СПОСОБ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН, ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ БУРОВОЙ НАКОНЕЧНИК
ELECTRIC PULSE WELL DRILLING AND ELECTRIC PULSE DRILL TIP

Изобретение относится к способам и устройствам бурения скважин и стволов при геологоразведочных работах, для проходки горных выработок в горнодобывающей промышленности, в нефтегазодобывающих отраслях, разрушения твердых тел в строительстве, при строительстве опор линий электропередач, и может быть использовано для бурения скважин в районах вечной мерзлоты со скальными грунтами, с грунтами повышенной твердости, для разрушения бетонных и железобетонных изделий, прорезания щелей в бетонных и железобетонных изделиях.
Известен способ электроимпульсного бурения скважин и разрушения твердых тел. Так, например, известен электроимпульсный способ бурения скважин и буровая установка (Бажов В.Ф., Семкин Б.В., Адам А.М. Оптимизация электроимпульсного разрушения горных пород и искусственных материалов. // Известия высших учебных заведений «Физика». - 1996. - №4. - С.106-109).
Сущность данного способа заключается в том, что на электроды бурового наконечника, установленного на горную породу, которая покрыта промывочной жидкостью, подают импульсы высокого напряжения микросекундной длительности. Происходит внедрение канала электрического разряда в горную породу с последующим ее разрушением вокруг канала электрического пробоя с отрывом находящейся под ним горной породы. При этом время воздействия импульса напряжения до пробоя выбирают в зависимости от длины межэлектродного промежутка.
Основным недостатком известного способа является сложность изменения времени воздействия импульсов напряжения.
Известно устройство бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами. Так, например, известен электроимпульсный буровой наконечник SU (а.с. 730027 от 30.12.1971 г., опубл. 16.04.1994 г.). Сущность бурового наконечника заключается в том, что он состоит из высоковольтной и заземленной электродных систем, разделенных диэлектриком, причем к рабочим поверхностям высоковольтной электродной системы прикреплены диэлектрические подкладки. Наличие диэлектрических подкладок вызывает резкое искажение электрического поля у торцевой части высоковольтных электродов и, как следствие, приводит к увеличению скорости развития канала разряда, что повышает вероятность и глубину внедрения разрядов в горную породу.
Основным недостатком данного устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами является способность бурения только при использовании электроизоляционных промывных буровых растворов и высокая вероятность зависания бурового снаряда в скважине.
Известен также другой электроимпульсный способ бурения скважин (Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - С.-Пб.: Наука, 1995 - С.7-11, 34-62, 220-224 и С.11-16, 231-240). Этот способ заключается в том, что разрушаемую горную породу помещают в жидкость, которая является электроизоляционной при заданных параметрах высоковольтных импульсов. При подаче импульсов высокого напряжения на электроды происходит внедрение разряда в горную породу и ее разрушение. При этом оптимизируют несколько параметров.
Основным недостатком этого способа аналога является оптимизация только части параметров для электрического пробоя горной породы, причем пробоя при противостоящих электродах. Однако при бурении скважин условия заметно отличаются, так как у горной породы в скважине лишь одна обнаженная поверхность, на которую и накладывают электроды.
Наиболее близким к предложенному нами способу и устройству бурения твердых тел является выбранный нами за прототип электроимпульсный способ бурения скважин и буровой наконечник (патент RU № 2123596, C1, МПК E21C 37/18 от 14.10.1996 г., опубл. 20.12.1998 г., Бюл. №35).
По выбранному за прототип способу разрушение горных пород, находящихся под слоем электроизоляционной промывочной жидкости, осуществляют высоковольтными импульсными разрядами, которые происходят внутри горной породы, причем основные параметры бурения выбирают из условий, зависящих от экспериментальных значений амплитуды импульсного напряжения пробоя горной породы в промывочной жидкости, от числа электродов бурового наконечника, межэлектродного промежутка бурового наконечника и диаметра бурового наконечника, частоты следования электрических импульсов, выраженных эмпирическими зависимостями.
Основным недостатком этого способа является использование в качестве промывочной жидкости только электроизоляционной промывочной жидкости. Как правило, основой этих жидкостей являются жидкости на основе нефти (например, соляровое масло). Это является в первую очередь нарушением экологической обстановки не только места бурения скважины, но и подверженность загрязнения подземной среды продуктами промывочной жидкости - попадания продуктов промывочной жидкости в водоносные горизонты и их загрязнение. Этот факт сильно ограничивает возможности применения данного способа бурения скважин.
Выбранное за прототип устройство представляет буровой наконечник, приведенный на фиг.1 (патент № 2123596) и состоящий из высоковольтного и заземленного электродов, разделенных твердым изолятором.
Основным недостатком известного способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами является отсутствие возможности использования для промывки скважин электропроводной промывочной жидкости, например воды или растворов на ее основе.
Техническим результатом предложенных нами способа и устройства является возможность применения электропроводных промывочных жидкостей. Предложенный способ и устройство позволяют также устранить основные недостатки известных технических решений и повысить эффективность и экологическую безопасность бурения скважин электроимпульсным способом.
Указанный технический результат, согласно предложенному решению, достигается тем, что в предложенном способе бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами, включающем разрушение твердых тел непосредственно высоковольтными импульсными электрическими разрядами в твердых телах между высоковольтным и заземленным электродами электроимпульсного бурового наконечника, в процессе разрушения твердых тел нисходящим потоком электропроводной промывной жидкости образуют газовую полость вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода.
Указанный технический результат достигается также тем, что в предложенном электроимпульсном буровом наконечнике, содержащем высоковольтный и заземленный электроды, разделенные изолятором, выполненным с окнами для подачи промывочной жидкости, согласно предложенному решению высоковольтный электрод выполнен в виде юбки, а центральный заземленный электрод выполнен подпружиненным, причем электроимпульсный буровой наконечник снабжен вторым заземленным электродом, выполненным в виде кольца, расположенным выше высоковольтного электрода.
Пример конкретного выполнения предложенного способа. Для сравнения предложенного и известного способов электроимпульсного бурения был изготовлен экспериментальный буровой наконечник, конструкция которого изображена на Фиг.1. Высоковольтный электрод 1 установлен по оси бурового снаряда диаметром 12 мм, который имеет подпружиненный 2 ход 40 мм. Заземленный электрод 3 является продолжением наружного корпуса 4 бурового снаряда наружным диаметром 89 мм, расширяющейся конусообразно в сторону забоя наружным диаметром 100 мм. Электроды 1 и 3 разделены твердым изолятором из полиэтилена 5. Внутри корпуса 4 соосно расположена труба 6 наружным диаметром 68 мм. Внутри трубы 6 соосно расположен высоковольтный токовод 7, который изолирован от трубы 6 изолятором 5. Промежуток между трубами 4 и 6 используется для прокачки промывочной жидкости 8. В изоляторе 5 имеются окна 9 для подачи промывочной жидкости 8. На образце горной породы 10 (использовалась горная порода - песчаник) установлен превентор 11, который обеспечивает герметизацию промывочной жидкости от разлива по поверхности и сбора твердых продуктов от бурения в скважине. К превентору 11 подсоединен промывочный насос 12 с системой очистки от продуктов бурения, который подает промывочную жидкость к буровому наконечнику.
Для проведения сравнительных испытаний в качестве промывочных жидкостей использовалась техническая вода и дизельное топливо. При бурении измерялись следующие параметры: напряжение пробоя горной породы, энергия электрического разряда, количество импульсов и средний объем разрушенной горной породы за один импульс. Расход промывной жидкости замерялся жидкостным расходомером и подбирался исходя из оптимального расхода, необходимого для удаления продуктов бурения и образования парогазовой полости 13 (Фиг.1 и Фиг.2) вокруг призабойного оголенного конца высоковольтного электрода 1.
Первоначальные эксперименты проведены по определению пробивных напряжений и удельных энергозатрат на 1 кубический сантиметр пробуренной породы экспериментального бурового снаряда при отсутствии промывки, при заполненной системе водой (Таблица 1)и при заполненной системе дизельным топливом (Таблица 2). Пробой горной породы осуществлялся на фронте импульса напряжения.
Таблица 1
U<sub>пр</sub>, кВ
180
200
220
250
280
330
350
400
450
500
W, Дж/см<sup>3</sup>
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
350
320
290
260
240
Таблица 2
U<sub>пр</sub>, кВ
180
200
220
250
280
330
350
400
450
500
W, Дж/см<sup>3</sup>
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
нет пробоя горной породы
310
280
230
180
190
220
250
Из данных, приведенных в таблицах 1 и 2, видно, что при напряжении ниже минимального рабочего (для воды Up=350 кВ, а для дизельного топлива Up=310 кВ) нет внедрения канала разряда в горную породу и, как следствие, отсутствует ее разрушение. Повышение напряжения приводит к возникновению пробоя в горной породе и ее разрушению, но при этом вероятность внедрения канала разряда в горную породу меньше 100%.
3
Дальнейшие испытания экспериментального бурового снаряда проводились с использованием промывки. Для данного диаметра бурового снаряда экспериментально был установлен оптимальный расход промывочной жидкости, равный 15 м/час, и в последующих испытаниях этот расход промывочной жидкости оставался неизменным.
В таблице 3 приведены экспериментальные данные при бурении, где в качестве промывочной жидкости использовалась техническая вода.
Таблица 3
U<sub>пр</sub>, кВ
200
220
250
300
350
400
450
500
W<sub>имп</sub>, Дж
320
387
500
720
980
1280
1620
2000
N<sub>имп</sub>
150
150
150
150
150
150
150
150
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msub></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
1.7
2,4
3.5
5.6
6.1
5.8
5.4
4,6
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>ж</mi><mi>и</mi><mi>д</mi><mi>к</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
15
15
15
15
15
15
15
15
В таблице 4 приведены экспериментальные данные при бурении, где в качестве промывочной жидкости использовалось дизельное топливо.
Таблица 4
U<sub>пр</sub> кВ
200
220
250
300
350
400
450
500
W<sub>имп</sub> Дж
320
387
500
720
980
1280
1620
2000
N<sub>имп</sub>
150
150
150
150
150
150
150
150
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow></msub></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
1.8
2,6
3.7
5.8
6.3
5.9
5.5
4,8
<maths num="4"><math display="block"><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>ж</mi><mi>и</mi><mi>д</mi><mi>к</mi><mo>.</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
15
15
15
15
15
15
15
15
-7
-5
-6
Из экспериментальных данных, приведенных в таблицах 3 и 4, видно, что электроимпульсное бурение при использовании воды в качестве промывочной жидкости по своим характеристикам практически не уступает электроимпульсному бурению при использование дизельного топлива в качестве промывочной жидкости. Предложенный способ даже превосходит ранее известный по энергетическим показателям, а именно: происходит снижение уровня напряжения на пробой горной породы и, как следствие, снижение энергетических затрат на процесс разрушения горной породы. Этот факт можно объяснить исходя из следующего. Известно, что пробой твердых диэлектриков в первую очередь зависит от напряженности электрического поля в твердом диэлектрике (см., например книгу «Техника высоких напряжений»./ Под ред. Чл. Кор. АН СССР М.В. Костенко, стр.126÷133, -М.:«Высшая школа», 1973 г.), при достижении которой в твердом диэлектрике образуется канал проводимости и, как следствие, его пробой. В сильнонеоднородных полях электрический разряд возникает только в области высокой напряженности поля вблизи электродов с малым радиусом кривизны. В предлагаемом устройстве и способе после приложения напряжения к высоковольтному электроду 1 (см. Фиг.1) при достижении некоторого критического напряжения происходит пробой газовой полости 13 и образуется высокопроводящий канал разряда. Напряженность электрического поля на конце данного канала на несколько порядков выше (диаметр канала незавершенного разряда меньше микрона), чем в стационарной системе электродов,и изменение напряженности поля происходит за время меньше 10 сек (определяется временем пробоя газовой полости). Также известно, что на коротких временах воздействия напряжения (менее 10÷10 сек), электрическая прочность жидких диэлектриков становится выше, чем твердых диэлектриков (Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - С.-Пб.: Наука, 1995. - С.7-11). После пробоя газовой полости происходит пробой слоя жидкости между газовой полостью и твердым телом (если таковая имеется), а затем происходит пробой твердого тела (горной породы), и под действием выделяющейся в канале разряда энергии происходит разрушение горной породы. Вероятность пробоя горной породы увеличивается практически до 100%, а напряжение пробоя снижается за счет более высокой напряженности электрического поля в разрядном промежутке.
Также известно, что для уменьшения предпробивных потерь в электродных системах, заполненных водой, площадь высоковольтного электрода, контактирующего с водой, должна быть минимальной (см., например, Г.А. Гулый, П.П. Малюшевский. Высоковольтный электрический разряд в силовых импульсных системах. -Киев, :«Наукова Думка», 1977, С.30-34).
Конкретное выполнение предложенного способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами.
Электроимпульсный буровой наконечник (Фиг.1 и Фиг.2), состоящий из высоковольтного 1 и заземленного 3 электродов, разделенных изолятором 5 с окнами 9 для подачи промывочной жидкости 8. Поток промывочной жидкости 8 на основе воды, поступающей через окна 9 в изоляторе 5, разделяющем высоковольтный 1 и 3 электроды, образует вокруг высоковольтного электрода 1 газовую полость 13, обеспечивающую отсутствие контакта оголенных частей высоковольтного электрода с промывочной жидкостью.
Кроме того (Фиг.2), высоковольтный электрод 1 выполнен в виде юбки, рабочей поверхностью которой является торец широкой части электрода, причем два заземленных электрода 3 расположены: один по центру бурового наконечника, а второй заземленный электрод 3 в виде кольца расположен выше высоковольтного, который соединен с наружным корпусом 4.
Принцип действия предлагаемого способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами заключается в следующем. Привентор 11 заполняется промывочной жидкостью 8 на основе воды. Запускается промывной насос 12. Под действием нисходящего потока промывочной жидкости, поступающей через промывочные окна 9, образуется газовая полость 13 вокруг оголенной части высоковольтного электрода 1, которая изолирует высоковольтный электрод от прямого контакта с промывочной жидкостью. После выхода системы промывки на рабочий режим (полного заполнения системы промывки промывочной жидкостью и удаления остатков воздуха из системы промывки) включается источник импульсов высокого напряжения. Импульсы высокого напряжения поступают на электродную систему 1 и 3 электроимпульсного бурового наконечника. Под действием высокого напряжения на высоковольтном электроде происходит пробой газовой полости 13, окружающей высоковольтный электрод 1, затем происходит пробой промывочной жидкости 8, а затем пробой горной породы 10. Под действием высоковольтных разрядов происходит отрыв и разрушение горной породы 10. Первоначально пробой горной породы и ее разрушение происходит в нижней торцевой части бурового снаряда. По мере углубления забоя происходит выдвижение центральной части заземленного электрода 3 (фиг.2) под действием пружины 2 и межэлектродный промежуток увеличивается. Расстояние между высоковольтным электродом 1 и боковым заземленным кольцевым электродом 3 становится соизмеримым с межэлектродным промежутком, расположенным в торцевой части и высоковольтные разряды образуются между высоковольтным электродом 1 и кольцевым заземленным электродом 3. В результате этих разрядов происходит пробой и разрушение горной породы по периферии бурового снаряда, что способствует образованию более широкого диаметра скважины и независанию бурового снаряда в самой скважине, также это способствует образованию более широкого канала для выноса продуктов бурения на поверхность. Продукты бурения вместе с промывочной жидкостью по затрубному пространству попадают в превентор, из которого они любым известным способом удаляются, а очищенная промывочная жидкость вновь поступает в забой.
Отсутствие необходимости поворота бурового снаряда относительно его оси, постоянство электрических полей в забойной части между электродной системой, использование в качестве промывочной жидкости жидкостей на основе воды (или чисто технической воды), дает несомненные преимущества предлагаемого способа и устройства бурения твердых тел электрическими импульсными разрядами перед известными способами электроимпульсного бурения.