ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ БУРОВАЯ УСТАНОВКА
ELECTROPULSE DRILLING RIG

Изобретение предназначено для проходки скважин большого диаметра в крепких горных породах высоковольтными разрядами с использованием различных промывочных жидкостей. Изобретение может найти применение в горнодобывающей промышленности для проходки вертикальных и наклонных скважин и стволов, а также при проходке стволов для хранения и утилизации опасных отходов.
Известен электроимпульсный буровой снаряд (авторское свидетельство СССР №730022, МПК E21C 37/18, опубл. 30.12.87, бюл. №48), содержащий высоковольтный ввод, буровую колонну с размещенной внутри нее высоковольтной токопроводящей системой, буровой наконечник и генератор высоковольтных импульсов, расположенный непосредственно над буровым наконечником. Снаряд снабжен также системой промывки.
Недостатком этого бурового снаряда является необходимость подачи высокого постоянного зарядного напряжения по токопроводящей системе буровой колонны от расположенного на поверхности зарядного устройства, что предъявляет повышенные требования к изоляции токопроводящей системы. Кроме того, в этой конструкции не предусмотрено вращение бурового наконечника, которое позволяет существенно повысить эффективность электроимпульсного бурения.
Первый недостаток бурового снаряда-аналога устранен полностью, а второй частично в буровом снаряде-прототипе (патент RU №2319009, МПК E21C 37/18, E21B 7/00, опубл. 10.03.2008, бюл. №7), состоящем из последовательно соединенных колонны бурильных труб, зарядного устройства, источника высоковольтных импульсов и бурового наконечника, причем зарядное устройство и источник высоковольтных импульсов снабжены рубашкой, которая образует канал для нисходящего потока промывочной жидкости между внутренней стенкой колонны бурильных труб и рубашкой. Кроме того, предусмотрено вращение бурового снаряда в процессе его работы.
Основной недостаток бурового снаряда-прототипа заключается в том, что в нем наименьшее расстояние между центральным высоковольтным электродом и заземленным электродом сравнительно велико и близко к величине радиуса бурового наконечника. Так, при диаметре бурового наконечника 100 см это расстояние составляет 48-49 см. Проведенные в НИИ высоких напряжений эксперименты показали, что при разрушении мелкозернистого гранита двухэлектродным устройством с расстоянием между электродами (межэлектродным промежутком) 40 см недостаточно источника импульсов с максимальным напряжением 700 кВ и энергией в импульсе около 50 кДж. При таких же параметрах разрушение эффективно при расстоянии между электродами до 30 см. Таким образом, при использовании бурового снаряда-прототипа с увеличением диаметра его бурового наконечника, а соответственно и диаметра скважины (ствола), приходится применять более мощные и более дорогие источники высоковольтных импульсов. При использовании буровых наконечников с большим расстоянием между электродами существует и проблема выноса продуктов разрушения (шлама) на поверхность промывочной жидкостью, т.к. при электроимпульсном бурении большое количество частиц шлама имеют размеры, превышающие половину расстояния между электродами, т.е. при расстоянии между электродами 30 см часть кусков оторванной разрядами горной породы имеют длину более 15 см. Это не позволяет вести процесс углубки ствола непрерывно. Приходится после проходки 20-30 см останавливать процесс бурения, поднимать из ствола буровой снаряд, извлекать шлам и снова повторять все операции, что существенно снижает эффективность бурения из-за увеличения затрат времени на вспомогательные работы.
Техническим результатом предложенного решения является создание возможности применения при бурении скважин большого диаметра источников высоковольтных импульсов, энергия в импульсе которых и их стоимость в несколько раз меньше, чем у прототипа. Кроме того, кратно повышается эффективность бурения за счет выноса продуктов разрушения на поверхность промывочной жидкостью непосредственно в процессе углубки скважины.
Указанный технический результат достигается тем, что электроимпульсная буровая установка, состоящая из узла вращения, системы промывки, силового шкафа и бурового снаряда, который включает в себя последовательно соединенные колонну бурильных труб, погружное зарядное устройство, погружной источник высоковольтных импульсов и буровой наконечник, согласно предложенному решению содержит несколько параллельно расположенных на вращающейся платформе буровых снарядов, которые выполнены с общей колонной бурильных труб и выход каждого источника высоковольтных импульсов которых электрически соединен со снабженной высоковольтными электродами гребенкой одного из буровых наконечников, параллельно которой размещена гребенка с заземленными электродами, причем в центре платформы установлен опорный заземленный электрод, а шламовый насос для каждого бурового снаряда размещен на платформе.
Целесообразно электроды обеих гребенок выполнять из тросиков, упругих стержней или трубок, призабойные концы которых изогнуты в сторону, обратную направлению вращения бурового снаряда, а высоковольтные электроды снабжать изоляционными покрытиями.
Целесообразно также колонну бурильных труб и напорные трубы шламовых насосов выполнять телескопическими, а всасывающие патрубки шламовых насосов соединять со щелевыми насадками, расположенными за призабойными концами электродов.
Кроме того, целесообразно после каждой щелевой насадки размещать армированные резцами породоразрушающие элементы, наружные концы которых выступают за боковые электроды гребенок на расстояние не более 1/3 межэлектродного промежутка.
Пример конкретного выполнения предложенной электроимпульсной буровой установки проиллюстрирован тремя рисунками. На фиг.1 показана буровая установка на забое скважины в процессе ее работы по разрушению горной породы. На фиг.2 приведен вид сверху по поперечному сечению установки А-А, а на фиг.3 представлено сечение Б-Б гребенок с высоковольтными и заземленными электродами. Установка состоит из платформы 1, на которой параллельно размещены два одинаковых буровых снаряда с общей колонной бурильных труб 2, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные погружное зарядное устройство 3, погружной источник высоковольтных импульсов 4 и буровой наконечник, представляющий собой гребенку 5 с заземленными электродами 6 и расположенную параллельно ей гребенку 7 с высоковольтными электродами 8. Призабойные концы всех электродов изогнуты в сторону, обратную направлению вращения бурового снаряда (фиг.3). Выход погружного источника высоковольтных импульсов 4 (фиг.1 и 2) электрически соединен с гребенкой 7. В центре платформы 1 с нижней ее стороны (фиг.1) установлен опорный заземленный электрод 9. Межэлектродные промежутки между этим электродом и соседними высоковольтными электродами 8 равны величине межэлектродного промежутка между расположенными напротив друг друга высоковольтными электродами 8 и заземленными электродами 6. Все электроды выполнены стержневой формы из нержавеющей стали. Они могут быть изготовлены также из тросиков или упругих трубок. Кроме того, все высоковольтные электроды 8 с гребенкой 7 могут быть снабжены изоляционными покрытиями, например полиэтиленовыми (на рисунках не показаны). На платформе 1 размещено по одному шламовому насосу 10 для каждого бурового снаряда. Колонна бурильных труб 2 и напорные трубы 11 шламовых насосов 10 выполнены телескопическими, а всасывающие патрубки 12 этих насосов соединены со щелевыми насадками 13, которые расположены за изогнутыми призабойными концами электродов 6 и 8. За каждой щелевой насадкой 13 (фиг.2) к платформе 1 (к нижней ее стороне) прикреплены армированные резцами породоразрушающие элементы 14, наружные концы которых выступают за боковые электроды 6 и 8 на расстояние не более 1/3 от межэлектродного промежутка. Назначение армированных резцами породоразрушающих элементов 14 несколько отличное, чем армированных резцами коронок, шарошечных долот при механическом бурении, т.к. в рассматриваемой буровой установке основная задача элементов 14 - доразрушать (отделять от массива) ту горную породу, которая ослаблена высоковольтными разрядами, но полностью от массива не оторвана, т.к. полное разрушение (с отрывом) горных пород высоковольтными разрядами происходит в виде откольных воронок глубиной 1/3 межэлектродного промежутка, а вокруг этих воронок горная порода находится в полуразрушенном состоянии. На фиг.1 также показано, что для подачи переменного напряжения 380 В от силового шкафа 15 в скважину (ствол) 16 к токоприемнику 17 служит кабель питания 18, а от токоприемника к каждому погружному зарядному устройству 3 - силовой кабель 19. Погружной источник высоковольтных импульсов 4 электрически подключен к гребенке 7 (с высоковольтными электродами 8) с помощью высоковольтного ввода 20. На дневной поверхности вокруг скважины размещен желобообразный кольцевой шламосборник 21, который установлен так, чтобы при вращении платформы 1 (с размещенным на ней оборудованием) с помощью узла вращения 22 верхний конец трубы 11 шламового насоса 10 всегда находился над шламосборником. Для возвращения промывочной жидкости 23 из шламосборника 21 в скважину 16 шламосборник снабжен сливным патрубком 24. Устройство для проведения спускоподъемных операций на рисунках не показано. Межэлектродный промежуток между каждой парой соседних разнополярных электродов составляет 80 мм, диаметр опорного заземленного электрода у забоя равен 10 мм, а всех остальных электродов 8 мм. Длина гребенки 5 с заземленными электродами 6, как и гребенки 7 с высоковольтными электродами 8 равна 350 мм. Диаметр электроимпульсной буровой установки по наружным концам армированных резцами породоразрушающих элементов 14 (фиг.2), выступающих на 30 мм каждый, составляет 930 мм.
Работа предложенной буровой установки осуществляется следующим образом (фиг.1 и 2). Платформу 1 с размещенным на ней оборудованием устанавливают на забой скважины 16, скважину заполняют промывочной жидкостью 23 и включают шламовые насосы 10. Заполнение скважины 16 промывочной жидкостью 23 ведут до такого уровня, чтобы при включенных насосах 10 он был выше гребенок 7 с высоковольтными электродами 8 на величину нескольких межэлектродных промежутков. Затем узел вращения 22 включают таким образом, чтобы скорость перемещения крайних боковых частей буровой установки, т.е. наружных концов породоразрушающих элементов 14, составляла 20-25 мм/с (в среднем один оборот снаряда за 130 с). На гребенку 7 с высоковольтными электродами 8 от погружного источника высоковольтных импульсов 4 подают импульсы напряжения 300-350 кВ с частотой 4-5 импульсов в секунду. Шлам, образующийся за счет развивающихся в горной породе электрических разрядов и за счет доразрушения горной породы, ослабленной разрядами, породоразрушающими элементами 14, попадает в две щелевые насадки 13, всасывающие патрубки 12 и подается шламовыми насосами 10 через их напорные трубы 11 в шламосборник 21, в котором шлам отделяют, а очищенная от шлама промывочная жидкость по сливному патрубку 24 стекает обратно в скважину. За один оборот платформы 1 глубина разрушения крупнозернистого гранита составляет 25-30 мм, т.е. средняя скорость бурения установки равна 0,68 м/ч. С учетом того, что износ электродов 6 и 8 от воздействия на них высоковольтных разрядов незначительный, а породоразрушающий элемент 14 работает при низкой скорости вращения и, в основном, только доразрушает ослабленную электрическими разрядами горную породу, можно сделать вывод, что без замены электродов и породоразрушающих элементов может быть пройдена скважина диаметром около 1 м и глубиной 10 м и более, в зависимости от свойств горных пород.