ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
ELECTRIC PULSE DRILLING BIT

Изобретение относится к техническим средствам для бурения электроимпульсным способом с обратной промывкой скважин сплошного забоя и может найти применение в горнодобывающей промышленности, для бурения гидрогеологических и гидротермальных скважин, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах. Изобретение может найти применение и при геологоразведочных работах, т.к. при электроимпульсном бурении разрушение горных пород происходит крупным сколом, и размеры наибольших кусков шлама при больших межэлектродных расстояниях составляют несколько сантиметров и, например, при межэлектродном расстоянии 50 мм достигают 50 мм. Такой крупный шлам может быть использован для геологических анализов вместо керна.
Известно буровое долото для бурения скважин высоковольтными импульсными разрядами, которым оснащен снаряд для электроимпульсного способа бурения скважин с обратной внутренней промывкой (авт. свид. на изобретение SU № 699837, МПК5 Е21С 37/18, приоритет от 13.09.1965, опубл. 15.10.1993. Бюл. № 37-38). Снаряд содержит наружную и внутреннюю токопроводящие колонны труб с присоединенными к ним наружной заземленной и внутренней высоковольтной коронками бурового долота, разделенными высоковольтным сплошным изолятором, выполненными с системой отверстий (окон).
уд
3
Одним из основных недостатков этого известного устройства является низкий срок службы твердотельной изоляции. Это связано с тем, что в нем расстояние между разнополярными электродами равно или близко к величине зазора между наружной заземленной и внутренней высоковольтной коронками, а также к величине зазора между наружной и внутренней токопроводящими колоннами труб. Но для надежной работы твердотельной изоляции даже при использовании электроизоляционных (диэлектрических) промывочных жидкостей необходимо, чтобы величина этого зазора, а, соответственно, и толщины твердотельной изоляции, были хотя бы на 20-30% больше расстояния между разнополярными электродами (коронками) в призабойной части. Другими основными недостатками являются высокие удельные энергозатраты (W, Дж/см) и невозможность применения для промывки сравнительно дешевых электропроводящих промывочных растворов жидкостей, в т.ч. очищенной воды, т.к. наружные поверхности внутренней токопроводящей (высоковольтной) колонны труб и высоковольтной коронки не изолированы, из-за чего при подаче высоковольтных импульсов происходят растекания (утечки) импульсных токов, и разрушение горной породы не происходит, потому что импульсы высокого напряжения до забоя скважины практически не доходят.
Первый недостаток позволяет устранить выбранное за прототип электроимпульсное буровое долото (патент RU №2471987 МПК Е21С 37/18, E21B 10/00 (2006.01), приоритет 08.07.2011, опубл. 10.01.2013), содержащее цилиндрические, коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным изолятором наружную и внутреннюю коронки, выполненные с боковыми промывочными окнами, при этом 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, ширины и высоты или диаметр верхних промывочных окон внутренней коронки больше максимального межэлектродного расстояния, а верхние промывочные окна внутренней коронки выполнены на высоте от ее призабойной торцевой поверхности, большей высоты наибольших кусков керна.
Основным недостатком электроимпульсного бурового долота-прототипа является низкая эффективность бурения из-за высоких удельных энергозатрат и отсутствия возможности использования сравнительно дешевых электропроводящих промывочных жидкостей, например воды. Высокие энергозатраты вызваны необходимостью электроимпульсного бурения с отбором керна при сравнительно небольших межэлектродных расстояниях (15-20 мм), т.к. при увеличенных межэлектродных расстояниях приходится бурить скважины, диаметр которых в несколько раз больше диаметра получаемого керна, а это экономически нецелесообразно. Кроме того, для сохранения получаемых столбиков керна бурение следует вести при сравнительно небольшой емкости в разряде (не более 15000 пФ). При увеличении емкости в разряде до 25000-50000 пФ скорость бурения существенно повышается, но керн полностью разрушается. Это ограничивает возможности снижения удельных энергозатрат при использовании известного устройства.
Основным техническим результатом предложенного устройства является повышение эффективности бурения за счет снижения в 2 раза и более удельных энергозатрат (при электроимпульсном бурении с внутренней промывкой в крепких горных породах), а также за счет возможности использования сравнительно дешевых электропроводящих промывочных жидкостей. Многочисленные эксперименты по электроимпульсному бурению крепких и очень крепких горных пород (по классификации проф. М.М. Протодъяконова) показали, что при достаточной энергии импульсов размеры наибольших частиц шлама по длине достигают величины межэлектродного расстояния, по толщине 1/3 от этого расстояния, а по ширине 0,4-0,5 межэлектродного расстояния. Такой крупный шлам при необходимости может быть использован для геологических исследований вместо керна, т.е. электроимпульсное бурение целесообразно вести бурами со сравнительно большими межэлектродными расстояниями при низких удельных энергозатратах.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом долоте, содержащем коаксиально расположенные и разделенные высоковольтным сплошным изолятором заземленную и высоковольтную коронки, причем высоковольтная коронка выполнена с боковыми промывочными окнами, а величина зазора между заземленной и высоковольтной коронками, в котором установлен высоковольтный (сплошной) изолятор, больше межэлектродного расстояния между разнополярными электродами в призабойной части электроимпульсного бурового долота, согласно предложенному решению заземленная коронка снабжена равномерно расположенными в призабойной части электроимпульсного бурового долота заземленными стержневыми электродами, между каждой парой которых равноудаленно от них размещены нижние концы высоковольтных стержневых электродов, а верхние их концы прикреплены к цилиндрической части высоковольтной коронки над ее боковыми промывочными окнами, причем наиболее удаленные от осевой линии электроимпульсного бурового долота поверхности заземленных и высоковольтных стержневых электродов расположены на одинаковом расстоянии от этой осевой линии.
Целесообразно непосредственно над высоковольтным сплошным изолятором установить предохранительный электрод, выполненный в виде многолопастного колеса (крыльчатки).
Целесообразно также в полости над высоковольтным сплошным изолятором размещать диэлектрическую жидкость или газ под давлением не менее 10 ат, например азот.
4
2
Следует заметить, что ат - это единица измерения технической атмосферы, соответствующая в единицах измерения системы СИ: 9,81⋅10 Н/м.
Пример конкретного выполнения содержит пять иллюстраций. На фиг. 1 приведен продольный разрез предложенного электроимпульсного бурового долота, на фиг. 2 представлен его вид с призабойного торца, на фиг. 3 изображена часть бурового снаряда, расположенная над электроимпульсным буровым долотом, на фиг. 4 приведен вид сверху на предохранительный электрод, а на фиг. 5 и фиг. 6 представлены фотографии шлама крупнозернистого гранита, полученного с помощью предложенного устройства с межэлектродным расстоянием 35 мм: на фиг. 5 шлам на сите с отверстиями 10 мм, а на фиг. 6 на проволочном сите с квадратными (20×20 мм) ячейками. Электроимпульсное буровое долото содержит (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3) разделенные высоковольтным сплошным изолятором 1 заземленную 2 и высоковольтную 3 коронки. Заземленная коронка 2 выполнена с заземленными стержневыми электродами 4, которые равномерно расположены в призабойной части электроимпульсного бурового долота. Между каждой парой этих электродов 4 равноудаленно от них размещены нижние (призабойные) концы высоковольтных стержневых электродов 5, а их верхние концы прикреплены к цилиндрической части высоковольтной коронки 3 над ее боковыми промывочными окнами 6. Для обеспечения подачи потоком промывочной жидкости шлама, в том числе крупных его фракций, во внутреннюю полость высоковольтной коронки 3 ширина и высота или диаметр боковых промывочных окон 6 должны быть больше межэлектродного расстояния. На фиг. 1 показаны наиболее удаленные от осевой линии электроимпульсного бурового долота поверхности заземленных и высоковольтных стержневых электродов 7, которые расположены на одинаковом расстоянии от этой осевой линии (для обеспечения равномерной обработки стенок скважины с сохранением одного диаметра скважины по всей глубине). Электроды изготовлены из стали ШХ-15, предназначенной для шарикоподшипникового производства. В рассматриваемом примере конкретного выполнения расстояние между разнополярными электродами составляет 35 мм, внутренний диаметр высоковольтной коронки 3 равен 49,5 мм, наружный диаметр ее цилиндрической части 57 мм, диаметр электроимпульсного бурового долота в призабойной части - 134 мм. Часть бурового снаряда, расположенная над электроимпульсным буровым долотом (фиг. 3), включает в себя колонну бурильных труб 8, присоединенную с помощью нижнего переходника 9 к заземленной коронке 2, и расположенный в этой колонне коаксиально высоковольтный трубчатый токовод 10 (внутренний диаметр 49,5 мм, наружный - 57 мм). Нижний конец этого токовода 10 и верхний конец высоковольтной коронки 3 вставлены во втулку 11 нижнего центрирующего изолятора 12, выполненного с продольными каналами 13. Колонна бурильных труб 8 снабжена верхним переходником 14, на который навинчена изоляционная труба 15. Сверху в изоляционную трубу 15 ввинчен наголовник 16. Через него пропущена верхняя секция высоковольтного трубчатого токовода 10: к верхнему концу этой секции присоединен отвод восходящего потока промывочной жидкости и шлама 17. Резиновая прокладка 18 и гайка 19 служат для герметизации межтрубной полости бурового снаряда 20, а для заполнения этой полости диэлектрической жидкостью или газом под давлением к наголовнику 16 приварен штуцер 21, снабженный манометром 22 и вентилем 23. В зазоре между стенкой скважины и буровым снарядом нисходящий поток промывочной жидкости создают за счет ее подачи в промывочный патрубок 24, прикрепленный к прижимному устройству 25, под которым размещен кольцевой герметизатор устья скважины 26, выполненный из пористой маслостойкой резины. Чтобы буровой снаряд мог опускаться в скважину в процессе бурения, и при этом промывочная жидкость не вытекала вверх из зазора между буровым снарядом и стенкой скважины, болтами регулируют степень сжатия уплотнительного кольца 27. На фиг. 1 непосредственно под высоковольтным сплошным изолятором приведен предохранительный электрод 28, выполненный в виде многолопастного колеса. На фиг. 4 электрод 28 изображен в натуральную величину. Основными его элементами являются внутреннее кольцо 29, разрядное наружное кольцо 30 и укрепленные между этими кольцами с помощью сварки в среде аргона опорные ребра 31. Для предотвращения развития высоковольтных электрических разрядов в межтрубной полости 20 (фиг. 1 и фиг. 3), расположенной между высоковольтным сплошным изолятором 1 (фиг. 1) и наголовником 16 (фиг. 3), перед подачей высоковольтных импульсов на отвод промывочной жидкости и шлама 17 через штуцер 21 эту полость заполняют диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом, или газом под давлением не менее 10 ат, например азотом.
Работа предложенного устройства заключается в следующем (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3). На забой предварительно забуренной скважины диаметром 140 мм и глубиной 0,4 м устанавливают предложенное электроимпульсное буровое долото и полностью собирают весь буровой снаряд. Через прижимное устройство 25 (фиг. 3) сжимают кольцевой герметизатор устья скважины 26, а с помощью болтов регулируют степень сжатия уплотнительного кольца 27 так, чтобы при углубке скважины буровой снаряд мог опускаться в скважину. При необходимости в процессе бурения степень сжатия регулируют дополнительно. Через штуцер 21 межтрубную полость 20 бурового снаряда, расположенную между высоковольтным сплошным изолятором 1 и наголовником 16, заполняют трансформаторным маслом или другой диэлектрической жидкостью с высокой электрической прочностью, например, применяемой для изоляции в трансформаторах, в маслонаполненных кабелях и т.п. При опытных испытаниях межтрубную полость бурового снаряда 20 поочередно заполняли различными газами и их смесями под давлением не менее 10 ат. В результате установлено, что наиболее приемлемым является азот под давлением не менее 10 ат, т.к. азот (в газовых баллонах под давлением) сравнительно дешев, на рынке не является дефицитным. Кроме того, при единичных электрических пробоях азот не создает дополнительно условий для развития электрических разрядов в зоне единичных пробоев, т.к., в отличие от других газов и их смесей, при электрических пробоях азот разлагается сравнительно слабо с образованием незначительного количества электропроводящей сажи. Затем через промывочный патрубок 24 в зазор между стенкой скважины и буровым снарядом подают промывочную жидкость, а на отвод промывочной жидкости и шлама 17 импульсы высокого напряжения (на иллюстрациях источник импульсов высокого напряжения не приведен). Промывочная жидкость, обогащаясь в призабойной зоне скважины шламом, поднимается через боковые промывочные окна высоковольтной коронки 6 (фиг. 1), трубчатую часть высоковольтной коронки 3, высоковольтный трубчатый токовод 10 (фиг. 3) и отвод промывочной жидкости и шлама 17, на дневную поверхность и попадает в шламоприемный узел (не приведен), откуда после отделения шлама снова закачивается в скважину.
Результаты испытаний. На закрытом для добычи щебенки Степановском карьере г. Томска в окварцованном песчанике без серьезных осложнений (были незначительные утечки промывочной жидкости) пробурена скважина глубиной 11 м. В качестве промывочной жидкости применялось дизельное топливо.
5
Буровой снаряд показал работоспособность и при использовании для промывки очищенной воды (с начальным удельным сопротивлением 1⋅10 Ом⋅см). Перед использованием в качестве промывочной жидкости очищенной воды через штуцер 21 (фиг. 3) межтрубную полость 20 бурового снаряда заполнили азотом под давлением 10 атм в песчано-глинистом грунте без каких-либо осложнений (на территории Томского политехнического университета) пробурена скважина глубиной 3,5 м. При применении электропроводящих промывочных жидкостей в несколько раз повысить срок службы высоковольтного сплошного изолятора 1 (его нижней поверхности) позволяет предохранительный электрод 28 (фиг. 1), который снижает напряженность электрического поля в наиболее опасной зоне, где находятся нижняя часть высоковольтного сплошного изолятора 1, контактирующая с высоковольтной коронкой 3 (в ее зоне над высоковольтными стержневыми электродами 5), и электропроводящая промывочная жидкость. Кроме того, при наличии предохранительного электрода 28 единичные электрические разряды развиваются не по нижней поверхности высоковольтного сплошного изолятора 1, а между наружной поверхностью этого электрода и заземленными стержневыми электродами 4, предохраняя поверхность изолятора 1 от развития по ней, а затем и внутри изолятора, высоковольтных импульсных разрядов.
yд
3
В таблице приведены удельные энергозатраты W, Дж/см, полученные при применении рассмотренного бурового снаряда с межэлектродным расстоянием L=35 мм при бурении с промывкой дизельным топливом скважины (глубиной 11 м) в окварцованном песчанике на карьере, а также в крупных блоках других горных пород с использованием буровых долот с межэлектродным расстоянием 15 мм (прототип), 35 мм (в примере конкретного применения) и 70 мм.
Анализ приведенных в таблице данных показывает следующее. Межэлектродное расстояние предложенного бурового долота, которое испытано на полигоне, составляет 35 мм, что в 2,33 раза больше, чем у бурового долота-прототипа, равное 15 мм, а удельные энергозатраты меньше в 2,26-2,38 раза. Из сравнения данных испытаний предложенного долота с L=35 мм и L=70 мм (увеличение межэлектродного расстояния в два раза) видно, что при этом увеличении межэлектродного расстояния в 2 раза, удельные энергозатраты при бурении в микрокварците и окварцованном песчанике уменьшаются в 2 раза, а при бурении в крупнозернистом граните в 1,7 раза. Из приведенных данных испытаний следует вывод, что при увеличении межэлектродного расстояния долота предложенной конструкции почти во столько же раз снижаются удельные энергозатраты, в т.ч. и при сравнении с устройством-прототипом, который позволяет вести бурение с получением керна и выносом его на поверхность промывочной жидкостью. Как отмечено выше, при использовании бурового долота предложенной конструкции размеры наиболее крупных частиц шлама следующие: по длине равны величины межэлектродного расстояния, по толщине до 0,3, а по ширине до 0,5 от этого расстояния, и могут быть использованы для геологических анализов. Для подтверждения этого представлены фотографии шлама крупнозернистого гранита, полученного при испытаниях предложенного электроимпульсного бурового долота с межэлектродным расстоянием 35 мм: на фиг. 5 представлен шлам на сите с отверстиями 10 мм, а на фиг. 6 - на проволочном сите с квадратными (20×20 мм) ячейками, где (в правом верхнем углу) частица шлама имеет длину более 40 мм. Важно и то, что предложенное долото при очень низком износе электродов (даже при проходке сотен метров в кварцитах) позволяет вести бурение скважин большого диаметра (до 500 мм) при низких удельных энергозатратах в крепких горных породах с обратной промывкой. В связи с этим имеются перспективы его применения при бурении гидрогеологических, гидротермальных и взрывных скважин, скважин для захоронения радиоактивных отходов и др. По бурению водозаборных скважин имеются предложения из Республики Алтай, Крыма, Киргизии, Швейцарии и др.