ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ БУРОВОЙ СНАРЯД
ELECTRIC PULSE DRILLING ASSEMBLY

Электроимпульсный буровой снаряд предназначен для проходки скважин и стволов высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися непосредственно в горной породе, и может найти применение в горной промышленности для проходки в крепких горных породах скважин и стволов диаметром от 400 мм до 2,0 м и глубиной от десятков до сотен метров. Предложенный снаряд может быть применен и в строительной отрасли для бурения скважин в крепких горных породах глубиною в несколько метров.
4
Известен электроимпульсный буровой снаряд [патент на изобретение SU №730022, МПК Е21С 37/18, опубл. 30.12.87. вып.№48], который содержит буровую колонну, в которой коаксиально размещена высоковольтная токопроводящая система, буровой наконечник и генератор высоковольтных импульсов, расположенный над буровым наконечником внутри колонны бурильных труб. Размещение генератора высоковольтных импульсов непосредственно над буровым наконечником позволяет существенно уменьшить искажение импульсов. Минимальное искажение импульсов необходимо для внедрения разрядов в горную породу с разрушением ее на забое скважины.
Основной недостаток известного бурового снаряда связан с тем, что для его работы предусмотрено зарядное устройство устанавливать на земной поверхности и оттуда подавать постоянное высокое зарядное напряжение (36 кВ) на генератор высоковольтных импульсов, размещенный над буровым наконечником внутри колонны бурильных труб. В результате этого в процессе бурения токопроводящая система находится под высоким напряжением, что требует надежной ее изоляции и предъявляет повышенные требования к безопасности работы с буровым снарядом. Другой существенный недостаток вызван тем, что при развитии каждого высоковольтного импульсного разряда в горной породе буровой снаряд подскакивает над забоем скважины на высоту от долей миллиметров до нескольких миллиметров, в том числе и его генератор высоковольтных импульсов, что существенно снижает время безаварийной работы генератора. Также отрицательно влияют на работу генератора и электрогидравлические удары, связанные с кавитационными процессами в промывочной жидкости, вызванными высоковольтными импульсными разрядами на забое скважины.
Первый недостаток позволяет устранить изобретение «Способ бурения горных пород электрическими импульсными разрядами и буровой снаряд» [патент RU №2319009; МПК Е21С 37/18, Е21В 7/00 (2006.01), опубл. 10.03.2008. Бюл. №7], в котором рассмотрен выбранный за прототип буровой снаряд для бурения высоковольтными импульсными разрядами, включающий в себя последовательно соединенные буровой наконечник и колонну бурильных труб, внутри которой непосредственно над буровым наконечником размещены источник высоковольтных импульсов и его зарядное устройство, электрически подсоединенное к тоководу, который введен сверху в колонну бурильных труб, причем источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство снабжены рубашкой, образующей канал для потока промывочной жидкости между колонной бурильных труб и рубашкой.
Основной недостаток устройства - прототипа вызван тем, что при развитии каждого высоковольтного импульсного разряда в горной породе происходит подскок бурового снаряда над забоем скважины на высоту до нескольких миллиметров. Кроме того, на источник высоковольтных импульсов и частично на зарядное устройство воздействуют электрогидравлические удары, возникающие из-за кавитационных процессов в промывочной жидкости. Это предъявляет повышенные требования к механической прочности всех элементов источника высоковольтных импульсов и их соединений. Срок безаварийной работы бурового снаряда не превышает 10 часов, так как отламываются выводы конденсаторов, изменяются установленные зазоры между электродами разрядников, нарушаются механические и электрические соединения элементов источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства и др.
Основной технический результат предложенного решения состоит в увеличении в несколько раз срока безаварийной работы источника высоковольтных импульсов и зарядного устройства благодаря тому, что практически полностью устранены их подскоки и существенно снижено воздействие на них электрогидравлических ударов.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроимпульсном буровом снаряде для проходки скважин высоковольтными импульсными разрядами, содержащем последовательно соединенные гидротоковвод, колонну бурильных труб и буровой наконечник, над которым внутри колонны бурильных труб последовательно размещены источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство, электрически подсоединенное к осевому тоководу, введенному коаксиально в колонну бурильных труб через гидротоковвод, согласно предложенному решению, источник высоковольтных импульсов и зарядное устройство жестко закреплены на центральной трубе, свободно надетой на осевой токовод, и к нижнему концу центральной трубы прикреплены один или несколько забойных упоров, которые выполнены с возможностью продольного перемещения до частичного выхода из бурового наконечника.
Целесообразно под источником высоковольтных импульсов устанавливать пружину-амортизатор, размещая ее в подвижном кожухе, выполненном в виде стакана с центральным донным отверстием, через которое свободно пропущена центральная труба, при этом нижний конец источника высоковольтных импульсов размещен в подвижном кожухе над пружиной-амортизатором.
Также целесообразно забойные упоры выполнять выступающими из приподнятого над забоем скважины бурового снаряда более чем на 1/3 межэлектродного расстояния бурового наконечника.
Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен продольный разрез предложенного бурового снаряда, приподнятого над забоем скважины; на фиг.2 изображен вид А на его торцевую поверхность; на фиг.3 буровой снаряд показан стоящим на забое скважины. Электроимпульсный буровой снаряд (фиг.1 и фиг.2) содержит гидротоковвод 1, служащий для подачи в колонну бурильных труб 2 через входной штуцер 3 промывочной жидкости 4 и для коаксиального ввода в колонну бурильных труб осевого токовода 5. С другого конца к колонне бурильных труб 2 присоединен корпус бурового наконечника 6. Основными элементами бурового наконечника являются также высоковольтные электроды 7, заземленные электроды 8 и высоковольтный изолятор 9. Внутри колонны бурильных труб 2 на осевой токовод 5 свободно надета центральная труба 10, к нижнему (призабойному) концу которой прикреплены два забойных упора 11. Над забойными упорами 11 установлена пружина-амортизатор 12, размещенная в подвижном кожухе 13. Кожух 13 выполнен в виде стакана с центральным донным отверстием, через которое кожух свободно надет на центральную трубу 10. Над пружиной-амортизатором 12 на центральной трубе 10 жестко закреплены зарядное устройство 14 и источник высоковольтных импульсов 15. Нижний конец источника высоковольтных импульсов 15 размещен в подвижном кожухе 13 над пружиной-амортизатором 12. Для подвода к зарядному устройству 14 переменного напряжения (220-380 В) к нему подведен гибкий низковольтный кабель 16. Высоковольтный кабель 17 предназначен для подачи высокого постоянного напряжения (36 кВ) от зарядного устройства 14 на источник импульсов высокого напряжения 15. В приподнятом над забоем скважины положении бурового снаряда призабойные упоры 11 выступают из него более чем на 1/3 межэлектродного расстояния (зазора между разнополярными электродами 7 и 8) бурового наконечника. Устье скважины укреплено кондуктором 18, снабженным выходным штуцером 19 для обеспечения выноса из скважины промывочной жидкостью 4 шлама 20.
Работа предложенного электроимпульсного бурового снаряда происходит следующим образом. Буровой снаряд через кондуктор 18 спускают в скважину. До установки снаряда на забой скважины его элементы занимают положение, показанное на фиг.1. Центральная труба 10 находится в нижней позиции, а вместе с этой трубой жестко закрепленные на ней зарядное устройство 14 и источник высоковольтных импульсов 15, а также свободно надетые на центральную трубу пружина-амортизатор 12 и ее подвижный кожух 13. Забойные упоры 11 выступают из призабойной торцевой поверхности бурового снаряда более чем на 1/3 расстояния между высоковольтным электродами 7 и заземленными 8. С момента, когда забойные упоры 11 достигают забоя скважины, эти упоры, центральная труба 10, подвижный кожух 13, пружина-амортизатор 12, источник высоковольтных импульсов 15 и зарядное устройство 14 остаются на месте, а к забою скважины продолжают перемещаться осевой токовод 5, гидротоковвод 1, колонна бурильных труб 2, все элементы бурового наконечника (6, 7, 8 и 9) до установки высоковольтных электродов 7 и заземленных 8 на забой скважины. Величина такого перемещения к забою равна тому, насколько выступают забойные упоры 11 из призабойной торцевой поверхности бурового снаряда до касания упоров забоя скважины. При расположении элементов бурового снаряда в соответствии с фиг.3 (снаряд стоит на забое) через входной штуцер 3 в колонну бурильных труб 2 закачивают промывочную жидкость 4 (дизельное топливо или другую диэлектрическую жидкость), а когда она начнет вытекать из выходного штуцера 19, на зарядное устройство 14 (по кабелю 16) подают переменное напряжение 220 В. От зарядного устройства 14 постоянное зарядное напряжение (36 кВ) поступает (по кабелю 17) на источник импульсов 15, который вырабатывает импульсы высокого напряжения (амплитудой до 400 кВ при частоте следования 10 имп/с), которые приводят к развитию высоковольтных импульсных разрядов в горной породе на забое скважины с разрушением этой породы. Образующийся шлам 20 выносится с забоя скважины по затрубному пространству промывочной жидкостью 4, которую после ее истекания из выходного штуцера 19 очищают от шлама и вновь подают в скважину через входной штуцер 3. При развитии в горной породе каждого электрического разряда происходит подскок всех элементов бурового снаряда, которые не приподняты над забоем скважины с помощью забойных упоров 11: корпуса бурового наконечника 6 с электродами 7, 8 и высоковольтным изолятором 9, а также колонны бурильных труб 2, осевого токовода 5 и гидротоковвода 1. Центральная труба 10, пружина-амортизатор 12, подвижный кожух 13, а главное, источник высоковольтных импульсов 15 и зарядное устройство 14 не подскакивают, и их детали, соединения этих деталей не разрушаются, не выходят из строя. Этому способствует и снабжение бурового снаряда пружиной-амортизатором 12 и подвижным кожухом 13, которые гасят электрогидравлические удары и способствуют увеличению срока безаварийной работы бурового снаряда, который в течение 52 часов ни разу не вышел из строя при бурении в граните скважины диаметром 400 мм.
Необходимость в том, чтобы в приподнятом над забоем скважины снаряде забойные упоры 11 выступали из него более чем на 1/3 межэлектродного расстояния, вызвана тем, что глубина откольных воронок, образующихся при развитии электрических разрядов в горной породе, не превышает 1/3 межэлектродного расстояния. Чтобы забойные упоры 11 не зависали над откольными воронками, и нужно выполнять это требование. Иначе забойные упоры 11 зависнут над откольными воронками, не достигая их дна, и источник высоковольтных импульсов 15, зарядное устройство 14 будут подскакивать при каждом разряде в горной породе (если разряд развивается не в горной породе, а в промывочной жидкости, то подскоков не происходит, но тогда нет и разрушения горной породы, что характерно для случаев существенного искажения формы высоковольтных импульсов).