокого напряжения может быть подсоединен накопитель энергии. Накопитель энергии может находиться на поверхности. Накопитель энергии может находиться в нижней части колонны бурильных труб выше источника гидродинамического воздействия. Накопитель энергии может быть выполнен в виде конденсатора. Накопитель энергии может быть выполнен в виде индуктивности. Накопитель энергии может быть выполнен в виде подключенного параллельно конденсатора и установленной последовательно индуктивности. Источник высокого напряжения может быть выполнен в виде повышающего трансформатора. Источник высокого напряжения может быть выполнен в виде трансформатора Тесла. Источник высокого напряжения может быть выполнен в виде генератора Ван де Графа.
Недостатки прототипа - сложность организации процесса бурения, ограниченная величина скорости проходки скважины и малый межремонтный период из-за возможности работы только с одной парой высоковольтных электродов, пониженная надежность ввиду необходимости передачи напряжения в несколько десятков киловольт по геофизическому кабелю на большие расстояния, сложности реализации требуемой степени техники безопасности работы персонала с высоким напряжением, искажение геометрии скважины при высоковольтных разрядах через боковые окна, разрушающее действие при боковых разрядах отраженного от внутренней поверхности цилиндра гидростатического давления на сам буровой инструмент.
Экспериментальные исследования процессов высоковольтного разряда в водной среде (Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект. Машгиз, Ленинградское отд., 1955 г., с. 11) позволили выявить формирование вокруг канала высоковольтного разряда зоны высокого давления, которая условно была разделена на ряд участков - участки А, Б, В, Г и Д, отличающиеся степенью воздействия разряда на помещенные в них объекты и материалы:
А - зона искрового разряда;
Б - зона разрушения, почти все материалы разрушаются на дисперсные частицы; В - зона наклепа, многие материалы разрушаются, металлы наклепываются;
Г - зона упругого воздействия, выброс частиц, мощное выталкивающее действие;
Д - зона сжатия, давление очень быстро убывает.
Схема формы и расположение зон давления вокруг искрового разряда в начальный период приведены на фиг. 1. Зоны 2 формируют вокруг электродов 1 объемную симметричную фигуру, нижняя часть которой на фиг. 1 условно удалена.
С точки зрения бурения скважины импульсы гидравлического давления, достигающие 100000 бар (Эффект Юткина, гидроудар или давление в сто тысяч атмосфер от короткого электроимпульса (http://zaryad.com/2013/07/05/effekt-yutkina-gidroudar-ili-davlenie-v-stotyisyach-atmosfer-ot-korotkogo-elektroimpulsa/) в буровом инструменте-электробуре, должны быть максимально выведены за пределы корпуса электробура и обеспечивать разрушение самой окружающей породы в направлении бурения скважины. Отсюда конструктивное исполнение бурового инструмента должно быть в виде пустотелого цилиндра с открытой нижней частью корпуса, где размещаются электроды высоковольтного разряда.
В зависимости от конкретных условий местности земные породы могут весьма значительно отличаться по своим прочностным характеристикам - от суглинка до базальта. Отсюда эффективное разрушения земной породы в забое скважины будет обусловлено действием давлений в участках Б и В - зон разрушения и наклепа, причем протяженность участка В составляет примерно 150% от протяженности участка Б.
В той же публикации Л.А. Юткина на стр. 12 приведена таблица диаметров участков Б зоны разрушения при различных величинах напряжений высоковольтного разряда, из которой следует, что при разрядах импульсов с напряжением в 70 кВ диаметры зоны разрушения Б варьируют от 69 до 105 мм. Отсюда диаметр зоны наклепа В меняется от 103,5.до 157,5 мм.
На фиг. 2, 3, 4 и 5 прототипа по патенту №144631 приведены варианты конструктивного исполнения электрического бура с размещениями пар высоковольтных разрядных электродов в цилиндре бура снизу, сбоку, снизу и сбоку или только сбоку. Тогда корпус электробура изготавливается открытым снизу (фиг. 2, 4), или в боковых стенках корпуса напротив пар электродов вырезаются окна (фиг. 3, 4 и 5).
Отсюда, в буровом инструменте импульсы гидравлического давления при высоковольтных разрядах в той или иной паре электродов по разному будут влиять на окружающую среду и на сам инструмент. В варианте с открытым низом цилиндра бура (фиг. 2, 4) импульсы давления при разрядах нижней пары электродов распространяются вниз и вбок, разрушая окружающую породу и способствуя процессу бурения. В вариантах с боковыми окнами в цилиндре бура в зависимости от соотношения размера окна и величиной диаметра зоны наклепа В только меньшая часть энергии импульса давления будет выходить за пределы цилиндра электробура и разрушать породу в боковом направлении к оси скважины. Но такое разрушение породы по нормали к оси скважины будет искажать ее геометрию, совершенно не способствуя повышению скорости бурения последней вглубь. Большая же часть энергии разряда, отразившись от внутренней стенки цилиндра электробура, будет разрушать сам буровой инструмент, приводя в скором времени его в негодность. Отсюда наличие бокового размещения высоковольтных электродов разряда делает устройство неработоспособным.
Поэтому из всех указанных вариантов построения электрического бура в прототипе - патенте №144631 приемлемым является только вариант по фиг. 2, 4 с открытой нижней частью, нижним размещением одной пары высоковольтных электродов и исключением трех других пар высоковольтных электродов по бокам внутреннего изоляционного цилиндра и соответствующих боковых окон в цилиндре бура на фиг. 3, 4 и 5.
Техническим результатом предлагаемой мобильной электрогидродинамической буровой установки является повышение производительности процесса бурения и надежности работы установки, увеличение длительности межремонтного периода, исключение возможности пробоя высоковольтного кабеля и попадания обслуживающего персонала под напряжение, совмещение процесса бурения с извлечением из разрушенной породы рассеянного элемента, например, золота, нахождение траектории движения жилы интересующего элемента, например, золота в приповерхностном слое земли.
Технический результат достигается тем, что мобильная электрогидродинамическая буровая установка содержит электробур в виде металлического открытого снизу цилиндра, соединенный электрическим кабелем с источником напряжения, подсоединенным, в свою очередь, к источнику электрической энергии на поверхности, систему высоковольтных электродов для создания электрогидравлического эффекта, насосную станцию, причем электробур подвешен на тросе блока треноги, высоковольтный блок питания на повышенной частоте установлен в корпусе электробура; система высоковольтных электродов основного искрового промежутка электробура выполнена из одного центрального электрода из тугоплавкого, например, вольфрама, материала, подсоединенного к положительной клемме источника высокого напряжения и размещенного в нижней части корпуса электробура, и нескольких электродов - обострителей по окружности открытой внутренней нижней части цилиндрической поверхности корпуса электробура, подсоединенных к отрицательной клемме источника высокого напряжения; содержит вакуумную станцию подъема на поверхность пульпы разрушенной электробуром породы с частицами металла, например, золота и содержит на выходе последней мультиспиральный концентратор отделения металла от породы, в электрическую цепь основного искрового промежутка включены два дополнительных формирующих промежутка - один между выводом положительного провода высокого напряжения и центральным высоковольтным электродом основного искрового промежутка и второй между отрицательным выводом высоковольтного конденсатора конденсаторного подблока и заземленным корпусом электробура, а центральный электрод основного искрового промежутка, изготовлен из электропроводящего материала с вольфрамовым шариком на конце, обмотан карбоновой нитью и размещен в полиуретановом коконе из двухкомпонентного компаунда в нижней открытой части цилиндра корпуса электробура, вакуумная станция в зависимости от производительности по пульпе выполнена из двух или более вакуумных камер, рабочие объемы которых - верхний и нижний разделены эластичными мембранами и оборудованы четырьмя электроприводными клапанами, переключаемыми сигналами программы управления работой вакуумной станции в компьютере с линиями управления на все элементы вакуумной станции; в нижних рабочих объемах камер смонтированы датчики наличия породы, на выходе откачиваемой пульпы установлен мультиспиральный концентратор с датчиком содержания золота в породе, управляемым соответствующей программой компьютера, с выводом диаграммы кривой добытого золота на экран дисплея.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, где:
- на фиг. 1 приведено распределение зон давления вокруг искрового разряда;
- на фиг. 2 приведена схема мобильной электрогидродинамической буровой установки;
- на фиг. 3 приведена структурная схема формирования высоковольтного разряда;
- на фиг. 4 приведен электробур для бурения скважины под воду;
- на фиг. 5 приведен электробур для бурения скважины под добычу золота;
- на фиг. 6 приведена схема вакуумной станции.
Мобильная электродинамическая буровая установка (фиг. 2) работает следующим образом. Автономное энергообеспечение установки реализуется генератором электроэнергии 4 при наличии нефтепродукта 3. Выходное напряжение переменного тока с генератора электроэнергии 4 выпрямляется и заряжает аккумуляторную батарею 5. В преобразователе 6 напряжение постоянного тока преобразуется в напряжение переменного тока со стандартными выходными параметрами 220 вольт частоты 50 герц для питания электротехнического оборудования блоков буровой установки (8, 10, 13). В генераторе импульсного сигнала 7 напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи 5 преобразуется в напряжение переменного тока повышенной частоты - 80 вольт частоты 25 килогерц для подачи по электрическому кабелю на электробур 11 в скважину и преобразования там последнего в напряжение 100 киловольт постоянного тока высоковольтного разряда основного искрового промежутка. Формирование высоковольтного напряжения в корпусе электробура существенно повышает надежность работы оборудования, снижает требования к качеству электрического кабеля питания электробура, устраняет возможность пробоя электрического кабеля на участке поверхность земли - электробур, исключает вероятность попадания обслуживающего персонала под разряд высокого напряжения. Исключение возможности пробоя высокого напряжения внутри корпуса электробура достигается заполнением внутреннего пространства блоков трансформаторным маслом. Сам корпус электробура всегда заземлен.
Насосная станция 8 нагнетает воду в забой скважины через насадку электробура 11. Импульсы гидравлического давления в 11 с амплитудой до 100 килобар при высоковольтном разряде в водной среде забоя скважины разрушают породу, которая вакуумной станцией 10 поднимается на поверхность в виде пульпы 12 с частицами золота и направляется на мультиспиральный концентратор 13. Мультиспиральный концентратор - установленная под небольшим углом к горизонтали вращающаяся труба со спиральными бороздками на внутренней поверхности. Сюда непрерывно загружается пульпа 12 из вакуумной станции 10, внутренняя поверхность трубы омывается потоком воды 9. В процессе вращения трубы мультиспирального концентратора вокруг своей оси пустая порода смывается водой вниз к выходу 15, а тяжелые частицы металла, например, золота поднимаются по бороздкам вверх к выходу 14, обеспечивая степень извлечения металла на уровне 90%. В итоге производится отбор поступившего из скважины золота и определяется его среднее содержание в породе в данном месте.
На фиг. 3 представлена структурная схема формирования высоковольтного разряда. Генератор электрической энергии 4 заряжает аккумуляторную батарею 5, напряжение постоянного тока с которой в генераторе импульсного сигнала 7 преобразуется в напряжение 80 вольт частоты 25 килогерц и по кабелю подается на электробур 11. Последний в корпусе 24 содержит блок электроники 25 (фиг. 4, 5) в составе четырех подблоков (подблок трансформатора 16, подблок выпрямителя 17, подблок конденсаторов 18 и подблок дополнительных формирующих промежутков 19) и насадку 26 с внешним диаметром 140 мм для бурения скважины под воду или с внешним диаметром 400 мм для бурения скважины под добычу золота. В подблоке 16 напряжение трансформируется в уровень около 58 кВ, в подблоке 17 оно выпрямляется и заряжает конденсаторный подблок 18 до напряжения 100 кВ. Дополнительные формирующие промежутки 21 подблока 19 обеспечивают начало высоковольтного разряда основного воздушного промежутка 20 только при определенной величине амплитуды импульса. Формируемые в процессе разряда импульсы гидравлического давления разрушают породу скважины в забое, обеспечивая процесс бурения.
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены схемы построения электробура для бурения скважины под воду и под добычу золота. Каждый электробур подвешивается на тросе 22, по кабелю 23 реализуется энергоснабжение напряжением 80 вольт частоты 25 килогерц. Верхние части электробуров этих фигур - корпуса 24 со всем содержимым - одинаковы, отличия - в диаметре насадок 26. Диаметр насадки 26 на фиг. 4 - 140 мм, диаметр насадки 26 на фиг. 5 - 400 мм. Корпус электробура 24 содержит блок электроники 25 в составе четырех подблоков. Повышенная электрическая прочность элементов в подблоках обеспечивается заполнением пространства трансформаторным маслом. Вода сверху на фиг. 4 подается через напорный шланг 29 и кольцевой коллектор 30, и далее в насадку 26, на фиг. 5 вода через напорный шланг 29 сразу подается в насадку 26.
Следует при этом учесть, что для бурового процесса целесообразна организация нижнего высоковольтного разряда в различных горизонтальных направлениях от центрального электрода 27 по отношению к оси скважины, что реализуется размещением на нижней части внутренней цилиндрической поверхности электробура равномерной системы электродов 28 - обострителей, соединенных электрически с корпусом цилиндра. Электрические высоковольтные разряды создаются между центральным электродом 27 и одним из периферийных 28 по случайному закону, обеспечивая вращение горизонтальной составляющей вектора гидравлического давления по окружности. В итоге эрозия центрального электрода 27 минимизируется выбором материала (вольфрама), достаточно большими его размерами и возможной заменой в процессе эксплуатации, а эрозия обострителей 28 снижается наличием некоторого их количества на внутренней поверхности цилиндра, возможностью их ремонта.
Интересной особенностью процесса электрогидродинамического бурения является факт большего на 30-60%г размера диаметра сформированного отверстия по отношению к диаметру самого цилиндра электробура за счет действия горизонтальных составляющих зон давления по фиг. 1 (Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект. Машгиз, Ленинградское отд., 1955 г., с. 32), что исключает возможность заклинивания в скважине самого электробура.
При конструировании электробура следует обратить внимание на изоляционный материал, в котором устанавливается центральный электрод. Отраженные импульсы давления очень большой величины будут разрушать этот узел и даже сделать его неработоспособным через некоторое время эксплуатации, что в большей степени определит межремонтный период работы буровой установки. Промышленные испытания макетного образца установки дали авторам возможность определить конструктив центрального электрода и подобрать марку необходимого изоляционного материала. Наилучшие результаты получены в случае построения его из электропроводящего материала с вольфрамовым шариком на конце, обмотки карбоновой нитью и размещением в полиуретановом коконе из двухкомпонентного компаунда.
При бурении скважины под воду вакуумная станция на поверхности не используется. Насосная станция подает воду к электробуру по фиг. 4 через напорный шланг 29, кольцевой коллектор 30 и каналы в стенках насадки 26. В забое скважины с водой при высоковольтных разрядах формируются импульсы гидростатического давления, разрушенная порода вдавливается в стенки скважины.
При бурении скважины под добычу золота задействованы обе станции - вода подается по напорному шлангу 29 и каналы в насадке 26 (фиг. 5), разрушенная порода частично вдавливается в стенки скважины. А большая ее часть с потоком воды через вакуумный шланг 31 поднимается на поверхность вакуумной станцией.
1
n
11
12
1n
12
22
n2
1
n
1
n
1
n
1
n
1
На фиг. 6 приведена схема вакуумной станции. Она содержит две или более n-вакуумные камеры - герметичные емкости с разделительной гибкой мембраной 33, … 33 внутри, создающей верхний (газовый) объем 32, 32, … 32 и нижний (рабочий) объем 32, 32, … 32. Переключение режимов работы каждой вакуумной камерой производится четырьмя электроприводными клапанами из набора 40-40, 41-41, 42-42, 43-43, управляемыми сигналами специальной программы управления работой вакуумной станции в компьютере 46 с линиями управления (показаны пунктиром) на все элементы вакуумной станции. В нижних рабочих объемах камер смонтированы датчики наличия породы 44-44n.
1
1
1
1
1
11
12
12
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Работа вакуумной станции строится следующим образом. Воздушный компрессор 39 непрерывно откачивает воздух из одной из вакуумных камер, например, первой 32. Открыты клапаны 40, 42, закрыты клапаны 41, 43. В объеме 32 создается разрежение, мембрана поднимается вверх, вызывая разрежение в объеме 32. В рабочий объем 32 через открытый клапан 42 начинает поступать из скважины пульпа с вкраплениями золота. Заполнение нижнего объема вакуумной камеры 32 продолжается до сигнала с датчика породы 44. При этом отключается откачка воздуха из первой камеры перекрытием клапана 40, прекращается подача пульпы из скважины закрытием клапана 42; открытием клапана 41 в верхнюю часть камеры 32 подается атмосферное давление и через открытый клапан 43 начинается опорожнение вакуумной камеры 32 вытеснением пульпы в шнек 34. Вращение вала шнека под действием двигателя 35 направляет породу в воронку 36 и далее на внутреннюю поверхность трубы мультиспирального концентратора 13. Подачей воды через клапан 45 и отверстия в трубе 37 орошается внутренняя поверхность вращающейся трубы мультиспирального концентратора 13; пустая порода через выход 15 сливается в отстойник, а частицы золота при вращении трубы перемещаются по бороздкам спирали к выходу 14 концентратора 13. Датчик золота 38 измеряет прошедшее количество металла, и программное обеспечение вычерчивает на экране дисплея компьютера 46 диаграмму хода добычи золота.
1
21
22
2
2
2
2
2
2
В процессе опорожнения нижней части первой вакуумной камеры 32 параллельно идет откачка воздуха из верхнего объема второй вакуумной камеры 32 и заполнение ее нижнего объема 32 пульпой из скважины. Клапаны 40, 42 открыты, клапаны 41 и 43 закрыты. При завершении заполнения нижнего объема второй вакуумной камеры пульпой с золотом по команде датчика пульпы 44 программа управления работой вакуумной станции переключением электроприводных клапанов начинает процесс опорожнения пульпы из нижнего объема второй вакуумной камеры 32 в мультиспиральный концентратор 13. Далее процессы повторяются с другими вакуумными камерами.
Подбором необходимого числа вакуумных камер и соответствующей настройкой программы управления работой вакуумной станции обеспечивается согласование производительностей получения пульпы электробуром и ее переработкой в вакуумной станции и мультиспиральном концентраторе.
Бурение скважины выполняется следующим образом. Рабочий инструмент - электробур устанавливается в нужном месте на треноге и заглубляется в почву на глубину 30 см с уплотнением грунта по образующей цилиндра. При наличии вблизи источника воды насосная станция 8 подключается к нему. В противном случае буровым инструментом с насадкой в 140 мм бурится скважина под воду и к ней подключается насосная станция 8. Включается насосная станция и подается вода в зону обработки. Вакуумная станция откачивает пульпу.
Затем начинают подавать импульсы напряжением до 100 кВ на разрядники электробура. Скачки давления жидкости в нижней части электробура разрушают породу вне зависимости от ее твердости и прочности. Разрушенная порода в виде пульпы - смеси крошки породы, металла с водой - откачивается вакуумной станцией на мультиспиральный концентратор. Здесь проводится анализ состава поднятой из скважины породы. Скорость проходки скважины - 6-8 минут на метр ее глубины.
По мере углубления скважины электробур под собственным весом опускается на нужную отметку (до 30 метров), давая возможность непрерывного определения распределения интересующего материала в породе в зависимости от глубины. Далее электробур извлекается из скважины, определяется содержание золота в данном месте, машина переезжает на другую отметку местности, и серией разведочных бурений определяется месторасположение жилы интересующего металла. После разведки можно вести добычу металла или с помощью буровой установки, или устройствами с технологиями промышленной добычи.
Все оборудование монтируется на прицепе автомобиля - вездехода, например, типа УАЗ. Обеспечивается минимальный расход топлива, максимальная проходимость и универсальность. В кабине размещаются два человека - бригада по обслуживанию буровой установки.
Технические характеристики буровой установки:
1. Установка мобильна, смонтирована на автомобиле - вездеходе с прицепом.
2. Вес оборудования (без автомобиля и прицепа) - 600-700 кг.
3. Глубина бурения с извлечением грунта - 30 метров, без извлечения - 130 метров.
4. Диаметр скважины от 0,2 - до 0,5 м.
5. Скорость проходки 1 погонного метра - 6-8 минут.
6. Объем воды для бурения 1 погонного метра - 150 литров.
7. Электропитание - автономное.
8. Напряжение импульса электрического разряда рабочего инструмента - до 100 киловольт.
9. Затраты по топливу - бензин на один час работы 1,5-2 литра.
10. Температурный режим работы буровой установки - от 0°С до +50°С.
Достигнутый технический результат - обеспечение высокой скорости проходки скважины, повышение надежности и безопасности работы, контроль в зависимости от глубины скважины наличия интересующего элемента, например, золота в извлеченной разрушенной породе и определение среднего его содержания в скважине. Экспресс-анализ содержания золота в нескольких пробуренных скважинах определит местонахождение и направление движения жилы металла на местности и даст возможность вести разработку месторождения наиболее эффективно.